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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung für ein Kraftfahrzeug, ein Energiespeichersystem für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug.
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Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeuge bezeichnet man Kraftfahrzeuge, die teilweise bzw. ausschließlich durch elektrische Energie angetrieben werden.
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Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb weisen beispielsweise eine Brennkraftmaschine, eine elektrische Maschine und eine elektrochemische und/oder elektrostatische Energiespeichervorrichtung auf.
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Die elektrische Maschine des Hybridfahrzeuges fungiert in der Regel als Starter/Generator oder als elektrischer Antrieb. In der Funktion als Starter/Generator wird sie zum Anlassen der Brennkraftmaschine verwendet und ersetzt den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb wird sie zusammen mit der Brennkraftmaschine oder alleine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet. Im Generatorbetrieb ermöglicht sie eine Rekuperation von kinetischer Energie zur Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie und zum Aufladen eines Energiespeichers.
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Beiden Fahrzeugtypen – Hybrid- und Elektrofahrzeug – ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie durch die Energiespeichervorrichtung bereitgestellt werden müssen. Die Energiespeichervorrichtung weist hierzu eine oder mehrere Energiespeicher (elektrochemisch und/oder elektrostatisch) auf, welche elektrische Energie speichern können. Als elektrochemische Energiespeicher werden vorzugsweise Nickel-Metallhydrid Zellen oder Lithium-Ionen Zellen verwendet. Daneben kommen auch elektrostatische Energiespeicher zum Einsatz, beispielsweise Doppelschichtkondensatoren oder Lithium-Kondensatoren.
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Eine Elektronik überwacht die Betriebsparameter des Energiespeichers (bspw. Temperatur, Ladezustand) und regelt ob und in welcher Menge dem Energiespeicher elektrische Energie entnommen oder zugeführt wird.
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Die Energiespeichervorrichtung ist im täglichen Einsatz hohen mechanischen Belastungen, wie Stöße und Vibrationen, ausgesetzt. Diese mechanischen Belastungen können die Energiespeichervorrichtung – insbesondere den Energiespeicher (bspw. Ableiter), die Verbindung zwischen den einzelnen Energiespeichern, und die Elektronik – nachhaltig schädigen und damit die Betriebssicherheit der Energiespeichervorrichtung deutlich herabsetzen. Diese Schädigungen können insbesondere zu einer Reduzierung der Lebenserwartung bzw. zum plötzlichen Totalausfall führen. Bei schweren Schädigungen kann es ferner zum Austreten von giftigen Bestandteilen oder zum Brand kommen.
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Eine Möglichkeit die Schädigung der Energiespeichervorrichtung durch mechanische Belastungen zu verringern besteht darin, die Energiespeichervorrichtung durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen zu verstärken. Erfahrungsgemäß führt dies jedoch zu einem höheren Gewicht und zu höheren Kosten der Energiespeichervorrichtung. Weiterhin erschweren die konstruktiven Maßnahmen die Wiederverwertung der Energiespeichervorrichtung (bspw. dickwandigere Platinen, größer Leistungsquerschnitte, verstärkte elektrische Kontakte und/oder verstärkte Trennwände innerhalb eines Energiespeichers).
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Energiespeichervorrichtung, ein Energiespeichersystem und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche sich durch eine erhöhte Betriebssicherheit auszeichnen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Energiespeichervorrichtung, ein Energiespeichersystem und ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Energiespeichervorrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Anspruch 1 weist ein Gehäuse, mindestens einen elektrischen Energiespeicher und mindestens eine Schutzeinrichtung auf. Der elektrischen Energiespeicher ist im Gehäuse angeordnet. Die Schutzeinrichtung ist an der Außenseite des Gehäuses angeordnet und kann mit dem Gehäuse verbunden oder daran befestigt sein. Die Schutzeinrichtung weist federnde Eigenschaften auf, so dass das Gehäuse mittels der Schutzeinrichtung federnd lagerbar ist.
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Die Schutzeinrichtung weist elastische und kompressible Eigenschaften auf, durch welche sich federnde Eigenschaften ergeben. Durch die federnden Eigenschaften kann die Schutzeinrichtung mechanische Energie (bspw. aus Stößen und Vibrationen) aufnehmen und in Abhängigkeit von der zugehörigen Federkonstante und der Eigenfrequenz in abgeschwächter Form (bspw. mit anderer Amplitude und/oder Frequenz) auf das Gehäuse und der darin angeordneten Energiespeicher weitergeben. Beispielsweise kann eine Schwingung derart aufgenommen und wieder abgegeben werden, dass die abgegebene Schwingung eine kleinere Frequenz und/oder Amplitude mit entsprechend kleineren Kraftspitzen aufweist als die aufgenommene Schwingung.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee ist darin zu sehen, dass mechanische Einflüsse (bspw. Stöße, Vibrationen), welche von Außen auf die Energiespeichervorrichtung einwirken, durch die Schutzeinrichtung aufgenommen und an das Gehäuse in abgeschwächter Form weitergegeben werden können. Hierdurch können mechanische Belastungen auf empfindliche Komponenten innerhalb des Gehäuses (insbesondere des Energiespeichers) verringert werden. Auf diese Weise können Schäden an der Energiespeichervorrichtung (bspw. Kurzschluss durch Veränderung der Lage der einzelnen Schichtstrukturen zueinander in den Energiespeicherzellen, Bruch elektrischer Leitungen und/oder elektrische Kontaktablösungen) verhindert werden. Die Widerstandsfähigkeit der Energiespeichervorrichtung gegen mechanische Einflüsse und die Betriebssicherheit der Energiespeichervorrichtung werden somit erhöht.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2 weist die Schutzeinrichtung ein Material mit federnden Eigenschaften auf.
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Das Material weist elastische und kompressible Eigenschaften auf, wodurch die federnden Eigenschaften erzielt werden. Als Beispiele seien hierzu Elastomerformteile aus Schaumstoff, Gummi oder Silikon genannt.
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Das Material mit federnden Eigenschaften kann auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt und geformt werden, so dass die Energiespeichervorrichtung kostengünstig gegen Beschädigungen gesichert werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 3 weist die Schutzeinrichtung einen Federungsmechanismus mit federnden Eigenschaften auf.
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Der Federungsmechanismus, welcher mechanischer oder pneumatischer Art sein kann, weist insbesondere aufgrund seiner Form und/oder Konstruktion federnde Eigenschaften auf. Als Beispiele seien hierzu Schraubenfeder, Torsionsfeder, Biegefeder und Luftfeder genannt.
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Der Federungsmechanismus ermöglicht einen großen Federweg mit einem sensiblen Ansprechverhalten und kann so die Betriebssicherheit der Energiespeichervorrichtung weiter verbessern.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 4 weist die Schutzeinrichtung zusätzlich zu den federnden Eigenschaften dämpfende Eigenschaften auf, so dass sich zusammen mit den federnden Eigenschaften ein Feder-Dämpfungs-System bildet.
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Die federnden und dämpfenden Eigenschaften der Schutzeinrichtungen wirken derart zusammen, dass sich ein Feder-Dämpfungs-System ergibt.
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Durch die dämpfenden Eigenschaften kann Schwingungsenergie, welche aufgrund der federnden Eigenschaften in der Schutzeinrichtung gespeichert ist und auf das Gehäuse (und der darin angeordneten empfindlichen Komponenten) einwirkt, verringert und eliminiert werden. Eine Schwingung kann somit über die dämpfenden Eigenschaften schnell abgebaut werden. Die Betriebssicherheit der Energiespeichervorrichtung kann dadurch weiter erhöht werden.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 5 weist die Schutzeinrichtung ein Material mit dämpfenden Eigenschaften auf.
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Die dämpfenden Eigenschaften resultieren bevorzugt aus den Materialeigenschaften der Schutzeinrichtung. Beispielweise können Materiale mit federnden Eigenschaften (Elastomer aus Schaumstoff, Gummi oder Silikon) und Federungsmechanismen (mechanische oder pneumatische Federn) eine Eigendämpfung aufweisen. Die Schutzeinrichtung kann jedoch auch ein zusätzliches Material (bspw. Elastomer) mit hauptsächlich dämpfenden Eigenschaften aufweisen.
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Das Material mit dämpfenden Eigenschaften kann auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt und geformt werden, so dass die Schutzeinrichtung kostengünstig gedämpft werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 6 weist die Schutzeinrichtung einen Dämpfungsmechanismus mit dämpfenden Eigenschaften auf.
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Der Dämpfungsmechanismus weist insbesondere aufgrund seiner Form und/oder Konstruktion dämpfende Eigenschaften auf. Als Beispiele seien hierzu hydraulische Stoßdämpfer, mechanische Stoßdämpfer (Reibungsdämpfer) und elektrische Generatoren (Elektromotor, Piezoelemente) genannt.
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Der Dämpfungsmechanismus ermöglicht eine zuverlässige und dauerhafte Dämpfung mit definierter Kennlinie und Energieumwandlungsleistung und kann so die Betriebssicherheit der Energiespeichervorrichtung weiter verbessern.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 7 sind im Gehäuse zusätzlich eine Steuereinrichtung und/oder eine Temperierungseinrichtung angeordnet.
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Die Steuereinrichtung kann den mindestens einen Energiespeicher überwachen und die elektrische Energiemenge, welche dem Energiespeicher entnommen oder zugeführt wird, steuern.
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Die Temperierungseinrichtung kann den mindestens einen Energiespeicher kühlen und/oder erwärmen.
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Durch die Integration der Steuereinrichtung und der Temperierungseinrichtung in das federnd gelagerte Gehäuse können auch diese, für den Betrieb der Energiespeichervorrichtung wichtigen Einrichtungen vor mechanischen Einflüssen geschützt werden. Ferner können elektrische Verbindungen (bspw. elektrische Steuerleitungen, elektrische Kontakte) und mechanische Verbindungen (bspw. Kühlleitungen) innerhalb des Gehäuses geschützt werden. Hierdurch kann die Betriebssicherheit der Energiespeichervorrichtung vor äußeren Einflüssen weiter verbessert werden.
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Ein Energiespeichersystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 weist eine oben beschriebene Energiespeichervorrichtung und einen Befestigungskörper für die Energiespeichervorrichtung auf. Die Energiespeichervorrichtung ist über die Schutzeinrichtung an dem Befestigungskörper federnd gelagert.
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Die Schutzeinrichtung ist derart mit dem Befestigungskörper und der Energiespeichereinrichtung gekoppelt, dass mechanische Einflüsse, welche auf den Befestigungskörper einwirken durch die Schutzeinrichtung zumindest teilweise aufgenommen und in abgewandelter und/oder abgeschwächter Form an die Energiespeichereinrichtung weitergegeben werden können.
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Bezüglich der Funktionsweise und der Vorteile wird auf die Ausführungen zu den Ansprüche 1 bis 7 verwiesen, welche in analoger Weise gelten.
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In einer Ausgestaltung des Energiespeichersystems nach Anspruch 9 ist der Befestigungskörper als Aufnahmebehälter ausgebildet. Der Aufnahmebehälter umgibt die Energiespeichervorrichtung zumindest teilweise.
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Gemäß der Ausgestaltung ist die Energiespeichervorrichtung in dem Aufnahmebehälter eingesetzt und wird von dem Aufnahmebehälter ganz oder teilweise umschlossen. Die Energiespeichervorrichtung ist über die Schutzeinrichtung mit dem Aufnahmebehälter gekoppelt.
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Auf diese Weise können mechanische Einflüsse, welche aus unterschiedlichen Richtungen auf das Energiespeichersystem einwirken durch die Schutzeinrichtung aufgenommen und in abgewandelter und/oder abgeschwächter Form an die Energiespeichervorrichtung weitergegeben werden. Der Schutz der Energiespeichervorrichtung vor mechanischen Einflüssen kann somit weiter verbessert werden.
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Ein Kraftfahrzeug umfasst gemäß Anspruch 10 ein Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 8 oder 9.
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Bezüglich der Vorteile wird auf die Ausführungen zu den Ansprüchen 7 oder 8 verwiesen, welche in analoger Weise gelten.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind gezeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems;
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2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems;
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3 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Energiespeichersystem.
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In der 1 ist ein Energiespeichersystem 8 mit einem Befestigungskörper 7 und einer Energiespeichervorrichtung 1 gezeigt. Die Energiespeichervorrichtung 1 weist zwei Schutzeinrichtungen 6 und ein Gehäuse 2 auf. In dem Gehäuse 2 sind mehrere Energiespeicher 3 angeordnet. Ferner sind im Gehäuse 2 vorteilhafterweise eine Steuereinrichtung 4 und eine Temperierungseinrichtung 5 angeordnet.
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Die Energiespeicher 3 sind vorzugsweise elektrochemischer und/oder elektrostatischer Art, insbesondere Lithium-Ionenzellen, Nickel-Metallhydrid-Zellen, Bleibatterien oder Doppelschichtkondensatoren. Die Energiespeicher 3 können elektrisch in Reihe geschaltet sein. Es können auch eine oder mehrere Energiespeicher 3 in dem Gehäuse 2 angeordnet sein.
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Die Temperierungseinrichtung 5 ist derart ausgebildet und mit Mitteln versehen, dass die Energiespeicher 3 temperiert werden können (bspw. kühlen und/oder erwärmen).
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Die Steuereinrichtung 4 weist eine Elektronik auf, welche derart ausgebildet ist, dass die Energiespeicher 3 und die Temperierungsvorrichtung 5 durch die Steuereinrichtung 4 gesteuert und überwacht werden können (bspw. Steuerung der Lade- und Entladezyklen, Temperaturüberwachung, Ladezustandsermittlung, Kühlen und Heizen nach Bedarf).
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Die Steuereinrichtung 4 ist hierzu mit den Energiespeichern 3 und der Temperierungsvorrichtung 5 über elektrische Leiter 21 verbunden. Die Verbindung kann über Steck-, Klemm- und/oder Lötkontakte erfolgen.
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Die Schutzeinrichtungen 6 weisen zumindest federnde, vorteilhafterweise auch dämpfende Eigenschaften auf, welche in 1 durch ein Federungssymbol 6.1 und ein Dämpfungssymbol 6.2 symbolisiert werden.
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Die federnden und dämpfenden Eigenschaften der Schutzeinrichtungen 6 bilden zusammen ein Feder-Dämpfungs-System, bei dem die Dämpfung eine in der Feder gespeicherte Schwingungsenergie in eine andere Energieform (insbesondere Wärme) umwandeln kann.
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Die Schutzeinrichtungen 6 sind an dem Gehäuse 2 befestigt und derart mit dem Gehäuse 2 mechanisch gekoppelt, dass das Gehäuse 2 mittels der Schutzeinrichtung 6 federnd lagerbar ist. Die Schutzeinrichtungen 6 sind weiterhin mit dem Befestigungskörper 7 gekoppelt, so dass die Energiespeichereinrichtung 1 über die Schutzeinrichtungen 6 an dem Befestigungskörper 7 federnd gelagert ist. Die Kopplung der Schutzeinrichtung 6 kann über eine Schweißung, Klebung oder Schraubverbindung erfolgen. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann auch eine oder mehrere Schutzeinrichtungen 6 aufweisen, welche an verschiedenen Seiten des Gehäuses 2 angeordnet sein können.
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In einer ersten Ausführungsform können die Schutzeinrichtungen 6 ein Material mit federnden und vorteilhafterweise auch dämpfenden Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei diesem Material um ein Elastomer aus Schaumstoff, Gummi oder Silicon handeln.
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Die Schutzeinrichtungen 6 werden in diesen Fällen bevorzugt als Formteil ausgebildet und sind zumindest teilweise flächig mit der Außenseite des Gehäuses 2 verbunden (bspw. durch Klebung oder Galvanisierung). Die Schutzeinrichtungen 6 können jedoch auch als Band, Folie oder Platte ausgebildet sein und das Gehäuse ganz oder teilweise umgeben.
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In einer weiteren Ausführungsform können die Schutzeinrichtungen 6 einen mechanischen und/oder pneumatischen Federungsmechanismus aufweisen. Als Beispiele seien hierzu Schrauben-, Spiral-, Blatt-, Teller-, Drehstab-, Elastomer-, Luft- und Gasdruckfeder genannt. Der Federungsmechanismus kann dabei eine Eigendämpfung aufweisen.
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Vorteilhafterweise können die Schutzeinrichtungen zusätzlich einen Dämpfungsmechanismus aufweisen, welcher insbesondere aufgrund seiner Form und/oder Konstruktion dämpfende Eigenschaften aufweist. Als Beispiele seien hierzu hydraulische Stoßdämpfer, mechanische Stoßdämpfer (Reibungsdämpfer) und elektrische Generatoren (Elektromotor, Piezoelemente) genannt.
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Die Schutzeinrichtungen 6 können somit mechanische Einflüsse (bspw. Stöße, Vibrationen) von dem Befestigungskörper 7 aufnehmen und in abgeschwächter Form an das Gehäuse 2 weitergeben. Beispielsweise können kurze, energiereiche Stöße mit einer sehr hohen Kraftspitze in eine Schwingung mit kleinerer Frequenz und kleinen Kraftspitzen (Amplitude) umwandelt werden. Ferner kann die Amplitude einer mechanischen Schwingung verringert oder gänzlich eliminiert werden.
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2 zeigt ein Energiespeichersystem 8 mit einem Befestigungskörper 7, welcher als Aufnahmebehälter ausgebildet ist und die Energiespeichervorrichtung 1 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig aufnimmt.
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Das Gehäuse 2 ist an jeweils einer Seitenfläche mittels jeweils einer oder mehrerer Schutzeinrichtungen 6 an dem Befestigungskörper 7 federnd gelagert.
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Durch den Aufnahmebehälter ist die Energiespeichervorrichtung nach allen Seiten vor Stößen und Vibrationen geschützt.
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Der weitere Aufbau und die Funktionsweise des Energiespeichersystems 8 ergibt sich in analoger Weise aus der Beschreibung des Energiespeichersystems 8 nach 1.
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3 zeigt ein Kraftfahrzeug 9 mit einem derartigen Energiespeichersystem 8.
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Das Energiespeichersystem 8 ist in dieser Ausgestaltung innerhalb des Kraftfahrzeugs 9 angeordnet. Das Energiespeichersystem 8 kann jedoch auch außen am Kraftfahrzeug 9 angeordnet sein.
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Das Energiespeichersystem 8 ist mit einem elektrischen Verbraucher und/oder Generator (bspw. einen Elektromotor) zum Austausch von elektrischer Energie elektrisch verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Energiespeichervorrichtung 1 an einem Befestigungskörper 7, welcher Bestandteil des Kraftfahrzeugs 9 ist (bspw. die Karosserie oder ein eingebautes Aufnahmefach) federnd gelagert sein.
