DE102011080881A1 - Electrical storage element used in e.g. vehicles, controls extraction and supply of electrical energy from sub-storage elements, such that predetermined operating parameters of storage element are optimized due to extraction and supply - Google Patents

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Abstract

The electrical storage element includes a control system (7), and a storage system (1) comprising several parallel sub-storage elements (3) having identical electrical terminal voltages. The extraction of electrical energy from each of the sub-storage elements and the proportional supply of electrical energy in each sub-storage element is controlled such that predetermined operating parameters of the storage element are optimized due to the extraction and supply of electrical energy. The parameter is selected from aging, performance, dynamic behavior and/or the internal resistance.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Speicher mit einer Mehrzahl an Teilspeichern.The invention relates to an electrical storage with a plurality of partial stores.

Es besteht ein verstärkter Bedarf daran, elektrische Energie zu speichern, um sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. Dies ist zum einen erforderlich für mobile Anwendungen, wie z. B. in Mobiltelefonen oder in Fahrzeugen, zum anderen, um in stationären Anlagen Schwankungen bei der Erzeugung von elektrischer Energie auszugleichen, insbesondere bei der Erzeugung von elektrischer Energie durch regenerative Energiequellen. Für eine Speicherung von elektrischer Energie kommt u. a. ein elektrochemischer Speicher in Frage, bei dem in einer wieder aufladbaren elektrochemischen Zelle mittels einer reversiblen chemischen Reaktion elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird. Dabei ist die elektrische Klemmenspannung der elektrochemischen Zelle durch die in der Zelle ablaufenden chemischen Prozesse gegeben. Um die für die Anwendung gewünschte Spannung zu erhalten, werden in der Regel eine Mehrzahl an Zellen in einer Batterie in Reihe geschaltet.There is an increased need to store electrical energy to return it at a later date. This is partly necessary for mobile applications, such. As in mobile phones or in vehicles, on the other to compensate for fluctuations in the production of electrical energy in stationary systems, in particular in the generation of electrical energy by renewable energy sources. For a storage of electrical energy u. a. an electrochemical storage in question in which electrical energy is converted into chemical energy in a rechargeable electrochemical cell by means of a reversible chemical reaction. In this case, the electrical terminal voltage of the electrochemical cell is given by the chemical processes taking place in the cell. In order to obtain the voltage desired for the application, a plurality of cells in a battery are usually connected in series.

Die Batterie ist dabei diversen Alterungsprozessen ausgesetzt, die die Speicherkapazität der Batterie verringern und ihren Innenwiderstand erhöhen. Wird die Batterie oft geladen bzw. entladen, so reduziert das die Speicherkapazität der Batterie. Des Weiteren reduziert es die Speicherkapazität, wenn sie überladen, oder bei diversen Lithium-Ionen Zellen, bei einem hohen Ladezustand betrieben wird, oder wenn sie mit einer hohen Leistung entladen wird. Weiterhin können hohe Ströme und eine hohe Temperatur einen Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie haben.The battery is exposed to various aging processes that reduce the storage capacity of the battery and increase its internal resistance. If the battery is often charged or discharged, this reduces the storage capacity of the battery. Furthermore, it reduces the storage capacity when it is overcharged, or operated on various lithium-ion cells, at a high state of charge, or when it is being discharged at high power. Furthermore, high currents and a high temperature can have an effect on the life of the battery.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Speicher zu schaffen, wobei der elektrische Speicher bei einer hohen, anspruchsvollen oder speziellen Belastung über einen langen Zeitraum eine hohe Speicherkapazität behält und sein Innenwiderstand möglichst wenig ansteigt.The object of the invention is to provide an electrical memory, wherein the electrical memory with a high, demanding or special load over a long period of time maintains a high storage capacity and its internal resistance increases as little as possible.

Der erfindungsgemäße elektrische Speicher weist ein Steuersystem und ein Speichersystem auf, das eine Mehrzahl an parallel geschalteten Teilspeichern aufweist, welche eine im Wesentlichen gleiche elektrische Klemmenspannung haben, wobei mit dem Steuersystem die anteilige Entnahme von elektrischer Energie von jedem der Teilspeicher und die anteilige Einspeisung von elektrischer Energie in jeden der Teilspeicher derart steuerbar ist, dass ein vorherbestimmter Betriebsparameter des elektrischen Speichers aufgrund der Entnahme und der Einspeisung optimierbar ist. Für Teilspeicher mit verschiedener Nominalspannung sind bevorzugt Gleichspannungswandler einzusetzen, um die Klemmenspannung anzugleichen.The electrical memory according to the invention comprises a control system and a memory system having a plurality of parallel-connected partial memories, which have a substantially same electrical terminal voltage, with the control system, the proportionate removal of electrical energy from each of the partial storage and the proportionate supply of electrical Energy in each of the sub-memory is controllable such that a predetermined operating parameters of the electrical memory can be optimized due to the removal and the feed. For sub-memories with different nominal voltage, DC-DC converters should preferably be used to equalize the terminal voltage.

Bevorzugt haben die Teilspeicher eine gleiche Bauart, alternativ bevorzugt ist die Bauart der Teilspeicher verschieden. Weil jeder der Teilspeicher im Wesentlichen die gleiche elektrische Klemmenspannung hat, hat das Speichersystem eine vorteilhaft hohe Flexibilität. Fällt beispielsweise einer der Teilspeicher aus, so kann die für die Anwendung erforderliche Spannung dadurch aufrecht erhalten werden, dass der ausgefallene Teilspeicher von einem der funktionierenden Teilspeichern ersetzt wird, wodurch der Speicher insgesamt funktionsfähig bleibt. Durch das Steuersystem ist es möglich, einen der Teilspeicher als Opferspeicher vorzusehen, der in einem größeren Ausmaß als die anderen Teilspeicher belastet ist. Durch das Vorsehen des Opferspeichers ist es möglich, die anderen Teilspeicher geringer zu belasten und dadurch ihre Lebensdauer vorteilhaft zu verlängern. Der Opferspeicher wird dann in kürzeren Intervallen als die anderen Teilspeicher ausgetauscht. Die verschiedenen Teilspeicher können vorteilhaft mit verschiedenen Eigenschaften bezüglich ihrer Leistungsdichte, Energiedichte, Zyklenlebensdauer, Pulsstromfestigkeit und Temperaturfestigkeit ausgelegt sein.Preferably, the partial storage of the same type, alternatively preferred, the type of partial storage is different. Because each of the sub-memories has substantially the same electrical terminal voltage, the memory system has advantageously high flexibility. If, for example, one of the sub-memories fails, the voltage required for the application can be maintained by replacing the failed sub-memory with one of the functioning sub-memories, whereby the memory as a whole remains functional. By the control system, it is possible to provide one of the partial memories as a victim memory, which is loaded to a greater extent than the other partial memories. By providing the victim memory, it is possible to lower the load on the other partial memories and thereby advantageously extend their service life. The victim memory is then exchanged at shorter intervals than the other sub-memories. The various sub-memories can be advantageously designed with various properties in terms of their power density, energy density, cycle life, pulse current stability and temperature resistance.

Bevorzugt ist der Betriebsparameter die Alterung, die Leistung, das dynamische Verhalten und/oder der Innenwiderstand. Durch das Steuersystem kann jeder der Teilspeicher vorteilhaft derart belastet werden, dass seine Lebensdauer optimiert ist.The operating parameter is preferably the aging, the power, the dynamic behavior and / or the internal resistance. By the control system, each of the sub-memory can be advantageously charged so that its life is optimized.

Mindestens einer der Teilspeicher weist bevorzugt eine Mehrzahl an in Reihe geschalteten Einzelspeichern auf. Durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Einzelspeicher kann die Klemmenspannung des Teilspeichers vorteilhaft vorherbestimmt werden.At least one of the sub-memories preferably has a plurality of individual memories connected in series. Due to the number of individual memories connected in series, the terminal voltage of the partial memory can advantageously be predetermined.

Bevorzugtermaßen weist mindestens einer der Teilspeicher einen einzelnen Speicherblock oder eine Mehrzahl an Speicherblöcken mit einer Anzahl an parallel und/oder in Reihe geschalteten Einzelspeichern auf, wobei die Mehrzahl an Speicherblöcken in Reihe geschaltet ist. Durch die Anzahl der parallel geschalteten Einzelspeicher in den Speicherblöcken kann die maximal verfügbare Stromstärke des Teilspeichers vorteilhaft vorherbestimmt werden. Des Weiteren kann die maximal speicherbare Energie des Teilspeichers vorherbestimmt werden. Das Steuersystem basiert bevorzugt auf einem Batteriemodell. Alternativ basiert das Steuersystem bevorzugt auf einem Alterungs- und/oder Kostenmodell.Preferably, at least one of the partial memories has a single memory block or a plurality of memory blocks with a number of individual memories connected in parallel and / or in series, the plurality of memory blocks being connected in series. Due to the number of individual memories connected in parallel in the memory blocks, the maximum available current intensity of the partial memory can advantageously be predetermined. Furthermore, the maximum storable energy of the partial memory can be predetermined. The control system is preferably based on a battery model. Alternatively, the control system is preferably based on an aging and / or cost model.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, dass einer der Teilspeicher bei einer geringen Last ausschließlich mit dieser geringen Last und bei einer hohen Last mit einer höheren Teillast als die Teillasten der anderen Teilspeicher belastet ist. Dieser Speicher wirkt vorteilhaft als Opferspeicher, d. h. er altert schneller als die anderen Teilspeicher. Fällt der Opferspeicher aus, so ist das Speichersystem vorteilhaft weiterhin funktionsfähig, weil die anderen Teilspeicher die gleiche elektrische Klemmenspannung haben. Ferner kann der Opferspeicher vorteilhaft derart ausgelegt sein, dass er eine hohe Leistungsdichte, eine hohe Energiedichte sowie eine hohe Zyklenlebensdauer hat. Eine hohe Zyklenlebensdauer bedeutet, dass der Teilspeicher oft geladen bzw. entladen werden kann, ohne dass die Speicherkapazität stark abnimmt. Weiterhin kann der Teilspeicher öfters getauscht werden, was einen geringeren Anschaffungsaufwand für den Tausch bedeutet, als es durch den Tausch des kompletten Speichers nötig wäre.In one embodiment of the invention, it is preferred that one of the sub-stores operate at a low load with only this low load and at a high load with a higher part-load as the partial loads of the other partial storage is loaded. This memory acts advantageously as a victim memory, ie it ages faster than the other part of memory. If the victim memory fails, the memory system is advantageously still functional because the other sub-memories have the same electrical terminal voltage. Furthermore, the sacrificial memory may advantageously be designed such that it has a high power density, a high energy density and a high cycle life. A high cycle life means that the partial memory can often be charged or discharged without the storage capacity decreasing significantly. Furthermore, the partial storage can often be exchanged, which means a lower acquisition cost for the exchange, as it would be necessary by the exchange of the entire memory.

Einer der Teilspeicher ist bevorzugt zur Pufferung von stark schwankenden Strömen mit hoher Frequenz und/oder hoher Amplitude vorgesehen. Damit sind insbesondere Wechselströme mit beliebiger Frequenz, insbesondere 50 Hz, ungeradzahlige Vielfache der Netzfrequenz und/oder Frequenzen im kHz-Bereich, welche durch ein Umrichtern oder in einer Leistungselektronik entstehen, und Kurvenform gemeint, die einen Gleichstrom überlagern (engl. „ripple”). Der Teilspeicher wirkt dabei vorteilhaft als Opferspeicher und altert schneller als die anderen Teilspeicher. Der Opferspeicher kann vorteilhaft zur Verlängerung seiner Lebensdauer mit einer hohen Pulsstromfestigkeit ausgelegt sein.One of the sub-memories is preferably provided for the buffering of highly fluctuating currents with high frequency and / or high amplitude. This means, in particular, alternating currents of any frequency, in particular 50 Hz, odd multiples of the mains frequency and / or frequencies in the kHz range, which are produced by an inverter or in power electronics, and waveforms which superimpose a direct current (ripple). , The sub-memory acts advantageous as a victim memory and ages faster than the other sub-memory. The victim memory can be advantageously designed to extend its life with a high pulse current resistance.

Bevorzugtermaßen ist einer der Teilspeicher mit mehr Lade- bzw. Entladezyklen pro Zeiteinheit als die anderen Teilspeicher belastet. Der Teilspeicher wirkt dabei vorteilhaft als Opferspeicher und kann vorteilhaft mit einer hohen Zyklenlebensdauer und/oder einer hohen Energiedichte ausgelegt sein.Preferably, one of the partial storage is loaded with more charging or discharging cycles per unit time than the other partial storage. The partial storage acts advantageously as a victim memory and can advantageously be designed with a high cycle life and / or a high energy density.

Die obigen Fälle können auf einen einzigen Opferspeicher kombiniert angewendet werden, aber auch auf mehrere Teilspeicher verteilt angewendet werden. Ebenso können verschiedene Lithium-Ionen Zellen für verschiedene Anwendungsfälle bevorzugt werden. So ist zum Beispiel bekannt, dass LiFePO4 als Kathodenmaterial eine flache Entladekurve besitzt und über seine Lebensdauer und Zyklenzahl einen geringen Innenwiderstandsanstieg aufweist. Somit sind Zellen mit diesem Kathodenmaterial für eine hohe Leistung besonders geeignet, oder wenn die Anwendung nur einen geringen Spannungsabfall über den Ladezustand (Spannungsfenster) erlaubt. Ebenso bietet sich diese Zellchemie für Zyklenanwendungen an, da sich das Betriebsverhalten hier wenig ändert. Im Gegensatz dazu kann z. B. eine Lithium-Ionen Zelle mit einer Oxidchemie wegen einer höheren Energiedichte gut für Kapazitätsanwendungen eingesetzt werden, in denen die Zyklenzahl oder die Leistungsanforderung geringer ist.The above cases can be applied to a single victim memory combined, but also be applied to multiple sub-stores distributed. Likewise, various lithium-ion cells may be preferred for different applications. For example, it is known that LiFePO 4 has a flat discharge curve as the cathode material and has a small increase in internal resistance over its life and number of cycles. Thus, cells with this cathode material are particularly suitable for high performance, or if the application allows only a small voltage drop across the state of charge (voltage window). Likewise, this cell chemistry offers for cycle applications, since the operating behavior changes little here. In contrast, z. For example, a lithium-ion cell with an oxide chemistry may be well used for capacitance applications because of higher energy density, where the number of cycles or power requirement is lower.

Einer der Teilspeicher wird bevorzugt in einem vorherbestimmten Ladezustand und/oder einem vorherbestimmten Ladezustandsfenster betrieben. Der Ladezustand kann vorteilhaft so gewählt sein, dass der Teilspeicher mit hohen Strompulsen geladen oder entladen werden kann. Bevorzugt ist es, dass mindestens einer der Teilspeicher wieder aufladbare Batterien, insbesondere Lithium-Ionen Batterien, Bleiakkumulatoren, Natrium-Schwefel Batterien und/oder Zebra Batterien, aufweist. Mindestens einer der Teilspeicher weist bevorzugt eine Brennstoffzelle und/oder eine Redox-Flow Batterie auf. Die Brennstoffzelle kann durch Umsetzen eines Kraftstoffs, z. B. Wasserstoff, eine dauerhafte Grundlast liefern, mit der auch die anderen Teilspeicher geladen werden können.One of the partial memories is preferably operated in a predetermined state of charge and / or a predetermined state of charge window. The state of charge can advantageously be selected so that the partial memory can be charged or discharged with high current pulses. It is preferred that at least one of the partial storage rechargeable batteries, in particular lithium-ion batteries, lead-acid batteries, sodium-sulfur batteries and / or zebra batteries has. At least one of the partial storage preferably has a fuel cell and / or a redox flow battery. The fuel cell may be converted by reacting a fuel, e.g. As hydrogen, provide a permanent base load, with the other part of memory can be loaded.

Insbesondere in einer Ausführungsform für Leistungsanwendungen weist bevorzugtermaßen mindestens einer der Teilspeicher elektrische Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren (engl. „supercapacitor”), auf. Doppelschichtkondensatoren eignen sich vorteilhaft für hohe Strompulse, d. h. sie haben eine hohe Leistungsfähigkeit und Pulsstromfestigkeit bei gleichzeitig einer sehr hohen Zyklenzahl.In particular, in one embodiment for power applications, at least one of the partial memories preferably has electrical capacitors, in particular double-capacitor ("supercapacitor"). Double layer capacitors are advantageous for high current pulses, d. H. They have a high performance and pulse current stability with a very high number of cycles.

Mindestens einer der Teilspeicher weist bevorzugt einen Gleichspannungswandler auf. Durch den Gleichspannungswandler kann vorteilhaft die Klemmenspannung des Teilspeichers an die Klemmenspannung der anderen Teilspeicher angeglichen werden. Des Weiteren kann mit Hilfe des Gleichspannungswandlers die Klemmenspannung des Teilspeichers vorteilhaft flexibel an die von der Anwendung benötigte Spannung angepasst werden. Es können bevorzugt alle Teilspeicher mit einem Gleichspannungswandler ausgestattet sein, so dass die Spannung des elektrischen Speichers an die Spannung der Anwendung anpassbar ist.At least one of the partial memories preferably has a DC-DC converter. By means of the DC-DC converter, the terminal voltage of the partial memory can advantageously be matched to the terminal voltage of the other partial memories. Furthermore, with the aid of the DC-DC converter, the terminal voltage of the partial memory can advantageously be adapted flexibly to the voltage required by the application. It can be equipped with a DC-DC converter preferably all sub-memory, so that the voltage of the electrical memory is adaptable to the voltage of the application.

Bevorzugt ist es, dass die Teilspeicher so angeordnet sind, dass sie gegen gleiche oder verschiedene Teilspeicher austauschbar sind. Dadurch können gealterte Teilspeicher, insbesondere die Opferspeicher, vorteilhaft gegen neue Teilspeicher ausgetauscht werden. Ist der elektrische Speicher in einem Fahrzeug vorgesehen, so können die Teilspeicher außerhalb des Fahrzeugs geladen werden und entladene Teilspeicher können vorteilhaft schnell gegen geladene Teilspeicher getauscht werden. Es können nicht nur gleiche Teilspeicher getauscht werden, sondern die Teilspeicher können vorteilhaft gegen verschiedene Teilspeicher getauscht werden, um den elektrischen Speicher an wechselnde Anforderungen anzupassen.It is preferred that the partial storage are arranged so that they are exchangeable for the same or different partial storage. As a result, aged partial storage, in particular the victim storage, can advantageously be exchanged for new partial storage. If the electric storage is provided in a vehicle, then the partial storage can be charged outside the vehicle, and discharged partial storage can advantageously be quickly exchanged for charged partial storage. Not only can the same partial memories be exchanged, but the partial memories can advantageously be exchanged for different partial memories in order to adapt the electrical memory to changing requirements.

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Speichers anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Schaltskizze der Ausführungsform des elektrischen Speichers.Hereinafter, a preferred embodiment of the electrical storage device according to the invention with reference to the accompanying schematic Drawing explained. The figure shows a schematic circuit diagram of the embodiment of the electrical storage.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, weist ein elektrischer Speicher ein Speichersystem 1 und ein Steuersystem 7 auf. Des Weiteren ist in der Figur ein Verbraucher 9 dargestellt, der über elektrische Leiter 2 mit dem Speichersystem 1 verbunden ist. Das Speichersystem 1 weist drei mittels elektrischer Leiter 2 parallel geschaltete Teilspeicher 3 auf. Der erste und der zweite Teilspeicher 3 weisen eine Mehrzahl an in Reihe geschaltete Einzelspeicher 4 auf, wobei die Anzahl der Einzelspeicher 4 in den beiden Teilspeichern 3 verschieden ist. Denkbar ist, dass die Einzelspeicher 4 im ersten Teilspeicher 3 verschieden mit einer unterschiedlichen Klemmenklemmenspannung von den Einzelspeichern 4 im zweiten Teilspeicher 3 sind. Die Anzahl der Einzelspeicher 4 in den beiden Teilspeichern 3 könnte so gewählt sein, dass beide Teilspeicher 3 eine im Wesentlichen gleiche Klemmenspannung haben. Der dritte Teilspeicher 3 weist eine Mehrzahl an Speicherblöcken 5 auf, wobei jeder der Speicherblöcke 5 eine gleiche Anzahl an parallel geschalteten Einzelspeichern 4 aufweist. Für die Anzahl der Speicherblöcke 5 des dritten Teilspeichers 3 gilt das für die ersten beiden Teilspeicher 3 beschriebene analog.As can be seen from the figure, an electrical memory has a memory system 1 and a tax system 7 on. Furthermore, in the figure is a consumer 9 represented by electrical conductors 2 with the storage system 1 connected is. The storage system 1 has three by means of electrical conductors 2 parallel partial storage 3 on. The first and the second partial storage 3 have a plurality of series-connected individual memories 4 on, where the number of individual memories 4 in the two partial stores 3 is different. It is conceivable that the individual memories 4 in the first part store 3 different with a different terminal clamp voltage from the individual memories 4 in the second partial store 3 are. The number of individual memories 4 in the two partial stores 3 could be chosen so that both partial memory 3 have a substantially same terminal voltage. The third part store 3 has a plurality of memory blocks 5 on, each of the memory blocks 5 an equal number of individual memories connected in parallel 4 having. For the number of memory blocks 5 of the third partial memory 3 this applies to the first two partial memories 3 described analog.

In der Figur ist des Weiteren ein Steuersystem 7 gezeigt. Das Steuersystem 7 weist drei Potentiometer 6, drei Steuersignalleitungen 8 und eine Steuerung 10 auf. Jedes der Potentiometer 6 ist in jeweils einem der Teilspeicher 3 mit den Einzelspeichern 4 in Reihe geschaltet. Jedes der Potentiometer 6 ist via jeweils einer der Steuersignalleitungen 8 mit der Steuerung 10 verbunden. Die Steuerung 10 steuert die Potentiometer 6 derart, dass die anteilige Entnahme von elektrischer Energie von jedem der Teilspeicher 3 und die anteilige Einspeisung von elektrischer Energie in jeden der Teilspeicher 3 gesteuert wird. Denkbar ist, dass anstelle der Potentiometer 6 andere elektrische Bauteile, wie z. B. Relais und/oder Gleichstromwandler verwendet werden.The figure further includes a control system 7 shown. The tax system 7 has three potentiometers 6 , three control signal lines 8th and a controller 10 on. Each of the potentiometers 6 is in each case one of the partial memory 3 with the individual memories 4 connected in series. Each of the potentiometers 6 is via one of the control signal lines 8th with the controller 10 connected. The control 10 controls the potentiometers 6 such that the proportionate removal of electrical energy from each of the partial reservoirs 3 and the proportionate supply of electrical energy to each of the sub-stores 3 is controlled. It is conceivable that instead of the potentiometer 6 other electrical components, such. B. relays and / or DC converters can be used.

Anhand von Beispielen wird im Folgenden die Erfindung näher erläutert.The invention will be explained in more detail below by means of examples.

Ein erster beispielhafter Speicher, welcher drei Teilspeicher und ein Steuersystem aufweist, ist in ein Fahrzeug eingebaut. Der erste Teilspeicher ist zu Beginn zu ca. 80% geladen, während der zweite und dritte Teilspeicher voll geladen sind. Dadurch, dass der erste Teilspeicher nicht voll geladen ist, kann er elektrische Energie, welche in einem Bremsvorgang freigesetzt wird, aufnehmen. Anschließend regelt das Steuersystem die Entnahme der elektrischen Energie aus den Teilspeichern so, dass die benötigte elektrische Energie vollständig oder zu einem größeren Anteil als einem Drittel aus dem ersten Teilspeicher entnommen wird, bis der erste Teilspeicher zu einem vorher als ideal bestimmten Wert, wie z. B. 50%, geladen ist. Dadurch kann der erste Teilspeicher in der Folge immer noch jederzeit mit hohen Strompulsen geladen oder entladen werden. Dazu wird der erste Teilspeicher so ausgelegt, dass er eine hohe Pulsstromfestigkeit hat. Den weiteren Betrieb regelt das Steuersystem so, dass der erste Teilspeicher zu den beispielhaften 50 ± 5% bzw. in einem anderen vorherbestimmten Ladezustandsband vollgeladen ist. Wird weitere elektrische Energie benötigt, so wird sie aus dem zweiten Teilspeicher entnommen. Der zweite Teilspeicher wird so betrieben, dass er öfters als die anderen beiden Teilspeicher geladen und entladen wird, d. h. er weist im Betrieb des Speichers die höchste Zyklenbelastung aller Teilspeicher auf. Der zweite Teilspeicher ist so ausgelegt, dass er eine hohe Zyklenlebensdauer hat. Zusätzlich kann der zweite Teilspeicher öfters als die anderen beiden Teilspeicher getauscht werden. Der zweite Teilspeicher wird bis zu einem unteren, vorherbestimmten Entladeniveau entladen, bevor der dritte Teilspeicher entladen wird. Bei einem hohen Leistungsbedarf wird die Entnahme von elektrischer Energie auf alle drei Teilspeicher aufgeteilt, so dass der Leistungsbedarf an jedem der Teilspeicher gering ist. Eventuell kann hierbei der Teilspeicher 1 überproportional zu der Gesamtleistung beitragen.A first exemplary memory having three sub memories and a control system is installed in a vehicle. The first partial storage is initially charged to about 80%, while the second and third partial storage are fully charged. The fact that the first partial memory is not fully charged, it can record electrical energy that is released in a braking process. Subsequently, the control system regulates the removal of electrical energy from the partial storage so that the required electrical energy is completely or to a greater extent than one third removed from the first part of memory until the first partial memory to a previously determined as ideal value, such. B. 50% loaded. As a result, the first partial memory in the sequence can still be charged or discharged at any time with high current pulses. For this purpose, the first partial memory is designed so that it has a high pulse current resistance. The further operation is controlled by the control system so that the first partial memory is fully charged to the exemplary 50 ± 5% or in another predetermined state of charge band. If additional electrical energy is required, it is removed from the second partial storage. The second partial storage is operated so that it is charged and discharged more often than the other two partial storage, ie it has the highest cycle load of all partial storage during operation of the memory. The second part storage is designed to have a high cycle life. In addition, the second partial memory can be replaced more often than the other two partial memories. The second partial storage is discharged to a lower, predetermined discharge level before the third partial storage is discharged. With a high power requirement, the removal of electrical energy is divided among all three partial memories, so that the power requirement at each of the partial memories is low. Maybe this is the partial memory 1 contribute disproportionately to the overall performance.

Ein zweiter beispielhafter Speicher weist ein Steuersystem und eine Mehrzahl an Teilspeichern auf, wobei einer der Teilspeicher eine Brennstoffzelle ist. Die Brennstoffzelle stellt eine dauerhafte und niedrige elektrische Leistung zur Verfügung. Mit dieser Leistung kann zum einen die Anwendung (zumindest teilweise) betrieben werden, zum anderen können mit einem eventuellen Energieüberschuss die verbliebenen Teilspeicher geladen werden. Indem einer der Teilspeicher eine Brennstoffzelle aufweist, kann die Anwendung ohne Schadstoffemissionen betrieben werden.A second exemplary memory includes a control system and a plurality of sub-memories, wherein one of the sub-memories is a fuel cell. The fuel cell provides a durable and low electrical output. With this power, on the one hand, the application (at least partially) can be operated, on the other hand can be loaded with a possible surplus energy, the remaining part of memory. By having one of the sub-stores a fuel cell, the application can be operated without pollutant emissions.

Ein dritter beispielhafter Speicher weist ein Steuersystem und eine Mehrzahl an Teilspeichern auf, wobei jeder der Teilspeicher einen Gleichspannungswandler aufweist. Damit kann die Spannung des Speichers flexibel an die erforderte Spannung der Anwendung angepasst werden.A third exemplary memory includes a control system and a plurality of sub-memories, each of the sub-memories having a DC-DC converter. Thus, the voltage of the memory can be flexibly adapted to the required voltage of the application.

Ein vierter beispielhafter Speicher, welcher eine Mehrzahl an Teilspeichern und ein Steuersystem aufweist, ist in ein elektrisch betriebenes Fahrzeug eingebaut. Damit das Fahrzeug lange Strecken fahren kann, wie z. B. eine Straßenbahn, die zeitweise ohne Oberleitung fahren soll, ist mindestens einer der Teilspeicher mit einer hohen Speicherkapazität ausgelegt. Dieser Teilspeicher kann eine Brennstoffzelle sein.A fourth exemplary memory having a plurality of sub-memories and a control system is installed in an electrically-powered vehicle. So that the vehicle can drive long distances, such. As a tram that should temporarily go without overhead contact line, at least one of the sub-memory is designed with a high storage capacity. This partial storage may be a fuel cell.

Ein fünfter beispielhafter Speicher, welcher eine Mehrzahl an Teilspeichern und ein Steuersystem aufweist, ist in ein Fahrzeug eingebaut, welches einen Verbrennungsmotor aufweist. Damit elektrische Energie auch dann zur Verfügung steht, wenn der Verbrennungsmotor ausgeschaltet ist, wie z. B. bei einem Regionalzug, bei dem Standzeiten ohne Emissionen des Verbrennungsmotors überbrückt werden sollen, ist mindestens einer der Teilspeicher mit einer hohen Speicherkapazität ausgelegt. Dieser Teilspeicher kann eine Brennstoffzelle sein.A fifth exemplary memory having a plurality of sub-memories and a control system is installed in a vehicle having an internal combustion engine. So that electrical energy is available even when the engine is turned off, such. As in a regional train to be bridged in the life without emissions of the engine, at least one of the sub-memory is designed with a high storage capacity. This partial storage may be a fuel cell.

Ein sechster beispielhafter Speicher, welcher eine Mehrzahl an Teilspeichern und ein Steuersystem aufweist, ist in einem Fahrzeug eingebracht. Die Teilspeicher sind dabei so angeordnet, dass sie schnell gewechselt werden können. Zum einen können leere Teilspeicher gegen vollgeladene Teilspeicher ersetzt werden, wobei die vollgeladenen Teilspeicher außerhalb des Fahrzeugs geladen werden. Ebenso können die Teilspeicher so gewechselt werden, dass die Teilspeicher an den Bedarf des Fahrzeugs angepasst werden. So können z. B. Teilspeicher mit einer hohen Energiedichte gegen Teilspeicher mit einer hohen Leistungsdichte getauscht werden. Dies kann z. B. erforderlich sein, wenn ein Müllfahrzeug während des Beladens und Entladens eine hohe Leistungsanforderung hat und bei langen Fahrten ohne Beladen und Entladen eine hohe Energiedichte benötigt.A sixth exemplary memory having a plurality of sub-memories and a control system is incorporated in a vehicle. The partial storage are arranged so that they can be changed quickly. On the one hand, empty partial storages can be replaced by fully charged partial storages, whereby the fully charged partial storages are loaded outside the vehicle. Similarly, the partial storage can be changed so that the partial storage are adapted to the needs of the vehicle. So z. B. partial storage with a high energy density can be exchanged for partial storage with a high power density. This can be z. B. be required when a refuse vehicle during loading and unloading has a high power requirement and requires a high energy density for long trips without loading and unloading.

Ein siebter beispielhafter Speicher ist für ein stationäres System ausgelegt. Hier werden verschiedene Speichermedien gekoppelt, wobei ein Teilspeicher für die Leistungsanforderung (z. B. Doppelschichtkondensatoren, oder Lithium-Ionen Zellen mit Titanatanode oder LiFePO4-Kathode), ein Teilspeicher für die Kapazität (Zellen mit einer hoher Energiedichte, wie z. B. eine Lithium-Ionen Zelle mit einer Oxidkathode, LiMnxCoyNizO2 und/oder LiNisCotAluO2) und eventuell ein weiterer Speicher, der sich wegen seinem geringen Anschaffungsaufwand eignet (wie z. B. ein Bleiakkumulator), bei dem aber andere Randbedingungen beachtet werden müssen (wie z. B. ein häufiger Vollladezustand). Ebenso können hier stationäre Speichersysteme wie Natrium-Schwefel, Zebra, Redox-Flow Systeme oder Ähnliches mit eingesetzt werden. So wird ein Hybridsystem aufgebaut, bei dem jeder der verschiedenen Teilspeicher seine Stärken ideal in das Gesamtsystem einbringen kann.A seventh exemplary memory is designed for a stationary system. Here, various storage media are coupled, with a partial storage for the power requirement (eg, double-layer capacitors, or lithium-ion cells with titanate anode or LiFePO 4 cathode), a partial storage for the capacity (cells with a high energy density, such as. a lithium-ion cell with an oxide cathode, LiMn x Co y Ni z O 2 and / or LiNi s Co t Al u O 2 ) and possibly another memory which is suitable because of its low acquisition cost (such as a lead-acid battery ), but other boundary conditions must be considered (such as a frequent full charge state). Likewise, stationary storage systems such as sodium sulfur, zebra, redox flow systems or the like can be used here. In this way, a hybrid system will be set up in which each of the various partial storage units can ideally integrate its strengths into the overall system.

Claims (15)

Elektrischer Speicher mit einem Steuersystem (7) und einem Speichersystem (1), das eine Mehrzahl an parallel geschalteten Teilspeichern (3) aufweist, welche eine im Wesentlichen gleiche elektrische Klemmenspannung haben, wobei mit dem Steuersystem (7) die anteilige Entnahme von elektrischer Energie von jedem der Teilspeichern (3) und die anteilige Einspeisung von elektrischer Energie in jeden der Teilspeicher (3) derart steuerbar ist, dass ein vorherbestimmter Betriebsparameter des elektrischen Speichers aufgrund der Entnahme und der Einspeisung optimierbar ist.Electric storage with a control system ( 7 ) and a storage system ( 1 ), which has a plurality of parallel-connected partial memories ( 3 ), which have a substantially equal electrical terminal voltage, with the control system ( 7 ) the proportionate removal of electrical energy from each of the partial storages ( 3 ) and the proportionate supply of electrical energy in each of the partial storage ( 3 ) is controllable such that a predetermined operating parameters of the electrical storage can be optimized due to the removal and the feed. Elektrischer Speicher gemäß Anspruch 1, wobei der Betriebsparameter die Alterung, die Leistung, das dynamische Verhalten und/oder der Innenwiderstand ist.Electrical memory according to claim 1, wherein the operating parameter is the aging, the power, the dynamic behavior and / or the internal resistance. Elektrischer Speicher gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens einer der Teilspeicher (3) eine Mehrzahl an in Reihe geschaltete Einzelspeicher (4) aufweist.Electrical memory according to claim 1 or 2, wherein at least one of the partial memories ( 3 ) a plurality of individual memories ( 4 ) having. Elektrischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens einer der Teilspeicher (3) einen einzelnen Speicherblock (5) oder eine Mehrzahl an Speicherblöcken (5) mit einer Anzahl an parallel und/oder in Reihe geschalteten Einzelspeichern (4) aufweist, wobei die Mehrzahl an Speicherblöcken (5) in Reihe geschaltet ist.Electrical memory according to one of claims 1 to 3, wherein at least one of the partial memories ( 3 ) a single memory block ( 5 ) or a plurality of memory blocks ( 5 ) with a number of parallel and / or series-connected individual memories ( 4 ), wherein the plurality of memory blocks ( 5 ) is connected in series. Elektrischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Steuersystem (7) auf einem Batteriemodell basiert.Electrical storage according to one of claims 1 to 4, wherein the control system ( 7 ) based on a battery model. Elektrischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Steuersystem (7) auf einem Alterungs- und/oder Kostenmodell basiert.Electrical storage according to one of claims 1 to 5, wherein the control system ( 7 ) based on an aging and / or cost model. Elektrischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei einer der Teilspeicher (3) bei einer geringen Last ausschließlich mit der geringen Last und bei einer hohen Last mit einer höheren Teillast als die Teillasten der anderen Teilspeicher (3) belastet ist.Electrical memory according to one of claims 1 to 6, wherein one of the partial memories ( 3 ) at a low load only with the low load and at a high load with a higher part load than the part loads of the other part storages ( 3 ) is charged. Elektrischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei einer der Teilspeicher (3) zur Pufferung von stark schwankenden Strömen mit hoher Frequenz und/oder hoher Amplitude vorgesehen ist.Electrical memory according to one of claims 1 to 7, wherein one of the partial memories ( 3 ) is provided for buffering highly fluctuating currents with high frequency and / or high amplitude. Elektrischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei einer der Teilspeicher (3) mit mehr Lade- bzw. Entladezyklen pro Zeiteinheit als die anderen Teilspeicher (3) belastet ist.Electrical memory according to one of claims 1 to 8, wherein one of the partial memories ( 3 ) with more charging or discharging cycles per unit of time than the other partial memories ( 3 ) is charged. Elektrischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei einer der Teilspeicher (3) bevorzugt in einem vorherbestimmten Ladezustand und/oder einem bevorzugten Ladezustandsfenster betrieben wird.Electrical memory according to one of claims 1 to 9, wherein one of the partial memories ( 3 ) is preferably operated in a predetermined state of charge and / or a preferred state of charge window. Elektrischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mindestens einer der Teilspeicher (3) wieder aufladbare Batterien, insbesondere Lithium-Ionen Batterien, Bleiakkumulatoren, Natrium-Schwefel Batterien und/oder Zebra Batterien, aufweist.Electrical memory according to one of claims 1 to 10, wherein at least one of the partial memories ( 3 ) rechargeable batteries, in particular lithium-ion batteries, lead-acid batteries, Sodium-sulfur batteries and / or zebra batteries. Elektrischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mindestens einer der Teilspeicher (3) Brennstoffzellen und/oder Redox-Flow Batterien aufweist.Electrical memory according to one of claims 1 to 11, wherein at least one of the partial memories ( 3 ) Fuel cells and / or redox flow batteries. Elektrischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei mindestens einer der Teilspeicher (3) elektrische Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, aufweist.Electrical memory according to one of claims 1 to 12, wherein at least one of the partial memories ( 3 ) electrical capacitors, in particular double-layer capacitors. Elektrischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei mindestens einer der Teilspeicher (3) einen Gleichspannungswandler, insbesondere einen von dem Steuersystem steuerbaren Gleichspannungswandler, aufweist.Electrical memory according to one of claims 1 to 13, wherein at least one of the partial memories ( 3 ) comprises a DC-DC converter, in particular a DC-DC converter controllable by the control system. Elektrischer Speicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Teilspeicher (3) so angeordnet sind, dass sie gegen gleiche oder verschiedene Teilspeicher (3) austauschbar sind.Electrical memory according to one of claims 1 to 14, wherein the partial memories ( 3 ) are arranged so that they can be used against identical or different partial memories ( 3 ) are interchangeable.
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