-
Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung, umfassend wenigstens einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher sowie wenigstens einen diesem zugeordneten elektrischen Symmetrierwiderstand.
-
Es ist bekannt, entsprechende Energiespeicheranordnungen aufgrund von Alterungs- oder Entladeerscheinungen der dieser zugehörigen elektrischen Energiespeicher bzw. elektrischen Zellen mit sogenannten Symmetrierwiderständen zu versehen. Dabei ist in der Regel den jeweiligen die Energiespeicheranordnung bildenden Energiespeichern jeweils ein Symmetrierwiderstand zugeordnet. Bei entsprechenden Symmetrierwiderständen handelt es sich üblicherweise um hochohmige elektrische Widerstände, welche z. B. zentral in der Steuerung der Energiespeicheranordnung angeordnet sind.
-
Ein häufiges Problem bei entsprechenden Energiespeicheranordnungen ist die Temperaturabhängigkeit deren Leistungsfähigkeit. Mithin erfordern diese eine bestimmte Betriebstemperatur, um ihre volle Leistungsfähigkeit entfalten zu können. Bei den meisten Energiespeicheranordnungen erhöht sich der Innenwiderstand bei niedrigen Temperaturen. Dabei kann es sein, dass der Innenwiderstand sich innerhalb eines Temperaturintervalls von –20° bis +20°C um das Fünffache verändert. Gleichermaßen führen niedrige Temperaturen zu einer Reduzierung der Lade- und Entladefähigkeit einer entsprechenden Energiespeicheranordnung.
-
Eine Erwärmung einer Energiespeicheranordnung über einen einer entsprechenden Energiespeichereinheit zugeordneten Innenwiderstand ist zeitaufwändig und ineffizient. Hierfür wären hohe elektrische Ströme notwendig, welche durch die hohen Innenwiderstände verhindert werden.
-
Der Erfindung liegt sonach das Problem zugrunde, eine im Hinblick auf ihre Temperierbarkeit verbesserte Energiespeicheranordnung anzugeben.
-
Das Problem wird erfindungsgemäß durch eine Energiespeicheranordnung der eingangs genannten Art gelöst, welche sich dadurch auszeichnet, dass der Symmetrierwiderstand als Widerstandsheizelement ausgebildet ist und über eine thermisch leitende Verbindung mit dem Energiespeicher gekoppelt ist.
-
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, den wenigstens einen einem entsprechenden Energiespeicher einer Energiespeicheranordnung zugeordneten Symmetrierwiderstand als Widerstandsheizelement auszubilden und über eine thermisch leitende Verbindung mit dem entsprechenden Energiespeicher zu koppeln, so dass die von dem als Widerstandsheizelement ausgebildeten Symmetrierwiderstand erzeugte Wärmemenge zur Temperierung des Energiespeichers verwendet werden kann. Durch eine entsprechende Bestromung respektive Aktivierung des Symmetrierwiderstands wird sonach nicht allein den oben genannten Alterungserscheinungen der der Energiespeicheranordnung zugehörigen Energiespeicher und somit der Energiespeicheranordnung insgesamt begegnet, sondern es kann gleichermaßen eine Temperierung bzw. Beheizung der Energiespeicher erfolgen, so dass die Energiespeicheranordnung schneller auf ihre entsprechende Betriebstemperatur erwärmt werden kann, um so ihre volle Leistungsfähigkeit entfalten zu können. Den als Widerstandsheizelement ausgebildeten Symmetrierwiderständen kommt sonach eine doppelte Funktion zu; sie dient zum einen der Symmetrierung und zum anderen, sofern die Energiespeicheranordnung nicht bereits auf Betriebstemperatur ist, der Beheizung der dieser zugehörigen Energiespeicher.
-
Die thermisch leitfähige Verbindung zwischen einem entsprechenden Symmetrierwiderstand und einem entsprechenden Energiespeicher ist grundsätzlich derart, dass die von dem Symmetrierwiderstand erzeugte Wärmemenge möglichst verlustfrei zu dem Energiespeicher geführt werden kann. Auf mögliche Ausführungsformen der thermisch leitfähigen Verbindung wird weiter unten näher eingegangen. Grundsätzlich wird ein möglichst direkter Kontakt zwischen einem als Widerstandsheizelement ausgebildeten Symmetrierwiderstand und einem Energiespeicher angestrebt, um die genannten thermischen Verlusteffekte bei der Wärmeübertragung zu minimieren.
-
Die erfindungsgemäß eingesetzten Symmetrierwiderstände können für den beispielhaften Fall einer Energiespeicheranordnung mit einer Zellspannung Von ca. 3,6 V und einer beispielhaft geforderten Heizleistung von ca. 10 W einen Widerstandswert von ca. 1,3 Ω aufweisen. Dies ergibt sich aus dem Zusammenhang R = U2/P.
-
Eine Energiespeicheranordnung kann mehrere, insbesondere in Serie geschaltete, Energiespeicher aufweisen, wobei jeder Energiespeicher thermisch leitend mit wenigstens einem Widerstandsheizelement verbunden ist. Einem Energiespeicher können dabei auch mehrere als Widerstandsheizelemente ausgebildete Symmetrierwiderstände zugeordnet sein. Sämtliche Symmetrierwiderstände sind vorteilhaft über eine, gegebenenfalls einen Teil der Energiespeicheranordnung bildende, Steuereinrichtung ansteuerbar, das heißt können individuell, in Gruppen oder insgesamt über die Steuereinrichtung zu- oder abgeschaltet werden. Bevorzugt ist ein entsprechender Symmetrierwiderstand, das heißt ein Widerstandsheizelement, zu einem Energiespeicher parallel geschaltet.
-
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung zur Zuschaltung des Widerstandsheizelements in Abhängigkeit einer erfassten Temperatur des Energiespeichers ausgebildet. Demnach können einzelne Symmetrierwiderstände bedarfsgerecht zugeschaltet und als Widerstandsheizelement verwendet werden. Das heißt, diese werden bevorzugt bei einer nicht hinreichend hohen Temperatur der Energiespeicher der Energiespeicheranordnung zugeschaltet und entsprechend bei einer hinreichend hohen, insbesondere der Betriebstemperatur der Energiespeicheranordnung entsprechenden, Temperatur nicht zugeschaltet werden. Selbstverständlich sind hierfür an den Energiespeichern geeignete, mit der Steuereinrichtung kommunizierende Temperaturerfassungsmittel im Sinne einer Temperatursensorik vorgesehen, so dass eine gezielte und individuelle Temperierung einzelner Energiespeicher möglich ist.
-
Es ist zweckmäßig, dass das Widerstandsheizelement samt dem Energiespeicher an oder in einem gemeinsamen Gehäuse der Energiespeicheranordnung angeordnet ist. Mithin können die Symmetrierwiderstände als Bestandteil der Energiespeicheranordnung gesehen werden, da diese direkt in das dieser zugehörige Gehäuse integriert sind. Derart ist ein möglichst guter Kontakt zwischen den Symmetrierwiderständen und den Energiespeichern möglich, welcher eine gute Wärmeübertragung erlaubt. Hierbei können thermisch leitfähige Materialien, wie z. B. thermisch leitfähige Kleber, Pasten oder dergleichen, die Wärmeübertragung zwischen den Symmetrierwiderständen und den Energiespeichern weiter erhöhen. Selbstverständlich ist ein Symmetrierwiderstand stabil und lagefest innerhalb des Gehäuses festgelegt, was durch Verlöten, Vergießen oder mechanische Befestigungsarten, wie Verschrauben, Vernieten etc., realisiert sein kann. Die Anordnung eines Symmetrierwiderstands innerhalb des Gehäuses der Energiespeicheranordnung kann lösbar oder unlösbar sein.
-
Alternativ oder ergänzend ist es möglich, Symmetrierwiderstände an ein entsprechendes Gehäuse, das heißt insbesondere an wenigstens einer Außenfläche des Gehäuses anzuordnen. Gegebenenfalls kann zwischen einem Symmetrierwiderstand und der Gehäuseaußenfläche ein thermisch leitfähiges Material, wie ein thermisch leitfähiger Kleber oder eine thermisch leitfähige Paste, vorgesehen sein, welche die Wärmeübertragung zwischen dem Symmetrierwiderstand und dem Gehäuse verbessert. Die Anordnung des Symmetrierwiderstands an dem Gehäuse respektive der Gehäuseaußenfläche kann über Kleben, wobei hier bevorzugt ein thermisch leitfähiger Kleber verwendet wird, Löten oder mechanische Befestigungsarten erfolgen. Die Verbindung kann lösbar oder unlösbar sein.
-
Es ist weiterhin denkbar, dass ein oder mehrere Symmetrierwiderstände über wenigstens ein thermisch leitfähiges Element mit dem oder den Energiespeichern der Energiespeicheranordnung verbunden ist. Entsprechend kann ein Symmetrierwiderstand auch örtlich beabstandet von dem Energiespeicher respektive der Energiespeicheranordnung, das heißt auch beabstandet von einem dieser zugehörigen Gehäuse, angeordnet sein, wobei wenigstens ein thermisch leitfähiges Element eine möglichst verlustfreie Wärmeübertragung zwischen den Symmetrierwiderständen und den Energiespeichern sicherstellt. Unter einem thermisch leitfähigen Element sind beispielsweise aus einem thermisch leitfähigen Material, wie einer thermisch leitfähigen Paste, gebildete thermisch leitfähige Pfade oder aus Materialien mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, wie etwa Metallen wie Kupfer, Silber oder thermisch leitfähigen Kunststoffen gebildete Bauteile, welche zwischen den Symmetrierwiderständen und den Energiespeichern angeordnet sind, zu verstehen.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Widerstandsheizelement als Widerstandsheizfolie ausgebildet. Durch die Ausbildung eines als Widerstandsheizelement dienenden Symmetrierwiderstands als Widerstandsheizfolie kann die Wärmeübertragung zwischen dem Widerstandsheizelement und einem Energiespeicher durch die flächige Natur der Folie verbessert werden, da die Kontaktfläche in der Regel vergrößert ist, so dass der Wärmeaustausch verbessert werden kann. Beispielsweise kann ein als Widerstandsheizfolie ausgebildetes Widerstandsheizelement einen entsprechenden Energiespeicher wenigstens teilweise umhüllen. Mithin ist der Wirkungsgrad des als Widerstandsheizelement dienenden Symmetrierwiderstands erhöht.
-
Ein Energiespeicher kann z. B. wenigstens ein auf Lithium basierendes Speicherelement umfassen. Mithin ist ein Energiespeicher hier als Lithiumzelle zu verstehen. Dabei kann eine Energiespeicheranordnung, wie erwähnt, mehrere, insbesondere in Serie geschaltete, entsprechende auf Lithium basierende Speicherelemente umfassen, um gezielt auf ein gewünschtes Spannungsniveau eingestellt zu werden. Selbstverständlich kann ein Energiespeicher auch auf anderen für die Verwendung als wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher geeigneten Materialien, wie etwa Blei, Eisen-Phosphat-Verbindungen oder Lithium-Verbindungen, basieren.
-
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Energiespeicheranordnung, insbesondere der Energiespeicheranordnung wie vorstehend beschrieben. Die Energiespeicheranordnung umfasst wenigstens einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher sowie wenigstens einen diesem zugeordneten elektrischen Symmetrierwiderstand. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Symmetrierwiderstand als Widerstandsheizelement ausgebildet ist und über eine thermisch leitfähige Verbindung mit dem Energiespeicher gekoppelt ist. Mithin dient ein entsprechender Symmetrierwiderstand nicht allein der Symmetrierung der der Energiespeicheranordnung zugehörigen Energiespeicher, sondern zusätzlich der Temperierung der entsprechenden Energiespeicher, so dass diese gezielt auf ihre entsprechende Betriebstemperatur temperiert werden können.
-
Hierfür ist eine thermisch leitende bzw. leitfähige Verbindung zwischen den als Widerstandsheizelementen dienenden Symmetrierwiderständen und den Energiespeichern erforderlich, welche, wie oben bezüglich des erfindungsgemäßen Energiespeichers ausgeführt, unterschiedlich ausgebildet sein kann.
-
Bevorzugt bildet die Energiespeicheranordnung einen Teil eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs, wobei das Bordnetz wenigstens einen Generator, insbesondere zum Laden des Energiespeichers, und wenigstens einen elektrischen Strom verbrauchenden Verbraucher umfasst. Das Bordnetz kann beispielsweise ein 12 V oder ein 24 V Bordnetz sein.
-
Vorteilhaft ist das Widerstandsheizelement über eine diesem zugeordneten Steuereinrichtung zu- und abschaltbar, wobei die Steuereinrichtung zur Zuschaltung des Widerstandsheizelements in Schubphasen des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. In den Schubphasen wird der von einem kraftfahrzeugseitig vorgesehenen Generator erzeugte Strom ohne Kraftstoffmehrverbrauch erzeugt, so dass während dieser Zeit für die Erzeugung der Wärmemenge über die als Widerstandsheizelemente ausgebildeten Symmetrierwiderstände kein zusätzlicher Kraftstoff verbraucht wird. Es handelt sich demnach um eine besonders energiesparende Betriebsart der Widerstandsheizelemente. Durch die über die Symmetrierwiderstände erfolgende schnelle Temperierung der Energiespeicher respektive der Energiespeicheranordnung steht die Energiespeicheranordnung bereits nach kurzer Zeit mit ihrer vollen Leistungsfähigkeit zur Verfügung. Diese kann dann z. B. für die Zwischenspeicherung von Rekuperationsenergie oder eine redundante Energieversorgung, wie etwa für Sicherheitsverbraucher, verwendet werden.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine Prinzipdarstellung eines Teils eines Bordnetzes eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs in einer beispielhaften Ausführungsform;
-
2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform; und
-
3 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform.
-
1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Teils eines Bordnetzes 1 eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 2 in einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Bordnetz 1 umfasst eine einen Teil dieses bildende Energiespeicheranordnung 3, welche mehrere in Serie geschaltete, auf Lithium basierende Energiespeicher 4 (Lithiumzellen) aufweist. Jedem Energiespeicher 4 ist ein elektrischer, sogenannter Innenwiderstand 5 in Serie vorgeschaltet. Üblicherweise ist in dem Bordnetz 1 weiterhin wenigstens ein Generator (nicht gezeigt), insbesondere zum Laden der Energiespeicher 4, und wenigstens ein elektrischen Strom verbrauchender Verbraucher (nicht gezeigt) vorgesehen. Um Alterungs- bzw. Selbstentladeerscheinungen der Energiespeicher 4 zu begegnen, sind sogenannte Symmetrierwiderstände 6 vorhanden, wobei jedem Energiespeicher 4 jeweils ein Symmetrierwiderstand 6 zugeordnet ist.
-
Erfindungsgemäß sind die Symmetrierwiderstände 6 als Widerstandsheizelemente ausgebildet und thermisch leitend mit den jeweiligen Energiespeichern 4 gekoppelt. Besonders vorteilhaft handelt es sich bei den Symmetrierwiderständen 6 um Widerstandsheizfolien. Sonach können die über eine Steuereinrichtung 7 respektive von dieser angesteuerte elektrische Schaltmittel 9 separat bzw. individuell zuschaltbaren Symmetrierwiderstände 6 die jeweiligen Energiespeicher 4 gezielt temperieren, so dass die Energiespeicheranordnung 3 insgesamt schnell und einfach auf ihre jeweilige Betriebstemperatur gebracht werden kann, um ihre volle Leistungsfähigkeit, insbesondere auch im Hinblick auf ihre Lade- und Entladefähigkeit, entfalten zu können. Dies wird am nachfolgenden Beispiel verdeutlicht.
-
Ausgehend von einer Energiespeicheranordnung 3 bestehend aus vier in Serie geschalteten Energiespeichern 4 basierend auf Lithium mit einer elektrischen Leistung von ca. 5 Ah und einer Gesamtmasse von ca. 1 kg wäre bei einer Wärmekapazität der Energiespeicher 4 von ca. 0,21 Kcal/kg·K für eine Erwärmung um 10 K eine Energiemenge von ca. 2,4 Wh bzw. ca. 8700 Ws notwendig. Eine entsprechende Energiemenge wäre bei einer Bestromung eines als Widerstandsheizelement dienenden Symmetrierwiderstands 6 bei einer angelegten Spannung von ca. 14 V mit einer Stromstärke von ca. 20 A nach ca. 30 s erreicht. Im Vergleich dazu wurde bei einer entsprechenden Bestromung eines Innenwiderstands 5 mit einem Widerstandswert von ca. 40 mΩ mit einer Stromstärke von ca. 20 A eine Leistung von ca. 16 W erzeugt, so dass die für die erforderliche Energiemenge von ca. 8700 Ws eine Bestromung des Innenwiderstands über eine Dauer von ca. 540 s erforderlich wäre.
-
Die Ansteuerung der jeweiligen Symmetrierwiderstände 6 über die Steuereinrichtung 7 erfolgt insbesondere in Abhängigkeit der Temperatur der jeweiligen Energiespeicher 4, weshalb diese indirekt oder direkt mit entsprechenden Temperatursensoren (nicht gezeigt) verbunden sind, welche Temperatursensoren wiederum mit der Steuereinrichtung 7 kommunizieren, so dass eine Ansteuerung der als Widerstandsheizelemente ausgebildeten Symmetrierwiderstände 6 und somit eine Temperierung der Energiespeicher 4 insbesondere nur erfolgt, wenn dies auch tatsächlich erforderlich ist.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung erfolgt die Ansteuerung der Symmetrierwiderstände 6 seitens der Steuereinrichtung 7 nur in Schubphasen des Kraftfahrzeugs 2, in welchen der Strom vom Generator ohne Energie- bzw. Kraftstoffmehrverbrauch erzeugt wird. Mithin wird zur Temperierung der Energiespeicher 4 über die Symmetrierwiderstände 6 keine zusätzliche Energie verbraucht.
-
Ersichtlich sind die Symmetrierwiderstände 6 bei der in 1 gezeigten Ausführungsform direkt innerhalb des der Energiespeicheranordnung 3 zugehörigen Gehäuses 8 angeordnet, so dass die von diesen erzeugte Wärmemenge möglichst verlustfrei auf die jeweiligen Energiespeicher 4 übertragen werden kann. Gegebenenfalls können zusätzlich thermisch leitfähige Materialien, wie z. B. thermisch leitfähige Pasten, Kleber oder dergleichen, zwischen den Symmetrierwiderständen 6 und den Energiespeichern 4 vorgesehen sein.
-
Die oben genannte vorteilhafte Ausführung der Symmetrierwiderstände 6 als flächige und flexible Widerstandsheizfolien erlaubt eine Umhüllung der Energiespeicher 4 mit den Symmetrierwiderständen 6, welche einen besonders effizienten Wärmeübergang gewährleistet.
-
2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung 3 in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Der wesentliche Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform betrifft die Anordnung der als Widerstandsheizelemente ausgebildeten Symmetrierwiderstände 6, welche hier nicht direkt innerhalb des Gehäuses 8 der Energiespeicheranordnung 3, sondern an deren Außenfläche angeordnet sind. Gleichermaßen ist eine thermisch leitende bzw. leitfähige Verbindung zwischen den Symmetrierwiderständen 6 und den jeweiligen Energiespeichern 4 sichergestellt, so dass insbesondere eine Temperierung der jeweiligen Flächen des Gehäuses 8 und weiter der innerhalb des Gehäuses 8 angeordneten Energiespeicher 4 sichergestellt ist. Eine Wärmeübertragung kann ergänzend auch über thermisch leitfähige Elemente (nicht gezeigt) zwischen den jeweiligen Symmetrierwiderständen 6 und den Energiespeichern 4 innerhalb des Gehäuses 8 sichergestellt sein.
-
Die Außenfläche des Gehäuses 8 kann im Bereich der Anordnung der jeweiligen Symmetrierwiderstände 6 mit einem thermisch leitfähigen Material, wie z. B. einer thermisch leitfähigen Paste, Kleber oder Lot versehen sein. Vorteilhaft erfolgt die Anbindung der Symmetrierwiderstände 6 gleichermaßen auch über das thermisch leitfähige Material, welches als entsprechende adhäsive Beschichtung eine stabile Verbindung der Symmetrierwiderstände 6 und der Außenfläche des Gehäuses 8 gewährleistet.
-
3 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung 3 in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Hierbei sind die Symmetrierwiderstände 6 extern bzw. beabstandet zu der Energiespeicheranordnung 3 angeordnet. Eine thermisch leitfähige Verbindung zwischen den Symmetrierwiderständen 6 und den innerhalb des Gehäuses 8 der Energiespeicheranordnung 3 angeordneten Energiespeichern 4 erfolgt hier über entsprechende thermisch leitfähige Elemente 10, welche beispielsweise als nach außen thermisch isolierte Kupferstangen ausgebildet sein können. Wenngleich diese Art der Verbindung der Symmetrierwiderstände 6 mit der Energiespeicheranordnung 3 respektive der dieser zugehörigen Energiespeicher 4 mit verhältnismäßig großen thermischen Verlusten verbunden sein kann, können sich insbesondere bei besonders kompakt aufgebauten Energiespeicheranordnungen 3, in deren Gehäuse 8 kein Platz für eine zusätzliche Anordnung entsprechender Symmetrierwiderstände 6 gegeben ist, Vorteile ergeben, da eine Einbringung von Wärmeenergie mittels der thermisch leitfähigen Elemente 10 auch von einem zu der Energiespeicheranordnung 3 beabstandeten Ort über entsprechende Symmetrierwiderstände 6 möglich ist. Selbstverständlich ist die Anordnung der Symmetrierwiderstände 6 derart, dass diese weiterhin auch der Symmetrierung der der Energiespeicheranordnung 3 zugehörigen Energiespeicher 4 dienen.
