DE102013221821A1 - Method for increasing the overall efficiency of high-temperature batteries and system of at least one heat engine and at least one high-temperature battery and its use - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades von Hochtemperaturbatterien, bei dem mindestens eine Hochtemperaturbatterie mit mindestens einer Wärmekraftmaschine thermisch gekoppelt wird. Ebenso betrifft die Erfindung ein System aus mindestens einer Wärmekraftmaschine und mindestens einer Hochtemperaturbatterie sowie deren thermische Kopplung. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Systeme insbesondere in Elektro- oder Hybridfahrzeugen.The invention relates to a method for increasing the overall efficiency of high-temperature batteries, in which at least one high-temperature battery is thermally coupled to at least one heat engine. Likewise, the invention relates to a system comprising at least one heat engine and at least one high-temperature battery and their thermal coupling. The systems according to the invention are used in particular in electric or hybrid vehicles.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades von Hochtemperaturbatterien, bei dem mindestens eine Hochtemperaturbatterie mit mindestens einer Wärmekraftmaschine thermisch gekoppelt wird. Ebenso betrifft die Erfindung ein System aus mindestens einer Wärmekraftmaschine und mindestens einer Hochtemperaturbatterie sowie deren thermische Kopplung. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Systeme insbesondere in Elektro- oder Hybridfahrzeugen.The invention relates to a method for increasing the overall efficiency of high-temperature batteries, in which at least one high-temperature battery is thermally coupled to at least one heat engine. Likewise, the invention relates to a system comprising at least one heat engine and at least one high-temperature battery and their thermal coupling. The systems according to the invention are used in particular in electric or hybrid vehicles.

Hochtemperaturbatterien sind aufgrund ihres Elektrolyten, welcher bei niedrigen Temperaturen fest und nicht leitfähig ist, in einem Temperaturfenster oberhalb der Raumtemperatur zu betreiben, anderenfalls ist eine Ladungsentnahme nicht möglich. Um Wärmeverluste zu vermeiden sind Hochtemperaturbatterien üblicherweise mit einer Vakuumisolierung ausgestattet. Die Aufrechterhaltung der Temperatur wird im Idealfall über die thermischen Verluste der Batterie bei Ladung oder Entladung abgedeckt. Bei zu niedrigen Strömen wird zusätzliche Wärmeenergie zur Aufrechterhaltung der Temperatur benötigt. Bei zu hohen Strömen entsteht überschüssige Wärmeenergie, die abgeführt werden muss.High-temperature batteries are to be operated in a temperature window above room temperature due to their electrolyte, which is solid and non-conductive at low temperatures, otherwise charge collection is not possible. To avoid heat loss, high-temperature batteries are usually equipped with a vacuum insulation. The maintenance of the temperature is ideally covered by the thermal losses of the battery during charging or discharging. If the currents are too low, additional heat energy is needed to maintain the temperature. If the currents are too high, excess heat energy is generated, which must be dissipated.

Ist eine Batterie erkaltet, muss diese zuerst wieder erhitzt werden, bevor ihr Strom entnommen/zugeführt werden kann. Dieser Erwärmungsprozess wird in der nächsten Generation voraussichtlich keinen Schaden an der Batterie selbst verursachen, mit der Zeit ist jedoch eine beschleunigte Alterung der Batterie zu beobachten.If a battery is cold, it must first be reheated before its power can be removed / supplied. This heating process is not expected to cause any damage to the battery itself in the next generation, but over time, accelerated aging of the battery is observed.

Für die Lösung dieser Problematik stehen derzeit zwei Wege zur Verfügung.There are currently two ways to solve this problem.

Im Falle eines Wärmedefizites wird über eine elektrische Heizung die zusätzlich benötigte Wärmeenergie geliefert. Dies führt zu einer Selbstentladung der Batterie, welche bei besonders langen Standzeiten zur völligen Entladung führt. Ein weiterer Nachteil ist darauf zurückzuführen, dass der Gesamtwirkungsgrad der Batterie durch die elektrische Heizung gesenkt wird.In the case of a heat deficit, the additional heat energy required is supplied by an electric heater. This leads to a self-discharge of the battery, which leads to complete discharge in particularly long periods. Another disadvantage is that the overall efficiency of the battery is lowered by the electric heater.

Im Falle eines Wärmeüberschusses werden zur Vermeidung einer Überhitzung Hochtemperaturbatterien mittels einer Lüftung gekühlt. Der Energieverbrauch der Lüfter führt zu einer Senkung des Gesamtwirkungsgrades der Hochtemperaturbatterie.In the case of excess heat, high-temperature batteries are cooled by means of ventilation to prevent overheating. The energy consumption of the fans leads to a reduction in the overall efficiency of the high-temperature battery.

Die Folgen der zuvor beschriebenen Nachteilen ist es, dass Hochtemperaturbatterien derzeit nur in Bereichen eingesetzt werden, bei denen eine Auskühlung der Batterie sehr selten vorkommt, da die Batterie vor Inbetriebnahme sonst erst wieder erhitzt werden muss. Dies ist zum Beispiel bei Elektrofahrzeugen der Fall. So werden Elektrofahrzeuge bisher nur in Bereichen eingesetzt, mit denen täglich mehrere Fahrten durchgeführt werden, wie zum Beispiel Lieferfahrzeuge oder Taxen.The consequences of the disadvantages described above is that high-temperature batteries are currently used only in areas where a cooling of the battery is very rare, since the battery must be reheated before startup otherwise. This is the case, for example, with electric vehicles. So far, electric vehicles are used only in areas that are carried out daily several trips, such as delivery vehicles or taxis.

Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Gesamtwirkungsgrad von Hochtemperaturbatterien gegenüber denen aus dem Stand der Technik bekannten Systemen zu verbessern.Based on this, it was an object of the present invention to improve the overall efficiency of high-temperature batteries over those known from the prior art systems.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das System aus Wärmekraftmaschine und Hochtemperaturbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. In Anspruch 14 werden erfindungsgemäße Verwendungen angegeben. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.This object is achieved by the method with the features of claim 1 and the system of heat engine and high-temperature battery with the features of claim 9. In claim 14 uses of the invention are given. The other dependent claims show advantageous developments.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades von Hochtemperaturbatterien bereitgestellt, bei dem mindestens eine Hochtemperaturbatterie mit mindestens einer Wärmekraftmaschine thermisch gekoppelt wird, indem die Hochtemperaturbatterie mit der von der mindestens einen Wärmekraftmaschine erzeugten Abwärme beheizt wird.According to the invention, a method for increasing the overall efficiency of high-temperature batteries is provided, in which at least one high-temperature battery is thermally coupled to at least one heat engine by heating the high-temperature battery with the waste heat generated by the at least one heat engine.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit der Wärmebedarf der Hochtemperaturbatterie durch die Abwärme in der Wärmekraftmaschine gedeckt, indem in der Hochtemperaturbatterie der heiße Abgasstrom der Wärmekraftmaschine zugeführt wird.In the method according to the invention thus the heat demand of the high-temperature battery is covered by the waste heat in the heat engine by the hot exhaust gas flow is supplied to the heat engine in the high-temperature battery.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Wärmekraftmaschine mit der von der Hochtemperaturbatterie erzeugten Abwärme beheizt wird. Im Falle von auftretender überschüssiger Wärme der Hochtemperaturbatterie kann mit dieser überschüssigen Wärme die Wärmekraftmaschine auf Temperatur gehalten werden, um so Kaltstarts der Wärmekraftmaschine zu vermeiden.A further preferred embodiment provides that the heat engine is heated with the waste heat generated by the high-temperature battery. In the case of occurring excess heat of the high-temperature battery can be kept at this excess heat, the heat engine to temperature, so as to avoid cold starts of the heat engine.

Vorzugsweise werden die mindestens eine Wärmekraftmaschine und die mindestens eine Hochtemperaturbatterie in Form eines Wärmekreislaufes gekoppelt.Preferably, the at least one heat engine and the at least one high-temperature battery are coupled in the form of a heat cycle.

Die thermische Kopplung zwischen der mindestens einen Wärmekraftmaschine und der mindestens einen Hochtemperaturbatterie erfolgt dabei vorzugsweise über mindestens einen Wärmeübertrager. Hierzu zählen insbesondere Gegenstrom-, Gleichstrom- und Kreuzstrom-Wärmeübertrager.The thermal coupling between the at least one heat engine and the at least one high-temperature battery is preferably carried out via at least one heat exchanger. These include in particular countercurrent, DC and cross-flow heat exchangers.

Als Wärmekraftmaschinen werden vorzugsweise Verbrennungsmotoren mit Stromgenerator eingesetzt. Es ist aber auch möglich, dass die Kraft der Wärmekraftmaschine direkt auf die Antriebswelle übertragen wird, ohne dass ein Stromgenerator eingesetzt wird. Ebenso ist es möglich, dass es sich bei der Wärmekraftmaschine um ein Blockheizkraftwerk (BHKW) handelt.As heat engines preferably internal combustion engines are used with power generator. But it is also possible that the power of the heat engine directly on the drive shaft is transmitted without a power generator is used. It is also possible that the heat engine is a combined heat and power plant (CHP).

Die Hochtemperaturbatterie wird bevorzugt durch die Wärmekraftmaschine mit Abwärme beheizt.The high-temperature battery is preferably heated by the heat engine with waste heat.

In der bevorzugten Ausführungsform wird die Hochtemperaturbatterie bis zu einem definierten Schwellenwert entladen. Bei Erreichen dieses Schwellenwertes kann dann die Wärmekraftmaschine gestartet werden.In the preferred embodiment, the high temperature battery is discharged to a defined threshold. When this threshold value is reached, the heat engine can then be started.

Erfindungsgemäß wird ebenso ein System aus mindestens einer Wärmekraftmaschine und mindestens einer Hochtemperaturbatterie bereitgestellt, wobei mindestens eine Wärmekraftmaschine mit mindestens einer Hochtemperaturbatterie thermisch gekoppelt ist, indem die Hochtemperaturbatterien mit einer Zuführung für die von der mindestens einen Wärmekraftmaschine erzeugten Abwärme versehen ist.According to the invention, a system comprising at least one heat engine and at least one high-temperature battery is likewise provided, wherein at least one heat engine is thermally coupled to at least one high-temperature battery by providing the high-temperature batteries with a supply for the waste heat generated by the at least one heat engine.

Eine weiter bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Wärmekraftmaschine mit einer Zuführung für die von der Hochtemperaturbatterie erzeugte Überschusswärme versehen ist.A further preferred embodiment provides that the heat engine is provided with a feed for the excess heat generated by the high-temperature battery.

Vorzugsweise sind die mindestens eine Wärmekraftmaschine und die mindestens eine Hochtemperaturbatterie in Form eines Wärmekreislaufes gekoppelt.Preferably, the at least one heat engine and the at least one high-temperature battery are coupled in the form of a heat cycle.

Die thermische Kopplung zwischen der mindestens einen Wärmekraftmaschine und der mindestens einen Hochtemperaturbatterie erfolgt bevorzugt über einen Wärmeübertrager.The thermal coupling between the at least one heat engine and the at least one high-temperature battery preferably takes place via a heat exchanger.

Die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Systeme lassen sich vorzugsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen einsetzen. Weitere Anwendungsfelder betreffen sogenannte Batterie-Generator-Systeme sowie Batteriesysteme in Blockheizkraftwerken. Ebenso ist eine Kopplung mit konventionellen Wärmekraftwerken, z. B. Kohle oder Gas, denkbar.The systems according to the invention described above can preferably be used in electric or hybrid vehicles. Further fields of application concern so-called battery generator systems as well as battery systems in combined heat and power plants. Likewise, a coupling with conventional thermal power plants, z. As coal or gas, conceivable.

Anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.Reference to the following embodiments, the subject invention is to be explained in more detail without wishing to limit this to the specific embodiments shown here.

Beispiel 1example 1

Elektrofahrzeug/HybridfahrzeugElectric vehicle / hybrid vehicle

Als Ausgangspunkt wird eine bereits erkaltete Hochtemperaturbatterie betrachtet, somit kann der Batterie keine Energie entnommen werden. Das EV (Electric Vehicle) startet mit Hilfe eines Range-Extenders (Verbrennungsmotors mit Stromgenerator). Der Range-Extender arbeitet von Beginn an im optimalen Betriebspunkt, wobei der Elektromotor die entsprechende elektrische Leistung für den Vortrieb der Generatorleistung entnimmt. Überschüssige elektrische Energie wird zur Erwärmung der Hochtemperaturbatterie mittels der konventionellen elektrischen Heizung verwendet.As a starting point, an already cooled high-temperature battery is considered, thus the battery can be taken no energy. The EV (Electric Vehicle) starts with the help of a range extender (internal combustion engine with power generator). The range extender works from the beginning at the optimum operating point, the electric motor takes the appropriate electrical power for the propulsion of the generator power. Excess electrical energy is used to heat the high temperature battery by means of conventional electric heating.

Das erfindungsgemäße System verwendet zusätzlich den heißen Abgasstrom des Verbrennungsmotors zur Erhitzung der Hochtemperaturbatterie. Da ein durchschnittlicher Verbrennungsmotor etwa doppelt so viel Wärme wie Kraft erzeugt, kann die Batterie deutlich schneller und mit erheblich weniger Primär-Energie (Kraftstoff) erhitzt werden. Sobald die Batterie die Betriebstemperatur erreicht hat, wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet, die Fahrt wird rein batteriegetrieben fortgesetzt.The system according to the invention additionally uses the hot exhaust gas flow of the internal combustion engine for heating the high-temperature battery. Since an average combustion engine generates about twice as much heat as power, the battery can be heated much faster and with significantly less primary energy (fuel). As soon as the battery has reached the operating temperature, the internal combustion engine is switched off, the drive is continued purely battery-powered.

Bevor die Batterie entladen ist, wird ein Teil der Wärme der Batterie verwendet, um den Range-Extender auf Betriebstemperatur zu bringen, anschließend wird der Range-Extender warm gestartet und lädt erneut die Batterie. Auf diese Weise können Kaltstarts vermieden werden. Grundsätzlich wird überschüssige Wärmeenergie der Batterie immer an den Range-Extender übertragen, um so einen jeder Zeit möglichen Warmstart des Range-Extenders zu gewährleisten.Before the battery is discharged, part of the battery's heat is used to bring the range extender to operating temperature, then the range extender warms up and recharges the battery. In this way cold starts can be avoided. Basically, excess heat energy of the battery is always transmitted to the range extender, so as to ensure a possible warm start of the range extender at any time.

Das Laden der Batterie an Ladestationen ist unproblematisch, da die Batterie durch optimierte Ladeströme auf Temperatur gehalten wird. Aufgrund der guten thermischen Isolation der Hochtemperaturbatterie ist ein Hochheizen der Batterie nach kurzen Stopps nicht notwendig. Jedoch ermöglicht die neue Technik auch den Einsatz von Hochtemperaturbatterien für Fahrzeuge mit längeren Standzeiten, dies war bisher nicht möglich.Charging the battery at charging stations is not a problem since the battery is kept at a constant temperature due to optimized charging currents. Due to the good thermal insulation of the high-temperature battery, it is not necessary to heat up the battery after short stops. However, the new technology also allows the use of high-temperature batteries for vehicles with longer lives, this has not been possible.

Beispiel 2Example 2

Batteriegeneratorbattery generator

Bei elektrischen Inselanlagen werden häufig Verbrennungsmotoren als Stromgenerator zur elektrischen Energiebereitstellung genutzt. In Kombination mit einer Hochtemperaturbatterie kann der Verbrennungsmotor ständig im optimalen Wirkungsgradbereich betrieben werden, da mit der nicht benötigten elektrischen Energie die Batterie geladen wird. Sobald die Batterie vollständig geladen ist, wird der Motor abgeschaltet. Ab diesem Moment wird der Strom rein von der Batterie bereitgestellt. Sobald der Ladezustand der Batterie eine Entladeschwelle unterschreitet, wird der Verbrennungsmotor erneut gestartet. Auf diese Weise werden Teillastbereiche des Verbrennungsmotors vermieden und der durchschnittliche Wirkungsgrad des Systems wird deutlich erhöht. Zudem gestaltet sich die Integration erneuerbarer Energie einfacher, da ein Speichermedium die Fluktuation erneuerbarer Energien ausgleichen kann.In island electrical systems often internal combustion engines are used as a power generator for electrical energy supply. In combination with a high-temperature battery, the internal combustion engine can be operated continuously in the optimum efficiency range, as the battery is charged with the unneeded electrical energy. Once the battery is fully charged, the engine is shut down. From this moment the power is provided purely by the battery. As soon as the state of charge of the battery falls below a discharge threshold, the internal combustion engine is restarted. In this way, partial load ranges of the internal combustion engine are avoided and the average efficiency of the system is significantly increased. In addition, the integration of renewable energy is easier because a storage medium can compensate for the fluctuation of renewable energies.

Bei Simulationsrechnungen am Fraunhofer ISE wurden Wirkungsgradsteigerungen von durchschnittlich 10% auf über 30% bei verschiedenen Generatoranwendungen nachgewiesen. Der Kraftstoffverbrauch ließe sich bereits ohne Einsatz von erneuerbarer Energien um 2/3 senken.In simulation calculations at the Fraunhofer ISE, efficiency improvements of an average of 10% to more than 30% have been demonstrated for various generator applications. Fuel consumption could already be reduced by 2/3 without the use of renewable energies.

Die Quernutzung der Wärme zwischen Verbrennungsmotor und Batterie ist bei diesem Verfahren analog zu der Nutzung beim Beispiel 1.The transverse use of heat between the internal combustion engine and the battery is analogous to the use in Example 1 in this method.

Claims (14)

Verfahren zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades von Hochtemperaturbatterien, bei dem mindestens eine Hochtemperaturbatterie mit mindestens einer Wärmekraftmaschine thermisch gekoppelt wird, indem die Hochtemperaturbatterie mit der von der mindestens einen Wärmekraftmaschine erzeugten Abwärme beheizt wird.A method for increasing the overall efficiency of high-temperature batteries, wherein at least one high-temperature battery is thermally coupled to at least one heat engine by the high-temperature battery is heated with the waste heat generated by the at least one heat engine. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine mit der von der Hochtemperaturbatterie erzeugten Abwärme beheizt wird.A method according to claim 1, characterized in that the heat engine is heated with the waste heat generated by the high-temperature battery. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmekraftmaschine und die mindestens eine Hochtemperaturbatterie über einen Wärmekreislauf gekoppelt sind.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the at least one heat engine and the at least one high-temperature battery are coupled via a heat cycle. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung zwischen der mindestens einen Wärmekraftmaschine und der mindestens einen Hochtemperaturbatterie über mindestens einen Wärmeübertrager erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal coupling between the at least one heat engine and the at least one high-temperature battery via at least one heat exchanger. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmekraftmaschine ein Verbrennungsmotor, ein Verbrennungsmotor mit Stromgenerator oder ein Blockheizkraftwerk eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a combustion engine, an internal combustion engine with a power generator or a combined heat and power plant is used as the heat engine. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturbatterie durch die Wärmekraftmaschine mit Abwärme beheizt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the high-temperature battery is heated by the heat engine with waste heat. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine durch die Hochtemperaturbatterie mit Abwärme versorgt wird, so dass Kaltstartbedingungen für die Wärmekraftmaschine vermieden werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heat engine is supplied by the high-temperature battery with waste heat, so that cold start conditions for the heat engine are avoided. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturbatterie bis zu einem definierten Schwellenwert entladen wird und ab diesem Schwellenwert die Wärmekraftmaschine gestartet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the high-temperature battery is discharged to a defined threshold and from this threshold, the heat engine is started. System aus mindestens einer Wärmekraftmaschine und mindestens einer Hochtemperaturbatterie, wobei mindestens eine Wärmekraftmaschine mit mindestens einer Hochtemperaturbatterie thermisch gekoppelt ist, indem die Hochtemperaturbatterie mit einer Zuführung für die von der mindestens einen Wärmekraftmaschine erzeugten Abwärme versehen ist.System of at least one heat engine and at least one high-temperature battery, wherein at least one heat engine with at least one high-temperature battery is thermally coupled by the high-temperature battery is provided with a supply for the waste heat generated by the at least one heat engine. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine mit einer Zuführung für die von der Hochtemperaturbatterie erzeugten Überschusswärme versehen ist.System according to claim 9, characterized in that the heat engine is provided with a supply for the excess heat generated by the high-temperature battery. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmekraftmaschine und die mindestens eine Hochtemperaturbatterie als Wärmekreislauf gekoppelt sind.System according to claim 10, characterized in that the at least one heat engine and the at least one high-temperature battery are coupled as a heat cycle. System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmekraftmaschine ein Verbrennungsmotor, ein Verbrennungsmotor mit Stromgenerator oder ein Blockheizkraftwerk ist.System according to one of claims 9 to 11, characterized in that the at least one heat engine is an internal combustion engine, an internal combustion engine with power generator or a combined heat and power plant. System nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung zwischen der mindestens einen Wärmekraftmaschine und der mindestens einen Hochtemperaturbatterie über einen Wärmeübertrager erfolgt.System according to the preceding claim, characterized in that the thermal coupling between the at least one heat engine and the at least one high-temperature battery via a heat exchanger. Verwendung des Systems in Elektro- oder Hybridfahrzeugen.Use of the system in electric or hybrid vehicles.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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