DE102014016359A1

DE102014016359A1 - Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102014016359A1
Application number: DE102014016359.8A
Authority: DE
Inventors: Norbert Bachmann; Jens Meintschel; Dirk Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers (1), wobei eine im Betrieb des Energiespeichers (1) entstehende Abwärme (A) in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers.
Im Betrieb eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Batterie, entsteht durch einen elektrischen Widerstand in einem Stromkreis des Energiespeichers und bei Reaktionen in einer Zellchemie Abwärme. Der Energiespeicher wird gekühlt, so dass diese Abwärme zum Großteil an die Umgebung abgegeben wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers sieht vor, dass eine im Betrieb des Energiespeichers entstehende Abwärme in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird.
Mittels des Verfahrens wird eine Effizienz des elektrischen Energiespeichers und somit sein Wirkungsgrad erhöht und verbessert, wobei durch die Umwandlung der mittels der Abwärme zur Verfügung stehenden thermischen Energie eine separate Energieerzeugung, beispielsweise zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers, nicht erforderlich ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt die:
1 schematisch eine Schnittdarstellung eines elektrischen Energiespeichers.
In der einzigen Figur ist eine Schnittdarstellung eines elektrischen Energiespeichers 1 in Form einer Batterie dargestellt.
Der Energiespeicher 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches aus einer Aufnahmeeinheit 2.1 und einem Gehäusedeckel 2.2 gebildet ist. In dem Gehäuse 2 ist ein Zellblock 3 mit beispielhaft fünfzehn Einzelzellen 3.1 dargestellt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Fahrzeugbatterie als Energiespeicher 1, wobei das weiter unten beschriebene Verfahren auch bei vergleichsweise großen stationären Batteriesystemen Anwendung findet.
Im Betrieb des Energiespeichers 1 und somit im Betrieb der Einzelzellen 3.1 entsteht, beispielsweise durch elektrische Widerstände in einem Stromkreis und/oder bei Reaktionen einer Zellchemie und/oder beim Laden und Entladen der Einzelzellen 3.1, Abwärme A. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, den Energiespeicher 1 zu kühlen, wobei ein Großteil der Abwärme A ungenutzt in die Umgebung des Energiespeichers 1 abgegeben wird.
Zur Verbesserung der Effizienz des Energiespeichers 1, insbesondere zur Erhöhung eines Wirkungsgrades, ist vorgesehen, die Abwärme A des Energiespeichers 1 zu nutzen, wobei die Abwärme A in elektrische und/oder mechanische Energie umgewandelt wird.
Die Abwärme A wird hierzu mittels unterschiedlicher physikalisch-technischer Verfahren für weitere Anwendungen nutzbar gemacht.
Beispielsweise kann die Abwärme A mittels eines direkten Verfahrens, wie z. B. eine Wandlung der Abwärme in elektrische Energie, oder auch mittels eines indirekten Verfahrens, wie z. B. einer Phasenumwandlung von Flüssigkeiten in gasförmige Stoffe und mittels eines Gasdruckes zum Betrieb von Turbinen o. ä. zur Gewinnung mechanischer Energie, umgewandelt werden.
Mittels allgemein bekannter thermoelektrischer Effekte, wie z. B. des Peltier-Effektes, des Thomson-Effektes und des Seebeck-Effektes, gibt es Wechselwirkungen zwischen Wärme, insbesondere Temperarturdifferenzen und einer Erzeugung einer elektrischen Spannung oder einer Erzeugung von Temperaturdifferenzen.
Beispielsweise lassen sich unter Nutzung des Seebeck-Effektes und relativ hohen Temperaturdifferenzen von mehreren Kelvin in einem Batteriesystem als Energiespeicher 1 elektrische Leistungen erzeugen, die ausreichen, um beispielsweise Elektroniken zu versorgen und/oder Haltespannungen für Relais und/oder Leistungen für vergleichsweise kleine Kühlmittelpumpen bereitzustellen.
Gleichzeitig kann unter Auswertung von Spannungsdifferenzen an einem Seebeck-Element auch eine Überwachung des Batteriesystems als Energiespeicher 1 realisiert werden. Dabei ist die Funktion ähnlich eines Thermosensors, wobei das Seebeck-Element ein aktives Bauteil darstellt und daher keine Spannungsquelle benötigt.
Mittels des Seebeck-Effektes wird die elektrische Spannung direkt erzeugt, wobei keine Transformation, von z. B. mechanischer Energie in elektrische Energie erforderlich ist.
Andere anwendbare physikalische Verfahren beruhen auf Gesetzmäßigkeiten eines idealen Gases im Hinblick auf Auswirkungen einer Temperaturänderung für den Gasdruck und ein Gasvolumen. Somit ist es beispielsweise möglich, mit einem erwärmten Gas und einer dadurch bedingten Volumenerhöhung z. B. eine Turbine anzutreiben, deren mechanische Energie, beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines Generators erzeugt werden kann. Bei einem Abkühlen des Gases kann eine Flussrichtungsumkehr erzeugt werden, d. h. dass aus der Abwärme resultierende Energie ebenfalls genutzt werden kann. Als Gase mit verhältnismäßig niedrigen Verdampfungstemperaturen eignen sich z. B. Kältemittel, Ammoniak und Alkohole, wobei Luft hinsichtlich einer Volumenänderung zu berücksichtigen ist.
Die Umwandlungsprozesse werden in geschlossenen Systemen durchgeführt, die optional mit Kühlvorrichtungen versehen sind, um beispielsweise Alkoholdämpfe wieder zu verflüssigen.
Alternativ können die Umwandlungsprozesse auch in einem offenen oder teiloffenen System durchgeführt werden, insbesondere dann, wenn es sich um ein Gasgemisch wie Luft handelt.
Zur Umwandlung werden die Medien über eine Anzahl von Wärmetauschern, beispielsweise Kühlrippen und/oder Kühlvorrichtungen, geführt, um somit Wärme aufzunehmen und anschließend, beispielsweise über gasdynamische Prozesse, insbesondere mechanische Arbeit zu verrichten.
Eine Kühlung des Mediums oder der Medien kann optional entfallen, wenn eine Temperatur des Energiespeichers 1 innerhalb eines Betriebstemperaturfensters liegt.
Zur Wandlung der Abwärme A in elektrische und/oder mechanische Energie weist der Energiespeicher 1 schematisch dargestellte Elemente 4 zum Wärmetausch und zur Abführung der Abwärme A mittels Medien und/oder Wärmeleitelementen, wie beispielsweise einem Wärmerohr, einem Metallstab und/oder einer Graphitfolie, auf.
Die Abführung der Abwärme A erfolgt an zumindest eine nicht näher dargestellte Vorrichtung zur Energiewandlung und/oder Speicherung für nachgelagerte Prozesse und/oder Nutzer.
Thermoelektrische Wandler, die z. B. nach dem Seebeck-Effekt arbeiten, können an einer wärmsten Stelle des Energiespeichers 1, z. B. an Stromleitern, aufgrund einer Verlustleistung durch einen an Schützwicklungen durchfließenden Haltestrom, an oder in unmittelbarer Nähe zu Einzelzellen 3.1 des Zellblockes 3 befestigt sein.
Eine durch Temperaturdifferenzen dort erzeugte elektrische Energie kann in einen eigenen Stromkreis eingespeist werden, welcher über Spannungswandler weitere Stromkreise versorgen kann.
Denkbar ist auch, die Abwärme A eines stationären Batteriesystems als Energiespeicher 1, beispielsweise mittels abgeführter Kühlwärme, zum Heizen von Vorrichtungen und/oder zur Erwärmung von Brauchwasser zu nutzen.
Auch ist in einer möglichen Ausgestaltung vorgesehen, dass die Abwärme A vor der Umwandlung in mechanische und/oder elektrische Energie als thermische Energie gespeichert wird.
Ist vorgesehen, dass mittels thermoelektrischer Effekte eine elektrische Spannung erzeugt wird, kann anhand dieser ein momentaner Temperaturwert des elektrischen Energiespeichers 1 ermittelt werden. Übersteigt der ermittelte Temperaturwert einen vorgegebenen Temperaturwert als maximal zulässigen Temperaturwert, wird ein Signal für eine Schutzschaltung des Energiespeichers 1 erzeugt.
Bei der Schutzschaltung kann es sich um eine automatische Abschaltung des elektrischen Energiespeichers 1, eine verstärkte Kühlung handeln, wobei das aufgrund des Überschreiten des maximal zulässigen Temperaturwertes erzeugte Signal zur Erzeugung eines Warnsignals genutzt wird.
Die oben beschriebenen Maßnahmen bei Überschreiten des maximal zulässigen Temperaturwertes dient insbesondere dazu, dass sich in der Umgebung des elektrischen Energiespeichers 1 befindende Personen mittelbar gewarnt und dadurch auch geschützt werden.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicher
2: Gehäuse
2.1: Aufnahmeeinheit
2.2: Gehäusedeckel
3: Zellblock
3.1: Einzelzelle
4: Element
A: Abwärme

Claims

Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine im Betrieb des Energiespeichers (1) entstehende Abwärme (A) in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme (A) vor der Umwandlung als thermische Energie gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels innerhalb des Energiespeichers (1) auftretenden Temperaturdifferenzen eine elektrische Spannung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der erzeugten elektrischen Spannung ein Temperaturwert des Energiespeichers (1) ermittelt wird, wobei bei Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturwertes ein Signal für eine Schutzschaltung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal zur automatischen Abschaltung des elektrischen Energiespeichers (1), zur verstärkten Kühlung und/oder zur Ausgabe eines Warnsignals erzeugt wird.