DE102017130935A1

DE102017130935A1 - Strukturbatterieeinheit, Strukturbatteriesystem und Verfahren zum Betreiben des Strukturbatteriesystems

Info

Publication number: DE102017130935A1
Application number: DE102017130935.7A
Authority: DE
Inventors: Peter Linde; Klaus von Hammel
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Strukturbatterieeinheit (1), die eine Strukturbatterie (2) mit mehreren Sekundärzellen umfasst. Zumindest eine Komponente der jeweiligen Sekundärzelle ist als eine lasttragende Komponente ausgebildet. Die Strukturbatterieeinheit weist ferner eine Spannungsmesseinrichtung (8), eine Schalteinheit (16) und eine Steuerkomponente (18) auf. Die Spannungsmesseinrichtung (8) ist ausgebildet, eine Spannung über der Strukturbatterie (2) zu erfassen. Die Schalteinheit (16) ist ausgebildet, entweder in einem ersten Schaltzustand zum Laden der Sekundärzellen der Strukturbatterie (2) diese mit einer Versorgungsquelle (20) oder in einem zweiten Schaltzustand die Strukturbatterie (2) mit der Spannungsmesseinrichtung (6) elektrisch zu koppeln. Die Steuerkomponente (18) ist ausgebildet, abhängig von der erfassten Spannung entweder für einen vorgegebenen ersten Zeitraum den ersten Schaltzustand oder für einen vorgegebenen zweiten Zeitraum den zweiten Schaltzustand der Schalteinheit (16) vorzugeben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Strukturbatterieeinheit mit einer Strukturbatterie mit mehreren Sekundärzellen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Strukturbatteriesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.
Hintergrund der Erfindung
Im Stand der Technik sind energiespeichernde Fahrzeugkarosserien aus Karbonfasern bekannt. Eine derartige Karosserie ist besonders leicht, hat eine gleichmäßige Struktur und geeignete mechanische Eigenschaften. Gleichzeitig kann eine derartige Karosserie als Elektrode einer Lithium-Ionen Batterie dienen und ist somit geeignet, elektrische Energie zu speichern.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine möglichst zuverlässige Überwachung einer Strukturbatterie bereitzustellen und davon abhängig mehrere separate Strukturbatterien anzusteuern.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem ersten Aspekt aus durch eine Strukturbatterieeinheit, die eine Strukturbatterie mit mehreren Sekundärzellen umfasst. Zumindest eine Komponente der jeweiligen Sekundärzelle ist als eine lasttragende Komponente ausgebildet. Die Einheit weist ferner eine Spannungsmesseinrichtung, eine Schalteinheit und eine Steuerkomponente auf. Die Spannungsmesseinrichtung ist ausgebildet, eine Spannung über der Strukturbatterie zu erfassen. Die Schalteinheit ist ausgebildet, entweder in einem ersten Schaltzustand zum Laden der Sekundärzellen der Strukturbatterie diese mit einer Versorgungsquelle oder in einem zweiten Schaltzustand die Strukturbatterie mit der Spannungsmesseinrichtung elektrisch zu koppeln. Die Steuerkomponente ist ausgebildet, abhängig von der erfassten Spannung entweder für einen vorgegebenen ersten Zeitraum den ersten Schaltzustand oder für einen vorgegebenen zweiten Zeitraum den zweiten Schaltzustand der Schalteinheit vorzugeben.
Die Strukturbatterie umfasst mehrere Sekundärzellen. Eine Sekundärzelle ist als ein wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher zu verstehen. Die mehreren Sekundärzellen können miteinander elektrisch gekoppelt sein, so z.B. in einer Reihenschaltung zur Erhöhung der zur Verfügung stehenden Spannung oder in einer Parallelschaltung, um im Bedarfsfall höhere Ströme zur Verfügung stellen zu können. Mehrere miteinander elektrisch gekoppelte Sekundärzellen können auch als „Zellstack“ bezeichnet werden.
Die jeweilige Sekundärzelle umfasst zumindest eine lasttragende Komponente. Dabei kann eine Anode und/oder eine Kathode und/oder ein Separator der jeweiligen Sekundärzelle als diese lasttragende Komponente ausgebildet sein. Eine lasttragende Komponente ist typischerweise ausgebildet, in einer Einheit vorgegebene Kräfte aufnehmen und ableiten zu können, ohne dabei selbst zu versagen. Die lasttragende Komponente trägt somit einen relevanten Anteil an der statischen und dynamischen Auslegung einer Einheit. Am Beispiel eines Flugzeugs kann die lasttragende Komponente als Teil des Flugzeugrumpfes, so z.B. als Flugzeughaut, ausgebildet sein.
Die Schalteinheit kann beispielsweise als ein Wechselschalter ausgebildet sein und als solcher in jeder Schaltposition einen elektrischen Kontakt zwischen einem Mittelanschluss und jeweils einem Schaltanschluss herstellen. Dabei ist der gemeinsame Mittelanschluss typischerweise mit der Strukturbatterie und ein erster Schaltanschluss mit der Spannungsmesseinrichtung elektrisch gekoppelt. Ein zweiter Schaltanschluss der Schalteinheit ist mit der Versorgungsquelle koppelbar. Durch eine derartige Schalteinheit ist sichergestellt, dass die Strukturbatterie nicht zeitlich parallel mit der Spannungsmesseinrichtung und der Versorgungseinrichtung elektrisch gekoppelt ist.
Alternativ kann die Schalteinheit auch mehrpolig ausgebildet sein und als solche mehrere Schließer- (NO = normally open) und Öffner- (NC = normally closed) Kontaktelemente aufweisen.
Mittels der Steuerkomponente wird die Schalteinheit angesteuert. Dabei wird entweder der erste Schaltzustand für die Dauer des ersten Zeitraums oder der zweite Schaltzustand für die Dauer des zweiten Zeitraums vorgegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts ist die Steuerkomponente ausgebildet, während des zweiten Schaltzustandes einen Ladezustand der Strukturbatterie mittels der erfassten Spannung zu ermitteln, abhängig von dem ermittein Ladezustand den ersten Zeitraum zu ermitteln und den ersten Schaltzustand der Schalteinheit für den ermittelten ersten Zeitraum vorzugeben.
Typischerweise kann ein Ladezustand oder eine Kapazität einer Batterie oder eines Akkumulators nicht direkt erfasst werden. In der Regel wird dieser indirekt durch eine Spannungsmessung ermittelt. Vorliegend ist die Spannungsmesseinrichtung somit derart ausgebildet, die Spannung über der Strukturbatterie zu erfassen. Vorzugsweise wird die Spannung über mehreren Sekundärzellen, also über einen jeweiligen Zellstack, mittels der Spannungsmesseinrichtung erfasst. Die erfasste Spannung wird dann der Steuerkomponente zur Verfügung gestellt.
Beispielsweise kann der Ladezustand oder die Kapazität der Strukturbatterie anhand einer für sie typischen vorgegebenen Spannung-Kapazitäts-Kennlinie ermittelt werden. Dabei ist die Steuerkomponente ausgebildet, abhängig von der erfassten Spannung eine zugeordnete Kapazität mittels der vorgegebenen Spannung-Kapazitäts-Kennlinie zu ermitteln. Abhängig von der ermittelten Kapazität wird der erste Zeitraum ermittelt und der Schalteinheit vorgegeben. Zusätzlich zu der ermittelten Kapazität können auch zurückliegende erfasste oder ermittelte Spannungs- oder Kapazitätswerte in dem aktuellen Ladezyklus zur Ermittlung des ersten Zeitraumes berücksichtigt werden.
Der zweite Zeitraum ist typischerweise derart vorgegeben, dass mittels der Spannungsmesseinrichtung eine zuverlässige Spannungsmessung erfolgen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts ist zumindest die Steuerkomponente und/oder die Schalteinheit und/oder die Spannungsmesseinrichtung in der lasttragenden Komponente der Strukturbatterie integriert. Dabei kann die Steuerkomponente und/oder die Schalteinheit und/oder die Spannungsmesseinrichtung mittels Inkjet hergestellt und in der lasttragenden Komponente integriert sein.
Dies ermöglicht eine besonders leichte Strukturbatterieeinheit. Dabei können beispielsweise mittels Inkjet Druckverfahrens unterschiedliche elektrische Komponenten zur Bildung der Steuerkomponente und/oder die Schalteinheit und/oder die Spannungsmesseinrichtung auf die lasttragende Komponente gedruckt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Steuerkomponente und/oder die Schalteinheit und/oder die Spannungsmesseinrichtung auf eine Folie mittels Inkjet Druckverfahren gedruckt werden und diese bedruckte Folie auf die lasttragende Komponente geklebt und mit der Strukturbatterie bzw. den mehreren Sekundärzellen elektrisch gekoppelt sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst die Strukturbatterieeinheit eine Balancerschaltung, die mit der Strukturbatterie elektrisch gekoppelt und ausgebildet ist, unterschiedliche Ladezustände der mehreren Sekundärzellen zu erfassen und die jeweilige Sekundärzelle derart zu laden, dass am Ende eines Ladezyklus die mehreren Sekundärzellen auf ein einheitliches Ladeniveau geladen sind.
Gerade bei Sekundärzellen, die in einer lasttragenden Komponente einer Einheit integriert sind, lässt es sich nicht immer vermeiden, dass diese während der Herstellung Fertigungstoleranzen unterliegen und/oder im Betrieb unterschiedlich schnell altern. Das bedeutet, dass die mehreren Sekundärzellen zwar ähnlich aufgebaut aber sich beispielsweise unterschiedlich schnell laden bzw. entladen können. Mittels der Balancerschaltung können diese unterschiedlichen Sekundärzellen dennoch gleichmäßig geladen werden. D.h. am Ende eines Ladezyklus weisen die Sekundärzellen der Strukturbatterie eine im Wesentlichen gleichmäßige Ladungsverteilung und somit ein im Wesentlichen einheitliches Ladungsniveau auf. Das kann einer frühzeitigen Alterung der jeweiligen Sekundärzelle und somit einem frühzeitigen Ausfall der Strukturbatterie entgegenwirken. Dabei kann die Balancerschaltung als passive oder als aktive Ausgleichsschaltung ausgebildet sein.
Die Balancerschaltung wird in dem ersten Schaltzustand der Schalteinheit zum Laden der mehreren Sekundärzellen der Strukturbatterie angesteuert.
Das Ende eines Ladezyklus bedeutet, dass die Sekundärzellen der Strukturbatterie bis kurz vor der Vollladung aufgeladen sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts ist die lasttragende Komponente der Strukturbatterie zumindest teilweise aus Faserverbundwerkstoff gebildet. Als solche kann die jeweilige Sekundärzelle als Lithium-Ionen Akkumulator ausgebildet sein.
Komponenten aus Faserverbundwerkstoffen ermöglichen besonders leichte Strukturen. In Verbindung mit einer Strukturbatterie, die in solchen leichten Strukturen integriert oder als solche ausgebildet ist, erhält man multifunktionale Strukturen, die zum einen lasttragende Eigenschaften aufweisen und darüber hinaus auch die Funktion von elektrischen Energiespeichern zur Verfügung stellen. Eine derartige Strukturbatterie kann auch als Composite-Batterie bezeichnet werden.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem zweiten Aspekt aus durch ein Strukturbatteriesystem mit einer ersten und einer zweiten Auswahl von Strukturbatterieeinheiten, die nach dem ersten Aspekt ausgebildet sind, und einer Verbraucherschalteinheit, die mit einem elektrischen Verbraucher koppelbar ist. Ferner weist das Strukturbatteriesystem zumindest eine Steuereinheit auf, die mit der oder den Steuerkomponenten der ersten Auswahl von Strukturbatterieeinheiten und mit der oder den Steuerkomponenten der zweiten Auswahl von Strukturbatterieeinheiten sowie mit der Verbraucherschalteinheit gekoppelt ist. Die Steuereinheit ist ausgebildet, die Verbraucherschalteinheit derart anzusteuern, dass diese entweder in einer ersten Schaltstellung den elektrischen Verbraucher mit der ersten Auswahl von Strukturbatterieeinheiten oder in einer zweiten Schaltstellung den elektrischen Verbraucher mit der zweiten Auswahl von Strukturbatterieeinheiten elektrisch koppelt.
Ein derartiges System ermöglicht die elektrische Kopplung eines Verbrauchers mit den Strukturbatterien unterschiedlicher Strukturbatterieeinheiten. Die erste Auswahl von Strukturbatterieeinheiten kann dabei eine oder mehrere Strukturbatterieeinheiten umfassen. Auch die zweite Auswahl von Strukturbatterieeinheiten kann eine oder mehrere Strukturbatterieeinheiten umfassen. Sofern beispielsweise eine oder mehrere Strukturbatterien der mit dem Verbraucher gekoppelten Auswahl entladen sind, kann mittels der Verbraucherschalteinheit auf ein oder mehrere Strukturbatterien der anderen Auswahl von Strukturbatterieeinheiten umgeschaltet werden. Das ermöglicht einen hochintegrativen Strukturaufbau, der zum einen vorgegebene mechanische Last widersteht und gleichzeitig die Versorgung elektrischer Verbraucher besonders zuverlässig sicherstellen kann. So umfasst beispielsweise ein Flugzeug oder auch ein Kraftfahrzeug eine lasttragende Struktur und eine Vielzahl elektrischer Verbraucher, die mit einem derartigen Strukturbatteriesystem betrieben werden können.
Sofern die erste und die zweite Auswahl jeweils mehrere Strukturbatterieeinheiten umfasst, ist es möglich, den Verbraucher nicht nur mit einer Strukturbatterie, sondern auch mit zwei oder mehreren Strukturbatterien zeitgleich zu koppeln. Sind die Strukturbatterien der mehreren Strukturbatterieeinheiten einer Auswahl elektrisch parallel geschaltet, könnte somit dem Verbraucher ein hoher Strom zur Verfügung gestellt werden, so z.B. in einer Anlaufphase des Verbrauchers. Sind die Strukturbatterien der mehreren Strukturbatterieeinheiten einer Auswahl elektrisch in Reihe geschaltet, können somit auch Hochspannungsverbraucher angesteuert werden.
Die Steuerkomponente der jeweiligen Strukturbatterieeinheit ist beispielsweise als Komponente der Steuereinheit ausgebildet. Die Steuereinheit ist somit mit der oder den Steuerkomponenten der ersten Auswahl und mit der oder den Steuerkomponenten der zweiten Auswahl gekoppelt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten Aspekts weist die Verbraucherschalteinheit einen Energiezwischenspeicher auf, der ausgebildet ist, den Verbraucher während des Umschaltens von der ersten Schaltstellung zu der zweiten Schaltstellung und umgekehrt weiterhin zu versorgen.
Dies ermöglicht eine unterbrechungsfreie und somit zuverlässige Versorgung des elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie. Der Zwischenspeicher kann als kapazitives Element ausgebildet sein. Dabei kann der Zwischenspeicher der Verbraucherschalteinheit elektrisch geladen werden, wenn zumindest eine Strukturbatterie mit dem Verbraucher elektrisch gekoppelt ist.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem dritten Aspekt aus durch ein Verfahren zum Betreiben eines Strukturbatteriesystems nach dem zweiten Aspekt. Dabei wird ein Ladezustand der ersten und/oder zweiten Auswahl von Strukturbatterieeinheiten ermittelt. Abhängig von dem ermittelten Ladezustand der ersten und/oder zweiten Auswahl wird die Verbraucherschalteinheit derart angesteuert, dass entweder die erste oder zweite Auswahl von Strukturbatterieeinheiten mit dem Verbraucher gekoppelt wird um diesen zu versorgen.
Diese Ansteuerung ermöglicht eine besonders zuverlässige Versorgung des Verbrauchers. Dabei kann ein Ladezustand über die zumindest eine Strukturbatterie der jeweiligen Auswahl beispielsweise auch anhand einer Spannung-Kapazitäts-Kennlinie ermittelt werden, die über die der jeweiligen Auswahl zugeordneten zumindest einen Strukturbatterie ermittelt wurde.
Figurenliste
Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung können ebenfalls aus den Beispielen der Ausführungsformen entnommen werden, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben werden.

1 Strukturbatterie mit Spannungsmesseinrichtung,
2 Strukturbatterie mit Versorgungsquelle,
3 Strukturbatterieeinheit,
4 Spannung-Kapazitäts-Kennlinie,
5 Strukturbatterieeinheit mit Composite-Batterie,
6 Strukturbatteriesystem,
7 Verfahren zum Betreiben eines Strukturbatteriesystems.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder zumindest ähnliche Elemente, Komponenten oder Aspekte verwendet. Es wird angemerkt, dass im Folgenden Ausführungsformen im Detail beschrieben werden, die lediglich illustrative und nicht beschränkend sind.
1 zeigt eine Strukturbatterie 2 und eine damit elektrisch gekoppelte Spannungsmesseinrichtung 8. Die Strukturbatterie 2 umfasst mehrere Sekundärzellen (nicht dargestellt), die elektrisch in Reihe oder elektrisch parallel geschaltet sind. Die Sekundärzellen der Strukturbatterie 2 sind zumindest teilweise als eine lasttragende Komponente ausgebildet. So können die Sekundärzellen und somit die Strukturbatterie 2 beispielsweise in einem Hautfeld eines Luftfahrzeugs, so z.B. eines Flugzeugs, oder eines Kraftfahrzeugs integriert oder als solche lasttragende Komponente ausgebildet sein. Besonders gut lässt sich die Strukturbatterie 2 in die lasttragende Komponente integrieren oder als diese ausbilden, sofern diese Faserverbundwerkstoffe umfasst, so z.B. Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern. Eine aus Faserverbundmaterial gebildet Strukturbatterie umfasst beispielsweise Lithium-Ionen Sekundärzellen.
Die Spannungsmesseinrichtung 8 ist beispielsweise ausgebildet, eine Spannung über der Strukturbatterie 2 zu erfassen. Als solches lässt sich die Spannungsmesseinrichtung 8 als Ersatzschaltbild durch einen Innenwiderstand 4 und ein dazu elektrisch parallelgeschaltetes Spannungsmessgerät 6 darstellen. Der Innenwiderstand 4 ist typischerweise besonders hochohmig ausgebildet, um die Spannung über der Strukturbatterie 2 besonders präzise zu erfassen.
Die 1 zeigt also die Strukturbatterie 2 während einer Erfassung der Spannung mittels der Spannungsmesseinrichtung 8. Sind die mehreren Sekundärzellen in der Strukturbatterie 2 elektrisch in Reihe geschaltet, so repräsentiert die erfasste Spannung die Summe der Einzelspannungen über den Sekundärzellen. Sind die mehreren Sekundärzellen in der Strukturbatterie 2 elektrisch parallel geschaltet, so repräsentiert die erfasste Spannung die resultierende Zellenspannung über alle parallelgeschalteten Sekundärzellen.
In 2 ist die Strukturbatterie 2 mit einer Versorgungsquelle 20 elektrisch gekoppelt. In dieser Schaltung werden die mehreren Sekundärzellen der Strukturbatterie 2 mittels der Versorgungsquelle 20 elektrisch geladen. Vorzugsweise ist die Versorgungsquelle 20 als Spannungsquelle, so z.B. als elektrischer Generator, ausgebildet.
In 3 ist eine Strukturbatterieeinheit 1 dargestellt. Diese umfasst die Strukturbatterie 2 mit den mehreren Sekundärzellen (nicht dargestellt). Ferner umfasst die Strukturbatterieeinheit 1 die Spannungsmesseinrichtung 8 (der Übersichtlichkeit halber ist das Spannungsmessgerät 6 und der Innenwiderstand 4 nicht dargestellt). Darüber hinaus umfasst die Strukturbatterieeinheit 1 eine Schalteinheit 16 und eine Steuerkomponente 18.
Die Schalteinheit 16 ist in 3 als Wechselschalter ausgebildet und mittels der Steuerkomponente 18 derart gekoppelt, dass diese einen Schaltzustand vorgeben kann. Dabei ist ein Mittelanschluss der Schalteinheit 16 mit einem Kontakt der Strukturbatterie 2 elektrisch gekoppelt. Ein erster Schaltanschluss der Schalteinheit 16 ist mit der Spannungsmesseinrichtung 8 und ein zweiter Schaltanschluss ist mit der Versorgungsquelle 20 elektrisch gekoppelt. Mittels der Steuerkomponente 18 kann ein erster Schaltzustand SW1 der Schalteinheit 16 derart vorgegeben werden, dass die Strukturbatterie 2 mit der Versorgungsquelle 20 elektrisch gekoppelt ist. Das heißt im ersten Schaltzustand SW1 werden die Sekundärzellen der Strukturbatterie 2 elektrisch geladen.
Alternativ kann mittels der Steuerkomponente 18 ein zweiter Schaltzustand SW2 der Schalteinheit 16 derart vorgegeben werden, dass die Strukturbatterie 2 mit der Spannungsmesseinrichtung 8 elektrisch gekoppelt ist. Das heißt im zweiten Schaltzustand SW2 wird die Spannung über der Strukturbatterie 2 erfasst.
Die Schalteinheit 16 kann alternativ auch als mehrpoliger Schalter ausgebildet sein.
Die Strukturbatterieeinheit 1 kann des Weiteren eine Balancerschaltung umfassen, die während des ersten Schaltzustand SW1 zum Laden der Sekundärzellen der Strukturbatterie 2 angesteuert wird. Die Balancerschaltung bewirkt eine gleichmäßige Ladung der Sekundärzellen, so dass am Ende eines Ladezyklus die Sekundärzellen eine im Wesentlichen gleichmäßige Ladungsverteilung und somit ein im Wesentlichen einheitliches Ladungsniveau aufweisen.
In 4 ist eine Spannung-Kapazitäts-Kennlinie 22 dargestellt. Diese Kennlinie repräsentiert das Verhältnis von Spannung zur Kapazität einer Sekundärzelle, so z.B. einer Li-Ion Zelle, wie sie auch in der Strukturbatterie 2 enthalten ist.
Über die Abszisse ist die Kapazität C und über die Ordinate ist die Spannung U der Sekundärzelle dargestellt. Während einer Ladung der Sekundärzelle ist die Kennlinie in Richtung ansteigender Spannungs- und Kapazitätswerten zu betrachten. Während einer Entladung, beispielsweise durch das Betreiben eines elektrischen Verbrauchers, ist die Kennlinie in Richtung abnehmender Spannungs- und Kapazitätswerten zu betrachten.
Ausgehend von dem Nullpunkt 0 startet die Spannung-Kapazitäts-Kennlinie 22 mit einem linear ansteigenden Verlauf bis zu einer Nominal-Spannung UN und Nominal-Kapazität CN. In diesem Abschnitt steigt die Spannung U linear mit der Kapazität C an. Ab der Nominal-Kapazität CN und der Nominal-Spannung UN verläuft die Kennlinie nur leicht ansteigend, d.h. mit zunehmender Kapazität C der Sekundärzelle bleibt die Spannung U relativ konstant bis kurz vor dem Erreichen der vollen Kapazität C100% die Spannung wieder stärker einsteigt.
Die jeweilige Sekundärzelle wird in der Regel in einem Bereich zwischen der Nominal-Kapazität CN und der vollen Kapazität C100% betrieben.
Die Kapazität C der Sekundärzelle kann mittels der Spannung-Kapazitäts-Kennlinie 22 abhängig von der über der Sekundärzelle abfallenden Spannung U zumindest ansatzweise ermittelt werden. Beispielsweise kann vor und nach einer Ladephase TL ein jeweiliger Spannungswert über der Sekundärzelle erfasst werden. Ist eine Differenz zwischen den beiden erfassten Spannungswerten besonders hoch, ist davon auszugehen, dass die Kapazität C der Sekundärzelle im linearen Bereich und somit noch unterhalb der Nominal-Kapazität CN liegt. Ist dagegen der Differenzwert zwischen den Spannungswerten sehr gering und tendiert gegen Null, so ist davon auszugehen, dass die Kapazität oberhalb des Nominalbereichs aber vor dem Erreichen der 100% Kapazität liegt. Steigt dann der Differenzwert der beiden erfassten Spannungswerte wieder an, ist davon auszugehen, dass die Vollladung, d.h. die volle Kapazität C100% der Sekundärzelle, fast erreicht ist. Vorzugsweise kann für die Ermittlung der aktuellen Kapazität C der Sekundärzelle auch auf die unmittelbar zurückliegenden ermittelten Kapazitätswerte zurückgegriffen werden.
Diese Art der Ermittlung der Kapazität einer Sekundärzelle kann auch auf die Strukturbatterie 2 übertragen werden, die mehrere elektrisch gekoppelten Sekundärzellen umfasst. Typischerweise muss hierfür aber auch die Spannung-Kapazitäts-Kennlinie angepasst werden.
Mittels der Steuerkomponente 18 kann die Ladephase TL der Strukturbatterie 2 und die Phase der Spannungserfassung vorgegeben werden. Für die Ladephase TL wird der Schalteinheit 16 mittels der Steuerkomponente 18 der erste Schaltzustand SW1 für eine vorgegebene erste Zeitdauer vorgegeben. Für die Spannungserfassung wird der Schalteinheit 16 mittels der Steuerkomponente 18 der zweite Schaltzustand SW2 für eine vorgegebene zweite Zeitdauer vorgegeben.
In 5 ist eine in der Strukturbatterie 2 angeordnete Sekundärzelle dargestellt. Die Sekundärzelle weist eine Anode 10 und eine Kathode 12 auf. Dazwischen ist ein Separator 14 angeordnet. Die Anode 10 ist beispielsweise als eine aus kohlenstofffasern verstärkte Polymerschicht ausgebildet. Die Kathode 12 ist beispielsweise als ein Metallnetz, so z.B. Kupfernetz, ausgebildet. Der Separator 14 zwischen Anode 10 und Kathode 12 ist beispielsweise als eine glasfaserverstärkte Polymerschicht ausgebildet. Der Separator 14 ist für Ionen durchlässig, verhindert aber gleichzeitig den Durchlass von Elektronen. Um einen Zellstack umzusetzen, kann an die Kathode 12 eine weitere Separatorschicht anschließen, auf die wiederrum eine weitere Anode folgt. Eine derartige Sekundärzelle kann als Ganzes oder Teile davon als eine lasttragende Komponente ausgebildet sein.
In 6 ist ein Strukturbatteriesystem 30 dargestellt. Dieses umfasst eine erste Auswahl 100 von Strukturbatterieeinheiten und eine zweite Auswahl 100' von Strukturbatterieeinheiten. Der Übersichtlichkeit halber sind die Strukturbatterieeinheiten nicht detailliert dargestellt. Die erste Auswahl 100 kann ein oder mehrere Strukturbatterieeinheiten umfassen. Auch die zweite Auswahl 100' kann ein oder mehrere Strukturbatterieeinheiten umfassen.
Das Strukturbatteriesystem 30 umfasst ferner eine Verbraucherschalteinheit 36 und eine Steuereinheit 34. Darüber hinaus ist das Strukturbatteriesystem 30 mit zumindest einem elektrischen Verbraucher 32 elektrisch koppelbar.
Jeder Strukturbatterieeinheit der ersten und zweiten Auswahl 100, 100' ist jeweils eine Versorgungsquelle zugeordnet. Alternativ kann auch nur eine Versorgungsquelle vorliegen, die alle Strukturbatterieeinheiten speist.
Die Steuereinheit 34 ist ausgebildet, die Schaltzustände der Schalteinheit 16, 16' der ersten bzw. zweiten Auswahl 100, 100' vorzugeben. Dazu übernimmt in dem Strukturbatteriesystem 30 die Steuereinheit 34 die Aufgabe der Steuerkomponente der jeweiligen Strukturbatterieeinheit. Zusätzlich ist die Steuereinheit 34 ausgebildet, die Verbraucherschalteinheit 36 anzusteuern und zwar derart, dass der elektrische Verbraucher 32 entweder in einer ersten Schaltstellung mit der ersten Auswahl 100 von Strukturbatterieeinheiten oder in einer zweiten Schaltstellung mit der zweiten Auswahl 100' von Strukturbatterieeinheiten gekoppelt ist.
Um einen kontinuierlichen Betrieb des elektrischen Verbrauchers 32 zu gewährleisten, kann der Verbraucherschalteinheit 36 ein Zwischenspeicher (nicht dargestellt) zugeordnet sein. Dieser ist ausgebildet, den elektrischen Verbraucher 32 im Moment des Umschaltens von einer Auswahl 100, 100' zu einer anderen Auswahl weiterhin mit Energie zu versorgen. Der Zwischenspeicher kann als Kondensator ausgebildet sein, der wieder aufgeladen wird, wenn zumindest eine Auswahl 100, 100' mittels der Verbraucherschalteinheit 36 mit dem elektrischen Verbraucher 32 elektrisch gekoppelt ist.
In 7 ist ein Verfahren zum Betreiben des Strukturbatteriesystems 30 dargestellt. Dieses Verfahren kann beispielsweise durch die Steuereinheit 34 ausgeführt werden.
Das Verfahren wird in einem Schritt S0 gestartet. In einem folgenden Schritt S2 wird ein Ladezustand der ersten Auswahl 100 von Strukturbatterieeinheiten ermittelt. Dabei wird der der ersten Auswahl zugeordneten zumindest einen Strukturbatterieeinheit der erste Schaltzustand vorgegeben, so dass die zugeordnete Strukturbatterie mit der Spannungsmesseinrichtung gekoppelt ist. Mittels dieser wird die Spannung über der Strukturbatterie erfasst. Die erfasste Spannung kann auf eine vorgegebene Spannung-Kapazitäts-Kennlinie angewendet werden, die über die zumindest eine der ersten Auswahl 100 zugeordnete Strukturbatterie ermittelt wurde. Abhängig von der erfassten Spannung kann anhand der Spannung-Kapazitäts-Kennlinie zumindest ein Kapazitätsbereich und somit ein Ladezustand ermittelt werden, in dem sich derzeit die zumindest eine Strukturbatterie der ersten Auswahl 100 befindet.
Analog zu der Ermittlung des Ladezustands der ersten Auswahl 100 kann auch der Ladezustand der zweiten Auswahl 100' zusätzlich ermittelt werden.
In einem Schritt S4 wird dann abhängig von dem ermittelten Ladezustand der ersten und/oder zweiten Auswahl 100, 100' mittels der Verbraucherschalteinheit 36 entweder die erste oder die zweite Auswahl 100, 100' mit dem elektrischen Verbraucher 32 elektrisch gekoppelt. Der zumindest einen Schalteinheit der mit dem Verbraucher 32 gekoppelten Auswahl ist in dieser Schaltstellung vorzugsweise der zweite Schaltzustand SW2 vorgegeben. In dem zweiten Schaltzustand SW2 wird die Spannung über der zugeordneten Strukturbatterie erfasst. D.h. der Verbraucher 32 wird mittels der gekoppelten Auswahl mit Energie versorgt und gleichzeitig kann innerhalb der zugeordneten Strukturbatterieeinheiten die jeweilige Spannung über der zugeordneten Strukturbatterie und damit der Ladezustand überwacht werden. Sofern der Ladezustand der mit dem Verbraucher gekoppelten Strukturbatterieeinheit einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, so z.B. die Nominal-Kapazität CN, wird mittels der Verbraucherschalteinheit 36 auf die andere Auswahl umgeschaltet, um den Verbraucher 32 weiterhin zu betreiben.
Die nicht mit dem Verbraucher 32 gekoppelte Auswahl kann mittels der zumindest einen zugeordneten Schalteinheit im ersten Schaltzustand SW1 die zugeordnete Strukturbatterie mit der zugeordneten Versorgungsquelle koppeln, so dass die Sekundärzellen elektrisch geladen werden.
In einem Schritt S6 wird das Verfahren beendet oder alternativ in dem Schritt S2 erneut durchgeführt.
Während die Erfindung illustriert und beschrieben wurde im Detail in den Zeichnungen und der vorangegangenen Beschreibung, ist es beabsichtigt, dass derartige Illustrationen und Beschreibungen lediglich illustrativ oder exemplarisch und nicht restriktiv sind, so dass die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ nicht andere Elemente aus und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Alleinig der Umstand, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, beschränkt nicht den Gegenstand der Erfindung. Auch Kombinationen dieser Merkmale können vorteilhaft eingesetzt werden. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht den Umfang der Ansprüche beschränken.
Bezugszeichenliste

1: Strukturbatterieeinheit
2: Strukturbatterie
4: Innenwiderstand
6: Spannungsmessgerät
8: Spannungsmesseinrichtung
10: Anode
12: Kathode
14: Separator
16: Schalteinheit
18: Steuerkomponente
20: Versorgungsquelle
22: Spannungs-Kapazitäts-Kennlinie
30: Strukturbatteriesystem
32: Verbraucher
34: Steuereinheit
36: Verbraucherschalteinheit
100, 100': Auswahl von Strukturbatterieeinheiten
U: Spannung
C: Kapazität
UN: Nominal-Spannung
CN: Nominal-Kapazität
C100%: volle Kapazität
SW1: erste Schaltzustand
SW2: zweiter Schaltzustand
TL: Ladephase
S0-S6: Verfahrensschritte

Claims

Strukturbatterieeinheit (1), die eine Strukturbatterie (2) mit mehreren Sekundärzellen umfasst, wobei zumindest eine Komponente der jeweiligen Sekundärzelle als eine lasttragende Komponente ausgebildet ist, wobei die Einheit (1) ferner aufweist: - eine Spannungsmesseinrichtung (8), die ausgebildet ist, eine Spannung über der Strukturbatterie (2) zu erfassen, - eine Schalteinheit (16), die ausgebildet ist, entweder in einem ersten Schaltzustand zum Laden der Sekundärzellen der Strukturbatterie (2) diese mit einer Versorgungsquelle (20) oder in einem zweiten Schaltzustand die Strukturbatterie (2) mit der Spannungsmesseinrichtung (6) elektrisch zu koppeln, - eine Steuerkomponente (18), die ausgebildet ist, abhängig von der erfassten Spannung entweder für einen vorgegebenen ersten Zeitraum den ersten Schaltzustand oder für einen vorgegebenen zweiten Zeitraum den zweiten Schaltzustand der Schalteinheit (16) vorzugeben.
Strukturbatterieeinheit (1) nach Anspruch 1, bei dem die Steuerkomponente (18) ausgebildet ist, - während des zweiten Schaltzustandes einen Ladezustand der Strukturbatterie (2) mittels der erfassten Spannung zu ermitteln, - abhängig von dem ermitteln Ladezustand den ersten Zeitraum (T1) zu ermitteln, - den ersten Schaltzustand der Schalteinheit (16) für den ermittelten ersten Zeitraum (T1) vorzugeben.
Strukturbatterieeinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest die Steuerkomponente (18) und/oder die Schalteinheit (16) und/oder die Spannungsmesseinrichtung (6) in der lasttragenden Komponente der Strukturbatterie (2) integriert ist.
Strukturbatterieeinheit (1) nach Anspruch 3, bei dem die Steuerkomponente (18) und/oder die Schalteinheit (16) und/oder die Spannungsmesseinrichtung (6) mittels Inkjet hergestellt und in der lasttragenden Komponente integriert ist.
Strukturbatterieeinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Balancerschaltung, die mit der Strukturbatterie (2) elektrisch gekoppelt und ausgebildet ist, unterschiedliche Ladezustände der mehreren Sekundärzellen zu erfassen und die jeweilige Sekundärzelle derart zu laden, dass am Ende eines Ladezyklus die mehreren Sekundärzellen auf ein einheitliches Ladungsniveau geladen sind.
Strukturbatterieeinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die lasttragende Komponente der Strukturbatterie zumindest teilweise aus Faserverbundwerkstoff gebildet ist.
Strukturbatterieeinheit (1) nach Anspruch 6, bei der die jeweilige Sekundärzelle als Lithium-Ionen Akkumulator gebildet ist.
Strukturbatteriesystem (30) mit - einer ersten und einer zweiten Auswahl von Strukturbatterieeinheiten (1, 1') nach einem der vorstehenden Ansprüche, - einer Verbraucherschalteinheit (36), die mit einem elektrischen Verbraucher (32) koppelbar ist, - zumindest eine Steuereinheit (34), die mit der oder den Steuerkomponenten (16) der ersten Auswahl (100) von Strukturbatterieeinheiten (1) und mit der oder den Steuerkomponenten (16') der zweiten Auswahl (100') von Strukturbatterieeinheiten (1') sowie mit der Verbraucherschalteinheit (36) gekoppelt und als solche ausgebildet ist, die Verbraucherschalteinheit (36) derart anzusteuern, dass diese entweder in einer ersten Schaltstellung den elektrischen Verbraucher (32) mit der ersten Auswahl von Strukturbatterieeinheiten (1) oder in einer zweiten Schaltstellung den elektrischen Verbraucher (32) mit der zweiten Auswahl von Strukturbatterieeinheiten (1') elektrisch koppelt.
Strukturbatteriesystem (30) nach Anspruch 8, bei dem die Steuereinheit (34) einen Energiezwischenspeicher aufweist, der ausgebildet ist, den Verbraucher (32) während des Umschaltens von der ersten Schaltstellung zu der zweiten Schaltstellung und umgekehrt weiterhin zu versorgen.
Verfahren zum Betreiben eines Strukturbatteriesystems (30) nach Anspruch 8 oder 9, bei dem - ein Ladezustand der ersten und/oder zweiten Auswahl (100, 100') von Strukturbatterieeinheiten (1) ermittelt wird, - abhängig von dem ermittelten Ladezustand der ersten und/oder zweiten Auswahl (100, 100') die Verbraucherschalteinheit (36) derart angesteuert wird, dass entweder die erste oder die zweite Auswahl von Strukturbatterieeinheiten (1') mit dem Verbraucher (32) gekoppelt wird um diesen zu versorgen.