DE102017210615A1

DE102017210615A1 - Elektrische Energieliefervorrichtung mit Löscheinrichtung

Info

Publication number: DE102017210615A1
Application number: DE102017210615.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Hinterberger; Berthold Hellenthal; André Blum
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-12-27
Also published as: WO2018233955A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrische Energieliefervorrichtung (10) mit einer Vielzahl von Nutzeinheiten (14), von denen jede dazu eingerichtet ist, elektrische Energie zu erzeugen oder zwischenzuspeichern, wobei eine Steuereinrichtung (23) dazu eingerichtet ist, einen Energieaustausch zwischen der Energieliefervorrichtung (10) einerseits und mehreren mit der Energieliefervorrichtung gekoppelten Komponenten (11) andererseits zu steuern, wobei jede der Komponenten (11) ein Gerät oder eine Energiequelle darstellt. Die Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung (23) dazu eingerichtet ist, bei jeder Nutzeinheit (14) individuell eine Betriebsgröße zu überwachen und hierdurch eine Überlastung und/oder einen drohenden Ausfall gemäß einem vorbestimmten Abschaltkriterium (25) zu erkennen und die Nutzeinheit (14) in diesem Fall unabhängig von den übrigen Nutzeinheiten (14) abzuschalten, wobei aber im Falle eines Kurzschlusses und/oder Brandes einer einzelnen der Nutzeinheiten (14) eine pauschale Löschmaßnahme vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, mehrere oder alle der Nutzeinheiten (14) mittels einer Löscheinrichtung (27) mit einer Löschflüssigkeit (28) zu beaufschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Energieliefervorrichtung mit einer Vielzahl von Nutzeinheiten. Eine solche Energieliefervorrichtung kann beispielsweise ein Stationärspeicher sein. Eine Nutzeinheit kann beispielsweise ein Batteriezellenmodul sein. Die Energieliefervorrichtung ist dazu eingerichtet, elektrische Energie mit einer daran angeschlossenen Komponente, beispielsweise an einem elektrischen Verteilungsnetz und/oder einem Kraftfahrzeug, auszutauschen.
Eine Energieliefervorrichtung der genannten Art ist beispielsweise aus der US 7,087,327 B2 bekannt. Darin ist beschrieben, dass eine Energieliefervorrichtung eine Reihenschaltung aus Brennstoffzellenstapeln aufweisen kann, die in der Summe eine elektrische Spannung für ein an die Energieliefervorrichtung angeschlossenes Gerät bereitstellen können.
Eine Energieliefervorrichtung mit einer Vielzahl von Nutzeinheiten ist auch aus der US 5610802 A bekannt. Die Nutzeinheiten sind dort in einem Regal angeordnet und können einzeln unabhängig voneinander aus dem Regal entfernt werden.
Um eine Energieliefervorrichtung mit ausreichend großer elektrische Leistung bereitzustellen, kann eine Vielzahl von Nutzeinheiten nötig sein, beispielsweise mehr als 20, insbesondere mehr als 50 Nutzeinheiten. In der Energieliefervorrichtung kann der Betrieb dann dadurch gestört werden, dass eine einzelne Nutzeinheit ausfällt oder einen Defekt aufweist. Ein solcher Defekt kann aber unterschiedliche Grade an Relevanz für den Gesamtbetrieb haben. Altert eine Nutzeinheit, so kann sie dadurch elektrische Eigenschaften aufweisen, die inkompatibel für einen Betrieb mit den übrigen Nutzeinheiten sind. Eine solche Alterserscheinung kann zum Beispiel eine überdurchschnittlich große Impedanz sein. In einem solchen Fall sollte die Nutzeinheit außer Betrieb genommen werden, weil sie ansonsten andere Nutzeinheiten schädigen oder selbst beschädigt werden kann. Die restliche Energieliefervorrichtung sollte aber der wirtschaftlichkeitshalber weiterbetrieben werden können. Mit dem Begriff „Impedanz“ ist im Zusammenhang mit der Erfindung ein Impedanzwert bei einer vorbestimmten Frequenz, z.B. 0Hz, oder ein Impedanzverlauf über der Frequenz f gemeint. Mehrere Frequenzen können in einem Frequenzsweep mit einer schrittweisen Erhöhung oder Verringerung überprüft werden. Alternativ dazu kann eine Multifrequenzanregung bei mehreren Frequenzen zugleich vorgesehen sein. Die Multifrequenzanregung kann z.B. als Multisinusanregung oder als Rechtecksignal oder als Sprungsignal ausgestaltet sein.
Gerät dagegen eine Nutzeinheit in Brand und/oder erzeugt sie aufgrund eines Kurzschlusses einen unkontrollierbaren Strom, so sollte zumindest von der Energieliefervorrichtung insgesamt keine Gefahr ausgehen. Um aber jede einzelne Nutzeinheit in dem Brandfall individuell löschen zu können, erfordert dies für jede Nutzeinheit einen aufwändigen Löschmechanismus, was die Herstellung einer solchen Energieliefervorrichtung unwirtschaftlich macht. Eine Alternative besteht darin, die Nutzeinheiten in getrennten Fächern zu lagern, damit ein Brand einer Nutzeinheit sich nicht auf andere Nutzeinheiten übertragen kann. Dies verhindert aber einen kompakten Aufbau der Energieliefervorrichtung.
Eine Nutzeinheit gerät generell dann in Brand, wenn sie durch einen Kurzschluss überlastet wird oder sich thermisch aufgrund mangelnder Kühlung aufheizen kann, während sie elektrische Leistung aufnimmt oder abgibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Energieliefervorrichtung, die eine Vielzahl von energieliefernden Nutzeinheiten aufweist, einen technisch einfach zu realisierenden Schutz gegen einen Defekt bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Durch die Erfindung ist eine elektrische Energieliefervorrichtung mit einer Vielzahl von Nutzeinheiten bereitgestellt. Jede Nutzeinheit ist dazu eingerichtet, elektrische Energie zu erzeugen oder zwischenzuspeichern oder dynamisch Umzuschichten (wie ein Kondensator). Das Zwischenspeichern kann also ein stationäres Zwischenspeichern, wie beispielsweise bei einem Batteriezellenmodul, oder ein dynamisches umschichten, wie zum Beispiel bei einem Kondensator, vorsehen. Die Energieliefervorrichtung kann in der besagten Weise beispielsweise ein Stationärspeicher sein, der als Nutzeinheiten eine Vielzahl von Batteriezellenmodulen aufweist. Eine Steuereinrichtung der Energieliefervorrichtung ist dazu eingerichtet, einen Energieaustausch zwischen der Energieliefervorrichtung einerseits und mehreren mit der Energieliefervorrichtung gekoppelten Komponenten andererseits zu steuern. Der Energieaustausch kann das Aufnehmen von elektrischer Energie und das Abgeben von elektrischer Energie sein. Als Komponente kann beispielsweise eine Energiequelle oder ein elektrisches Versorgungsnetz vorgesehen sein. Aus einer solchen Komponente kann dann elektrische Energie von der Energieliefervorrichtung aufgenommen werden, um die Nutzeinheiten mit Energie aufzuladen. Eine mögliche Komponente kann auch ein Gerät sein, beispielsweise ein Elektrofahrzeug. Die Energieliefervorrichtung kann dann elektrische Energie an dieses Gerät abgeben, also zum Beispiel eine Traktionsbatterie des besagten Elektrofahrzeugs aufladen.
Um eine solche Energieliefervorrichtung betriebssicher zu betreiben, sind erfindungsgemäß folgende Maßnahmen vorgesehen. Die besagte Steuereinrichtung ist zusätzlich dazu eingerichtet, bei jeder Nutzeinheit individuell eine vorbestimmte Betriebsgröße zu überwachen und hierdurch eine Überlastung und/oder einen drohenden Ausfall anhand eines vorbestimmten Abschaltkriteriums zu erkennen. Ist das Abschaltkriterium erfüllt, so bedeutet dies, dass die Nutzeinheit überlastet ist und/oder ein Ausfall bevorsteht oder droht. Die Steuereinrichtung ist des Weiteren dazu eingerichtet, bei erfülltem Abschaltkriterium die Nutzeinheit unabhängig von den übrigen Nutzeinheiten abzuschalten. Dies stellt also eine Vorsichtsmaßnahme oder eine präventive Maßnahme dar, um einen Defekt, beispielsweise einen Kurzschluss und/oder einen Brand, zu verhindern. Somit kann aufgrund der ständigen Beobachtung jeder Nutzeinheit darauf verzichtet werden, eine Löschmaßnahme vorzuhalten, die das individuelle Löschen jeder Nutzeinheit unabhängig von den anderen Nutzeinheiten vorsieht. Die Wahrscheinlichkeit für einen individuellen Brand kann durch das vorzeitige Abschalten in Abhängigkeit von dem Abschaltkriterium verringert werden. Das Abschaltkriterium kann beispielsweise einen Grenzwert für den die überwachte Betriebsgröße charakterisierenden Betriebswert oder Betriebsparameter vorsehen. Ist der Grenzwert überschritten oder unterschritten, so wird die Nutzeinheit abgeschaltet, während die übrigen Nutzeinheiten weiterhin für den besagten Energieaustausch betrieben werden.
Kommt es aber dennoch zu einem Defekt, so ist im Falle eines Kurzschlusses und/oder eines Brandes einer einzelnen der Nutzeinheiten eine pauschale Löschmaßnahme vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, mehrere oder alle der Nutzeinheiten mittels einer Löscheinrichtung mit einer Löschflüssigkeit zu beaufschlagen oder zu löschen. Mit anderen Worten ist also keine individuelle Löschmaßnahme für nur eine einzelne Nutzeinheit vorgesehen, sondern nur eine pauschale Löschmaßnahme, die stets mehrere oder alle der Nutzeinheiten betrifft, selbst wenn hiervon auch weiterhin funktionstüchtige oder fehlerfreie Nutzeinheiten betroffen sind. Dies vereinfacht die Bauweise der Löscheinrichtung. Als Löschflüssigkeit kann z.B. Wasser vorgesehen werden. Als Betriebsgröße, die zum Überwachen auf Überlastung und/oder drohenden Ausfall gemäß dem Abschaltkriterium geprüft wird, kann eine oder können mehrere der folgenden zugrunde gelegt werden: Temperatur, SoH (State of Health), SoF (State of Funktion, Funktionsfähigkeit, Leistungsabgabefähigkeit), Impedanz (gemessen zwischen elektrischen Anschlusskontakten der Nutzeinheit). Das Erfassen dieser Betriebsgrößen ist an sich mit Mitteln aus dem Stand der Technik möglich bekannt.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass durch die individuelle Überwachung jeder Nutzeinheit auf Überlastung und/oder drohenden Ausfall die Wahrscheinlichkeit für einen Kurzschluss und/oder Brand verringert wird und deshalb nur eine technisch einfach zu realisierende Löscheinheit für denjenigen Fall vorgehalten werden muss, der voraussichtlich ohnehin eine Vielzahl von Nutzeinheiten betreffen wird, weil ein Defekt einer Nutzeinheit derart schwerwiegend ist, dass eine mehr als eine Nutzeinheit betreffende Löschmaßnahme notwendig ist.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Bisher wurde als Beispiel für eine Nutzeinheit ein Batteriezellenmodul genannt. Bei der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Nutzeinheit zumindest eine Batteriezelle, insbesondere ein Batteriezellenmodul, und/oder zumindest eine Brennstoffzelle und/oder zumindest ein Solarpaneel und/oder zumindest einen Kondensator (insbesondere einen Doppelschichtkondensator) und/oder zumindest einen Generator umfasst. Mit anderen Worten ist die Erfindung in Bezug auf die Realisierung der Energielieferung flexibel.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Löscheinrichtung zumindest einen oberhalb der Nutzeinheiten angeordneten Tank für die Löschflüssigkeit. Somit kann die Löschflüssigkeit unter Ausnutzung der Schwerkraft zu den Nutzeinheiten befördert werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Löscheinrichtung eine Sprinkleranlage aufweisen, also ein Verrohrungssystem zum Bereitstellen der Löschflüssigkeit. Mittels der Sprinkleranlage kann die Löschflüssigkeit beispielsweise aus einem öffentlichen Wassernetz zu den Nutzeinheiten gefördert werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass in der Energieliefervorrichtung ein Verteilerrohrsystem vorgesehen ist, dass dazu eingerichtet ist, die Löschflüssigkeit in der Energieliefervorrichtung mittels Schläuchen und/oder Rohren auf unterschiedliche Ebenen in der Energieliefervorrichtung und/oder zwischen den Nutzeinheiten zu verteilen. Mit einer Worten wird die Löschflüssigkeit nicht einfach von oben auf die Nutzeinheiten verteilt, sondern auch zwischen 2 Ebenen von Nutzeinheiten eingeführt oder befördert und/oder zwischen den Nutzeinheiten verteilt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch Schwelbrände direkt mit Löschflüssigkeit beaufschlagt oder gelöscht werden können.
Bevorzugt sind die Nutzeinheiten in einem wasserdichten Container angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sich die Löschflüssigkeit während eines Löschvorganges in dem Container sammelt und somit einen Brand ertränken kann. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass kontaminierte Löschflüssigkeit nicht beispielsweise ins Grundwasser, oder allgemein aus der Energieliefervorrichtung austreten kann. Es kann ein Anschluss zum Abpumpen der Löschflüssigkeit vorgesehen sein, also beispielsweise ein Ventil oder z.B. ein C-Rohr-Anschluss, wie er bei der Feuerwehr typischerweise Verwendung finden kann.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Löschflüssigkeit ein Frostschutzmittel aufweist. Somit kann auch bei einer Umgebungstemperatur kleiner als 0°C sichergestellt werden, dass die Löschflüssigkeit flüssig für einen Löschvorgang bleibt. Als Frostschutzmittel kann beispielsweise Glycerin und/oder Glycol verwendet werden.
Wie bereits ausgeführt, kann es zu einem Defekt einer Nutzeinheit kommen, falls diese überhitzt wird. Um eine Überhitzung zu vermeiden, kann ebenfalls die bereitgestellte Löschflüssigkeit genutzt werden. Eine Weiterbildung sieht vor, dass ein Kühlkreislauf zur Wärmeabfuhr aus den Nutzeinheiten und/oder aus einer Stromschienenanordnung der Energieliefervorrichtung bereitgestellt ist und der Kühlkreislauf dazu eingerichtet ist, die Löschflüssigkeit in dem Kühlkreislauf umzuwälzen, also die Löschflüssigkeit als Kühlmedium zu nutzen, und/oder Wärmeenergie von den Nutzeinheiten mittels eines anderen Kühlmediums, zum Beispiel einem Öl, in die Löschflüssigkeit zu übertragen. In diesem Fall wird die Löschflüssigkeit als Kältereservoir genutzt, das in vorteilhafter Weise mehr Wärmeenergie aufnehmen kann als Luft, um dieselben Temperaturanstieg zu erhalten. Die Nutzung der Löschflüssigkeit als Kältereservoir stellt ebenfalls einen Frostschutz für dieses dar.
Die hierdurch gewonnene und/oder in der Löschflüssigkeit akkumulierte Wärme kann nutzbringend weiterverwendet werden. Eine Weiterbildung hierzu sieht vor, dass der Kühlkreislauf mit einer Wärmeübertragungseinrichtung gekoppelt ist, welche dazu eingerichtet ist, die Wärmeenergie zwischen der Energieliefervorrichtung und einer vorrichtungsexternen Einrichtung zu übertragen. Die Wärmeübertragungseinrichtung kann beispielsweise ein Rohrsystem umfassen, mittels welchem Wärme von der Energieliefervorrichtung zu der Einrichtung abgeführt oder übertragen werden kann. Beispielsweise kann die Einrichtung ein Gebäude sein, dass mittels der Wärmeenergie geheizt werden kann. Es kann hierbei das Kühlmedium des Kühlkreislaufs selbst genutzt werden, so beispielsweise die Kühlflüssigkeit, oder die Wärmeübertragungseinrichtung kann mit dem Kühlkreislauf über einen Wärmetauscher gekoppelt sein, um ein eigenes Wärmetransportmedium für die Übertragung der Wärmeenergie zur Einrichtung nutzen zu können.
Die Wärmeübertragungseinrichtung kann aber auch andersherum Wärmeenergie aus der Einrichtung abführen und in der Löschflüssigkeit akkumulieren oder dorthin abgeben. So kann beispielsweise eine elektrische Ladestation, die mit Energie aus der Energieliefervorrichtung betrieben wird, mittels der Wärmeübertragungseinrichtung gekühlt und die hierdurch transportierte Wärmeenergie in der Löschflüssigkeit akkumuliert werden. So kann beispielsweise als Ladestation eine sogenannte Schnellladestation für Elektrofahrzeuge (Ladeleistung größer als 8 kW) betrieben werden und zugleich die Kühlung der Ladestation sichergestellt werden.
Für Nutzeinheiten gibt es in der Regel eine optimale Betriebstemperatur, bei welcher ein Betrieb mit der geringsten Ausfallwahrscheinlichkeit und/oder dem geringsten Verschleiß und/oder der größten Leistungsfähigkeit gegeben ist. Bevorzugt sind die Nutzeinheiten deshalb mit einer thermischen Isoliereinrichtung gegenüber einer Umgebung der Energieliefervorrichtung isoliert. Die Nutzeinheiten sind also bevorzugt in einem thermisch monolythischen Raum angeordnet. Hierdurch ist verhindert, dass die Nutzeinheiten unter eine vorbestimmte Temperatur auskühlen. Falls mehr Wärmeenergie in der Energieliefervorrichtung entsteht, als für das Einstellen der optimale Betriebstemperatur nötig ist, so kann mit dem beschriebenen Kühlkreislauf wiederum eine Kühlung auf die optimale Betriebstemperatur erfolgen.
Es kann sein, dass die Nutzeinheiten selbst nicht genug Verlustleistung zum Aufheizen auf die optimale Betriebstemperatur erzeugen, weil sie während eines Energieaustauschs mit zumindest einer vorrichtungsexternen Komponente zu effizient laufen oder weil ein solcher Energieaustausch nicht stattfindet. Für diesen Fall sieht eine Weiterbildung vor, dass Stromschienen der Stromschienenanordnung der Energieliefervorrichtung aus Aluminium oder Kupfer gebildet sind und thermisch mit den Nutzeinheiten gekoppelt sind, wobei die besagte Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, durch Umladen von elektrischer Energie zwischen den Nutzeinheiten über die Stromschienen eine Heizleistung für die Nutzeinheiten zu erzeugen. Mit anderen Worten entsteht durch den in den Stromschienen fließenden elektrischen Strom eine Verlustwärme, die mittels der thermischen Kopplung zu den Nutzeinheiten übertragen werden kann. Die thermische Kopplung kann beispielsweise durch einen Wärmekreislauf gebildet sein und/oder durch einen Warmluftstrom, der von den Stromschienen hin zu den Nutzeinheiten geführt wird, beispielsweise mittels eines Gebläses. Mittels des Umladens kann dann z.B. ein sogenannten Vorheizen oder Preheating realsiert werden, um die Energieliefervorrichtung definiert betriebsbereit zu machen. Erst danach gibt die Energieliefervorrichtung dann Energie nach außen ab.
Durch die beschriebenen Maßnahmen zur Klimatisierung oder thermischen Konditionierung der Nutzeinheiten ist verhindert, dass bei einer Nutzeinheit der besagte Defekt eintritt, welcher das Abschaltkriterium erfüllt und/oder sogar einen Brand auslöst.
Zu der Erfindung gehört auch ein erfindungsgemäßes Verfahren, das Merkmale aufweist, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energieliefervorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind das Verfahren und die entsprechenden Weiterbildungen des Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieliefervorrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufs für die Energieliefervorrichtung von 1.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Energieliefervorrichtung 10, die als stationärer Energiespeicher oder als stationäre Energiequelle ausgestaltet sein kann. Beispielsweise kann die Energieliefervorrichtung 10 an einer Straße aufgestellt sein, um elektrische Energie für zumindest eine Ladestation 11 zum Aufladen von Elektrofahrzeugen 12 mit elektrischer Energie zu versorgen. Die zumindest eine Ladestation 11 kann an einem jeweiligen elektrischen Ausgangsanschluss 13 an die Energieliefervorrichtung 10 angeschlossen sein.
Die elektrische Energie kann in der Energieliefervorrichtung 10 mittels einer Mehrzahl von Nutzeinheiten 14 bereitgestellt werden. Jede Nutzeinheit 14 kann eine oder mehrere Batteriezellen aufweisen. Jede Nutzeinheit 14 kann beispielsweise auf der Grundlage eines Batteriezellenmoduls bereitgestellt sein. Die Nutzeinheiten 14 können auch auf der Grundlage jeweils eines Brennstoffzellenstapels gebildet sein. Die Nutzeinheit in 14 können auch beispielsweise auf der Grundlage von Doppelschichtkondensatoren gebildet sein. In 1 ist eine Ladeeinrichtung zum Aufladen der Nutzeinheiten nicht dargestellt.
Jede Nutzeinheit 14 kann eine elektrische Gleichspannung erzeugen, die hier als Einzelspannung 15 bezeichnet ist. Die Nutzeinheiten für können in Stränge 16 aufgeteilt sein, wobei die Nutzeinheiten 14 des jeweiligen Strangs 16 eine Reihenschaltung bilden können. Hierdurch werden die Einzelspannungen 15 der Nutzeinheiten 14 des jeweiligen Strangs 16 aufsummiert. Jeder Strang 16 kann mit Stromschienen 17 einer Stromschienenanordnung 18 verbunden sein. In der Stromschienenanordnung 18 kann somit eine Summenspannung 19 der Stränge 16 bereitgestellt werden. Über die Stromschienenanordnung 18 kann an jedem Ausgangsanschluss 13 die Summenspannung 19 bereitgestellt werden.
Jeder Strang 16 kann über einen jeweiligen Gleichspannungswandler 20 (DC/DC-Wandler) mit einer Stromschiene 17 der Stromschienenanordnung 18 verschaltet sein. Allgemein kann der Gleichspannungswandler ein Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller oder ein Inverswandler sein. Als Gleichspannungswandler wird bevorzugt ein Tiefsetzsteller verwendet. Durch den Gleichspannungswandler 20 kann ein Wert der Summenspannung 19 unabhängig von der Summe der Einzelspannungen 15 in der Stromschienenanordnung 18 eingestellt werden. Zudem kann eine Stromstärke eines aus den Nutzeinheiten 14 fließenden Stromes eingestellt werden.
Die Stromschienenanordnung 18 kann mehrere Stromschienen 17, also mehr als 2 Stromschienen aufweisen. Die Stränge 16 können dann mittels einer (nicht dargestellten) Schalteinrichtung zwischen den Stromschienen umgeschaltet werden. Die Schalteinrichtung kann ein 1-zu-N-Multiplexer oder eine Anordnung aus mehreren Einzelschaltern, z.B. Schützen, sein.
Jede Nutzeinheit 17 selbst kann eine Überbrückungsschaltung 21 aufweisen, mittels welcher Anschlusskontakte der jeweilige Nutzeinheit 17 in der Reihenschaltung des Stranges 16 elektrisch überbrückt werden können, sodass ihre Einzelspannung 15 nicht mehr zur Summenspannung 19 beiträgt. Zudem fließt im überbrückten Zustand kein Strom aus der Nutzeinheit 14 in die Stromschienenanordnung 18.
Jede Nutzeinheit 14 kann eine Überwachungseinrichtung 22 aufweisen, welche zumindest einen für zumindest eine Betriebsgröße der jeweilige Nutzeinheit 14 charakteristischen Betriebswert oder Parameterwert erfassen kann, beispielsweise die Temperatur und/oder die Impedanz der Nutzeinheit 14.
Eine Steuereinrichtung 23 kann die von den Überwachungseinheiten 22 ermittelten Betriebswerte der Betriebsgröße über eine Kommunikationseinrichtung 24 empfangen. Die Kommunikationseinrichtung 24 kann beispielsweise einen Feldbus, beispielsweise einen CAN-Bus (CAN - Controller Area Network) umfassen. Die Steuereinrichtung 23 kann anhand der zumindest einen Betriebsgröße der jeweilige Nutzeinheit 14 überprüfen, ob die jeweilige Nutzeinheit 14 ein Abschaltkriterium 25 erfüllt, d.h. beispielsweise überlastet ist und/oder derart verschlissen ist, dass sie auszufallen droht, und deshalb abgeschaltet werden sollte. Beispielsweise kann eine Temperatur und/oder eine Impedanz größer als ein vorbestimmter Schwellenwert festgestellt werden. Erfüllt eine Nutzeinheit 14 das Abschaltkriterium 25, so kann mittels ihrer Überbrückungsschaltung 21 außer Betrieb genommen werden. Die Steuereinrichtung 23 kann hierzu die Überbrückungsschaltung 21 ansteuern. Hierdurch ist die Gefahr reduziert, dass aufgrund einer Überlastung oder eines Defekts die Nutzeinheit 14 einen über die Nutzeinheit 14 hinausreichenden Schaden in der Energieliefervorrichtung 10 verursacht.
Sollte es dennoch zu einem Kurzschluss und/oder einem Brand in der Energieliefervorrichtung 10 kommen, so kann dies durch eine Erkennungseinrichtung 26 erkannt werden. Die Erkennungseinrichtung 26 kann beispielsweise einen Rauchmelder und/oder einen Gassensor (z.B. für Kohlenmonoxid, Wasserstoff) und/oder eine Sensoreinrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens, beispielsweise einen Photosensor, aufweisen. Wird ein Kurzschluss und/oder ein Brand durch die Erkennungseinrichtung 26 erkannt, so kann durch die Erkennungseinrichtung 26 eine pauschale Löschmaßnahme ausgelöst werden, die darin bestehen kann, dass eine Löscheinrichtung 27 in der Energieliefervorrichtung 10 mehrere oder alle der Nutzeinheiten 14 mit einer Löschflüssigkeit 28 beaufschlagt - unabhängig davon, ob alle betroffenen Nutzeinheiten tatsächlich die diejenigen sind, die brennen oder nicht. Zumindest wird aber auch die brennende Nutzeinheit mit der Löschflüssigkeit 28 beaufschlagt.
Die Löscheinrichtung 27 kann beispielsweise einen Tank 29 aufweisen, der oberhalb eines Containers 30 angeordnet sein kann, in welchem die Nutzeinheiten 14 angeordnet sein können. Der Container 30 kann wasserdicht ausgestaltet sein, sodass er mit der Löschflüssigkeit 14 geflutet oder angefüllt werden kann, ohne dass die Löschflüssigkeit 28 in eine Umgebung 31 austritt. Es kann ein Ventil 32 vorgesehen sein, um kontaminierte Löschflüssigkeit 28 kontrolliert abpumpen oder ablassen zu können, um es dann beispielsweise zu entsorgen. Beispielsweise kann das Ventil 32 an einem sogenannten C-Rohr angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ zu dem Tank 29 kann eine weitere vorrichtungsexterne Quelle 33 zum Bereitstellen von Löschflüssigkeit 28 vorgesehen sein. Die Quelle 33 kann beispielsweise ein öffentliches Wassernetz sein. Es kann mittels einer Pumpe 34 Löschwasser ebenfalls zu der Energieliefervorrichtung 10 aus der Quelle 33 gefördert werden. Beispielsweise kann die Löschflüssigkeit über ein Verrohrungssystem 35 einer Sprinkleranlage zu dem Container 30 geführt sein.
Bei der Löschflüssigkeit 28 kann es sich beispielsweise um Wasser oder um Wasser mit zumindest einem Zusatzstoff handeln. Die Löschflüssigkeit 28 kann beispielsweise mit einem Frostschutzmittel versetzt sein, damit die Löschflüssigkeit 28 auch bei Umgebungstemperaturen der Umgebung 31 von weniger als 0 °C flüssig bleibt.
Um die Löschflüssigkeit 28 innerhalb der Energieliefervorrichtung 10 zwischen den Nutzeinheiten 14 verteilen zu können, kann die Löscheinrichtung 27 Rohre 36 umfassen, mittels welchen die Löschflüssigkeit auf mehrere Ebenen 37, d.h. auf unterschiedliche Höhenstufen, und/oder an die einzelnen Nutzeinheiten 14 herangeführt werden kann. Durch Vorsehen mehrerer Ventile im Container ergibt sich ein Sprinklereffekt. Die Ventile sind hierzu über die gesamte Decke des Containers 30verteilt angeordnet. Die Ventile können über ein Verrohrungssystem mit der Löschflüssigkeit versorgt werden. Es kann auch ausschließlich das Verrohrungssystem (ohne Endventile) zum Verteilen vorgesehen sein. Die Zuführung der Löschflüssigkeit kann auch auf den mehreren Ebenen / Höhen, erfolgen, um z.B. Schwelbrände am Boden zu Kühlen / zu Löschen.
Um präventiv einen Brand aufgrund von Überhitzung und/oder übermäßigem Verschleiß einer der Nutzeinheiten 14 zu vermeiden, kann bei der Energieliefervorrichtung 10 auch zumindest eine Schonungsmaßnahme zum schonenden Betrieb der Nutzeinheiten 14 vorgesehen sein.
Der Container 30 kann beispielsweise eine Isoliereinrichtung 38 aufweisen, durch welche ein Innenraum 39 der Energieliefervorrichtung 10, in welchem die Nutzeinheiten 14 angeordnet sind, thermisch gegen die Umgebung 31 isoliert sein kann. Die Isoliereinrichtung 38 kann beispielsweise mittels Unterdruckkammern und/oder einem Dämmmaterial oder Isoliermaterial, wie Kork oder einer Wolle (z.B. Steinwolle) oder einem Schaumstoff, realisiert sein. Insbesondere wird als Dämmmaterial ein brandhemmendes Material bereitgestellt. Hierdurch ergibt sich in dem Innenraum 39 ein monolithisch isolierter Raum, dessen Klima unabhängig von einem Außenklima der Umgebung 31 eingestellt werden kann. Dies kann z.B. in polaren oder tropischen Regionen vorteilhaft sein. Zum Schutz vor Luftfeuchtigkeit und/oder salzhaltiger Meeresluft kann auch ein Luftaustausch mit der Umgebung unterbunden sein.
Um die Temperatur im Innenraum 39 zu erhöhen oder aufrechtzuerhalten, kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 23 beispielsweise mittels der Gleichrichter 20 elektrische Energie über die Stromschienenanordnung 18 zwischen den Nutzeinheiten 14, d.h. in dem in 1 gezeigten Beispiel zwischen den Strängen 16, austauscht oder umschichten. Durch Verlustwärme in den Stromschienen 17 kann Heizleistung 40 für die Nutzeinheiten 14 bereitgestellt werden, die über eine thermische Kopplung, beispielsweise Luft oder einen Luftstrom oder auch einen Heizkreislauf mit einer Flüssigkeit, zu den Nutzeinheiten 14 transportiert werden kann.
Damit die Energieliefervorrichtung 10 dauerhaft eben und/oder stabil auf gestellt sein kann, kann ein Fundament F vorgesehen sein, das beispielsweise aus gegossenem Beton gebildet sein kann. Hierdurch kann auf dem Container 30 der Tank 29 mit der Löschflüssigkeit 28 angeordnet sein, ohne dass durch das auf dem Boden lastende Gewicht den Container 30 in den Boden drückt. Es können beispielsweise mehr als 10 t, insbesondere mehr als 20 t, Löschflüssigkeit 28 bereitgestellt sein.
Bei den Container 30 kann es sich beispielsweise um einen standardisierten 20-Fuß-ISO-Container (ISO - Internationale Organisation für Normung)oder einen 40-Fuß-ISO-Container handeln. Auch der Tank 29 kann auf Grundlage eines solchen Containers gebildet sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Energieliefervorrichtung 10 mit herkömmlichen oder standardisierten Mitteln transportiert werden kann, beispielsweise mit einem Güterzug und/oder einem Sattelschlepper.
2 veranschaulicht eine Kühleinrichtung 41, die in der Energieliefervorrichtung 10 zum Temperieren oder Kühlen der Nutzeinheiten 14 bereitgestellt sein kann. Die übrigen, in 1 gezeigten Komponenten sind der Übersichtlichkeit halber in 2 nicht noch einmal dargestellt.
Die Kühleinrichtung 41 kann einen Kühlkreislauf 42 aufweisen, in welchem ein Kühlmedium 43 beispielsweise mittels einer Pumpe 44 umgewälzt werden kann. Bei dem Kühlmedium 43 kann es sich beispielsweise um die Löschflüssigkeit 28 handeln. Alternativ dazu kann ein Wärmetauscher 45 vorgesehen sein, über welchen das Kühlmedium 43 Wärmeenergie mit der Löschflüssigkeit 28 beispielsweise im Tank 29 austauschen kann. Das Kühlmedium 43 kann dann beispielsweise ein Öl sein.
Der Kühlkreislauf 41 kann beispielsweise dadurch eine thermische Kopplung mit den Nutzeinheiten 14 vorsehen, dass die Nutzeinheiten 14 in Ebenen 46 angeordnet sind und in dazwischenliegenden Zwischenebenen 47 der Kühlkreislauf 41 geführt ist.
Mittels des Kühlkreislaufs 41 kann auch eine vorrichtungsexterne Einrichtung, beispielsweise die zumindest eine Ladestation 11, gekühlt werden. Hierzu kann eine Wärmeübertragungseinrichtung 48, beispielsweise ein Rohrsystem oder Schlauchsystem, die externe Einrichtung mit dem Kühlkreislauf 41 koppeln.
Die mittels des Kühlkreislaufs 41 gesammelte Wärme kann auch an eine vorrichtungsexterne andere Einrichtung 49, beispielsweise ein Gebäude, abgeführt werden, um in dieser Einrichtung 49 Wärme bereitzustellen, also Heizleistung. Hierdurch kann z.B. ein Gebäude geheizt werden, in welchem ein Benutzer wartet, während sein Elektrofahrzeug 12 mit elektrischer Energie aufgeladen wird.
Mit der Wärmeleistung aus der Energieliefervorrichtung 10 kann auch ein Wandlungsprozess zum Erzeugen von Kälte betrieben werden. Damit kann dann wiederum Kühlleistung in einem Gebäude bereitgestellt werden. Steht die Energieliefervorrichtung 10 z.B. an einer Straße an einem Rastplatz, so kann in einer Raststation oder Tankstelle mittels der Kühlleistung eine Klimatisierung und/oder ein Gefrierfach betrieben werden.
Im Folgenden ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Eine Energieliefervorrichtung in Form eines Batteriesystems stellt eine Vielzahl von Batteriemodulen als Nutzeinheiten bereit, von denen jedes für sich individuell, unabhängig von den anderen Batteriemodulen mittels Halbleiterschaltern von dem Schaltungsverbund entkoppelt oder getrennt werden kann (Abschalten und Überbrücken). Jedes Batteriemodul wird durchgehend individuell auf seinen SoH (State of Health) überwacht, um eine Überlastung / einen drohenden Ausfall erkennen und das Batteriemodul vorzeitig abschalten zu können. Auch Maßnahmen zur Schonung (Wear-Leveling, Lastverteilung) können vorgesehen sein.
Es gibt aber keine individuelle Schutzmaßnahme, um im Falle eines Brandes eines Batteriemoduls dieses individuell zu löschen. Stattdessen ist eine pauschale Löscheinrichtung vorgesehen, die nur den gesamten Schaltungsverbund mit Löschflüssigkeit beaufschlagen kann.
Somit wird auf eine individuelle Überwachung / Prävention, aber nur auf eine globale / pauschale Löschmaßnahme gesetzt.
Die Batteriemodule sind in einem wasserdichten Container angeordnet. Es kann ein Tank oder eine Sprinkleranlage (Verrohrungssystem) zum Bereitstellen der Löschflüssigkeit vorgesehen sein. Es kann ein Anschluss zum Abpumpen von Löschflüssigkeit (Ventil, C-Rohr) vorgesehen sein. Die Löschflüssigkeit kann Wasser sein.
Der Container ist auch thermisch isoliert, um eine optimale Betriebstemperatur für die Batteriemodule halten zu können. Somit ist in dem Container ein thermisch monolithischer Raum (durch Isolierung) gebildet. Zum Einstellen der Temperatur kann eine Selbst-Erwärmung durch Energie-Umladung zwischen den Batteriemodulen vorgesehen sein. Abwärme von Batteriemodulen / Stromschienen / AC/DC-Wandlern kann über einen Kühlkreislauf (z.B. getrennter Kreislauf mit Öl), von den Batteriemodulen / aus dem Raum abgeführt werden. Die Wärmeenergie kann (über Wärmetauscher) in der Löschflüssigkeit im Tank gespeichert und/oder aus dem Container herausgeführt werden, um z.B. ein Gebäude zu heizen. Mittels der bereitgestellten Wärme werden kann z.B. Kühlleistung für eine Klimatisierung / Kühlung bereitgestellt werden. So kann die Energieliefervorrichtung z.B. als Stationärspeicher auf einer Raststätte an einer Autobahn zum Aufladen von Traktionsbatterien elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen betrieben werden und währenddessen mittels der abgeführten Wärme Klimatisierungsleistung (z.B. Wärmeleistung und/oder Kühlleistung) bereitgestellt werden. Die Kühlleistung kann auch für das eigentliche Aufladen bei einem sogenannten Schnellladevorgang (Ladeleistung größer als 10 kW) zum Kühlen der Traktionsbatterie bereitgestellt werden.
Der Container kann ein gängiger 40'-ISO-Container sein. Der Tank für die Löschflüssigkeit kann als ein zweiter Container oben aufgesetzt sein (30.000l). Hierdurch kann die Löschflüssigkeit selbstständig aufgrund der Schwerkraft durch Ventile hindurch zu den Batteriemodulen fließen. Durch Vorsehen mehrerer Ventile im Container ergibt sich ein Sprinklereffekt. Die Ventile sind hierzu über die gesamte Decke des Containers verteilt angeordnet. Die Ventile können über ein Verrohrungssystem mit der Löschflüssigkeit versorgt werden. Es kann auch ausschließlich das Verrohrungssystem (ohne Endventile) zum Verteilen vorgesehen sein. Die Zuführung der Löschflüssigkeit kann auch auf mehreren Ebenen / Höhen, erfolgen, um z.B. Schwelbrände am Boden zu Kühlen / zu Löschen.
Die Löschflüssigkeit kann auch über mehrere Tanks verteilt sein, um bei einem Brand eines Containers dann die Löschflüssigkeit umzuschichten/ umzupumpen, oder es kann ein Tank für mehrere Container bereitgestellt sein.
Die Temperatur im Container kann durch Umladen von Energie zwischen den Strängen erhöht werden, indem Verlustwärme in den Stromschienen erzeugt wird. Insbesondere Stromschienen aus Aluminium sind wg. ihres spezifischen elektr. Widerstands geeignet. Bei Außentemperaturen unterhalb einer optimalen Betriebstemperatur der Nutzeinheiten (z.B. hat Lithium-Ionen-Technologie eine eingeschränkte Kaltladefähigkeit, d.h. die mögliche Ladeleistung sinkt mit Temperatur) kann die Temperatur im Container auf die optimale Betriebstemperatur oder in einem vorbestimmten Temperaturbereich gehalten werden.
Die Löschflüssigkeit kann ein Frostschutzmittel enthalten, um auch ohne Verlustleistung aus dem Container (z.B. bei Transport oder Ausfall des Containers) bei Frost flüssig zu bleiben.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Thermomanagement und ein Sicherheitskonzept für eine Energieliefervorrichtung bereitgestellt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7087327 B2 [0002]
US 5610802 A [0003]

Claims

Elektrische Energieliefervorrichtung (10) mit einer Vielzahl von Nutzeinheiten (14), von denen jede dazu eingerichtet ist, elektrische Energie zu erzeugen oder zwischenzuspeichern oder dynamisch umzuverteilen, wobei eine Steuereinrichtung (23) dazu eingerichtet ist, einen Energieaustausch zwischen der Energieliefervorrichtung (10) einerseits und mehreren mit der Energieliefervorrichtung gekoppelten Komponenten (11) andererseits zu steuern, wobei jede der Komponenten (11) ein Gerät oder eine Energiequelle darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (23) dazu eingerichtet ist, bei jeder Nutzeinheit (14) individuell eine vorbestimmte Betriebsgröße zu überwachen und hierdurch eine Überlastung und/oder einen drohenden Ausfall gemäß einem vorbestimmten Abschaltkriterium (25) zu erkennen und die Nutzeinheit (14) in diesem Fall unabhängig von den übrigen Nutzeinheiten (14) abzuschalten, wobei aber im Falle eines Kurzschlusses und/oder Brandes einer einzelnen der Nutzeinheiten (14) eine pauschale Löschmaßnahme vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, mehrere oder alle der Nutzeinheiten (14) mittels einer Löscheinrichtung (27) mit einer Löschflüssigkeit (28) zu beaufschlagen.
Energieliefervorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei jede Nutzeinheit (14) jeweils zumindest eine Batteriezelle, insbesondere ein Batteriezellenmodul oder einen Verbund mehrerer Batteriezellenmodule, und/oder zumindest eine Brennstoffzelle und/oder zumindest ein Solarpaneel und/oder zumindest einen Kondensator und/oder einen Generator umfasst.
Energieliefervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Löscheinrichtung (27) zumindest einen oberhalb der Nutzeinheiten (14) angeordneten Tank (29) für die Löschflüssigkeit (28) und/oder eine Sprinkleranlage (35) zum Bereitstellen der Löschflüssigkeit (28) umfasst.
Energieliefervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verteilerrohrsystem vorgesehen ist, das dazu eingerichtet ist, die Löschflüssigkeit in der Energieliefervorrichtung mittels Schläuchen und/oder Rohren (36) auf unterschiedliche Ebenen (37) in der Energieliefervorrichtung (10) und/oder zwischen den Nutzeinheiten (14) zu verteilen.
Energieliefervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nutzeinheiten (14) in einem wasserdichten Container (30) angeordnet sind.
Energieliefervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Löschflüssigkeit (28) ein Frostschutzmittel aufweist.
Energieliefervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Kühlkreislauf (41) zur Wärmeabfuhr aus den Nutzeinheiten (14) und/oder aus einer Stromschienenanordnung (18) der Energieliefervorrichtung (10) bereitgestellt ist und der Kühlkreislauf (41) dazu eingerichtet ist, die Löschflüssigkeit (28) in dem Kühlkreislauf (41) umzuwälzen und/oder Wärmeenergie von den Nutzeinheiten (14) mittels eines Kühlmediums (43) in die Löschflüssigkeit (28) zu übertragen.
Energieliefervorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei der Kühlkreislauf (41) mit einer Wärmeübertragungseinrichtung (48) gekoppelt ist, welche dazu eingerichtet ist, Wärmeenergie zwischen der Energieliefervorrichtung (10) und einer vorrichtungsexternen Einrichtung (11, 49) zu übertragen.
Energieliefervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nutzeinheiten (14) mit einer thermischen Isoliereinrichtung (38) gegenüber einer Umgebung (31) der Energieliefervorrichtung (10) isoliert sind.
Energieliefervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Stromschienen (17) der Energieliefervorrichtung (10) aus Aluminium oder Kupfer gebildet sind und thermisch mit den Nutzeinheiten (14) gekoppelt sind, wobei die Steuereinrichtung (23) dazu eingerichtet ist, durch Umladen von elektrischer Energie zwischen den Nutzeinheiten (14) über die Stromschienen (17) eine Heizleistung (40) für die Nutzeinheiten (14) zu erzeugen.