DE102018212340A1 - Electrochemical energy storage system - Google Patents

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DE102018212340A1
DE102018212340A1 DE102018212340.3A DE102018212340A DE102018212340A1 DE 102018212340 A1 DE102018212340 A1 DE 102018212340A1 DE 102018212340 A DE102018212340 A DE 102018212340A DE 102018212340 A1 DE102018212340 A1 DE 102018212340A1
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Michael Donotek
Joachim Zanker
Christian Riese
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
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Abstract

Elektrochemisches Energiespeichersystem umfassend mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, mindestens einen thermoelektrischen Generator zur Wandlung von Wärme in elektrische Energie, wobei das Energiespeichersystem mindestens eine erste Steuerungsvorrichtung und eine zweite Steuerungsvorrichtung umfasst und die erste Steuerungsvorrichtung in Abhängigkeit von Steuersignalen der zweiten Steuerungsvorrichtung einen Energiefluss steuert.Electrochemical energy storage system comprising at least one electrochemical energy store, at least one thermoelectric generator for converting heat into electrical energy, the energy storage system comprising at least a first control device and a second control device and the first control device controlling an energy flow as a function of control signals from the second control device.

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Energiespeichersystem, einem Verfahren zum Betreiben des Energiespeichersystems sowie einer Verwendung des Energiespeichersystems gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The invention is based on an electrochemical energy storage system, a method for operating the energy storage system and a use of the energy storage system according to the preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

In herkömmlichen Haushalten kommen in der Regel eine Vielzahl von Großgeräten wie beispielsweise Backofen, Spülmaschine etc. zum Einsatz. Sie sind an das konventionelle Stromnetz angeschlossen und entnehmen dort bei Bedarf Energie. Diese Geräte weisen eine sehr hohe Leistungsaufnahme auf, typischerweise verbunden mit Aufheizvorgängen. Zum Abschluss ihrer Betriebszyklen ist ein hohes Maß an Wärme vorhanden, welche als thermische Abwärme verloren geht.A large number of large appliances such as an oven, dishwasher, etc. are generally used in conventional households. They are connected to the conventional power grid and draw energy from there if necessary. These devices have a very high power consumption, typically associated with heating processes. At the end of their operating cycles, there is a high level of heat, which is lost as thermal waste heat.

Darüber hinaus sind hybride Superkondensatoren für die Speicherung von elektrischer Energie bekannt, beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2015 218 433 und DE 10 2016 224 989 .In addition, hybrid supercapacitors for storing electrical energy are known, for example from the publications DE 10 2015 218 433 and DE 10 2016 224 989 ,

Prinzipiell weisen Superkondensatoren eine viel höhere Leistungsdichte und eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien auf. Die hybriden Superkondensatoren hingegen besitzen eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Energiedichtedichte.In principle, supercapacitors have a much higher power density and a lower energy density than lithium-ion batteries. The hybrid supercapacitors, on the other hand, have a high power density and a high energy density density.

Die Druckschrift US 2012 111 386 offenbart ein integriertes Energieerzeugungssystem umfassend eine primäre Energiequelle, die Energie an einen primären Energieverbraucher liefert, ein thermoelektrisches Energieerzeugungssystem, das thermisch an eine Wärmequelle gekoppelt ist, und eine elektronische Steuereinheit.The publication US 2012 111 386 discloses an integrated energy generation system comprising a primary energy source that provides energy to a primary energy consumer, a thermoelectric energy generation system that is thermally coupled to a heat source, and an electronic control unit.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.It is an object of the present invention to further improve the prior art. This object is achieved by the features of the independent claims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das elektrochemische Energiespeichersystem mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere einen hybriden Superkondensator, zur Speicherung elektrischer Energie umfasst, weiter mindestens einen thermoelektrischen Generator zur Wandlung von Wärme in elektrische Energie, wobei der thermoelektrische Generator und der elektrochemische Energiespeicher elektrisch verbindbar sind, wobei ferner mindestens ein elektrischer Anschluss vorgesehen ist, mittels dem der elektrochemische Energiespeicher mit mindestens einem elektrischen Verbraucher und/oder einem elektrischen Erzeuger elektrisch verbindbar ist, wobei das Energiespeichersystem mindestens eine erste Steuerungsvorrichtung und eine zweite Steuerungsvorrichtung umfasst, wobei die erste Steuerungsvorrichtung mittels einer Schnittstelle zum Senden und/oder Empfangen von Steuersignalen mit der zweiten Steuerungsvorrichtung verbindbar ist und die erste Steuerungsvorrichtung in Abhängigkeit von Steuersignalen der zweiten Steuerungsvorrichtung einen Energiefluss zwischen dem thermoelektrischen Generator, dem elektrochemischen Energiespeicher und dem elektrischen Verbraucher und/oder elektrischen Erzeuger steuert.In contrast, the procedure according to the invention with the characterizing features of the independent claims has the advantage that the electrochemical energy storage system comprises at least one electrochemical energy store, in particular a hybrid supercapacitor, for storing electrical energy, and furthermore at least one thermoelectric generator for converting heat into electrical energy the thermoelectric generator and the electrochemical energy store are electrically connectable, wherein at least one electrical connection is also provided, by means of which the electrochemical energy store can be electrically connected to at least one electrical consumer and / or one electrical generator, the energy storage system being at least a first control device and a second Control device, wherein the first control device by means of an interface for sending and / or receiving control signals n can be connected to the second control device and the first control device controls an energy flow between the thermoelectric generator, the electrochemical energy store and the electrical consumer and / or electrical generator as a function of control signals of the second control device.

Dadurch kann die im System verbliebene Energie großer Haushaltsgeräte mit thermischer Abwärme, beispielsweise Backofen, Spülmaschine, Waschmaschine, Trockner, genutzt werden um einen Energiespeicher, insbesondere auf Basis der hybriden Superkondensatoren-Technologie, zu laden. Die so zurückgewonnene Energie kann bei einer Gebäudeautomation („Smart-Home“) anderen in einem Verbund vorhandener Geräten zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch entsteht eine Energieersparnis durch Rekuperation der thermischen Abwärme.As a result, the energy remaining in the system of large household appliances with thermal waste heat, for example an oven, dishwasher, washing machine, dryer, can be used to charge an energy store, in particular based on the hybrid supercapacitor technology. The energy recovered in this way can be made available to other devices in a network in a building automation system (“smart home”). This creates energy savings through recuperation of the thermal waste heat.

Weiterhin können Sensoren der Gebäudeautomation Bewegungen innerhalb eines Gebäudes erfassen und/oder Nutzungsgewohnheiten vorhandener elektrischer Geräte ermittelt werden und so beispielsweise Energie für eine Nutzung dieser Geräte vorsehen. Zur Erfassung von Nutzungsgewohnheiten, Ermittlung von optimierten Ladestrategien, beispielsweise in Abhängigkeit von Benutzern, und zum Energiemanagement, beispielsweise unter Berücksichtigung von Strompreisen, dienen portable Geräte zur Telekommunikation, wie beispielsweise Smartphones.Furthermore, sensors of the building automation can detect movements within a building and / or usage habits of existing electrical devices can be determined and thus, for example, provide energy for using these devices. Portable devices for telecommunication, such as smartphones, are used to record usage habits, determine optimized charging strategies, for example depending on users, and for energy management, for example, taking electricity prices into account.

Die hybride Superkondensatoren-Technologie ist hierbei vorteilhaft, da sie kurzzeitig eine hohe Menge an Energie speichern und wieder dem System zur Verfügung stellen kann und daher vorteilhaft Energie für Geräte mit schnellen Aufheizvorgängen, für Schnelladevorgänge, zur Spitzenlastabfederung sowie zur Netzstabilisierung bereitstellen kann.The hybrid supercapacitor technology is advantageous here because it can temporarily store a large amount of energy and make it available to the system again and therefore can advantageously provide energy for devices with fast heating processes, for quick charging processes, for peak load cushioning and for grid stabilization.

Darüber hinaus können auch weitere Haushaltgeräte in einem intelligenten Stromnetz („Smart Grid“) eingebunden werden.In addition, other household appliances can also be integrated in an intelligent power grid ("Smart Grid").

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Der thermoelektrische Generator umfasst zumindest ein Thermoelement. Dadurch kann der thermoelektrische Effekt genutzt werden, elektrische Energie aus Wärme zu gewinnen. The thermoelectric generator comprises at least one thermocouple. As a result, the thermoelectric effect can be used to extract electrical energy from heat.

Das Thermoelement umfasst ein Halbleitermaterial, beispielsweise ein Peltier Element, ein Halbmetall und/oder eine Keramik. Dadurch kann Wärme effizient in elektrischen Strom gewandelt werden.The thermocouple comprises a semiconductor material, for example a Peltier element, a semimetal and / or a ceramic. This allows heat to be efficiently converted into electrical current.

Der Energiespeicher ist zumindest teilweise entnehmbar. Dadurch steht regenerativ gewonnene Energie mobilen Anwendungsfällen zur Verfügung, beispielsweise als Batterie für e-Bikes.The energy store is at least partially removable. This means that regeneratively generated energy is available for mobile applications, for example as a battery for e-bikes.

Das Energiespeichersystem umfasst mindestens einen weiteren Anschluss zum Koppeln einer Mehrzahl von Energiespeichersystemen. Generell sind die Varianten ein zentrales HSC-System für die Haushaltsgeräte alleine oder zwei HSC-Systeme, einer für die Haushaltsgeräte, sowie ein weiterer im Bereich der Garage/Kellerräume, denkbar, welche mittels eines intelligenten Energiemanagements betrieben werden und entsprechend miteinander kommunizieren können.The energy storage system comprises at least one further connection for coupling a plurality of energy storage systems. In general, the variants of a central HSC system for the household appliances alone or two HSC systems, one for the household appliances, as well as another in the area of the garage / basement, are conceivable, which are operated by means of intelligent energy management and can communicate with each other accordingly.

Die Verbindung zwischen der ersten Steuerungsvorrichtung und der zweiten Steuerungsvorrichtung erfolgt mittels der Schnittstelle kabelgebunden, beispielsweise elektrisch, mittels Frequenzmodulation, und/oder kabellos, beispielsweise mittels Bluetooth, WLAN, Nahfunktechnik erfolgt.The connection between the first control device and the second control device takes place by means of the interface in a wired manner, for example electrically, by means of frequency modulation, and / or wirelessly, for example by means of Bluetooth, WLAN, and near radio technology.

Die erste Steuerungsvorrichtung schaltet zur Steuerung des Energieflusses mindestens einem Schalter, insbesondere einem Halbleiterschalter. Dadurch können schnelle Schaltzyklen erreicht werden.The first control device switches at least one switch, in particular a semiconductor switch, to control the energy flow. This enables fast switching cycles to be achieved.

Die erste Steuerungsvorrichtung und die zweite Steuerungsvorrichtung sind räumlich voneinander getrennt angeordnet. Neben stationär gesammelten Daten können auch Bewegungsdaten, Nutzungsgewohnheiten und/oder Strompreise erfasst werden und in Abhängigkeit Steuersignale erzeugt werden.The first control device and the second control device are arranged spatially separated from one another. In addition to stationary collected data, movement data, usage habits and / or electricity prices can also be recorded and control signals can be generated as a function.

Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystems folgende Schritte:

  1. a. Erfassen eines Ladezustands des elektrochemischen Energiespeichers;
  2. b. Erfassen von Leistungsanforderungen mittels der ersten Steuerungsvorrichtung und/oder der zweiten Steuerungsvorrichtung;
  3. c. Senden und/oder Empfangen von Steuersignalen zwischen der ersten Steuerungsvorrichtung und der zweiten Steuerungsvorrichtung;
  4. d. Ansteuern der Schalter durch die erste Steuerungsvorrichtung in Abhängigkeit der Steuersignale.
The method for operating an electrochemical energy storage system according to the invention advantageously comprises the following steps:
  1. a. Detecting a state of charge of the electrochemical energy store;
  2. b. Capturing performance requirements by means of the first control device and / or the second control device;
  3. c. Sending and / or receiving control signals between the first control device and the second control device;
  4. d. Actuation of the switches by the first control device as a function of the control signals.

Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichersystem in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen sowie in Wohnhäusern verwendet. Vorteilhafterweise wird im System verbliebene Energie elektrischer Verbraucher mit thermischer Abwärme genutzt, um diese in dem Energiespeichersystem zu speichern und anderen elektrischen Verbrauchern zur Verfügung zu stellen.The electrochemical energy storage system according to the invention is advantageously used in electrically powered vehicles, including hybrid vehicles, in stationary electrical energy storage systems and in residential buildings. Advantageously, energy remaining in the system is used by electrical consumers with thermal waste heat in order to store them in the energy storage system and to make them available to other electrical consumers.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Ferner können die im Folgenden beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen, wenn sich aus dem Kontext nicht explizit das Gegenteil ergibt.Further advantages and advantageous configurations of the objects according to the invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings are only descriptive and are not intended to limit the invention in any way. Furthermore, the features described below, individually or in any combination, can constitute an object of the invention if the context does not explicitly state the opposite.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems; und
  • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems; und
  • 3 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a first embodiment of the battery system according to the invention; and
  • 2 a schematic representation of a second embodiment of the battery system according to the invention; and
  • 3 a flowchart of an embodiment of the method according to the invention.

Detaillierte Beschreibung der AusführungsbeispieleDetailed description of the exemplary embodiments

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.The same reference numerals designate the same device components in all figures.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems. Das erfindungsgemäße Batteriesystem 100 umfasst einen elektrochemischen Energiespeicher 101, der insbesondere zumindest einen hybriden Superkondensator umfasst, zur Speicherung elektrischer Energie, einen thermoelektrischen Generator 102, einen elektrischen Anschluss 105, mittels welcher der elektrochemische Energiespeicher 101 mit mindestens einem elektrischen Verbraucher und/oder einem elektrischen Erzeuger elektrisch verbindbar ist, eine erste Steuerungsvorrichtung 103 sowie eine zweite Steuerungsvorrichtung 104, welche von der ersten Steuerungsvorrichtung 103 räumlich getrennt angeordnet ist und mittels einer Schnittstelle 111, 112 mit der ersten Steuerungsvorrichtung 103 kommuniziert, beispielsweise mittels einer kabellosen Funkverbindung 106. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the battery system according to the invention. The battery system according to the invention 100 comprises an electrochemical energy store 101 , which in particular comprises at least one hybrid supercapacitor for Storage of electrical energy, a thermoelectric generator 102 , an electrical connection 105 , by means of which the electrochemical energy store 101 a first control device can be electrically connected to at least one electrical consumer and / or one electrical generator 103 and a second control device 104 by the first control device 103 is spatially separated and by means of an interface 111 . 112 with the first control device 103 communicates, for example by means of a wireless radio connection 106 ,

In der gezeigten Ausführungsform umfasst die erste Steuerungsvorrichtung 103 ein Batteriemanagementsystem, das beispielsweise eine elektronische Schaltung in Form einer Leistungselektronikeinheit, umfasst, welche elektrische Spannungen und/oder Ströme überwacht, Steuerungsaufgaben für Lade- und/oder Entladevorgänge, eine Energieflusssteuerung, ein Thermomanagement und einen bidirektionalen Leistungsaustausch zwischen elektrischen Verbrauchern und/oder elektrischen Erzeugern und dem elektrochemischen Energiespeicher 101 gewährleistet. In der gezeigten Ausführungsform umfasst ein elektrischer Verbraucher beispielsweise ein System von verschiedenen elektrischen Geräten in Küche oder Bad. Ein thermoelektrischer Generator 102 ist mit einem elektrischen Gerät, beispielsweise einem Backofen und/oder einer Spülmaschine, gekoppelt.In the embodiment shown, the first control device comprises 103 a battery management system, which includes, for example, an electronic circuit in the form of a power electronics unit, which monitors electrical voltages and / or currents, control tasks for charging and / or discharging processes, energy flow control, thermal management and bidirectional power exchange between electrical consumers and / or electrical generators and the electrochemical energy storage 101 guaranteed. In the embodiment shown, an electrical consumer comprises, for example, a system of various electrical devices in the kitchen or bathroom. A thermoelectric generator 102 is coupled to an electrical device, for example an oven and / or a dishwasher.

Die zweite Steuerungsvorrichtung 104 umfasst beispielsweise eine portable Einrichtung zur Telekommunikation, beispielsweise ein Smartphone, umfassend Mittel, welche eingerichtet sind mit der ersten Steuerungsvorrichtung 103 und/oder dem thermoelektrischen Generator 102 zu kommunizieren sowie Steuersignale in Abhängigkeit der ersten Steuerungsvorrichtung 103, des thermoelektrischen Generators 102 und/oder weiteren Daten, beispielsweise Umgebungsbedingungen, Positionsdaten, kalendarische Daten und/oder Uhrzeit, zu erzeugen. Die Steuersignale umfassen beispielsweise Informationen zu elektrischen Verbrauchern, Leistungsdaten, aktueller Energiebedarf, maximal zur Verfügung stellende Energie und/oder Lastanforderungen.The second control device 104 comprises, for example, a portable device for telecommunications, for example a smartphone, comprising means which are set up with the first control device 103 and / or the thermoelectric generator 102 to communicate and control signals depending on the first control device 103 , of the thermoelectric generator 102 and / or to generate further data, for example environmental conditions, position data, calendar data and / or time. The control signals include, for example, information about electrical consumers, performance data, current energy requirements, maximum available energy and / or load requirements.

Der thermoelektrische Generator 102 ist durch Schließen eines Schalters 107 elektrisch mit dem elektrochemischen Energiespeicher 101 verbindbar. Durch Schließen eines Schalters 108 ist der elektrochemische Energiespeicher 101 mit dem elektrischen Anschluss 105 elektrisch verbindbar.The thermoelectric generator 102 is by closing a switch 107 electrically with the electrochemical energy storage 101 connectable. By closing a switch 108 is the electrochemical energy storage 101 with the electrical connection 105 electrically connectable.

Lithium-Ionen-Batterien sowie klassische Superkondensatoren sind gemäß dem Stand der Technik noch stark von ihrer Betriebstemperatur eingeschränkt. Die Betriebstemperatur für Lithium-Ionen-Batterien liegt in einem sehr kleinen Bereich zwischen 20°C und 40°C. Hybride Superkondensatoren können hingegen in einem breiteren Temperaturspektrum von -40°C bis 85°C und durch Einsatz entsprechender Elektrolyte auch bei Temperaturen >85°C betrieben werden. Dadurch ist vorteilhafterweise eine räumlich nahe Anordnung des Energiespeichers 101 und des thermoelektrischen Generators 102 möglich.According to the prior art, lithium-ion batteries and classic supercapacitors are still severely limited by their operating temperature. The operating temperature for lithium-ion batteries is in a very small range between 20 ° C and 40 ° C. Hybrid supercapacitors, on the other hand, can be operated in a wider temperature range from -40 ° C to 85 ° C and, by using appropriate electrolytes, also at temperatures> 85 ° C. This advantageously results in a spatially close arrangement of the energy store 101 and the thermoelectric generator 102 possible.

Die Schalter 107, 108 werden in der gezeigten Ausführungsform durch die erste Steuervorrichtung 103 kabelgebunden und/oder kabellos angesteuert. Bei den Schaltern 107, 108 handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterschalter, insbesondere um MOSFETs oder Thyristoren.The switches 107 . 108 are in the embodiment shown by the first control device 103 wired and / or wirelessly controlled. At the counters 107 . 108 it is preferably semiconductor switches, in particular MOSFETs or thyristors.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems. Das Batteriesystem 200 umfasst einen elektrochemischen Energiespeicher 201, der in der gezeigten Ausführungsform zumindest einen stationären Energiespeicherteil 201(a) und einen entnehmbaren Energiespeicherteil 201(b) aufweist, eine Mehrzahl von thermoelektrischen Generatoren 202(1), 202(2), 203(3), elektrischen Schnittstellen 205(1), 205(2), 205(3), 205(4) sowie eine erste Steuerungsvorrichtung 203 und eine zweite Steuerungsvorrichtung 204. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the battery system according to the invention. The battery system 200 comprises an electrochemical energy store 201 , the at least one stationary energy storage part in the embodiment shown 201 (a) and a removable energy storage part 201 (b) has a plurality of thermoelectric generators 202 (1) . 202 (2) . 203 (3) , electrical interfaces 205 (1) . 205 (2) . 205 (3) . 205 (4) and a first control device 203 and a second control device 204 ,

Der elektrochemische Energiespeicher 201 ist mittels Schalter 207(1), 207(2) mit der Mehrzahl von thermoelektrischen Generatoren 202(1), 202(2), 203(3) elektrisch verbindbar. Die thermoelektrischen Generatoren 202(1), 202(2), 203(3) sind jeweils mit elektrischen Verbrauchern 210(1), 210(2), 210(3), insbesondere elektrischen Großgeräten wie Backofen, Geschirrspülmaschine, Waschmaschine, Wäschetrockner, thermisch gekoppelt. Dadurch kann durch die thermoelektrischen Generatoren 202(1), 202(2), 203(3) aus Wärmeenergie, welche die Großgeräte beispielsweise als thermische Abwärme produzieren, elektrischer Strom erzeugt und mittels dem Energiespeicher 201 elektrochemisch gespeichert werden.The electrochemical energy storage 201 is by means of a switch 207 (1) . 207 (2) with the majority of thermoelectric generators 202 (1) . 202 (2) . 203 (3) electrically connectable. The thermoelectric generators 202 (1) . 202 (2) . 203 (3) are each with electrical consumers 210 (1) . 210 (2) . 210 (3) , in particular large electrical appliances such as an oven, dishwasher, washing machine, dryer, thermally coupled. This allows through the thermoelectric generators 202 (1) . 202 (2) . 203 (3) From thermal energy, which the large appliances produce, for example, as thermal waste heat, generates electricity and by means of the energy storage 201 be stored electrochemically.

Die zurückgewonnene und in dem Energiespeicher 201 gespeicherte Energie kann anderen elektrischen Verbrauchern 209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5), 210(1), 210(2), 210(3), die in einem Verbund mit dem Energiespeicher 201 stehen, zur Verfügung gestellt werden. Die Technologie der hybriden Superkondensatoren eignet sich hierfür besonders, da diese kurzzeitig große Mengen an Energie speichern und wieder dem Verbund zur Verfügung stellen, beispielsweise für Aufheizvorgänge, Ladevorgänge und/oder zur Spitzenlastabfederung. Vorteilhafterweise können auch eine Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern miteinander gekoppelt werden, so dass beispielsweise ein erster Energiespeicher mit elektrischen Großgeräten betrieben werden kann und ein weiterer Energiespeicher mit Elektrofahrzeugen, wobei die Steuervorrichtungen zum Energiemanagement zwischen den Energiespeichern miteinander kommunizieren.The recovered and in the energy storage 201 stored energy can be other electrical consumers 209 (1) . 209 (2) . 209 (3) . 209 (4) . 209 (5) . 210 (1) . 210 (2) . 210 (3) that in conjunction with the energy storage 201 are made available. The technology of hybrid supercapacitors is particularly suitable for this, since they temporarily store large amounts of energy and make them available to the network again, for example for heating processes, charging processes and / or for cushioning peak loads. Advantageously, a plurality of electrochemical energy stores can also be coupled to one another, so that, for example, a first energy store with large electrical devices can be operated and a further energy storage device with electric vehicles, the control devices for energy management between the energy storage devices communicating with one another.

Weiter ist der elektrochemische Energiespeicher 201 mit einer Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern 209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5), 210(1), 210(2), 210(3) und/oder elektrischen Erzeugern 209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5) mittels Schalter 208(1), 208(2), 208(3), 208(4) über die jeweilige elektrische Schnittstelle 205(1), 205(2), 205(3), 205(4) elektrisch verbindbar.Next is the electrochemical energy storage 201 with a variety of electrical consumers 209 (1) . 209 (2) . 209 (3) . 209 (4) . 209 (5) . 210 (1) . 210 (2) . 210 (3) and / or electrical generators 209 (1) . 209 (2) . 209 (3) . 209 (4) . 209 (5) using a switch 208 (1) . 208 (2) . 208 (3) . 208 (4) via the respective electrical interface 205 (1) . 205 (2) . 205 (3) . 205 (4) electrically connectable.

Durch Verwendung einer Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 205(1), 205(2), 205(3), 205(4) thermoelektrischen Generatoren 202(1), 202(2), 202(3) und/oder einer Mehrzahl von Schaltern 208(1), 208(2), 208(3), 208(4), 207(1), 207(2) kann das Energiespeichersystem 200 sowohl kurzzeitig als alleiniger Energielieferant eines elektrischen Verbrauchers 210(3) dienen, beispielsweise für einen Backofen durch Schließen des Schalters 208(4) und Öffnen der Schalter 208(1), 208(2), 208(3) oder eine Spitzenlast weiterer elektrischer Verbraucher 209(4), 209(5) abfangen. Nach einer Benutzung des elektrischen Verbrauchers 210(3), wird Energie mittels dem thermoelektrischen Generator 202(3) in den Energiespeicher 201 zurückgespeist und/oder anderen elektrischen Verbrauchern 209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5), 210(1), 210(2) zur Verfügung gestellt, beispielsweise einer Waschmaschine 209(2), für einen Ladevorgang des entnehmbaren Energiespeicherteils 201(a) und/oder einem weiteren Energiespeichersystem.By using a plurality of electrical connections 205 (1), 205 (2), 205 (3), 205 (4) thermoelectric generators 202 (1) . 202 (2) . 202 (3) and / or a plurality of switches 208 (1) . 208 (2) . 208 (3) . 208 (4) . 207 (1) . 207 (2) can the energy storage system 200 both for a short time as the sole energy supplier for an electrical consumer 210 (3) serve, for example for an oven by closing the switch 208 (4) and opening the switches 208 (1) . 208 (2) . 208 (3) or a peak load of other electrical consumers 209 (4) . 209 (5) intercept. After using the electrical consumer 210 (3) , energy is generated by means of the thermoelectric generator 202 (3) in the energy storage 201 fed back and / or other electrical consumers 209 (1) . 209 (2) . 209 (3) . 209 (4) . 209 (5) . 210 (1) . 210 (2) provided, for example a washing machine 209 (2) , for a charging process of the removable energy storage part 201 (a) and / or a further energy storage system.

Die erste Steuerungsvorrichtung 203 und die zweite Steuerungsvorrichtung 204 kommunizieren mittels einer Schnittstelle 211, 212 kabelgebunden und/oder kabellos.The first control device 203 and the second control device 204 communicate via an interface 211 . 212 wired and / or wireless.

Die thermoelektrischen Generatoren 102, 202(1), 202(2), 202(3), die elektrischen Verbraucher 209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5), 210(1), 210(2), 210(3) und/oder elektrischen Erzeuger 209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5) kommunizieren mit der ersten Steuerungsvorrichtung 203 und/oder der zweiten Steuerungsvorrichtung kabelgebunden und/oder kabellos.The thermoelectric generators 102 . 202 (1) . 202 (2) . 202 (3) who have favourited Electrical Consumers 209 (1) . 209 (2) . 209 (3) . 209 (4) . 209 (5) . 210 (1) . 210 (2) . 210 (3) and / or electrical generators 209 (1) . 209 (2) . 209 (3) . 209 (4) . 209 (5) communicate with the first control device 203 and / or the second control device is wired and / or wireless.

Die erste Steuerungsvorrichtung 203 steuert die Schalter 207(1), 207(2), 208(1), insbesondere Halbleiterschalter, kabelgebunden und/oder kabellos an.The first control device 203 controls the switches 207 (1) . 207 (2) . 208 (1) , in particular semiconductor switches, wired and / or wireless.

3 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 300 wird ein Ladezustand des elektrochemischen Energiespeichers 101, 201 erfasst, beispielsweise durch eine Messung der elektrischen Spannung. 3 shows a flow diagram of an embodiment of the method according to the invention. In step 300 becomes a state of charge of the electrochemical energy store 101 . 201 detected, for example by measuring the electrical voltage.

In Schritt 301 wird eine Leistungsanforderung mittels der ersten Steuerungsvorrichtung 103 und/oder der zweiten Steuerungsvorrichtung 104 erfasst. Die Leistungsanforderung eines elektrischen Verbrauchers 209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5), 210(1), 210(2), 210(3) kann beispielsweise ein Heizvorgang eines Backofens, ein gestartetes Waschprogramm einer Waschmaschine, eine Uhrzeit, ein Bewegungsprofil und/oder eine manuelle Anforderung umfassen.In step 301 becomes a power request by means of the first control device 103 and / or the second control device 104 detected. The power requirement of an electrical consumer 209 (1) . 209 (2) . 209 (3) . 209 (4) . 209 (5) . 210 (1) . 210 (2) . 210 (3) can include, for example, a heating process of an oven, a started washing program of a washing machine, a time of day, a movement profile and / or a manual request.

In Schritt 302 kommunizieren die erste Steuerungsvorrichtung 103 und die zweite Steuerungsvorrichtung 104 zum Austausch von Steuersignalen mittels der Schnittstellen 111, 112, 211, 212.In step 302 communicate the first control device 103 and the second control device 104 for the exchange of control signals via the interfaces 111 . 112 . 211 . 212 ,

In Schritt 303 wird geprüft, ob ein Betriebsfall für das Energiespeichersystem 100, 200 vorliegt. Liegt kein Betriebsfall vor, wird das Verfahren in Schritt 304 beendet.In step 303 it is checked whether an operating case for the energy storage system 100 . 200 is present. If there is no operating case, the procedure in step 304 completed.

In Schritt 305 werden die Schalter 107, 108, 207(1), 207(2), 208(1), 208(2), 208(3) durch die erste Steuerungsvorrichtung 103, 203 in Abhängigkeit der Steuersignale angesteuert.In step 305 become the switches 107 . 108 . 207 (1) . 207 (2) . 208 (1) . 208 (2) . 208 (3) by the first control device 103 . 203 controlled depending on the control signals.

Folgende Betriebsfälle können beispielsweise vorliegen:

  • - Versorgung durch den elektrischen Erzeuger 209(1), beispielsweise ein Stromnetz:
    • Schalter 208(1) geschlossen, Schalter 208(2), 208(3), 208(4) 207(1), 207(2) geöffnet oder geschlossen in Abhängigkeit eines Anwendungsfalls.
  • - Versorgung von elektrischen Verbrauchern 209(2), 209(3), 209(4), 209(5), 210(1), 210(2), 210(3) durch den elektrochemischen Energiespeicher 101, 201: Schalter 208(1) geöffnet, Schalter 208(2), 208(3), 208(4), 207(1), 207(2) geöffnet oder geschlossen in Abhängigkeit eines Anwendungsfalls.
  • - Parallele Versorgung von elektrischen Verbrauchern:
    • Zwei Schalter 208(2), 208(3), 208(4), 207(1), 207(2) geschlossen, alle anderen Schalter geöffnet.
  • - Energieübertragung zwischen einem elektrischem Erzeuger 209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5) und einem elektrischen Verbraucher 209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5), 210(1), 210(2), 210(3):
    • Schalter des jeweiligen Erzeugers und Verbrauchers sind geschlossen.
The following operating cases can exist, for example:
  • - Supply by the electrical generator 209 (1) , for example a power grid:
    • switch 208 (1) closed, switch 208 (2) . 208 (3) . 208 (4) 207 (1) . 207 (2) opened or closed depending on an application.
  • - Supply of electrical consumers 209 (2) . 209 (3) . 209 (4) . 209 (5) . 210 (1) . 210 (2) . 210 (3) through the electrochemical energy storage 101 . 201 : Switch 208 (1) open, switch 208 (2) . 208 (3) . 208 (4) . 207 (1) . 207 (2) opened or closed depending on an application.
  • - Parallel supply of electrical consumers:
    • Two switches 208 (2) . 208 (3) . 208 (4) . 207 (1) . 207 (2) closed, all other switches open.
  • - Energy transfer between an electrical generator 209 (1) . 209 (2) . 209 (3) . 209 (4) . 209 (5) and an electrical consumer 209 (1) . 209 (2) . 209 (3) . 209 (4) . 209 (5) . 210 (1) . 210 (2) . 210 (3) :
    • Switches of the respective producer and consumer are closed.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die dargestellte Reihenfolge der Ausführungsform beschränkt. Vielmehr können die Schritte a bis c in beliebiger Reihenfolge, wiederholt, zeitlich nacheinander und/oder gleichzeitig erfolgen. The method according to the invention is not restricted to the sequence of the embodiment shown. Rather, steps a to c can be carried out in any order, repeatedly, one after the other and / or simultaneously.

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Claims (10)

Elektrochemisches Energiespeichersystem (100, 200) umfassend mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher (101, 201, 201a, 201b), insbesondere einen hybriden Superkondensator, zur Speicherung elektrischer Energie, mindestens einen thermoelektrischen Generator (102, 202(1), 202(2), 202(3)) zur Wandlung von Wärme in elektrische Energie, wobei der thermoelektrische Generator (102, 202(1), 202(2), 202(3)) und der elektrochemische Energiespeicher (101, 201, 201a, 201b) elektrisch verbindbar sind, wobei ferner mindestens ein elektrischer Anschluss (105, 205(1), 205(2), 205(3)) vorgesehen ist, mittels dem der elektrochemische Energiespeicher (101, 201, 201(a), 201 (b)) mit mindestens einem elektrischen Verbraucher (209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5), 210(1), 210(2), 210(3)) und/oder einem elektrischen Erzeuger (209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5)) elektrisch verbindbar ist, wobei das Energiespeichersystem (100, 200) mindestens eine erste Steuerungsvorrichtung (103, 203) und eine zweite Steuerungsvorrichtung (104, 204) umfasst, wobei die erste Steuerungsvorrichtung (103, 203) mittels einer Schnittstelle (111, 112, 211, 212) zum Senden und/oder Empfangen von Steuersignalen mit der zweiten Steuerungsvorrichtung (104, 204) verbindbar ist und die erste Steuerungsvorrichtung (103, 203) in Abhängigkeit von Steuersignalen der zweiten Steuerungsvorrichtung (104, 204) einen Energiefluss zwischen dem thermoelektrischen Generator (102, 202(1), 202(2), 202(3)), dem elektrochemischen Energiespeicher (101, 201, 201(a), 201(b)) und dem elektrischen Verbraucher (209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5), 210(1), 210(2), 210(3)) und/oder elektrischen Erzeuger (209(1), 209(2), 209(3), 209(4), 209(5)) steuert.Electrochemical energy storage system (100, 200) comprising at least one electrochemical energy store (101, 201, 201a, 201b), in particular a hybrid supercapacitor, for storing electrical energy, at least one thermoelectric generator (102, 202 (1), 202 (2), 202 (3)) for converting heat into electrical energy, the thermoelectric generator (102, 202 (1), 202 (2), 202 (3 )) and the electrochemical energy store (101, 201, 201a, 201b) are electrically connectable, wherein at least one electrical connection (105, 205 (1), 205 (2), 205 (3)) is provided, by means of which the electrochemical energy store (101, 201, 201 (a), 201 (b)) with at least one electrical consumers (209 (1), 209 (2), 209 (3), 209 (4), 209 (5), 210 (1), 210 (2), 210 (3)) and / or an electrical generator ( 209 (1), 209 (2), 209 (3), 209 (4), 209 (5)) is electrically connectable, wherein the energy storage system (100, 200) comprises at least a first control device (103, 203) and a second control device (104, 204), the first control device (103, 203) by means of an interface (111, 112, 211, 212) Sending and / or receiving control signals can be connected to the second control device (104, 204) and the first control device (103, 203) in dependence on control signals of the second control device (104, 204) an energy flow between the thermoelectric generator (102, 202 (1), 202 (2), 202 (3)), the electrochemical energy store ( 101, 201, 201 (a), 201 (b)) and the electrical consumer (209 (1), 209 (2), 209 (3), 209 (4), 209 (5), 210 (1), 210 (2), 210 (3)) and / or electrical generator (209 (1), 209 (2), 209 (3), 209 (4), 209 (5)) controls. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100, 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (102, 202(1), 202(2), 202(3)) zumindest ein Thermoelement umfasst.Electrochemical energy storage system (100, 200) according to Claim 1 , characterized in that the thermoelectric generator (102, 202 (1), 202 (2), 202 (3)) comprises at least one thermocouple. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100, 200) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement ein Halbleitermaterial, ein Halbmetall und/oder eine Keramik umfasst.Electrochemical energy storage system (100, 200) according to Claim 2 , characterized in that the thermocouple comprises a semiconductor material, a semimetal and / or a ceramic. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (101, 201, 201(a), 201(b)) zumindest teilweise entnehmbar ist.Electrochemical energy storage system (100, 200) according to one of the preceding claims, characterized in that the energy store (101, 201, 201 (a), 201 (b)) can be at least partially removed. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem (100, 200) mindestens einen weiteren Anschluss zum Koppeln einer Mehrzahl von Energiespeichersystemen (100, 200) umfasst.Electrochemical energy storage system (100, 200) according to one of the preceding claims, characterized in that the energy storage system (100, 200) comprises at least one further connection for coupling a plurality of energy storage systems (100, 200). Elektrochemisches Energiespeichersystem (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der ersten Steuerungsvorrichtung (103, 203) und der zweiten Steuerungsvorrichtung (104, 204) mittels der Schnittstelle (111, 112, 211, 212) kabelgebunden und/oder kabellos erfolgt.Electrochemical energy storage system (100, 200) according to one of the preceding claims, characterized in that the connection between the first control device (103, 203) and the second control device (104, 204) by means of the interface (111, 112, 211, 212) is wired and / or wirelessly. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuerungsvorrichtung (103, 203) zur Steuerung des Energieflusses mindestens einem Schalter (107, 108, 207(1), 207(2), 208(1), 208(2), 208(3)), insbesondere einem Halbleiterschalter, schaltet.Electrochemical energy storage system (100, 200) according to one of the preceding claims, characterized in that the first control device (103, 203) for controlling the energy flow of at least one switch (107, 108, 207 (1), 207 (2), 208 (1 ), 208 (2), 208 (3)), in particular a semiconductor switch. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuerungsvorrichtung (103, 203) und die zweite Steuerungsvorrichtung (104, 204) räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.Electrochemical energy storage system (100, 200) according to one of the preceding claims, characterized in that the first control device (103, 203) and the second control device (104, 204) are arranged spatially separated from one another. Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend folgende Schritte: a. (300) Erfassen eines Ladezustands des elektrochemischen Energiespeichers (101, 201); b. (301) Erfassen von Leistungsanforderungen mittels der ersten Steuerungsvorrichtung (103, 203) und/oder der zweiten Steuerungsvorrichtung (104, 204); c. (302) Senden und/oder Empfangen von Steuersignalen zwischen der ersten Steuerungsvorrichtung (103, 203) und der zweiten Steuerungsvorrichtung (104, 204); d. (305) Ansteuern der Schalter (107, 108, 207(1), 207(2), 208(1), 208(2), 208(3)) durch die erste Steuerungsvorrichtung (103, 203) in Abhängigkeit der Steuersignale.Method for operating an electrochemical energy storage system (100, 200) according to one of the Claims 1 to 8th , comprising the following steps: a. (300) detecting a state of charge of the electrochemical energy store (101, 201); b. (301) capturing performance requirements by means of the first control device (103, 203) and / or the second control device (104, 204); c. (302) sending and / or receiving control signals between the first control device (103, 203) and the second control device (104, 204); d. (305) actuation of the switches (107, 108, 207 (1), 207 (2), 208 (1), 208 (2), 208 (3)) by the first control device (103, 203) as a function of the control signals. Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen sowie in Wohnhäusern.Use of an electrochemical energy storage system (100, 200) according to one of the Claims 1 to 8th in electrically powered vehicles including hybrid vehicles, in stationary electrical energy storage systems and in residential buildings.
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