DE102018218025A1

DE102018218025A1 - Elektrochemisches Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE102018218025A1
Application number: DE102018218025.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2020-04-23

Abstract

Vorrichtung zur Temperierung eines elektrochemischen Energiespeichers, umfassend mindestens einen Latentwärmespeicher, der mit dem Energiespeicher in einer wärmeleitfähigen Verbindung steht sowie mindestens ein Schaltelement zum Auslösen eines ersten Phasenübergangs des Latentwärmespeichers, wodurch die in dem Latentwärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie freigesetzt und Wärme zwischen dem Latentwärmespeicher und dem Energiespeicher über die wärmeleitfähige Verbindung übertragen wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Energiespeichersystem mit einem Gehäuse zur Aufnahme mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers sowie mindestens einer Steuereinheit, einem Verfahren zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers des Energiespeichersystems sowie einer Verwendung des Verfahrens und des elektrochemischen Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
In Kraftfahrzeugen werden Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, vermehrt für den Start eines Verbrennungsmotors verwendet. Insbesondere werden 48 Volt Batterien für Zwecke der CO2-Ersparnis in Boost Recuperation-Systemen eingesetzt, die eine Verwendbarkeit der Batterien für häufige Starts des Verbrennungsmotors, auch bei niedrigen Temperaturen, erfordern. Als Folge ergibt sich eine Möglichkeit, durch Verkleinerung bzw. Verzicht auf eine herkömmliche Starterbatterie Kosten einzusparen und bei niedrigen Temperaturen die geringe elektrische Leistung von Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu den üblicherweise als Starterbatterie verwendeten Blei-Säure-Batterien zu berücksichtigen. Daher muss zur Gewährleistung einer Kaltstartfähigkeit der Batterien eine Energie- und Leistungsreserve bei einer Spezifikation der 48 Volt Batterie oder eine aktive elektrische Batterieheizung zur Verbesserung der Kaltstartfähigkeit vorgesehen werden.
Die Druckschrift DE 10 2011 0025 49 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie umfassend eine Batterie und einen Latentwärmespeicher, der seinen Aggregatzustand von flüssig nach fest ändern kann und dabei Kristallisationswärme zum Aufheizen der Batterie abgeben kann und wobei die Kristallisation durch einen Impuls ausgelöst werden kann.
Die Druckschrift DE 10 2007 050 812 A1 offenbart einen elektrochemischen Energiespeicher, umfassend mindestens eine elektrochemische Zelle sowie mindestens einen Latentwärmespeicher, der mindestens ein Phasenwechselmaterial enthält. Die mindestens eine elektrochemische Zelle ist ein Lithium-Ionen-Akkumulator.
Die Druckschrift DE 10 2009 013 320 A1 betrifft einen Latentwärmespeicher, umfassend einen Behälter mit einem ersten Latentwärmespeichermaterial mit einer ersten Schmelztemperatur und einem Kristallisationskeimmaterial mit einer zweiten Schmelztemperatur zum Auslösen einer Kristallisation des ersten Latentwärmespeichermaterials, wobei das Latentwärmespeichermaterial mit dem Kristallisationskeimmaterial in unmittelbarem Kontakt steht und die erste Schmelztemperatur größer ist als die zweite Schmelztemperatur.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das elektrochemische Energiespeichersystem ferner mindestens einen Latentwärmespeicher, der mit dem elektrochemischen Energiespeicher in einer wärmeleitfähigen Verbindung steht und mindestens ein Schaltelement zum Auslösen eines ersten Phasenübergangs des Latentwärmespeichers umfasst, wodurch die in dem Latentwärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie freigesetzt und Wärme von dem Latentwärmespeicher über die wärmeleitfähige Verbindung dem elektrochemischen Energiespeicher zugeführt wird, um eine Kaltstartfähigkeit des elektrochemischen Energiespeichers zu verbessern.
Dadurch kann der elektrochemische Energiespeicher innerhalb kürzester Zeit auf eine Temperatur erwärmt werden, um beispielsweise bei niedrigen Umgebungstemperaturen des elektrochemischen Energiespeichers große Lade- und/oder Entladeströme ermöglicht und somit eine Kaltstartfähigkeit des elektrochemischen Energiespeichers deutlich verbessert. Weiter kann eine für den Kaltstart vorzusehende Energie- und Leistungsreserve des elektrochemischen Energiespeichers signifikant geringer dimensioniert werden, wodurch sich eine Reduktion von Gewicht, Kosten und geometrischen Abmessungen des elektrochemischen Energiespeichers ergibt.
Ein energieintensives und/oder zeitintensives Vorheizen des elektrochemischen Energiespeichers zu Lasten einer verbleibenden Kapazität des elektrochemischen Energiespeichers kann weiter dadurch reduziert werden oder entfallen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Latentwärmespeicher kann während eines zweiten Phasenübergangs Wärme des elektrochemischen Energiespeichers aufnehmen. Dadurch kann der elektrochemische Energiespeicher für einen längeren Zeitraum mit voller Leistung betrieben werden, beispielsweise während eines Ladevorgangs des elektrochemischen Energiespeichers.
Der mindestens eine Latentwärmespeicher ist zwischen einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern, in einer Kühlplatte mit einer Mehrzahl von Kühlkanälen zur Temperierung der elektrochemischen Energiespeicher, zwischen den Kühlkanälen der Kühlplatte, zwischen den elektrochemischen Energiespeichern und einem Gehäuseboden und/oder in Hohlräumen des Gehäuses angeordnet. Dadurch kann vorhandener Bauraum genutzt und bauvariantenspezifische Anpassungen leicht umgesetzt werden.
Die Steuereinheit ist mit dem mindestens einen Schaltelement kabelgebunden und/oder kabellos verbunden. Dadurch können Anforderungen an die funktionale Sicherheit leicht umgesetzt werden, da beispielsweise bei besonderen Anforderungen an eine Störsicherheit eine kabelgebundene Verbindung, bei besonderen Anforderungen an mechanische Belastung des Energiespeichersystems eine kabellose Verbindung verwendet werden.
Der Latentwärmespeicher ist in einen Folienbeutel umfassend Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyamid und/oder eine Kombination von Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyamid und mindestens einer Lage Aluminiumfolie verpackt, wodurch ein Auslaufen in einer flüssigen Phase des Latentwärmespeichers verhindert wird. Dadurch ist der Latentwärmespeicher besonders robust gegenüber mechanischen und/oder thermischen Beanspruchungen.
Der Latentwärmespeichers umfasst Natriumacetat-Trihydrat, Natriumthiosulfat, Magnesiumnitrat und/oder Magnesiumchlorid als Speichermedium, die Phasenumwandlungstemperaturen zwischen 40°C und 65°C aufweisen und bei tiefen Temperaturen, beispielsweise -20°C, als unterkühlte Schmelze flüssig bleiben.
Das Schaltelement umfasst ein Kristallisationskeimmaterial zum Auslösen des ersten Phasenübergangs von der flüssigen Phase in eine feste Phase in Form einer Kristallisation eines Speichermediums des Latentwärmespeichers. Das Speichermedium erwärmt sich dabei wieder auf eine Schmelztemperatur, wobei eine vollständige Kristallisation sich über einen längeren Zeitraum erstrecken kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines elektrochemischen Energiespeichersystems umfasst folgende Schritte:

- Empfangen eines Signals zum Aufheizen des elektrochemischen Energiespeichersystems durch eine Steuereinheit des elektrochemischen Energiespeichersystems;
- Vergleichen mindestens eines erfassten Werts einer Umgebungsbedingung des elektrochemischen Energiespeichersystems mit einem vorgegebenen Schwellenwert für die Umgebungsbedingung;
- Schalten des mindestens einen Schaltelements durch die Steuereinheit, wenn der erfasste Wert unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts liegt;

Ferner umfasst das Verfahren folgende Schritte:

- Abwarten einer vorgegebenen Zeitspanne;
- Erzeugen eines Signals in Abhängigkeit mindestens einer Umgebungsbedingung des elektrochemischen Energiespeichersystems.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Temperieren mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers eines elektrochemischen Energiespeichersystems findet vorteilhaft Verwendung für Hybridfahrzeuge mit 48 Volt Lithium-Ionen-Batterien.
Weiter findet das Verfahren Verwendung für Elektrofahrzeuge, Luftfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Haushaltsgeräten, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems; und
2 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtu ngskomponenten.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 100. Das Energiespeichersystem 100 umfasst ein Gehäuse 101, eine Steuereinheit 102, eine Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern 103(1), 103(2), 103(3), 103(n), einen Latentwärmespeicher 105, der in einer wärmeleitfähigen Verbindung 106 mit den elektrochemischen Energiespeichern 103(1), 103(2), 103(3), 103(n) steht, eine Steuereinheit 107 zum Auslösen eines ersten Phasenübergangs des Latentwärmespeichers 105 sowie einer Bodenplatte 108 des Gehäuses 101.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt S100 wird das Verfahren zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines elektrochemischen Energiespeichersystems gestartet. Eine Steuereinheit des elektrochemischen Energiespeichersystems empfängt beispielsweise ein Signal über eine kabelgebundene und/oder kabellose Verbindung. Das Signal kann beispielsweise über einen Funkschlüssel eines Fahrzeugs gesendet werden, durch eine Integration in einen schlüssellosen Zugang („Keyless-Go-Funktion“) und/oder beim Betätigen einer Taste.
In Schritt S110 wird geprüft, ob ein Signal empfangen wird. Wird kein Signal empfangen, beispielsweise kein valides Signal, wird das Verfahren in Schritt S100 fortgesetzt.
Wird ein Signal empfangen wird das Verfahren in Schritt S120 fortgesetzt und mindestens ein Wert einer Umgebungsbedingung erfasst, beispielsweise eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers und/oder eine Motortemperatur eines -Hybridfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und dem elektrochemischen Energiespeichersystem.
In Schritt S130 wird der erfasste Wert der Umgebungsbedingung mit einem vorgegebenen Schwellenwert für die Umgebungsbedingung verglichen, beispielsweise ob die Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers unterhalb eines vorgegeben Schwellenwerts liegt, beispielsweise unterhalb von 5°C und/oder eine Temperatur des Verbrennungsmotors unterhalb 10°C. Liegt der erfasste Wert oberhalb des Schwellenwerts ist keine Temperierung notwendig, beispielsweise ein Aufwärmen des Energiespeichers, und das Verfahren wird in Schritt S100 fortgesetzt.
Liegt der erfasste Wert unterhalb des Schwellenwerts ist eine Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers notwendig, um eine Kaltstartfähigkeit zu verbessern. In Schritt S140 wird ein Schaltelement durch die Steuereinheit geschalten, wodurch ein Phasenübergang des Latentwärmespeichers ausgelöst wird, wodurch die in dem Latentwärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie freigesetzt wird und Wärme dem elektrochemischen Energiespeicher zugeführt wird.
In Schritt S150 wird eine vorgegebene Zeitspanne abgewartet, beispielsweise um eine ausreichende Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers sicherzustellen.
Nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne wird in Schritt S160 ein Signal erzeugt, wodurch beispielsweise ein Startergenerator den Verbrennungsmotor startet.
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Fahrzeugs 300 mit einem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem 301. Das Fahrzeug 300 umfasst das elektrochemische Energiespeichersystem 301, beispielsweise eine 48 Volt Batterie mit Lithium-Ionen-Zellen, eine elektrische Maschine 309, beispielsweise ein einen Startergenerator, zum Starten eines Verbrennungsmotors 310.
Das Energiespeichersystem 301 umfasst eine Steuereinheit 302, mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher 303, einen Temperatursensor 304 zum Erfassen einer Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers 303, einem Latentwärmespeicher 305, der in einer wärmeleitfähigen Verbindung 306 mit dem elektrochemischen Energiespeicher 303 steht.
Ein Fahrer 312 des Fahrzeugs kann mittels eines Fahrzeugschlüssels 313 ein Signal erzeugen, welches über eine kabellose Verbindung 314 von der Steuereinheit 302 empfangen wird. Die Steuereinheit 302 schaltet daraufhin ein Schaltelement 304, wodurch ein Phasenübergang des Latentwärmespeichers 305 ausgelöst wird. In dem ersten Phasenübergang ändert ein Speichermedium des Latentwärmespeichers 305 seinen Aggregatszustand von einer flüssigen Phase in eine feste Phase, beispielswiese in Form einer Kristallisation. Die dadurch freigesetzte Wärmeenergie dient zur Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers 303, wodurch eine elektrische Leistung des elektrochemischen Energiespeichers 303 deutlich erhöht wird. Sobald der elektrochemische Energiespeicher 303 ausreichend temperiert ist, beispielsweise bei Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturschwellenwerts, startet eine elektrische Maschine 309 den Verbrennungsmotor 310.
Auf eine Darstellung von weiteren Signalleitungen und elektrischen Verbindungen wurde zugunsten der Übersichtlichkeit verzichtet.
Damit der Latentwärmespeicher 305 für eine weitere Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers 303 zur Verfügung steht wird ein zweiter Phasenübergang durch Aufnahme von Wärmeenergie ausgelöst. Diese Wärmeenergie wird durch einen elektrischen Innenwiderstand des elektrochemischen Energiespeichers 303 erzeugt. In Boost Recuperation-Systemen beispielsweise überschreitet eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers 303 bei einer Energierückgewinnung eine Phasenumwandlungstemperatur des Latentwärmespeichers 305, da die Temperatur über 60°C liegt. Vorteilhafterweise führt ein latentes Speichern von Wärmeenergie beim Erreichen der Schmelztemperatur zu einer Verzögerung eines weiteren Anstiegs der Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers 303. Daher wird ein Erreichen einer maximal zulässigen Betriebstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers 303, beispielsweise von Lithium-Ionen-Zellen des elektrochemischen Energiespeichers 303, ebenfalls verzögert. Dies wiederum bringt den Vorteil mit sich, dass der elektrochemische Energiespeicher 303 länger bei voller Leistung betrieben werden kann, wodurch sich beispielsweise in Boost Recuperation-Systemen ein CO2-Einsparpotential erhöht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011002549 A1 [0003]
DE 102007050812 A1 [0004]
DE 102009013320 A1 [0005]

Claims

Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) umfassend ein Gehäuse (101, 301) zur Aufnahme mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers (103(1), 103(2), 103(3), 103(n), 303) sowie mindestens eine Steuereinheit (102, 302), ferner umfassend: - mindestens einen Latentwärmespeicher (105, 305), der mit dem elektrochemischen Energiespeicher (103(1), 103(2), 103(3), 103(n), 303) in einer wärmeleitfähigen Verbindung (106, 306) steht; - mindestens ein Schaltelement (107, 307) zum Auslösen eines ersten Phasenübergangs des Latentwärmespeichers (105, 305), wodurch die in dem Latentwärmespeicher (105, 305) gespeicherte Wärmeenergie freigesetzt und Wärme von dem Latentwärmespeicher (105, 305) über die wärmeleitfähige Verbindung (106, 306) dem elektrochemischen Energiespeicher (103(1), 103(2), 103(3), 103(n), 303) zugeführt wird, um eine Kaltstartfähigkeit des elektrochemischen Energiespeichers (103(1), 103(2), 103(3), 103(n), 303) zu verbessern.
Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (105, 305) während eines zweiten Phasenübergangs Wärme des elektrochemischen Energiespeichers (103(1), 103(2), 103(3), 103(n), 303) aufnehmen kann.
Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens ein Latentwärmespeicher (105, 305) zwischen einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern (103(1), 103(2), 103(3), 103(n), 303), in einer Kühlplatte mit einer Mehrzahl von Kühlkanälen zur Temperierung der elektrochemischen Energiespeicher (103(1), 103(2), 103(3), 103(n), 303), zwischen den Kühlkanälen der Kühlplatte, zwischen den elektrochemischen Energiespeichern (103(1), 103(2), 103(3), 103(n), 303) und einem Gehäuseboden (108) und/oder in Hohlräumen des Gehäuses (101, 301) angeordnet ist.
Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (102, 302) mit dem mindestens einen Schaltelement (107, 307) kabelgebunden und/oder kabellos verbunden ist.
Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (105, 305) in einen Folienbeutel umfassend Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyamid und/oder eine Kombination von Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyamid und mindestens einer Lage Aluminiumfolie verpackt ist, wodurch ein Auslaufen in einer flüssigen Phase des Latentwärmespeichers (105, 305) verhindert wird.
Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeichers (105, 305) Natriumacetat-Trihydrat, Natriumthiosulfat, Magnesiumnitrat und/oder Magnesiumchlorid als Speichermedium umfasst.
Elektrochemisches Energiespeichersystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (107, 307) ein Kristallisationskeimmaterial zum Auslösen des ersten Phasenübergangs von der flüssigen Phase in eine feste Phase in Form einer Kristallisation des Speichermediums des Latentwärmespeichers (105, 305) umfasst.
Verfahren zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers (103(1), 103(2), 103(3), 103(n), 303) eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend folgende Schritte: - Empfangen eines Signals (S100) zum Aufheizen des elektrochemischen Energiespeichersystems (100) durch eine Steuereinheit (102, 302) des elektrochemischen Energiespeichersystems (100); - Vergleichen mindestens eines erfassten Werts (S120) einer Umgebungsbedingung des elektrochemischen Energiespeichersystems (100) mit einem vorgegebenen Schwellenwert für die Umgebungsbedingung (S130); - Schalten des mindestens einen Schaltelements (107, 307) durch die Steuereinheit (102, 302), wenn der erfasste Wert unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts liegt (S140);
Verfahren zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100) gemäß Anspruch 8, ferner umfassend folgende Schritte: - Abwarten einer vorgegebenen Zeitspanne (S150); - Erzeugen eines Signals (S160).
Verwendung eines Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9 zum Temperieren mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers (103(1), 103(2), 103(3), 103(n), 303) eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, insbesondere mit 48 Volt Lithium-Ionen-Batterien, Luftfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge (300), Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Haushaltsgeräten, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.