DE112015006514T5 - Vehicle battery system - Google Patents

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Nikolaos Tsiouvaras
Simon Nürnberger
Odysseas Paschos
Tokuhiko Handa
Peter Lamp
Hidetaka Nishikoori
Toshihiko Inoue
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugbatteriesystem aufweisend einen Batteriepack, einen Druckgasvorratsbehälter und einen Kompressor. Der Batteriepack weist mindestens eine Metall-Sauerstoff galvanische Zelle auf und hat eine definierte Energiespeicherkapazität. Der Druckgasvorratsbehälter ist dazu eingerichtet, sauerstoffhaltiges Gas zu bevorraten und steht in Wirkverbindung mit der mindestens einen galvanischen Zelle, um sauerstoffhaltiges Gas an mindestens eine Sauerstoffelektrode der mindestens einen galvanischen Zelle zu liefern. Der Kompressor steht in Wirkverbindung mit einem Auslass für das sauerstoffhaltige Gas des Batteriepacks und einem Einlass des Gasvorratsbehälters. Er ist dazu eingerichtet, sauerstoffhaltiges Gas, das aus dem Gasauslass ausströmt, zu komprimieren und den Gasvorratsbehälter mit dem komprimierten sauerstoffhaltigen Gas bis zu einem maximalen Druck, der wesentlich größer als der atmosphärische Druck ist, zu befüllen. Dabei ist das Volumen des Gasvorratsbehälter so bemessen, dass, wenn es mit dem sauerstoffhaltigen Gas mit einer Volumenkonzentration von Sauerstoff zwischen 30 und 90% und bei dem maximalen Druck gefüllt ist, die elektrochemische Menge des Sauerstoffgehalts des sauerstoffhaltigen Gases in dem Gasvorratsbehälter einem Anteil von mehr als 10% und weniger als 75% der Energiespeicherkapazität des Batteriepacks entspricht. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Befüllen des Gasvorratsbehälters mit dem sauerstoffhaltigen Gas.The present invention relates to a vehicle battery system comprising a battery pack, a pressurized gas reservoir and a compressor. The battery pack has at least one metal-oxygen galvanic cell and has a defined energy storage capacity. The compressed gas storage tank is adapted to store oxygen-containing gas and is operatively connected to the at least one galvanic cell for supplying oxygen-containing gas to at least one oxygen electrode of the at least one galvanic cell. The compressor is operatively connected to an outlet for the oxygen-containing gas of the battery pack and an inlet of the gas reservoir. It is adapted to compress oxygen-containing gas flowing out of the gas outlet and to fill the gas reservoir with the compressed oxygen-containing gas to a maximum pressure substantially greater than the atmospheric pressure. In this case, the volume of the gas reservoir is such that when filled with the oxygen-containing gas having a volume concentration of oxygen between 30 and 90% and at the maximum pressure, the electrochemical amount of the oxygen content of the oxygen-containing gas in the gas reservoir in a proportion of more than 10% and less than 75% of the energy storage capacity of the battery pack. Furthermore, the invention relates to a method for filling the gas reservoir with the oxygen-containing gas.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Fahrzeugbatteriesystemen, insbesondere für elektrische oder hybride Automobile. Insbesondere ist die Erfindung auf ein Fahrzeugbatteriesystem mit einem Metall-Sauerstoff-Batteriepack und einem Verfahren zum Befüllen eines Gasvorratsbehälters eines solchen Fahrzeugbatteriesystems gerichtet.The present invention relates to the field of vehicle battery systems, in particular for electric or hybrid automobiles. In particular, the invention is directed to a vehicle battery system having a metal-oxygen battery pack and a method for filling a gas reservoir of such a vehicle battery system.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Während die meisten herkömmlichen, für längere Strecken ausgelegten Fahrzeuge wie Autos, Lastkraftwagen, Busse, Motorräder und nicht-elektrische Eisenbahnlokomotiven von Benzin- oder Dieselmotoren angetrieben wurden, hat in den letzten Jahren die Entwicklung von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, insbesondere von Automobilen, die zumindest teilweise von Elektromotoren angetrieben werden, stetig zugenommen. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Batteriesysteme als geeignete Speicher für elektrische Energie entwickelt, darunter insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, die für die meisten heutigen Elektro- und Hybridfahrzeuge verwendet werden. Ein Nachteil solcher Lithium-Ionen-Batterien ist ihre eingeschränkte Energiedichte, d.h. die gespeicherte elektrische Energie pro Batteriemasse oder pro Batterievolumen. Diese Einschränkung ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass alle chemischen Komponenten, die für die in den Batteriezellen stattfindenden elektrochemischen Reaktionen benötigt werden, bereits in der geladenen Batterie enthalten sind und somit zu deren Gewicht oder Volumen beitragen.While most conventional longer-range vehicles such as cars, trucks, buses, motorcycles and non-electric railway locomotives have been powered by gasoline or diesel engines, in recent years the development of electric or hybrid vehicles, particularly automobiles, has at least partially driven by electric motors, steadily increased. To this end, various battery systems have been developed as suitable storage for electrical energy, including in particular lithium-ion batteries used for most current electric and hybrid vehicles. A disadvantage of such lithium-ion batteries is their limited energy density, i. the stored electrical energy per battery mass or per battery volume. Among other things, this limitation is due to the fact that all the chemical components needed for the electrochemical reactions taking place in the battery cells are already contained in the charged battery, thus contributing to their weight or volume.

Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde ein weiterer Batterietyp konzipiert, der allgemein als "Metall-Luft-Batterie" oder "Metall-Sauerstoff-Batterie" bekannt ist. Eine solche Batterie weist eine oder mehrere elektrochemische Zellen auf, die eine Anode verwenden, die aus einem geeigneten Metall besteht oder ein solches zumindest enthält, und einer externen Kathode aus Umgebungsluft oder Sauerstoff, typischerweise mit einem wässrigen oder festen Elektrolyten. Insbesondere ist es bekannt, Zink, Aluminium oder Lithium als geeignete Metalle für die Anode zu verwenden. Stattdessen kann die Anode auch eine Legierung mit einem solchen Metall als eine erste Komponente und einer oder mehreren weiteren Metall- oder Nichtmetallkomponenten wie Kohlenstoff (C), Zinn (Sn) oder Silizium (Si) aufweisen, wobei die Metallkomponente in einer solchen Anode verfügbar bleibt, um an den stromerzeugenden chemischen Reaktionen der elektrochemischen, d.h. galvanischen, Zelle teilzunehmen. Anstelle einer solchen Legierung kann auch ein Übergangsmetalloxid als Anodenmaterial verwendet werden. An der Kathodenseite ist Sauerstoff die relevante elektrochemische Komponente und im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien muss dieser nicht von Anfang an in der geladenen Batterie vorhanden sein, sondern kann vielmehr aus der Umgebungsluft entnommen oder der Batterie in Form von einem sauerstoffhaltigen Gas oder reinem Sauerstoff aus einer Quelle wie einem Tank oder einem anderen Vorratsbehälter während des Entladens der Batterie zugeführt werden. Auf diese Weise werden Batterien mit einer viel höheren Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien möglich. Weiterhin wird, wenn eine solche Batterie wieder aufgeladen wird, an der Kathode Sauerstoff erzeugt und kann gespeichert und dann in einem nachfolgenden Entladezyklus wieder verwendet werden.To overcome this limitation, another battery type has been designed, commonly known as a "metal-air battery" or "metal-oxygen battery". Such a battery has one or more electrochemical cells using an anode made of or containing at least one suitable metal and an external cathode of ambient air or oxygen, typically an aqueous or solid electrolyte. In particular, it is known to use zinc, aluminum or lithium as suitable metals for the anode. Instead, the anode may also comprise an alloy having such a metal as a first component and one or more other metal or nonmetal components such as carbon (C), tin (Sn), or silicon (Si), the metal component remaining available in such an anode in order to participate in the electricity-generating chemical reactions of electrochemical, ie Galvanic to participate in cell. Instead of such an alloy, a transition metal oxide may also be used as the anode material. On the cathode side, oxygen is the relevant electrochemical component, and unlike lithium-ion batteries, it does not have to be in the charged battery from the beginning, but can be taken from the ambient air or the battery in the form of an oxygen-containing gas or pure oxygen be supplied from a source such as a tank or other reservoir during the discharge of the battery. In this way, batteries with a much higher energy density than conventional lithium-ion batteries are possible. Further, when such a battery is recharged, oxygen is generated at the cathode and can be stored and then reused in a subsequent discharge cycle.

Die veröffentlichte US-Patentanmeldung US 2014/0272611 A1 im Namen von Albertus et al. offenbart eine Metall-Sauerstoff-Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterie mit einem Sauerstoffzufuhrsystem ausgestattet ist, das einen ersten Sauerstoff enthaltenden Gasvorratsbehälter, einen Kompressor mit einem mit dem ersten Sauerstoff enthaltenden Gasvorratsbehälter fluidisch verbundenen Auslass und ein Ventil und einen Druckregler aufweist, die mit dem ersten Sauerstoff enthaltenden Gasvorratsbehälter und mit einer positiven Elektrode der Batterie fluidisch verbunden sind. Das Ventil und der Druckregler ist dazu eingerichtet, den ersten Sauerstoff enthaltenden Gasvorratsbehälter während eines Entladezyklus mit der positiven Elektrode in Fluidverbindung zu bringen und die positive Elektrode während eines Ladezyklus mit einem Einlass des Kompressors in Fluidverbindung zu bringen.Published US patent application US 2014/0272611 A1 in the name of Albertus et al. discloses a metal-oxygen battery for a motor vehicle, the battery having an oxygen supply system comprising a first oxygen-containing gas storage tank, a compressor having a fluidically connected to the first oxygen gas storage reservoir outlet and a valve and a pressure regulator having with the first oxygen-containing gas reservoir and are fluidly connected to a positive electrode of the battery. The valve and the pressure regulator are configured to fluidly connect the first oxygen-containing gas reservoir to the positive electrode during a discharge cycle and to fluidly connect the positive electrode to an inlet of the compressor during a charge cycle.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Vor diesem Hintergrund richtet sich die vorliegende Erfindung auf das Problem, ein verbessertes Metall-Sauerstoff-Batteriesystem für Fahrzeuge und ein Verfahren zur Bereitstellung von Sauerstoff zu diesem bereitzustellen.Against this background, the present invention addresses the problem of providing an improved metal-oxygen battery system for vehicles and a method of providing oxygen thereto.

Eine Lösung für dieses Problem wird durch die Lehre der beigefügten unabhängigen Ansprüche bereitgestellt, nämlich durch ein Fahrzeugbatteriesystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Befüllen eines Gasvorratsbehälters eines Fahrzeugbatteriesystems nach Anspruch 10.A solution to this problem is provided by the teaching of the appended independent claims, namely by a vehicle battery system according to claim 1 and a method for filling a gas reservoir of a vehicle battery system according to claim 10.

Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen und weitere Verbesserungen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche bereitgestellt.Various preferred embodiments and further improvements of the invention are provided by the dependent claims.

Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Fahrzeugbatteriesystem. Das Batteriesystem weist einen Batteriepack auf, der mindestens eine Metall-Sauerstoff galvanische Zelle aufweist und eine elektrische Energiekapazität und einen Druckgasvorratsbehälter hat. Der Gasvorratsbehälter ist dazu eingerichtet, unter Druck stehendes, sauerstoffhaltiges Gas zu bevorraten und steht in Wirkverbindung mit der mindestens einen galvanischen Zelle, um sauerstoffhaltiges Gas an mindestens eine Sauerstoffelektrode der mindestens einen galvanischen Zelle zu liefern. Das Batteriesystem weist zudem einen Kompressor auf, der in Wirkverbindung mit einem Auslass für das sauerstoffhaltige Gas des Batteriepacks und einem Einlass des Gasvorratsbehälters steht. Der Kompressor ist dazu eingerichtet, sauerstoffhaltiges Gas, das aus dem Gasauslass ausströmt, zu komprimieren und den Gasvorratsbehälter mit dem komprimierten sauerstoffhaltigen Gas bis zu einem maximalen Druck, der wesentlich größer als der atmosphärische Druck ist, zu befüllen. Das Volumen des Gasvorratsbehälter ist so bemessen, dass, wenn es mit dem sauerstoffhaltigen Gas mit einer Volumenkonzentration von Sauerstoff zwischen 30 und 90% und bei dem maximalen Druck gefüllt ist, die elektrochemische Menge des Sauerstoffgehalts des sauerstoffhaltigen Gases in dem Gasvorratsbehälter einem Anteil von mehr als 10% und weniger als 75% der Energiespeicherkapazität des Batteriepacks entspricht. Dies bedeutet, dass die gesamte elektrische Energie (z. B. in kWh), die der Batteriepack während eines Entladezyklus liefern kann, wenn der gesamte Sauerstoff, der in dem Gasvorratsbehälter bei vollständiger Befüllung und bei maximalem Druck vorhanden ist, verbraucht wird, wobei das Gas eine Volumenkonzentration an Sauerstoff zwischen 30 und 90% hat, ein Anteil zwischen 10% und 75%, vorzugsweise zwischen 33% und 50% der gesamten Energiespeicherkapazität des Batteriepacks ist.The first aspect of the present invention relates to a vehicle battery system. The battery system comprises a battery pack having at least one metal-oxygen galvanic cell and an electrical energy capacity and a Compressed gas storage tank has. The gas reservoir is configured to store pressurized oxygen-containing gas and is operatively connected to the at least one galvanic cell for supplying oxygen-containing gas to at least one oxygen electrode of the at least one galvanic cell. The battery system also includes a compressor operatively connected to an outlet for the oxygen-containing gas of the battery pack and an inlet of the gas storage container. The compressor is configured to compress oxygen-containing gas flowing out of the gas outlet and to fill the gas reservoir with the compressed oxygen-containing gas to a maximum pressure substantially greater than the atmospheric pressure. The volume of the gas reservoir is such that, when filled with the oxygen-containing gas having a volume concentration of oxygen between 30 and 90% and at the maximum pressure, the electrochemical amount of the oxygen content of the oxygen-containing gas in the gas reservoir is greater than 10% and less than 75% of the energy storage capacity of the battery pack. This means that all of the electrical energy (eg in kWh) which the battery pack can deliver during a discharge cycle is consumed when all of the oxygen present in the gas reservoir at full charge and maximum pressure is consumed Gas has a volume concentration of oxygen between 30 and 90%, a proportion between 10% and 75%, preferably between 33% and 50% of the total energy storage capacity of the battery pack.

Wie nachfolgend umrissen kann das Batteriesystem des ersten Aspekts einen oder mehrere einer Anzahl von Vorteilen über herkömmliche Batterien bereitstellen: Zunächst wird das System weder mit Umgebungsluft betrieben, die typischerweise nur eine Volumenkonzentration an Sauerstoff von etwa 21% aufweist, noch mit reinem Sauerstoff. Stattdessen verwendet das Batteriesystem sauerstoffhaltiges Gas mit einer Volumenkonzentration an Sauerstoff, die weit über der von Umgebungsluft und weit unter der von reinem Sauerstoff liegt. So ist einerseits aufgrund der erhöhten Sauerstoffkonzentration im Vergleich zu Luft das Batteriesystem wesentlich leistungsfähiger als Metall-Luft-Batteriesysteme. Andererseits ist der Aufwand, der für die sichere Bevorratung eines solchen sauerstoffhaltigen Gases in einem Fahrzeug aufgebracht werden muss, wesentlich geringer als der, der für reines Sauerstoffgas nötig wäre. Letzteres ist chemisch hochreaktiv und sogar giftig, so dass relativ schwere Tanks benötigt werden, um reinen Sauerstoff in einem Fahrzeug zu bevorraten, wo unvorhergesehene Stöße wie bei einem Autounfall nicht vollständig vermieden werden können.As outlined below, the battery system of the first aspect may provide one or more of a number of advantages over conventional batteries: First, the system is operated with neither ambient air, which typically has only a volume concentration of oxygen of about 21%, nor with pure oxygen. Instead, the battery system uses oxygen-containing gas with a volume concentration of oxygen that is far above that of ambient air and well below that of pure oxygen. On the one hand, due to the increased oxygen concentration compared to air, the battery system is significantly more powerful than metal-air battery systems. On the other hand, the expense that must be incurred for the safe storage of such an oxygen-containing gas in a vehicle, much lower than that which would be necessary for pure oxygen gas. The latter is chemically highly reactive and even toxic, so that relatively heavy tanks are needed to store pure oxygen in a vehicle where unforeseen shocks such as in a car accident can not be completely avoided.

Weiterhin wird die Auswahl des Volumens des Gasvorratsbehälters und des Maximaldrucks so optimiert, dass einerseits ausreichend Sauerstoff zur Verfügung gestellt wird, so dass die vom Batteriepack bereitgestellte Kapazität relativ große Reichweiten ermöglicht, bevor ein weiterer Ladezyklus erforderlich ist oder ein alternativer Motor, der nicht durch das Batteriesystem betrieben wird, verwendet werden muss. Weil andererseits der Gasvorratsbehälter, z. B. ein Hochdrucktank, nur sauerstoffhaltiges Gas entsprechend einem Bruchteil der gesamten Kapazität des Batteriepacks bevorraten muss, kann der Vorratsbehälter mit einer geringeren Größe und einem geringeren Gewicht im Vergleich zu einem vollkapazitiven Vorratsbehälter ausgebildet werden, was wiederum das Gewicht des Fahrzeugs verringert und damit seine elektrische Reichweite vergrößert.Furthermore, the selection of the volume of the gas reservoir and the maximum pressure is optimized so that on the one hand sufficient oxygen is provided, so that the capacity provided by the battery pack allows relatively long ranges before another charging cycle is required or an alternative engine that is not affected by the Battery system is operated, must be used. Because on the other hand, the gas reservoir, z. B. a high-pressure tank, only oxygen-containing gas must stockpile according to a fraction of the total capacity of the battery pack, the reservoir can be formed with a smaller size and a lower weight compared to a fully capacitive reservoir, which in turn reduces the weight of the vehicle and thus its electric Range increased.

Darüber hinaus wird der Batteriepack typischerweise unter niedrigen Entladungsgrad-(Depth-of-Discharge, DOD)Bedingungen betrieben, was typischerweise zu einer Senkung oder sogar Verhinderung von Kapazitätsverlust beiträgt, denn je mehr ein Metall-Sauerstoff-Batteriepack, insbesondere ein Li-Sauerstoff-Batteriepack unter höheren DOD-Bedingungen betrieben wird, desto mehr nimmt die Dicke von Entladungsablagerungen (d. h. Metalloxid wie LiO2) innerhalb der Batteriezellen zu, was die elektrische Leitfähigkeit in den betroffenen Bereichen des Batteriepacks reduziert.In addition, the battery pack is typically operated at low depth of discharge (DOD) conditions, which typically contributes to reducing or even preventing capacity loss, the more a metal-oxygen battery pack, particularly a Li-Oxygen battery pack, is used. battery pack is operated under higher DOD conditions, the more the thickness of discharge deposits increases (ie, metal oxide such as Li 2 O) to within the battery cells, which reduces the electrical conductivity in the affected areas of the battery pack.

Daneben können auch Vorteile in Bezug auf Tankstellen erreicht werden, die eine bevorzugte Art von externer Quelle für sauerstoffhaltiges Gas zum Nachfüllen des Vorratsbehälters des Batteriesystems darstellen würden, insbesondere bei Mittel- oder Langstreckenfahrten. Auch der Aufwand, der von der Tankstelle aufzubringen ist, um sauerstoffhaltiges Gas mit einer Sauerstoffkonzentration zwischen 30 und 90 Volumenprozent sicher zu bevorraten, könnte im Vergleich zu reinem Sauerstoff deutlich reduziert werden und die Tanks der Tankstellen könnten ein(e) deutlich kleinere(s) Volumen / Größe haben, als es für (gereinigte und getrocknete) Luft, die eine gleiche Menge an Sauerstoff enthält, nötig wäre.In addition, fuel station benefits may also be achieved which would be a preferred type of external source of oxygen-containing gas for refilling the reservoir of the battery system, particularly for medium or long-haul trips. Also, the expense to be borne by the gas station to safely store oxygenated gas with an oxygen concentration of between 30 and 90 percent by volume could be significantly reduced compared to pure oxygen, and the gas station tanks could have a much smaller (s). Volume / size than would be needed for (purified and dried) air containing an equal amount of oxygen.

Der Begriff "sauerstoffhaltiges Gas", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Gas, das Sauerstoff als eines seiner Bestandteile enthält. Insbesondere kann der Sauerstoffanteil molekularen Sauerstoff wie O2 umfassen.The term "oxygen-containing gas" as used herein refers to a gas containing oxygen as one of its constituents. In particular, the oxygen content may include molecular oxygen such as O 2 .

Der Begriff "Metall-Sauerstoff galvanische Zelle", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Batteriezelle einer Metall-Sauerstoff-Batterie, wie oben ausführlich beschrieben. Um die elektrochemischen Reaktionen, die in der Batterie stattfinden, zu unterstützen, kann der Metall-Sauerstoff galvanischen Zelle, insbesondere ihrer Kathode, Sauerstoff zugeführt werden, entweder als reiner Sauerstoff oder in Form eines Gasgemisches, das Sauerstoff als eines seiner Bestandteile enthält.The term "metal-oxygen galvanic cell" as used herein refers to a battery cell of a metal-oxygen battery, as described in detail above. In order to assist the electrochemical reactions taking place in the battery, the metal-oxygen galvanic cell, in particular its cathode, Oxygen can be supplied, either as pure oxygen or in the form of a gas mixture containing oxygen as one of its constituents.

Der Begriff "Energiespeicherkapazität", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf die elektrische Energiekapazität einer Batterie bzw. eines Batteriepacks, d. h. die Menge an elektrischer Energie (üblicherweise in kWh ausgedrückt), die sie speichern kann. Häufig wird eine Nenn-Energiespeicherkapazität einer Batterie vom Hersteller auf einer Außenfläche des Batteriesystems und / oder in den zugehörigen Unterlagen angegeben. Zumindest wenn der Batteriepack neu ist und noch keine Verschlechterung erlitten hat, stimmt die Nenn-Energiespeicherkapazität in der Regel zumindest im Wesentlichen mit der tatsächlichen Energiespeicherkapazität des Batteriepacks überein.The term "energy storage capacity" as used herein refers to the electrical energy capacity of a battery or a battery pack, i. H. the amount of electrical energy (usually expressed in kWh) that it can store. Often a nominal energy storage capacity of a battery is specified by the manufacturer on an outside surface of the battery system and / or in the associated documentation. At least when the battery pack is new and has not suffered degradation, the rated energy storage capacity is generally at least substantially equal to the actual energy storage capacity of the battery pack.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen und Varianten des Fahrzeugbatteriesystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben. Sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen oder miteinander unvereinbar sind, können diese Ausführungsformen und Varianten beliebig miteinander und mit dem zweiten Aspekt der Erfindung kombiniert werden, wie nachfolgend beschrieben wird.In the following, preferred embodiments and variants of the vehicle battery system according to the first aspect of the invention will be described. Unless expressly excluded or mutually exclusive, these embodiments and variants may be combined as desired with each other and with the second aspect of the invention, as described below.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform enthält eine Metallelektrode, die üblicherweise als "Anode" bezeichnet wird, der mindestens einen Metall-Sauerstoff galvanischen Zelle eine Form von Lithium. Lithium ist ein hochreaktives Metall und so ermöglichen Lithium-Sauerstoff galvanische Zellen eine höhere Batterieenergiespeicherkapazität als die meisten anderen Arten von Metall-Sauerstoff-Zellen.According to a first preferred embodiment, a metal electrode, commonly referred to as an "anode", of the at least one metal-oxygen galvanic cell contains a form of lithium. Lithium is a highly reactive metal and so lithium-oxygen galvanic cells allow a higher battery energy storage capacity than most other types of metal-oxygen cells.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Gasvorratsbehälter einen Einlass zur Aufnahme von sauerstoffhaltigem Gas aus einer Batterie-externen Gasquelle auf. Somit kann der Gasvorratsbehälter zusätzlich zur Speicherung von während der Ladezyklen des Batteriepacks an der Kathode erzeugtem Sauerstoff auch mit sauerstoffhaltigem Gas aus einer Batterie-externen Gasquelle wie einer Tankstelle befüllt werden. Dies kann dazu benutzt werden, die Reichweite des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs im Vergleich zu der Reichweite, die durch die anfängliche Befüllung des Gasvorratsbehälters des Batteriesystems mit sauerstoffhaltigem Gas ermöglicht wird, zu vergrößern. Der Einlass kann insbesondere abdichtbar sein oder ein Ventil kann angeordnet sein, um zu verhindern, dass Gas von dem Vorratsbehälter durch den Einlass zurückfließt.According to a further preferred embodiment, the gas reservoir has an inlet for receiving oxygen-containing gas from a battery-external gas source. Thus, in addition to storing oxygen generated at the cathode during charging cycles of the battery pack, the gas reservoir may also be filled with oxygen-containing gas from a battery-external gas source such as a gas station. This can be used to increase the range of the electrically powered vehicle compared to the range allowed by the initial filling of the gas reservoir of the oxygen-containing gas battery system. In particular, the inlet may be sealable or a valve may be arranged to prevent gas from flowing back from the reservoir through the inlet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Kompressor einen Einlass zum Empfangen von sauerstoffhaltigem Gas aus einer Batterie-externen Gasquelle auf und ist ferner dazu eingerichtet, das empfangene sauerstoffhaltige Gas zu komprimieren und den Gasvorratsbehälter mit dem komprimierten sauerstoffhaltigen Gas zu befüllen. Somit kann der Kompressor nicht nur dazu verwendet werden, um Sauerstoff, der während eines Ladezyklus an der Kathode erzeugt wird, unter Druck zu setzen, um ihn in dem Gasvorratsbehälter des Batteriesystems zu speichern, sondern er kann auch Gas von einer externen Gasquelle, wie einer Tankstelle, aufnehmen, um es unter Druck in den Gasvorratsbehälter des Batteriesystems zu füllen. Das Befüllen des Gasvorratsbehälters kann über eine direkte Verbindung des Kompressors mit dem Vorratsbehälter oder indirekt über eine Zwischeneinrichtung, wie beispielsweise einem Druckregler oder ein Ventil, erfolgen. Es kann wiederum eine Abdichtung und / oder ein Ventil vorgesehen sein, um zu verhindern, dass Gas den Kompressor durch den Einlass verlässt.According to another preferred embodiment, the compressor has an inlet for receiving oxygen-containing gas from a battery-external gas source and is further configured to compress the received oxygen-containing gas and to fill the gas reservoir with the compressed oxygen-containing gas. Thus, not only can the compressor be used to pressurize oxygen generated at a cathode during a charge cycle to store it in the gas reservoir of the battery system, but it can also supply gas from an external gas source such as a gas reservoir Gas station, to fill it under pressure in the gas reservoir of the battery system. The filling of the gas reservoir can be done via a direct connection of the compressor with the reservoir or indirectly via an intermediate device, such as a pressure regulator or a valve. Again, a seal and / or valve may be provided to prevent gas from leaving the compressor through the inlet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die elektrische Energiespeicherkapazität des Batteriepacks mindestens 50 kWh, vorzugsweise mindestens 70 kWh. Solche Energiespeicherkapazitäten eignen sich besonders für typische Elektro- oder Hybridfahrzeuge wie Autos und stellen Batteriekapazitäten dar, die es dem Batteriesystem ermöglichen, als Hauptspeicher oder sogar einzigen Speicher für elektrische Energie eines voll-elektrischen Fahrzeugs im Hinblick auf anvisierte Reichweiten von mehr als 100 km, vorzugsweise von mindestens einigen hundert Kilometern zu dienen.According to a further preferred embodiment, the electrical energy storage capacity of the battery pack is at least 50 kWh, preferably at least 70 kWh. Such energy storage capacities are particularly suitable for typical electric or hybrid vehicles, such as automobiles, and provide battery capacities that enable the battery system as main storage or even single electric vehicle storage for a full electric vehicle in view of targeted ranges of more than 100 km, preferably to serve at least a few hundred kilometers.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entspricht die elektrochemische Menge des Sauerstoffgehaltes des sauerstoffhaltigen Gases in dem Gasvorratsbehälter einem Anteil von mehr als 25% und weniger als 60%, vorzugsweise etwa 50% der Energiespeicherkapazität des Batteriepacks. Diese Anteilswerte stellen einen besonders vorteilhaften Bereich dar, bei dem ein optimierter Ausgleich zwischen dem gespeicherten Sauerstoffgehalt und damit der effektiven Energiespeicherkapazität einerseits und der Größe und dem Gewicht des Gasvorratsbehälters andererseits erreicht werden kann.According to a further preferred embodiment, the electrochemical amount of the oxygen content of the oxygen-containing gas in the gas reservoir corresponds to a proportion of more than 25% and less than 60%, preferably about 50% of the energy storage capacity of the battery pack. These proportions represent a particularly advantageous range in which an optimized balance between the stored oxygen content and thus the effective energy storage capacity on the one hand and the size and weight of the gas reservoir on the other hand can be achieved.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Gasvorratsbehälter so bemessen, dass er ein Gasvolumen von 120 l oder weniger, vorzugsweise 100 l oder weniger, bevorraten kann. Dementsprechend eignet sich die Größe des Gasvorratsbehälters auch für den Einbau in kleinere Elektro- oder Hybridfahrzeuge, wie z. B. kleine Stadtautos, die nur wenig Platz zur Verfügung haben.According to a further preferred embodiment, the gas storage container is dimensioned such that it can store a gas volume of 120 l or less, preferably 100 l or less. Accordingly, the size of the gas storage tank is also suitable for installation in smaller electric or hybrid vehicles, such. B. small city cars, which have little space available.

Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen liegt der maximale Gasdruck im Bereich von 10 MPa bis 100 MPa, vorzugsweise im Bereich von 30 MPa bis 80 MPa, weiter bevorzugt im Bereich von 60 MPa bis 80 MPa. Diese Bereiche stellen bevorzugte Bereiche dar, weil einerseits der Sauerstoffgehalt des Gasvorratsbehälters ausreichend hoch gestaltet werden kann, um vernünftige Reichweiten für das Fahrzeug zu erreichen, und andererseits solche Drücke recht leicht von gewöhnlichen Gastanks ausgehalten werden können, ohne dass es extremer Druckaufnahmefähigkeit bedürfte. Dies trägt zu geringen Abmessungen und Kosten für solche Tanks bei. Insbesondere können im Hinblick auf größere Reichweiten Drücke am oberen Ende der angegebenen Bereiche bevorzugt sein und insbesondere dann, wenn auf geringe Abmessungen des Gasvorratsbehälters Wert gelegt wird, wie beispielsweise bei kleineren Fahrzeugen.According to further preferred embodiments, the maximum gas pressure is in the range of 10 MPa to 100 MPa, preferably in the range of 30 MPa to 80 MPa, more preferably in the range of 60 MPa to 80 MPa. These ranges are preferred ranges because, on the one hand, the oxygen content of the gas reservoir can be made sufficiently high to achieve reasonable vehicle ranges, and on the other hand, such pressures can be easily withstood by ordinary gas tanks without the need for extreme pressure capability. This contributes to small dimensions and costs for such tanks. In particular, with regard to longer ranges, pressures at the upper end of the specified ranges may be preferred, and in particular when emphasis is placed on small dimensions of the gas reservoir, as for example in smaller vehicles.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Fahrzeugbatteriesystem ferner einen zweiten Batteriepack auf, der nicht vom Metall-Sauerstoff-Typ ist. So kann ein auf verschiedenen Batterietechnologien basierendes Batteriesystem bereitgestellt werden, das die Vorteile verschiedener Batteriearten in einem System kombiniert. Insbesondere kann der zweite Batteriepack eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie sein, wie sie bei heutigen Elektro- und Hybridfahrzeugen üblich ist. In einem solchen kombinierten System liefert der Metall-Sauerstoff-Batteriepack sein oben genannten Vorteile, wenn Sauerstoff zur Verfügung steht, während das herkömmliche Batteriesystem weiterhin für die Stromversorgung zur Verfügung steht, wenn dem Batteriepack vom Metall-Sauerstoff-Typ der Sauerstoff ausgeht, ohne dass eine ausreichende Versorgung mit sauerstoffhaltigem Gas zur Verfügung steht.According to another preferred embodiment, the vehicle battery system further comprises a second battery pack that is not of the metal-oxygen type. Thus, a battery system based on various battery technologies can be provided that combines the advantages of different types of batteries in a system. In particular, the second battery pack may be a conventional lithium-ion battery, as is common in today's electric and hybrid vehicles. In such a combined system, the metal-oxygen battery pack provides its above-mentioned advantages when oxygen is available, while the conventional battery system continues to be available for power supply when the metal-oxygen type battery pack runs out of oxygen without an adequate supply of oxygen-containing gas is available.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines Gasvorratsbehälters eines Fahrzeugbatteriesystems, insbesondere eines Systems gemäß dem ersten Aspekt. Das Fahrzeugbatteriesystem weist einen Batteriepack mit mindestens einer Metall-Sauerstoff galvanischen Zelle mit einer Energiespeicherkapazität auf. Weiterhin weist das Batteriesystem einen Druckgasvorratsbehälter auf, der dazu eingerichtet ist, sauerstoffhaltiges Gas zu bevorraten, und der in Wirkverbindung mit der mindestens einen Metall-Sauerstoff galvanischen Zelle steht. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Befüllens des Gasvorratsbehälters mit einem sauerstoffhaltigen Gas mit einer Volumenkonzentration an Sauerstoff zwischen 30 und 90% bis zu einem maximalen Druck, wobei der maximale Druck so gewählt wird, dass die elektrochemische Menge des Sauerstoffgehalts des sauerstoffhaltigen Gases in dem Gasvorratsbehälter bei dem maximalen Druck einem Anteil von mehr als 10% und weniger als 75% der Energiespeicherkapazität des Batteriepacks entspricht, vorzugsweise zwischen 33% und 50%.A second aspect of the invention relates to a method for filling a gas reservoir of a vehicle battery system, in particular a system according to the first aspect. The vehicle battery system comprises a battery pack having at least one metal-oxygen galvanic cell with an energy storage capacity. Furthermore, the battery system comprises a pressurized gas reservoir, which is adapted to store oxygen-containing gas, and which is in operative connection with the at least one metal-oxygen galvanic cell. The method includes a step of filling the gas reservoir with an oxygen-containing gas having a volume concentration of oxygen between 30 and 90% to a maximum pressure, the maximum pressure being selected to include the electrochemical amount of the oxygen content of the oxygen-containing gas in the gas reservoir the maximum pressure corresponds to a proportion of more than 10% and less than 75% of the energy storage capacity of the battery pack, preferably between 33% and 50%.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner einen Verfahrensschritt, dass ein Kompressor mit einem Auslass für sauerstoffhaltiges Gas des Batteriepacks und einem Einlass des Gasvorratsbehälters in Wirkverbindung gebracht wird, und dass der Kompressor betrieben wird, um aus dem Gasauslass ausströmendes sauerstoffhaltiges Gas zu verdichten, um den Gasvorratsbehälter mit dem komprimierten sauerstoffhaltigen Gas zu befüllen. Somit kann nicht nur Sauerstoff, der anfangs in dem Gasvorratsbehälter enthalten ist, zur Erzeugung von Elektrizität verwendet werden, sondern es kann auch Sauerstoff, der während eines Ladezyklus an der Kathodenseite der Batterie zurückgewonnen wird, unter Druck zu dem Vorratsbehälter zurückgeführt werden, so dass er für einen nachfolgenden Entladezyklus zur Verfügung steht. Dadurch kann die Reichweite des Fahrzeugs vergrößert werden.According to a preferred embodiment, the method further comprises a method step of bringing a compressor into contact with an oxygen-containing gas outlet of the battery pack and an inlet of the gas reservoir, and operating the compressor to compress oxygen-containing gas flowing out of the gas outlet to fill the gas reservoir with the compressed oxygen-containing gas. Thus, not only can oxygen, initially contained in the gas reservoir, be used to generate electricity, but also oxygen recovered during a charge cycle on the cathode side of the battery can be returned under pressure to the reservoir so that it can is available for a subsequent discharge cycle. This can increase the range of the vehicle.

Außerdem gelten die verschiedenen Ausführungsformen und Varianten und Vorteile, die oben in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurden, in ähnlicher Weise für den zweiten Aspekt der Erfindung.In addition, the various embodiments and variants and advantages described above in relation to the first aspect of the invention apply in a similar manner to the second aspect of the invention.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren, wobei:Further advantages, features and application examples of the present invention will become apparent from the following detailed description with reference to the figures, wherein:

1 schematisch ein Fahrzeugbatteriesystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und 1 schematically shows a vehicle battery system according to a preferred embodiment of the present invention; and

2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Befüllen eines Gasvorratsbehälters eines Fahrzeugbatteriesystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 a flowchart of a method for filling a gas reservoir of a vehicle battery system according to a preferred embodiment of the present invention shows.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Zunächst wird auf 1 Bezug genommen, die ein Fahrzeugbatteriesystem 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Batteriesystem 1 weist einen Batteriepack 2 vom Metall-Sauerstoff-Typ, einen Gasvorratsbehälter 3 zum Bevorraten von sauerstoffhaltigem Gas unter Druck und einen Kompressor 4 zum Komprimieren dieses Gases und zum Befüllen des Gasvorratsbehälters 3 mit diesem Gas auf. Der Batteriepack 2 weist mindestens eine Batteriezelle (wie dargestellt) mit einer Anode A, die aus einem geeigneten Metall, vorzugsweise Lithium, hergestellt ist oder zumindest dieses enthält, und einer Kathode C, die Sauerstoff aus dem sauerstoffhaltigen Gas als ihre elektrochemische Komponente verwendet, auf. Zu diesem Zweck weist die Kathode C ein poröses Material auf, vorzugsweise mesoporösen Kohlenstoff mit Metallkatalysatoren, und sie ist mit einem Stromabnehmer CC elektrisch verbunden, um Ladungen zu oder von der Kathode C zu einem Kathodenanschluss der Batteriezelle zu leiten. Die Anodenseite ist von der Kathodenseite der Batteriezelle durch einen Elektrolyten E getrennt, vorzugsweise in fester Form (wie dargestellt), wie z. B. einen Keramik-, Glas- oder Glas-Keramik-Elektrolyt. Alternativ sind auch andere Formen möglich, insbesondere aprotische, wässrige oder gemischte wässrige / aprotische Formen. In der Praxis weist der Batteriepack typischerweise eine Mehrzahl von ähnlichen Batteriezellen (nicht dargestellt) des oben beschriebenen Typs auf, die in Reihe oder parallel oder einer Kombination davon geschaltet sind. Der Batteriepack 2 hat eine Energiespeicherkapazität, die die Menge an elektrischer Energie definiert, die der Batteriepack 2 speichern kann.First, it will open 1 Referring to a vehicle battery system 1 according to a preferred embodiment of the present invention. The battery system 1 has a battery pack 2 of the metal-oxygen type, a gas reservoir 3 for storing oxygen-containing gas under pressure and a compressor 4 for compressing this gas and for filling the gas reservoir 3 with this gas on. The battery pack 2 comprises at least one battery cell (as shown) having an anode A made of or containing at least one of a suitable metal, preferably lithium, and a cathode C which uses oxygen from the oxygen-containing gas as its electrochemical component. For this purpose, the cathode C comprises a porous material, preferably mesoporous carbon with metal catalysts, and is electrically connected to a current collector CC to conduct charges to or from the cathode C to a cathode terminal of the battery cell. The anode side is separated from the cathode side of the battery cell by an electrolyte E, preferably in solid form (as shown), such as. As a ceramic, glass or glass ceramic electrolyte. Alternatively, other forms are possible, in particular aprotic, aqueous or mixed aqueous / aprotic forms. In practice, the battery pack typically includes a plurality of similar battery cells (not shown) of the type described above connected in series or in parallel or a combination thereof. The battery pack 2 has an energy storage capacity that defines the amount of electrical energy that the battery pack 2 can save.

Das Volumen des Gasvorratsbehälters 3 ist so bemessen, dass, wenn es mit dem sauerstoffhaltigen Gas mit einer Volumenkonzentration an Sauerstoff zwischen 30 und 90% und bei dem maximalen Druck gefüllt ist, die elektrochemische Menge des Sauerstoffgehalts des sauerstoffhaltigen Gases in dem Gasvorratsbehälter 3 einem Anteil von mehr als 25% und weniger als 75% der Energiespeicherkapazität des Batteriepacks 2 entspricht. In einem Ausführungsbeispiel beträgt das Gasspeichervolumen des Gasvorratsbehälters 3 etwa 100 l, die Energiespeicherkapazität beträgt etwa 70 kWh und der Maximaldruck wird so gewählt, dass die elektrochemische Menge des Sauerstoffs, der in dem gefüllten Gasvorratsbehälter 3 bevorratet ist, etwa der Hälfte der Energiespeicherkapazität entspricht, d. h. etwa 35 kWh. Ein typischer Maximaldruck für dieses Szenario beträgt 70 MPa.The volume of the gas storage tank 3 is so dimensioned that when filled with the oxygen-containing gas having a volume concentration of oxygen between 30 and 90% and at the maximum pressure, the electrochemical amount of the oxygen content of the oxygen-containing gas in the gas reservoir 3 a proportion of more than 25% and less than 75% of the energy storage capacity of the battery pack 2 equivalent. In one embodiment, the gas storage volume of the gas storage container 3 about 100 l, the energy storage capacity is about 70 kWh and the maximum pressure is chosen so that the electrochemical amount of oxygen contained in the filled gas reservoir 3 is about half of the energy storage capacity, ie about 35 kWh. A typical maximum pressure for this scenario is 70 MPa.

Die Kathode C des Batteriezellen-Batteriepacks 2 ist fluidisch so mit einem Einlass des Kompressors 4 verbunden, dass ein Gasfluss von der Kathode C zu dem Kompressor durch ein Ventil V2 gesteuert werden kann. Ein Auslass des Kompressors 4 ist fluidisch mit dem Gasvorratsbehälter 3 verbunden und ein weiteres Ventil V3 ist vorgesehen, um einen Gasfluss von dem Kompressor 4 zu dem Gasvorratsbehälter 3 zu steuern. Die Kathode C des Batteriepacks 2 ist ebenfalls fluidisch mit dem Gasvorratsbehälter 3 verbunden und ein weiteres Ventil V1 ist bei dieser Verbindung vorgesehen, um den Gasfluss von dem Gasvorratsbehälter 3 zur Kathode C zu steuern. Weiterhin sind Einlässe 5 und 6 mit entsprechenden Ventilen V4 und V5 am Kompressor 4 bzw. dem Gasvorratsbehälter 3 vorgesehen, um ein Befüllen des Gasvorratsbehälters 3 mit sauerstoffhaltigem Gas von einer externen Quelle zu ermöglichen. Zusätzlich können die Einlässe 5 und 6 jeweils durch eine geeignete Dichtungseinrichtung abdichtbar sein, die während des Füllvorgangs geöffnet werden kann, wie z. B. einem gasdichten Verschluss. Während der Einlass 6 dazu verwendet werden kann, sauerstoffhaltiges Gas zuzuführen, das bereits auf einen Solldruck (definierter Maximaldruck) komprimiert worden ist, kann der Einlass 5 zur Zufuhr eines solchen Gases mit einem niedrigeren Druck verwendet werden, das dann durch den Kompressor auf den Solldruck komprimiert wird, bevor es in dem Gasvorratsbehälter 3 bevorratet wird.The cathode C of the battery cell battery pack 2 is fluidly with an inlet of the compressor 4 connected, that a gas flow from the cathode C to the compressor can be controlled by a valve V2. An outlet of the compressor 4 is fluid with the gas reservoir 3 connected and another valve V3 is provided to a gas flow from the compressor 4 to the gas reservoir 3 to control. The cathode C of the battery pack 2 is also fluidic with the gas reservoir 3 connected and another valve V1 is provided at this connection to the gas flow from the gas reservoir 3 to control the cathode C. Furthermore, there are inlets 5 and 6 with corresponding valves V4 and V5 on the compressor 4 or the gas reservoir 3 provided to a filling of the gas reservoir 3 with oxygen-containing gas from an external source. In addition, the inlets can 5 and 6 each be sealable by a suitable sealing means which can be opened during the filling process, such as. B. a gas-tight closure. During the inlet 6 can be used to supply oxygen-containing gas that has already been compressed to a target pressure (defined maximum pressure), the inlet 5 be used for supplying such a gas with a lower pressure, which is then compressed by the compressor to the target pressure before it in the gas reservoir 3 is stored.

Gemäß einer bevorzugten Variante weist das Batteriesystem 1 auch einen zweiten Batteriepack 7 auf, der im Gegensatz zum Batteriepack 2 nicht vom Metall-Sauerstoff-Typ ist und der eine Anode A2, eine Kathode C2 und einen die Anodenseite von der Kathodenseite trennenden Separator S2 aufweist, wie es für viele Arten von Batteriezellen einschließlich Lithium-Ionen-Zellen üblich ist.According to a preferred variant, the battery system 1 also a second battery pack 7 on, in contrast to the battery pack 2 is not of the metal-oxygen type and has an anode A2, a cathode C2, and a separator S2 separating the anode side from the cathode side, as is common to many types of battery cells including lithium-ion cells.

Während eines Entladezyklus des Batteriesystems 1 ist das Ventil V1 offen, während die anderen Ventile geschlossen sind. Sauerstoffhaltiges Gas wird aus dem Gasvorratsbehälter 3 der Kathode C des Batteriepacks 2 zugeführt, was dann aus bekannten elektrochemischen Reaktionen, die Sauerstoff in dem sauerstoffhaltigen Gas verbrauchen, elektrische Energie erzeugt.During a discharge cycle of the battery system 1 Valve V1 is open while the other valves are closed. Oxygen-containing gas is removed from the gas reservoir 3 the cathode C of the battery pack 2 which then generates electrical energy from known electrochemical reactions that consume oxygen in the oxygen-containing gas.

Während eines Ladezyklus wird andererseits das Ventil V1 geschlossen und die Ventile V2 und V3 sind geöffnet und der Kompressor wird betrieben, um an der Kathode C erzeugten Sauerstoff zu empfangen, um ihn auf den Solldruck zu komprimieren und an den Gasvorratsbehälter 3 zurückzuführen.On the other hand, during a charging cycle, the valve V1 is closed and the valves V2 and V3 are opened and the compressor is operated to receive oxygen generated at the cathode C to compress it to the target pressure and to the gas reservoir 3 due.

Es wird nun auch auf 2 Bezug genommen, die eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung darstellt. Das Verfahren wird in Verbindung mit dem beispielhaften Fahrzeugbatteriesystem der 1 beschrieben. In einem ersten Schritt S1 wird der Kompressoreinlass 5 an eine externe Quelle von sauerstoffhaltigem Gas, das eine Volumenkonzentration an Sauerstoff (O2) von etwa 50% hat, angeschlossen. In einem zweiten Schritt S2 komprimiert der Kompressor 4 das von der externen Quelle empfangene Gas bis zu einem gewählten Maximaldruck von 70 MPa, während der 100 l-Gasvorratsbehälter 3 des Batteriesystems 1 mit dem komprimierten Gas befüllt wird. Wenn in einem weiteren Schritt S3 das Fahrzeug betrieben wird und elektrische Energie verbraucht, die in dem Batteriepack gespeichert ist, wird letzterer entladen, während er Sauerstoff, der in dem aus dem Gasvorratsbehälter 3 zu der Kathode C des Batteriepacks 2 strömenden Gas enthalten ist, verbraucht. In einem nachfolgenden Aufladezyklus wird der Batteriepack 2 durch Anlegen einer geeigneten Spannung an seine elektrischen Anschlüsse (Anode und Kathode) wieder aufgeladen und an der Kathode wird durch entsprechende im Batteriepack 2 stattfindende elektrochemische Reaktionen Sauerstoff erzeugt. Wenn in einem weiteren Schritt S5 ein Strom dieses Sauerstoffs zum Einlass des Kompressors 4 freigegeben wird und in einem Schritt S6 der Kompressor 4 betrieben wird, um das empfangene Gas bis zum Solldruck zu komprimieren, wird der Sauerstoff somit in den Gasvorratsbehälter 3 zurückgepumpt und steht in einem nachfolgenden Entladezyklus wieder für den Verbrauch zur Verfügung. Optional kann der Gasvorratsbehälter 3 zusätzlich gemäß Schritt S1 aus einer externen Gasquelle wieder befüllt werden.It will be up now too 2 Reference is made, which represents a preferred embodiment of the method according to the second aspect of the invention. The method will be described in connection with the exemplary vehicle battery system of 1 described. In a first step S1, the compressor inlet 5 to an external source of oxygen-containing gas having a volume concentration of oxygen (O 2 ) of about 50%. In a second step S2, the compressor compresses 4 the gas received from the external source up to a chosen maximum pressure of 70 MPa, while the 100 l gas reservoir 3 of the battery system 1 is filled with the compressed gas. In a further step S3, when the vehicle is operated and consumes electrical energy stored in the battery pack, the latter is discharged while discharging oxygen contained in the gas reservoir 3 to the cathode C of the battery pack 2 flowing gas is consumed. In a subsequent charging cycle, the battery pack becomes 2 charged by applying a suitable voltage to its electrical connections (anode and cathode) and at the cathode is replaced by appropriate in the battery pack 2 taking place electrochemical reactions produced oxygen. If, in a further step S5, a flow of this oxygen to the inlet of the compressor 4 is released and in a step S6 the compressor 4 is operated to compress the received gas to the target pressure, the oxygen is thus in the gas reservoir 3 pumped back and is available for consumption in a subsequent discharge cycle again. Optionally, the gas storage tank 3 additionally be refilled according to step S1 from an external gas source.

Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.While at least one exemplary embodiment has been described above, it should be understood that a large number of variations exist. It should also be understood that the described exemplary embodiments are nonlimiting examples only and are not intended to thereby limit the scope, applicability, or configuration of the devices and methods described herein. Rather, the foregoing description will provide those skilled in the art with guidance for implementing at least one example embodiment, it being understood that various changes in the operation and arrangement of the elements described in an exemplary embodiment may be made without departing from the appended claims Derogated from the requirements of the respective subject matter as well as its legal equivalents.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Fahrzeugbatteriesystem Vehicle battery system
22
Metall-Sauerstoff-Batteriepack Metal-oxygen battery pack
33
Gasvorratsbehälter Gas reservoir
44
Kompressor compressor
55
Kompressoreinlass (zur Aufnahme von Gas aus einer Batterie-externen Quelle) Compressor inlet (for receiving gas from a battery external source)
66
Gasvorratsbehältereinlass (zur Aufnahme von Gas aus einer Batterie-externen Quelle) Gas storage tank inlet (for receiving gas from a battery-external source)
77
Zweites Batteriepack Second battery pack
V1–V5V1-V5
Ventile valves
AA
Anode des Metall-Sauerstoff-Batteriepacks Anode of Metal Oxygen Battery Pack
CC
Kathode des Metall-Sauerstoff-Batteriepacks Cathode of Metal Oxygen Battery Pack
CCCC
Stromabnehmer der Kathode C Current collector of the cathode C
SS
Separator des Metall-Sauerstoff-Batteriepacks Separator of the metal-oxygen battery pack
A1A1
Anode des zweiten Batteriepacks Anode of the second battery pack
C1C1
Kathode des zweiten Batteriepacks Cathode of the second battery pack
S1S1
Separator des zweiten Batteriepacks Separator of the second battery pack

Claims (12)

Fahrzeugbatteriesystem (1), aufweisend: einen Batteriepack (2), der mindestens eine Metall-Sauerstoff galvanische Zelle aufweist und eine definierte Energiespeicherkapazität hat; einen Gasvorratsbehälter (3), der dazu eingerichtet ist, unter Druck stehendes sauerstoffhaltiges Gas zu bevorraten, und der in Wirkverbindung mit der mindestens einen galvanischen Zelle steht, um sauerstoffhaltiges Gas an mindestens eine Sauerstoffelektrode (C) der mindestens einen galvanischen Zelle zu liefern; und einen Kompressor (4), der in Wirkverbindung mit einem Auslass für das sauerstoffhaltige Gas des Batteriepacks (2) und einem Einlass des Gasvorratsbehälters (3) steht, wobei der Kompressor (4) dazu eingerichtet ist, sauerstoffhaltiges Gas, das aus dem Gasauslass ausströmt, zu komprimieren und den Gasvorratsbehälter (3) mit dem komprimierten sauerstoffhaltigen Gas bis zu einem maximalen Druck, der wesentlich größer als der atmosphärische Druck ist, zu befüllen; wobei das Volumen des Gasvorratsbehälters (3) so bemessen ist, dass, wenn es mit dem sauerstoffhaltigen Gas mit einer Volumenkonzentration von Sauerstoff zwischen 30 und 90% und bei dem maximalen Druck gefüllt ist, die elektrochemische Menge des Sauerstoffgehalts des sauerstoffhaltigen Gases in dem Gasvorratsbehälter (3) einem Anteil von mehr als 10% und weniger als 75% der Energiespeicherkapazität des Batteriepacks (2) entspricht.Vehicle battery system ( 1 ), comprising: a battery pack ( 2 ) having at least one metal-oxygen galvanic cell and having a defined energy storage capacity; a gas storage tank ( 3 ) configured to store pressurized oxygen-containing gas and operatively connected to the at least one galvanic cell for supplying oxygen-containing gas to at least one oxygen electrode (C) of the at least one galvanic cell; and a compressor ( 4 ) operatively connected to an outlet for the oxygen-containing gas of the battery pack ( 2 ) and an inlet of the gas reservoir ( 3 ), the compressor ( 4 ) is adapted to compress oxygen-containing gas that flows out of the gas outlet and the gas storage tank ( 3 ) to be filled with the compressed oxygen-containing gas to a maximum pressure substantially greater than the atmospheric pressure; the volume of the gas reservoir ( 3 ) is such that when filled with the oxygen-containing gas having a volume concentration of oxygen between 30 and 90% and at the maximum pressure, the electrochemical amount of the oxygen content of the oxygen-containing gas in the gas reservoir ( 3 ) account for more than 10% and less than 75% of the energy storage capacity of the battery pack ( 2 ) corresponds. Fahrzeugbatteriesystem (1) nach Anspruch 1, wobei eine Metallelektrode (A) der mindestens einen Metall-Sauerstoff galvanischen Zelle eine Form von Lithium enthält.Vehicle battery system ( 1 ) according to claim 1, wherein a metal electrode (A) of said at least one metal-oxygen galvanic cell contains a form of lithium. Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasvorratsbehälter (3) einen Einlass (6) zur Aufnahme von sauerstoffhaltigem Gas von einer Batterie-externen Gasquelle aufweist.Vehicle battery system ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the gas reservoir ( 3 ) an inlet ( 6 ) for receiving oxygen-containing gas from a battery-external gas source. Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kompressor (4) einen Einlass (5) zur Aufnahme von sauerstoffhaltigem Gas von einer Batterie-externen Gasquelle aufweist und ferner dazu eingerichtet ist, das aufgenommene sauerstoffhaltige Gas zu komprimieren und den Gasvorratsbehälter (3) mit dem komprimierten sauerstoffhaltigen Gas zu befüllen. Vehicle battery system ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the compressor ( 4 ) an inlet ( 5 ) for receiving oxygen-containing gas from a battery-external gas source and is further adapted to compress the absorbed oxygen-containing gas and the gas reservoir ( 3 ) with the compressed oxygen-containing gas to fill. Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiespeicherkapazität des Batteriepacks (2) mindestens 50 kWh beträgt, vorzugsweise mindestens 70 kWh.Vehicle battery system ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the energy storage capacity of the battery pack ( 2 ) is at least 50 kWh, preferably at least 70 kWh. Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrochemische Menge des Sauerstoffgehalts des sauerstoffhaltigen Gases in dem Gasvorratsbehälter (3) einem Anteil von mehr als 25% und weniger als 60% entspricht, vorzugsweise einem Anteil von etwa 50% der Energiespeicherkapazität des Batteriepacks (2) entspricht.Vehicle battery system ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the electrochemical amount of the oxygen content of the oxygen-containing gas in the gas reservoir ( 3 ) more than 25% and less than 60% corresponds to, preferably a share of about 50% of the energy storage capacity of the battery pack ( 2 ) corresponds. Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasvorratsbehälter (3) so bemessen ist, dass er ein Gasvolumen von 120 Litern oder weniger, vorzugsweise 100 Liter oder weniger, speichert.Vehicle battery system ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the gas reservoir ( 3 ) is sized to store a gas volume of 120 liters or less, preferably 100 liters or less. Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der maximale Gasdruck im Bereich von 10 MPa bis 100 MPa liegt, vorzugsweise im Bereich von 30 MPa bis 80 MPa, weiter vorzugsweise im Bereich von 60 MPa bis 80 MPa.Vehicle battery system ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the maximum gas pressure is in the range of 10 MPa to 100 MPa, preferably in the range of 30 MPa to 80 MPa, more preferably in the range of 60 MPa to 80 MPa. Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen zweiten Batteriepack (7), der nicht vom Metall-Sauerstoff-Typ ist.Vehicle battery system ( 1 ) according to one of the preceding claims, further comprising a second battery pack ( 7 ), which is not of the metal-oxygen type. Verfahren zum Befüllen eines Gasvorratsbehälters eines Fahrzeugbatteriesystems (1), wobei das Fahrzeugbatteriesystem (1) aufweist: einen Batteriepack (2), der mindestens eine Metall-Sauerstoff galvanische Zelle aufweist und eine Energiespeicherkapazität hat; ein Druckgasvorratsbehälter (3), der dazu eingerichtet ist, sauerstoffhaltiges Gas zu bevorraten, und der in Wirkverbindung mit der mindestens einen Metall-Sauerstoff galvanischen Zelle steht; wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: Befüllen des Gasvorratsbehälters (3) bis zu einem maximalen Druck mit einem sauerstoffhaltigen Gas, das eine Volumenkonzentration von Sauerstoff zwischen 30 und 90% hat, wobei der maximale Druck so gewählt wird, dass die elektrochemische Menge des Sauerstoffgehalts des sauerstoffhaltigen Gases in dem Gasvorratsbehälter (3) bei diesem Maximaldruck einem Anteil von mehr als 10% und weniger als 75% der Energiespeicherkapazität des Batteriepacks (2) entspricht. Method for filling a gas reservoir of a vehicle battery system ( 1 ), wherein the vehicle battery system ( 1 ) comprises: a battery pack ( 2 ) having at least one metal-oxygen galvanic cell and having an energy storage capacity; a compressed gas storage tank ( 3 ), which is adapted to store oxygen-containing gas, and which is in operative connection with the at least one metal-oxygen galvanic cell; the method comprising the following step: filling the gas storage tank ( 3 ) to a maximum pressure with an oxygen-containing gas containing a volume concentration of oxygen between 30 and 90%, wherein the maximum pressure is chosen so that the electrochemical amount of the oxygen content of the oxygen-containing gas in the gas reservoir ( 3 ) at this maximum pressure accounts for more than 10% and less than 75% of the energy storage capacity of the battery pack ( 2 ) corresponds. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend einen Verfahrensschritt, dass ein Kompressor (4) mit einem Auslass für sauerstoffhaltiges Gas des Batteriepacks (2) und einem Einlass des Gasvorratsbehälters in Wirkverbindung gebracht wird, und dass der Kompressor (4) betrieben wird, um aus dem Gasauslass ausströmendes sauerstoffhaltiges Gas zu verdichten, um den Gasvorratsbehälter (3) mit dem komprimierten sauerstoffhaltigen Gas zu befüllen.Method according to claim 10, further comprising a method step that a compressor ( 4 ) with an oxygen-containing gas outlet of the battery pack ( 2 ) and an inlet of the gas reservoir is brought into operative connection, and that the compressor ( 4 ) is operated to compress oxygen-containing gas flowing out of the gas outlet to the gas storage tank ( 3 ) with the compressed oxygen-containing gas to fill. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Batteriesystem ein Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.A method according to claim 10 or 11, wherein the battery system is a vehicle battery system ( 1 ) according to one of claims 1 to 9.
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