DE112015006519T5

DE112015006519T5 - Metall-Gas-Batteriesystem mit einem Gasreinigungsgerät für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE112015006519T5
Application number: DE112015006519.9T
Authority: DE
Inventors: Philipp Oberhumer; Nikolaos Tsiouvaras; Simon Nürnberger; Odysseas Paschos; Tokuhiko Handa; Peter Lamp; Hidetaka Nishikoori; Toshihiko Inoue
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2018-02-15
Also published as: WO2016180431A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugbatteriesystem, insbesondere für elektrische oder Hybridfahrzeuge. Das Batteriesystem weist einen Metall-Sauerstoff-Batteriepack auf, der dazu eingerichtet ist, elektrische Leistung abzugeben, einen Gasvorratsbehälter, der dazu eingerichtet ist, sauerstoffhaltiges Gas zu bevorraten und der mit dem Batteriepack in Wirkverbindung steht, um an diesen Batteriepack sauerstoffhaltiges Gas zu liefern, und ein Gasreinigungsgerät, das dazu eingerichtet ist, sauerstoffhaltiges Gas zu empfangen, insbesondere Umgebungsluft, um dieses Gas von Verunreinigungen zu reinigen und um das gereinigte sauerstoffhaltige Gas an diesen Batteriepack zu liefern. Zusätzlich weist das Batteriesystem ein Batteriebetriebssystem auf, das dazu eingerichtet ist, das Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas von dem Reinigungsgerät und dem Gasvorratsbehälter an den Batteriepack zu steuern. Das Batteriesystem hat mindestens zwei Betriebsarten, darunter eine erste Art, die einen ersten Leistungsausgangspegel benötigt, der kleiner oder gleich einem zweiten Leistungspegel ist, der in elektrochemischer Hinsicht der maximalen Sauerstoffzufuhrrate des Reinigungsgeräts in dieser ersten Betriebsart entspricht, und mindestens eine zweite Betriebsart, die einen dritten Leistungsausgangspegel benötigt, der größer ist als der zweite Leistungspegel. Das Batteriebetriebssystem ist dazu eingerichtet, die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den Batteriepack so zu steuern, dass, wenn das Batteriesystem in der ersten Betriebsart betrieben wird, der Batteriepack mit von dem Reinigungsgerät abgegebenem sauerstoffhaltigen Gas versorgt wird, und dass, wenn das Batteriesystem in der zweiten Betriebsart betrieben wird, der Batteriepack zusätzlich oder stattdessen mit sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasvorratsbehälter versorgt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Metall-Sauerstoff-Batteriesystemen für Fahrzeuge, insbesondere für elektrische oder Hybridfahrzeuge. Insbesondere ist die Erfindung auf ein Fahrzeugbatteriesystem mit einem Metall-Sauerstoff-Batteriepack und einem Gasreinigungsgerät zum Reinigen von sauerstoffhaltigem Gas, insbesondere Umgebungsluft, das von dem Metall-Sauerstoff-Batteriepack aufgebraucht wird, gerichtet.
HINTERGRUND
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.
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, von denen jede eine erste Elektrode hat – gewöhnlich als „Anode“ bezeichnet –, die aus einem geeigneten Metall hergestellt ist oder zumindest dieses enthält, und eine zweite Elektrode – gewöhnlich als „Kathode“ bezeichnet –, die mit Umgebungsluft oder Sauerstoff arbeitet, und ein zwischen den zwei Elektroden angeordneter Separator, um diese elektrisch zu trennen. Insbesondere kann die Anode eine Legierung aufweisen, die ein solches Metall als eine erste Komponente und eine oder mehrere weitere Metall- oder Nicht-Metall-Komponenten wie Kohlenstoff (C), Zinn (Sn) oder Silizium (Si) aufweist, wobei die Metall-Komponente in einer solchen Anode verfügbar bleibt, um an den elektrizitätserzeugenden chemischen Reaktionen der elektrochemischen, d.h. galvanischen Zelle teilzunehmen. Anstelle einer solchen Legierung kann auch ein Übergangsmetalloxid als Anodenmaterial verwendet werden. Weiterhin ist in der Kathode und gegebenenfalls in dem Separator ein Elektrolyt vorhanden, der insbesondere vom wässrigen oder festen Typ sein kann. Es ist insbesondere bekannt, Zink, Aluminium oder Lithium als Metall für die Anode zu verwenden. Auf der Kathodenseite ist Sauerstoff die relevante elektrochemische Komponente und muss im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien nicht von vorneherein in der geladenen Batterie vorhanden sein, sondern kann der Umgebungsluft entnommen oder der Batterie während des Entladens in Form eines sauerstoffhaltigen Gases oder reinen Sauerstoffs aus einer Quelle, wie einem Tank oder einem anderen Vorratsbehälter, 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 dann in einem nachfolgenden Entladezyklus wieder verwendet werden.
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. Wahlweise weist die Batterie auch einen Lufteinlass auf, der über eine selektiv durchlässige Membran mit der umgebenden Atmosphäre verbunden ist. In einem Ausführungsbeispiel ist die Batterie dazu eingerichtet, komprimierte Luft zu filtern, um Verunreinigungen, die sich negativ auf das Betreiben der Zellen der Batterie auswirken können, zu entfernen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund richtet sich die vorliegende Erfindung auf das Problem, ein verbessertes Metall-Sauerstoff-Batteriesystem für Fahrzeuge, insbesondere im Hinblick auf eine Verkleinerung des Gewichts und/oder der Größe des Batteriesystems, bereitzustellen.
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 Betreiben eines solchen Batteriesystems nach Anspruch 15.
Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen und weitere Verbesserungen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche bereitgestellt.
Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Fahrzeugbatteriesystem. Das Batteriesystem weist einen Metall-Sauerstoff-Batteriepack auf, der dazu eingerichtet ist, elektrische Leistung abzugeben, einen Gasvorratsbehälter, der dazu eingerichtet ist, sauerstoffhaltiges Gas zu bevorraten und der mit dem Batteriepack (2) in Wirkverbindung steht, um an diesen Batteriepack sauerstoffhaltiges Gas zu liefern, und ein Gasreinigungsgerät, das dazu eingerichtet ist, sauerstoffhaltiges Gas zu empfangen, insbesondere Umgebungsluft, um dieses Gas von Verunreinigungen zu reinigen und um das gereinigte sauerstoffhaltige Gas an diesen Batteriepack zu liefern. Zusätzlich weist das Batteriesystem ein Batteriebetriebssystem auf, das dazu eingerichtet ist, das Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas von dem Reinigungsgerät und dem Gasvorratsbehälter an den Batteriepack zu steuern. Das Batteriesystem hat mindestens zwei Betriebsarten, darunter eine erste Art, die einen ersten Leistungsausgangspegel benötigt, der kleiner oder gleich einem zweiten Leistungspegel ist, der in elektrochemischer Hinsicht der maximalen Sauerstoffzufuhrrate des Reinigungsgeräts in dieser ersten Betriebsart entspricht, und mindestens eine zweite Betriebsart, die einen dritten Leistungsausgangspegel benötigt, der größer ist als der zweite Leistungspegel. Das Batteriebetriebssystem ist dazu eingerichtet, die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den Batteriepack so zu steuern, dass, wenn das Batteriesystem in der ersten Betriebsart betrieben wird, der Batteriepack mit von dem Reinigungsgerät abgegebenem sauerstoffhaltigen Gas versorgt wird, und dass, wenn das Batteriesystem in der zweiten Betriebsart betrieben wird, der Batteriepack zusätzlich oder stattdessen mit sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasvorratsbehälter versorgt wird.
Das Batteriesystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beruht insbesondere auf dem Konzept, dass mindestens zwei verschiedene Quellen von sauerstoffhaltigem Gas bereitgestellt werden, wobei keine dieser beiden Quellen alleine ausreichend dimensioniert ist, genug Sauerstoff, um die gesamte Kapazität des Batteriepacks des Batteriesystems zu ermöglichen, bereitzustellen, insbesondere hinsichtlich sowohl Spitzenleistung als auch Energiespeicherkapazität, während die gesamte Kapazität des Batteriesystems durch intelligentes Kombinieren dieser Quellen ermöglicht wird. Eine erste dieser Quellen ist ein Gasreinigungsgerät, welches dazu eingerichtet ist, sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Umgebungsluft, zu erhalten und es durch Entfernen von Verunreinigungen zu reinigen und das gereinigte Gas dem Batteriepack des Batteriesystems zuzuführen. Eine zweite dieser Quellen ist ein Gasvorratsbehälter, welcher mit sauerstoffhaltigem Gas gefüllt ist, vorzugsweise komprimierte Luft mit einer Sauerstoffkonzentration, die ähnlich oder größer als die typische Sauerstoffkonzentration in atmosphärischer Luft ist. Der Gasvorratsbehälter kann insbesondere mit im Wesentlichen reinem Sauerstoff gefüllt sein. Somit kann sowohl das Reinigungsgerät als auch der Gasvorratsbehälter mit einer geringeren Gesamtgröße und einem geringeren Gesamtgewicht ausgebildet sein im Vergleich zu einem Reinigungsgerät bzw. Gasvorratsbehälter, die so bemessen sind, dass sie jeweils alleine die volle Kapazität des Batteriepacks ermöglichen. Dies kann wiederum das Gewicht des Batteriesystems und folglich auch des Fahrzeugs, welches das Batteriesystem aufweist, reduzieren und kann somit die elektrische Reichweite des Fahrzeugs vergrößern. Weiterhin kann der Gasvorratsbehälter vorteilhaft dazu benutzt werden, dem Batteriepack Sauerstoff zuzuführen, wenn das Reinigungsgerät nicht betriebsfähig ist, z.B. beim Starten, wenn der Batteriepack noch nicht genug Energie liefert, um das Reinigungsgerät zu betreiben, und in einer dritten Betriebsart, um Sauerstoff, der in dem Batteriepack während eines Ladezyklus erzeugt wird, zu speichern.
Der hier verwendete Begriff „sauerstoffhaltiges Gas“ bezieht sich auf ein Gas, das Sauerstoff als eines seiner Bestandteile enthält. Insbesondere kann der Sauerstoffanteil molekularen Sauerstoff aufweisen, vorzugsweise O₂. Auch ist reiner oder im Wesentlichen reiner Sauerstoff ein „sauerstoffhaltiges Gas“, wie es hier benutzt wird. Das sauerstoffhaltige Gas wird abhängig von den chemischen Materialien der Elektroden des Batteriepacks gewählt, insbesondere dessen Anodenseite, so dass die für die Erzeugung von elektrischer Energie notwendigen chemischen Reaktionen während eines Entladezyklus Sauerstoff in dem sauerstoffhaltigen Gas verbrauchen.
Der hier verwendete Begriff „Metall-Sauerstoff-Batterie“ bezieht sich auf eine Batterie, wie oben im Detail beschrieben, wobei die elektrochemisch relevante chemische Komponente einer der Elektroden Sauerstoff, insbesondere O₂, ist. Um die elektrochemischen Reaktionen, die in der Batterie stattfinden, zu unterstützen, wird sauerstoffhaltiges Gas der einen oder mehreren Metall-Sauerstoff galvanischen Zellen der Batterie zugeführt, insbesondere an die Kathodenseite der Zelle. Insbesondere ist eine „Metall-Luft-Batterie“, d.h. eine Batterie, die Luft als ein solches sauerstoffhaltiges Gas benutzt, auch eine Ausführungsform einer hier benutzten „Metall-Sauerstoff-Batterie“.
Der hier verwendete Begriff "Energiespeicherkapazität" bezieht sich auf die elektrische Energiekapazität einer Batterie bzw. eines Batteriepacks, d.h. die Menge an elektrischer Energie (üblicherweise in kWh ausgedrückt), die sie bei vollem Ladezustand 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.
Der hier verwendete Begriff „Gasreinigungsgerät“ bezieht sich auf eine Vorrichtung, die dazu in der Lage ist, ein zu reinigendes Gas aufzunehmen, insbesondere Umgebungsluft, dieses Gas zu filtern, um zumindest ausgewählte Verunreinigungen zu entfernen, und das gereinigte Gas bereitzustellen, insbesondere an einem Auslass des Reinigungsgeräts. Das Reinigungsgerät kann insbesondere eine aktive Vorrichtung sein, die Energie verbraucht, um das zu reinigende Gas zu verarbeiten, wie zum Beispiel um es für den Entzug von Feuchtigkeit zu kühlen oder um es durch ein Filtermaterial zu pumpen, um Partikel oder CO₂ zu entfernen. Alternativ kann das Reinigungsgerät eine passive Vorrichtung sein, wie zum Beispiel bloß ein Stück Filtermaterial oder eine Membran, die selektiv bestimmte Komponenten des Gases, insbesondere O₂, durchlässt, während andere Komponenten nicht durchgelassen werden.
Der hier verwendete Begriff „Batteriebetriebssystem“ bezieht sich auf eine Entität des Batteriesystems, die dazu eingerichtet ist, die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas von dem Reinigungsgerät in den Gasvorratsbehälter des Batteriepacks zu steuern. Insbesondere kann das Batteriebetriebssystem eine oder mehrere CPUs aufweisen, auf denen entsprechende Steuerungs-/Regelungssoftware läuft, und Mittel zur Kommunikation von Steuerungssignalen an andere Entitäten des Batteriesystems, wie zum Beispiel an den Gasvorratsbehälter, das Reinigungsgerät oder optionale Entitäten, wie zum Beispiel einen Druckregler, ein oder mehrere Ventile oder einen Kompressor. Der hier verwendete Begriff „Steuerung“ umfasst sowohl unidirektionale Steuerung als auch Regelung mit einer oder mehreren Rückkopplungsschleifen.
Der hier verwendete Begriff „Leistungsausgangspegel“ bezieht sich auf einen Leistungspegel, d.h. die Ausgangsenergie pro Zeit (üblicherweise in Watt [W] gemessen), der von dem Batteriepack des Batteriesystems zu einem gegebenen Zeitpunkt oder in einer bestimmten Betriebsart geliefert wird.
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.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Betriebsart des Batteriesystems eine von einer Hochleistungs-Betriebsart, einer Start-Betriebsart und einer Störungs-Betriebsart. Die Hochleistungs-Betriebsart benötigt einen Leistungsausgangspegel des Batteriepacks, der höher ist als der Leistungspegel, der elektrochemisch der maximalen Lieferrate von gereinigtem Gas des Reinigungsgeräts in egal welcher Betriebsart des Batteriesystems entspricht. In dieser Ausführungsform liefert also der Gasvorratsbehälter sauerstoffhaltiges Gas an den Batteriepack, wenn die Zufuhr, die von dem Reinigungsgerät bereitgestellt wird, nicht dazu ausreicht, einen benötigten Leistungsausgangspegel des Batteriepacks zu unterstützen. Das in dem Gasvorratsbehälter bevorratete Gas kann dann dazu benutzt werden, entweder allen Sauerstoff, der durch die Batterie in der Hochleistungs-Betriebsart verbraucht wird, zu liefern, oder er kann der Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas, das durch das Reinigungsgerät bereitgestellt wird, hinzugefügt werden, um die gesamte Sauerstoffzufuhrrate an den Batteriepack zu erhöhen.
In der Start-Betriebsart liefert das Reinigungsgerät an den Batteriepack keinen oder zumindest unzureichenden Sauerstoff, um ihn auf Normalbetrieb hochzufahren. Der Gasvorratsbehälter liefert also Sauerstoff an den Batteriepack, um diesen hochzufahren, zumindest solange das Reinigungsgerät noch nicht in der Lage ist, ausreichend Sauerstoff an den Batteriepack für den Normalbetrieb zu liefern, insbesondere für die erste Betriebsart. Sobald das Reinigungsgerät wieder genug Sauerstoff liefert, kann die Start-Betriebsart beendet werden und die Gaszufuhr von dem Gasvorratsbehälter kann unterbrochen oder zumindest reduziert werden. Entsprechend ist das Batteriesystem nicht von einer externen Sauerstoffzufuhr für den Start abhängig.
In der Störungs-Betriebsart ist das Gasreinigungsgerät nicht oder zumindest nicht vollständig betriebsbereit wegen einer Störung und kann somit nicht ausreichend oder überhaupt kein gereinigtes sauerstoffhaltiges Gas an den Batteriepack liefern. Somit ist der Batteriepack im Wesentlichen abhängig von einer Gaszufuhr von dem Gasvorratsbehälter, um zum Erzeugen von elektrischer Leistung betriebsbereit zu bleiben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Batteriesystem in der ersten Betriebsart so betrieben werden, dass der erste Leistungsausgangspegel niedriger ist als der zweite Leistungspegel, das Reinigungsgerät liefert mehr gereinigtes sauerstoffhaltiges Gas als das, was durch den Batteriepack bei dem ersten Leistungsausgangspegel verbraucht wird, und dieser Überschuss an gereinigtem sauerstoffhaltigen Gas wird zumindest teilweise in dem Gasvorratsbehälter gespeichert. Somit kann der Überschuss an gereinigtem sauerstoffhaltigen Gas in einer nachfolgenden zweiten Betriebsart des Batteriesystems wieder benutzt werden, bei der die Sauerstoffzufuhrrate des Reinigungsgerätes niedriger ist als die für diese Betriebsart benötigte Zufuhrrate.
Gemäß bevorzugten Varianten dieser Ausführungsform kann die erste Betriebsart insbesondere eine von einer Niedrigleistungs-Betriebsart und einer Abschaltvorbereitungs-Betriebsart sein. In der Niedrigleistungs-Betriebsart liegt der Leistungsausgangspegel deutlich unter dem zweiten Leistungspegel. Die Abschaltvorbereitungs-Betriebsart wird eingeleitet, bevor das Batteriesystem abgeschaltet wird, und in dieser Betriebsart wird genügend überschüssiges gereinigtes sauerstoffhaltiges Gas in dem Gasvorratsbehälter gespeichert, um ein Starten des Batteriesystems nach dem Abschalten mit dieser gespeicherten Menge an gereinigtem sauerstoffhaltigen Gas zu ermöglichen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat das Batteriesystem mindestens eine dritte Betriebsart, während welcher der Batteriepack zumindest teilweise aufgeladen wird, wodurch sauerstoffhaltiges Gas zum Speichern in dem Gasvorratsbehälter erzeugt wird. Die dritte Betriebsart kann insbesondere eine von einer Lade-Betriebsart und einer Rekuperations-Betriebsart sein. In der Lade-Betriebsart wird der Batteriepack elektrisch geladen, insbesondere durch Anlegen einer geeigneten externen Spannung an die Anschlüsse des Batteriepacks, z.B. an einer Ladestation. In der Rekuperations-Betriebsart wird elektrische Energie durch eine Batterie-externe Quelle erzeugt und dem Batteriesystem zum zumindest teilweisen Speichern zugeführt. Die Rekuperation-Betriebsart kann insbesondere während einer Bremsphase des das Batteriesystem aufweisenden Fahrzeugs gewählt werden, bei der elektrische Energie durch die Wirbelstrombremsen des Fahrzeugs wiedergewonnen wird und an den Batteriepack geliefert wird, um diesen zumindest teilweise wieder aufzuladen. Während dieses Wiederauflade-Vorgangs wird Sauerstoff an der Kathodenseite des Batteriepacks erzeugt und in dem Gasvorratsbehälter gespeichert, und entsprechend muss der Batteriepack, wie auch in der Lade-Betriebsart, nicht mit sauerstoffhaltigem Gas versorgt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Batteriesystem weiterhin einen oder mehrere Sensoren auf, die dazu eingerichtet sind, eines oder mehrere der folgenden Dinge zu ermitteln: Die momentane Lieferrate von gereinigtem sauerstoffhaltigen Gas durch das Reinigungsgerät, die Konzentration oder Menge an O₂ in dem gereinigten sauerstoffhaltigen Gas, das durch das Reinigungsgerät bereitgestellt wird, die Konzentration oder Menge an O₂ in dem sauerstoffhaltigen Gas, das in dem Gasvorratsbehälter bevorratet oder durch diesen bereitgestellt wird, und die Konzentration oder Menge an Verunreinigungen in dem gereinigten sauerstoffhaltigen Gas, das durch das Reinigungsgerät bereitgestellt wird. Somit liefern die Sensoren Informationen, die von dem Batteriebetriebssystem als Eingabewerte benutzt werden können, so dass die Steuerung des Batteriesystems, insbesondere die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den Batteriepack, darauf basierend gesteuert werden kann. Insbesondere kann die durch den einen oder mehrere Sensoren gelieferte Information dazu benutzt werden, eine bestimmte erste Betriebsart, zweite Betriebsart oder dritte Betriebsart (wie oben beschrieben) des Batteriesystems auszuwählen und entsprechend die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den oder von dem Batteriepack zu steuern, z.B. durch Öffnen oder Schließen von zugehörigen Ventilen, die den Fluss von sauerstoffhaltigem Gas in dem Batteriesystem regeln.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Batteriebetriebssystem dazu eingerichtet, die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den Batteriepack so zu steuern, dass, wenn das Batteriesystem in der zweiten Betriebsart betrieben wird und das sauerstoffhaltige Gas in dem Gasvorratsbehälter eine höhere Sauerstoffkonzentration als das durch das Reinigungsgerät bereitgestellte Gas hat, dem Batteriepack eine Mischung an gereinigtem sauerstoffhaltigen Gas von dem Reinigungsgerät und sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasvorratsbehälter zugeführt wird. Wenn ein Soll-Leistungsausgangspegel des Batteriepacks erhöht wird, wird entsprechend der Anteil an sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasvorratsbehälter in der Mischung erhöht, damit der Batteriepack elektrische Energie entsprechend diesem Soll-Leistungsausgangspegel liefern kann. Das Gas von dem Gasvorratsbehälter wird also dazu benutzt, den Sauerstoffgehalt der Gaszufuhr an den Batteriepack während der zweiten Betriebsart anzureichern. Entsprechend kann ein Erhöhen des Leistungsausgangspegels des Batteriepacks erreicht werden, ohne lediglich das an den Batteriepack gelieferte Gasvolumen zu erhöhen, sondern stattdessen – zumindest teilweise – dadurch, dass die Sauerstoffkonzentration in dem gelieferten Gas erhöht wird. Somit kann vorteilhafterweise ein höherer maximaler Leistungsausgangspegel erzielt werden, ohne dass die Größe und das Gewicht des Gasvorratsbehälters vergrößert werden muss.
Gemäß einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist das Batteriebetriebssystem weiter dazu eingerichtet, die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den Batteriepack so zu steuern, dass, wenn ein Soll-Leistungsausgangspegel des Batteriepacks über einen vorbestimmten Wert erhöht wird, der Anteil an sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasvorratsbehälter in der Mischung im Wesentlichen 100 % ist. Somit kann, wenn in der zweiten Betriebsart sehr hohe Leistungsausgangspegel benötigt werden, wie zum Beispiel Leistungsausgangspegel nahe dem maximalen Leistungsausgangspegel des Batteriepacks, letzterer nur mit sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasvorratsbehälter versorgt werden, wobei das Gas in dem Gasvorratsbehälter eine höhere Sauerstoffkonzentration als das durch das Reinigungsgerät bereitgestellte Gas hat und somit einen höheren Leistungspegel ermöglicht als ein Gemisch von Gas aus dem Gasvorratsbehälter und dem Reinigungsgerät ermöglichen würde.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Fahrzeugbatteriesystem weiterhin zumindest eine Sperreinrichtung auf, die betätigt werden kann, um wahlweise die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasreinigungsgerät an die Batterie zu sperren. Die Sperrvorrichtung kann insbesondere ein Schalter oder ein Ventil sein. Somit kann die Sperreinrichtung dazu benutzt werden, den Batteriepack von dem Reinigungsgerät zu trennen, insbesondere wenn es defekt oder aus einem anderen Grund nicht betreibbar ist. Der Batteriepack kann dann nur mit Gas von dem Gasvorratsbehälter versorgt werden, z.B. um das Fahrzeug bis zur nächsten Tankstelle oder zu einer Werkstatt zu fahren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Fahrzeugbatteriesystem ferner einen oder mehrere Drucksensoren auf, die dazu eingerichtet sind, den Gasdruck des sauerstoffhaltigen Gases in dem Gasvorratsbehälter zu messen und ein Signal an das Batteriebetriebssystem abzugeben, wenn ein vorbestimmter maximaler Gasdruckwert erreicht wird, während sauerstoffhaltiges Gas in dem Gasvorratsbehälter gespeichert wird. Somit kann das Batteriebetriebssystem eine weitere Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den Gasvorratsbehälter unterbinden, insbesondere während einer Niedrigleistungs-, Lade- oder Rekuperations-Betriebsart, wenn der Gasvorratsbehälter das maximale Füllniveau erreicht hat.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Fahrzeugbatteriesystem ferner einen Kompressor auf, der dazu eingerichtet ist, gereinigtes sauerstoffhaltiges Gas, das von dem Reinigungsgerät geliefert wird, oder sauerstoffhaltiges Gas, das aus dem Batteriepack zurückströmt, oder beides, bis zu einem vorbestimmten maximalen Gasdruck zu komprimieren und das komprimierte sauerstoffhaltige Gas in dem Gasvorratsbehälter zu speichern. Somit kann das Batteriesystem in unabhängiger Weise sauerstoffhaltiges Gas unter Druck in dem Gasvorratsbehälter speichern, um die Bevorratungseffizienz des Gasvorratsbehälters zu steigern, d.h. die Gasmenge, die darin gespeichert werden kann. Insbesondere ermöglicht der Kompressor die effiziente Wiederbenützung von sauerstoffhaltigem Gas, das während Lade- und Rekuperations-Betriebsarten in dem Batteriepack erzeugt wird, und das effiziente Speichern von überschüssigen Mengen an sauerstoffhaltigem Gas, das während der ersten Betriebsart des Batteriesystems durch das Reinigungsgerät bereitgestellt wird.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsformen ist der Gasvorratsbehälter so bemessen, dass die Menge an Sauerstoff in dem Gasvorratsbehälter, wenn dieser vollständig und bei maximalem Gasdruck mit im Wesentlichen reinem O₂ gefüllt ist, elektrochemisch einem Anteil von mehr als 5 % und weniger als 50 %, vorzugsweise etwa 10 %, der Energiespeicherkapazität des Batteriepacks entspricht. Der Gasvorratsbehälter kann insbesondere so bemessen werden, dass er ein Gasvolumen von 150 Liter oder weniger, vorzugsweise 100 Liter oder weniger, bevorraten kann. Weiterhin ist der besagte maximale Gasdruck vorzugsweise in dem Bereich von 0,1 MPa bis 35 MPa, vorzugsweise im Bereich von 0,2 MPa bis 5 MPa und weiter vorzugsweise in dem Bereich von 0,3 MPa bis 1 MPa. Diese Bereiche bzw. Werte betreffen besonders vorteilhafte Abmessungen und maximale Gasdrücke des Gasvorratsbehälters im Verhältnis zu der Energiespeicherkapazität des Batteriepacks, bei denen einerseits die Größe und das Gewicht des Gasvorratsbehälters ausreichend kleiner ist als es sein müsste, um die gesamte Energiespeicherkapazität des Batteriepacks zu unterstützen, während es dennoch ausreichend groß ist, um eine sinnvolle zweite Betriebsart des Batteriesystems zu unterstützen, z.B. ausgedrückt als mögliche Reichweite in der zweiten Betriebsart.
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 seine 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.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbatteriesystems gemäß dem ersten Aspekt. Das Verfahren weist das Betreiben des Batteriebetriebssystems auf, um die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den Batteriepack so zu steuern, dass, wenn das Batteriesystem in der ersten Betriebsart betrieben wird, der Batteriepack mit von dem Reinigungsgerät abgegebenem sauerstoffhaltigen Gas versorgt wird, und wenn das Batteriesystem in der zweiten Betriebsart betrieben wird, der Batteriepack zusätzlich oder stattdessen mit sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasvorratsbehälter versorgt wird.
Dementsprechend 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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren, wobei:
1 schematisch ein Fahrzeugbatteriesystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 schematisch eine Start-Betriebsart des Fahrzeugbatteriesystems der 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 schematisch eine Niedrigleistungs-Betriebsart des Fahrzeugbatteriesystems der 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 schematisch eine Hochleistungs-Betriebsart des Fahrzeugbatteriesystems der 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 schematisch eine Lade-Betriebsart des Fahrzeugbatteriesystems der 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 schematisch eine Rekuperations-Betriebsart des Fahrzeugbatteriesystems der 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 schematisch eine Abschaltvorbereitungs-Betriebsart des Fahrzeugbatteriesystems der 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Fahrzeugbatteriesystems der 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen, die ein Fahrzeugbatteriesystem 1 gemäß einem bevorzugten, nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel 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, einen Kompressor 4 zum Komprimieren dieses Gases und zum Befüllen des Gasvorratsbehälters 3 mit diesem Gas, ein Reinigungsgerät 5 zum Reinigen von durch den Einlass 8 empfangenem Gas – insbesondere Umgebungsluft – und ein Batteriebetriebssystem 6 auf.
Der Batteriepack 2 weist mindestens eine Batteriezelle (wie dargestellt) mit einer Anode A, die aus einem geeigneten Metall, vorzugsweise Lithium, hergestellt ist oder dieses enthält, auf. Alternativ kann die Anode A auch aus einem leitenden nichtmetallischen Material hergestellt sein. Der Batteriepack 2 weist ferner eine Kathode C auf, die Sauerstoff aus dem sauerstoffhaltigen Gas als ihre elektrochemische Komponente verwendet. Zu diesem Zweck weist die Kathode C ein poröses Material auf, vorzugsweise mesoporösen Kohlenstoff mit Metallkatalysatoren, und 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 Separator S getrennt. Weiterhin weist die Zelle einen Elektrolyten auf, vorzugsweise in fester Form, wie zum Beispiel einen Keramik-, Glas- oder Glas-Keramik-Elektrolyt. In manchen Ausführungsformen ist der Elektrolyt mit dem Separator S als ein Bauteil ausgebildet. Alternativ sind auch andere Formen möglich, insbesondere aprotische, wässrige oder gemischte wässrige-aprotische Formen. In der Praxis weist der Batteriepack 2 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.
Der Gasvorratsbehälter 3 ist ein Gasdrucktank, der einerseits über ein Ventil V1 mit der Kathodenseite des Batteriepacks 2 fluidisch verbunden ist. Andererseits ist der Gasvorratsbehälter 3 über ein Ventil V3 mit dem Kompressor 4 fluidisch verbunden. Zusätzlich kann der Gasvorratsbehälter 3 einen durch ein weiteres Ventil oder eine Dichtung V7 abgedichteten Einlass 7 aufweisen, durch den er direkt mit Gas von einer Batterie-externen Quelle von – vorzugsweise unter Druck stehendem – sauerstoffhaltigem Gas befüllt werden kann. Der Gastank ist so gestaltet, dass er sauerstoffhaltiges Gas mit einer Sauerstoffkonzentration (O₂) von bis zu 100 % bei einem Druck bis zu einem Maximaldruck, der im Bereich von 0,1 MPa bis 35 MPa, vorzugsweise im Bereich von 0,2 MPa bis 5 MPa, weiter bevorzugt im Bereich von 0,3 MPa bis 1 MPa, liegt, enthalten kann. In einer beispielhaften Variante beträgt das Gasvorratsvolumen des Gasvorratsbehälters 3 ungefähr 100 l.
Der Kompressor 4 ist dazu eingerichtet, Gas, insbesondere sauerstoffhaltiges Gas, von dem Reinigungsgerät 5, mit dem er über ein weiteres Ventil V4 fluidisch verbunden ist, zu erhalten. Der Kompressor 4 ist dazu eingerichtet, das empfangene Gas bis zu einem Druckwert, der kleiner oder gleich dem besagten Maximaldruck des Gasvorratsbehälters 3 ist, zu komprimieren. Zusätzlich ist ein Einlass des Kompressors 4 fluidisch durch ein weiteres Ventil V2 mit der Kathodenseite des Batteriepacks 2 verbunden, um von dieser sauerstoffhaltiges Gas, das während einer Lade- oder Rekuperations-Betriebsart erzeugt wird, zu empfangen, dieses Gas zu komprimieren und es in dem Gasvorratsbehälter 3 zu speichern, wie nachfolgend genauer beschrieben wird.
Das Reinigungsgerät 5 ist ein aktives elektrisch betriebenes System zum Reinigen von durch einen Einlass 8 empfangenem Gas – insbesondere Umgebungsluft – von Verunreinigungen, wie zum Beispiel Feuchtigkeit, Schmutzpartikel und CO₂. Der Einlass 8 kann durch ein weiteres Ventil V6 abgedichtet sein, wenn er nicht benutzt wird. Das Reinigungsgerät kann insbesondere eine elektrische Pumpe zum Erzeugen eines Stroms von zu reinigendem Gas durch ein Filtermaterial und/oder einen Bereich, der von einem elektrischen Feld zum Entfernen von geladenen Partikeln durchsetzt ist, aufweisen. Das Reinigungsgerät wird mit elektrischer Energie betrieben, die durch den Batteriepack 2 bereitgestellt wird. Ein Auslass des Reinigungsgeräts ist fluidisch über ein weiteres Ventil V5 mit der Kathodenseite des Batteriepacks 2 verbunden, um diese mit gereinigtem sauerstoffhaltigen Gas während bestimmter Betriebsarten des Batteriesystems zu versorgen, wie nachfolgend im Detail beschrieben ist.
Zusätzlich weist das Batteriesystem Sensoren 9, 10 und 11 auf. Insbesondere kann jeder der Sensoren selbst ein Sensorsystem sein, das mehrere einzelne Sensoren des gleichen oder eines anderen Typs aufweist. Sensor 9, der sich in dem Gasvorratsbehälter 3 befindet, ist dazu eingerichtet, die Konzentration oder Menge an O₂ und dessen Druck in dem sauerstoffhaltigen Gas zu messen, welches in dem Gasvorratsbehälter bevorratet ist oder durch diesen bereitgestellt wird. Sensor 10 befindet sich in der fluidischen Verbindungsleitung zwischen dem Kompressor 4 und dem Gasvorratsbehälter 3 und ist dazu eingerichtet, die momentane Lieferrate des Reinigungsgeräts an gereinigtem sauerstoffhaltigen Gas und die Konzentration oder Menge von darin enthaltenem O₂ zu messen. Sensor 11 befindet sich in der fluidischen Verbindungsleitung zwischen dem Reinigungsgerät und der Kathodenseite des Batteriepacks 2. Er ist dazu eingerichtet, die Konzentration oder Menge an O₂ in dem sauerstoffhaltigen Gas zu messen, das während entsprechender Betriebsarten dem Batteriepack durch das Reinigungsgerät zur Verfügung gestellt wird. Des Weiteren sind Sensoren 10 und 11 dazu eingerichtet, die Konzentration oder Menge an Verunreinigungen in dem gereinigten sauerstoffhaltigen Gas zu messen, das dem Gasvorratsbehälter 3 bzw. dem Batteriepack 2 durch das Reinigungsgerät zur Verfügung gestellt wird.
Das Batteriesystem 6 weist eine oder mehrere zur Steuerung des Batteriesystems ausgelegte Steuerungseinheiten auf. Das Batteriesystem steht in Kommunikationsverbindung (nicht dargestellt) mit einem oder mehreren anderen Komponenten des Batteriesystems 1, insbesondere mit dem Reinigungsgerät 5, den Ventilen V1 bis V7 und den Sensoren 9 bis 11, z.B. durch Kabel, optische Fasern oder eine drahtlose Verbindung. Das Batteriesystem 6 ist insbesondere dazu eingerichtet, Signale zu empfangen, die Messdaten von einem oder mehreren der Sensoren 9 bis 11 und Statusinformationen (z.B. „offen“ oder „geschlossen“) von einem oder mehreren der Ventile V1 bis V7 übermitteln. Das Batteriebetriebssystem 6 ist weiter dazu eingerichtet, Steuerungssignale an eines oder mehrere der Ventile V1 bis V7 zu senden, um diese in einen geöffneten bzw. geschlossenen Zustand umzustellen, und an das Reinigungsgerät 5 und den Kompressor 4, um deren Betrieb entsprechend zu steuern.
Das Batteriesystem 1 weist auch einen zweiten Batteriepack 12 auf, der im Gegensatz zu dem Batteriepack 2 nicht vom Metall-Sauerstoff-Typ ist und der eine Anode A2, eine Kathode C2 und einen Separator S2 aufweist, der die Anodenseite von der Kathodenseite trennt, wie es für viele Arten von Batteriezellen inklusive Lithium-Ionen-Zellen üblich ist. Der zweite Batteriepack kann vorteilhafterweise dazu benutzt werden, die gesamte Batteriekapazität, die dem Fahrzeug zur Verfügung steht, zu vergrößern und dessen Reichweite zu vergrößern, insbesondere, wenn das Metall-Sauerstoff-Batteriesystem 1 versagt, z.B. wenn dessen Reinigungsgerät 5 defekt ist und der Inhalt des Gasvorratsbehälters 3 aufgebraucht ist.
Die 2 bis 7 veranschaulichen weitere verschiedene Betriebsarten des Batteriesystems der 1. Insbesondere veranschaulicht 2 eine Start-Betriebsart des Batteriesystems, bei der das Batteriebetriebssystem 6 das Batteriesystem 1 in der Weise steuert, dass sauerstoffhaltiges Gas von dem Gasvorratsbehälter 3 durch das offene Ventil V1 der Kathodenseite des Batteriepacks 2 zur Verfügung gestellt wird und somit dessen Betrieb zum Bereitstellen von elektrischer Energie durch bekannte chemische Reaktionen, die in dem Batteriepack 2 stattfinden, auslöst. Während dieser Betriebsart warten das Reinigungsgerät 5 und der Kompressor 4 zunächst, bis der Batteriepack 2 genug elektrische Leistung bereitstellt, dass das Reinigungsgerät 5 und der Kompressor 4 ihren Betrieb zum Versorgen des Batteriepacks mit gereinigtem sauerstoffhaltigem Gas aus einer Batterie-externen Gasquelle, wie zum Beispiel der Erdatmosphäre, aufnehmen können.
Eine weitere Betriebsart des Batteriesystems 1 ist ein Störungsbetrieb, in den übergegangen wird, wenn das Reinigungsgerät 5 nicht funktioniert, d.h. wenn es defekt ist. Das Batteriesystem 1 wird dann durch das Batteriebetriebssystem 6 in ähnlicher Weise wie in 2 dargestellt gesteuert, d.h. der Batteriepack 2 wird ausschließlich mit sauerstoffhaltigem Gas aus dem Gasvorratsbehälter 3 versorgt, während die Fluidleitung zu dem Reinigungsgerät 5 gesperrt ist (Ventil V5 geschlossen) und sowohl der Kompressor 4 als auch das Reinigungsgerät 5 abgeschaltet sind. Diese Betriebsart ist insbesondere dazu geeignet, dass es dem Batteriesystem 2 ermöglicht wird, das Fahrzeug ausreichend anzutreiben, um zumindest ein Ziel in mittlerer Entfernung, wie zum Beispiel eine Werkstatt, zu erreichen, wenn das Reinigungsgerät 5 während einer Fahrt ausfällt.
Gesteuert durch das Batteriebetriebssystem 6 wird das Batteriesystem 1 typischerweise aus der Start-Betriebsart der 2 in die Niedrigleistungs-Betriebsart, die in 3 veranschaulicht ist, übergehen. Nach diesem Übergang wird die fluidische Verbindung zwischen dem Gasvorratsbehälter 3 und dem Batteriepack 2 unterbrochen (Ventil V1 geschlossen) und das für den Betrieb des Batteriepacks 2 nötige sauerstoffhaltige Gas wird durch das Reinigungsgerät 5 bereitgestellt (Ventile V5 und V6 offen), welches wiederum durch elektrische Energie betrieben wird, die durch den Batteriepack 2 bereitgestellt wird. Wenn in dieser Niedrigleistungs-Betriebsart die Lieferrate des Reinigungsgeräts an sauerstoffhaltigem Gas höher ist als der Bedarf des Batteriepacks 2, wird das überschüssige gereinigte Gas, das durch das Reinigungsgerät 5 bereitgestellt wird, durch den Kompressor 4 komprimiert und in dem Gasvorratsbehälter 3 zur späteren Verwendung gespeichert (Ventile V3 und V4 offen).
Wenn der Batteriepack 2 mehr elektrische Leistung erbringen muss, z.B. für eine starke Beschleunigung des Fahrzeugs, wird das Batteriesystem 1 durch das Batteriebetriebssystem 6 so gesteuert, dass es in eine Hochleistungs-Betriebsart übergeht, die durch 4 veranschaulicht wird. Hier wird der Batteriepack 2 mit sauerstoffhaltigem Gas sowohl von dem Gasvorratsbehälter 3 (insbesondere mit Sauerstoff angereicherter Luft oder sogar reinem Sauerstoff) als auch von dem Reinigungsgerät 5 versorgt (Ventile V1, V5, V6 offen). Somit wird die Versorgung des Batteriepacks 2 mit Sauerstoff erhöht, so dass er seine elektrische Ausgangsleistung bis zu einem Maximalwert erhöhen kann.
5 veranschaulicht eine Lade-Betriebsart des Batteriesystems 1, bei der eine geeignete externe Spannung, die z.B. durch eine Fahrzeug-externe Ladestation bereitgestellt wird, zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite des Batteriepacks 2 angelegt wird, um die Batterie wieder aufzuladen. Die chemischen Reaktionen, die während des Ladevorgangs in dem Batteriepack 2 stattfinden, erzeugen an der Kathodenseite Sauerstoff (O₂), der durch den Kompressor 4 geleitet wird (Ventil V2 offen), komprimiert wird und in dem Gasvorratsbehälter 3 zum späteren Gebrauch gespeichert wird (Ventil V3 offen). Wahlweise kann der Gasvorratsbehälter 3 zusätzlich wieder mit – typischerweise unter Druck stehendem – sauerstoffhaltigem Gas durch den Einlass 7 (Ventil V7 offen) befüllt werden (nicht dargestellt).
6 veranschaulicht eine Rekuperations-Betriebsart des Batteriesystems 1. Eine Rekuperations-Betriebsart ist eine Betriebsart, bei der eine oder mehrere Komponenten des Fahrzeugs, insbesondere Wirbelstrombremsen, elektrische Energie erzeugen und selbige dem Batteriepack 2 zur Verfügung stellen, um diesen zumindest teilweise wieder aufzuladen, während das Fahrzeug betrieben wird. In ähnlicher Weise wie bei der Lade-Betriebsart der 5 wird Sauerstoff an der Kathodenseite des Batteriepacks 2 erzeugt, dem Kompressor 4 zugeführt, komprimiert und in dem Gasvorratsbehälter 3 gespeichert. Allerdings ist zusätzlich auch das Reinigungsgerät 5 in Betrieb und liefert gereinigtes sauerstoffhaltiges Gas an den Kompressor 4, damit dieses in dem Gasvorratsbehälter 3 gespeichert wird. Mit anderen Worten, im Gegensatz zu der Lade-Betriebsart der 5 wird der kontinuierliche Betrieb des Batteriesystems 1 fortgeführt (z.B. entsprechend der Niedrigleistungs-Betriebsart), während zusätzlich – zumindest über kürzere Zeitabschnitte, wie zum Beispiel Bremsphasen – an der Kathodenseite des Batteriepacks 2 erzeugtes sauerstoffhaltiges Gas in dem Gasvorratsbehälter 3 gespeichert wird.
Schließlich veranschaulicht 7 eine Abschaltvorbereitungs-Betriebsart des Batteriesystems 1 der 1. Diese Betriebsart ist der in 3 veranschaulichten Niedrigleistungs-Betriebsart ähnlich. In die Abschaltvorbereitungs-Betriebsart wird kurz vor dem Abschalten des Batteriesystems übergegangen, z.B. wenn das durch das Batteriesystem 1 betriebene Fahrzeug geparkt wird. Die Abschaltvorbereitungs-Betriebsart bleibt so lange aktiviert, wie es nötig ist, um genug sauerstoffhaltiges Gas in dem Gasvorratsbehälter 3 zu speichern, um eine nachfolgende Start-Betriebsart zu ermöglichen. Einer oder mehrere der Sensoren 9 bis 11 messen die Menge oder Konzentration an sauerstoffhaltigem Gas, das sich bereits in dem Gasvorratsbehälter 3 befindet bzw. dem Gasvorratsbehälter 3 zugeführt wird, und die Messergebnisse werden durch entsprechende Signale dem Batteriebetriebssystem zur Verfügung gestellt.
Es wird jetzt auch auf die 8 Bezug genommen, die allgemein eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung veranschaulicht. Dieses Verfahren wird insbesondere im Zusammenhang mit dem beispielhaften Fahrzeugbatteriesystem der 1 und seinen Betriebsarten, die im Detail anhand der 2 bis 7 veranschaulicht sind, beschrieben. In einem ersten Schritt S1 empfängt das Batteriebetriebssystem Signale von einer Signalquelle, wie zum Beispiel einer Steuerungseinheit des das Batteriesystem 1 aufweisenden Fahrzeugs, wobei die Signale Informationen übermitteln bezüglich der Betriebsart, in die das Batteriesystem 1 übergehen soll. Zusätzlich oder alternativ kann das Batteriebetriebssystem 6 Signale von einem oder mehreren der Sensoren 9 bis 11 oder anderen Sensoren empfangen, wobei das Batteriebetriebssystem 6 aus diesen Signalen ableitet, in welche Betriebsart es übergehen soll. Falls das Batteriebetriebssystem 6 Signale sowohl von der Steuerungseinheit des Fahrzeugs als auch von einem oder mehreren der Sensoren empfängt, können die Sensordaten insbesondere dazu benutzt werden, um zu überprüfen, ob die in dem von der Steuerungseinheit empfangenen Signal angedeutete Betriebsart zu den in den Sensorsignalen angedeuteten Messwerten passt. Es ist dann möglich, dass eine Änderung der Betriebsart nur dann veranlasst wird, wenn es eine ausreichende Übereinstimmung gibt. Anderenfalls kann die momentane Betriebsart beibehalten und gegebenenfalls eine Fehlermeldung ausgegeben werden.
Nachdem ein Signal, das andeutet, dass das Batteriesystem 1 in eine neue Betriebsart übergehen soll, erfolgreich empfangen und/oder überprüft wurde, veranlasst das Batteriebetriebssystem 6 das Batteriesystem in einem zweiten Schritt S2, in diese ausgewählte Betriebsart überzugehen. Wenn die ausgewählte Betriebsart einer ersten Betriebsart entspricht, d.h. einer Betriebsart, bei der die Versorgungsrate von sauerstoffhaltigem Gas von dem Reinigungsgerät ausreicht, um den Batteriepack 2 zu versorgen, oder einer dritten Betriebsart, d.h. einer Betriebsart, bei der überhaupt keine Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den Batteriepack 2 nötig ist, wird das Ventil V1 so gesteuert, dass es geschlossen ist, so dass von dem Gasvorratsbehälter 3 kein Gas an den Batteriepack 2 geliefert wird. Wenn dagegen die gewählte Betriebsart nicht einer ersten Betriebsart, sondern vielmehr einer zweiten Betriebsart entspricht, d.h. einer Betriebsart, bei der der Batteriepack 2 – zumindest zusätzlich – mit sauerstoffhaltigem Gas aus dem Gasvorratsbehälter 3 versorgt werden muss, wird Ventil V1 so gesteuert, dass es offen ist, so dass sauerstoffhaltiges Gas von dem Gasvorratsbehälter 3 zu der Kathodenseite des Batteriepacks 2 strömen kann, so dass die für die Erzeugung von elektrischer Energie verantwortlichen chemischen Reaktionen stattfinden können. Nachdem eine neue Betriebsart begonnen hat, kehrt die Steuerungsgruppe zum Schritt S1 zurück. Die verschiedenen in 8 angedeuteten Betriebsarten wurden bereits anhand der 2 bis 7 veranschaulicht und obenstehend im Detail diskutiert.
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.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeugbatteriesystem
2: Metall-Sauerstoff-Batteriepack
3: Gasvorratsbehälter
4: Kompressor
5: Reinigungsgerät
6: Batteriebetriebssystem
7: Gasvorratsbehältereinlass (zum Empfangen von Gas von einer Batterie-externen Quelle)
8: Reinigungsgeräteinlass (zum Empfangen von Gas aus einer Batterie-externen Quelle)
9 bis 11: Sensoren
12: Zweiter Batteriepack
V1 bis V5: Ventile
A: Anode des Metall-Sauerstoff-Batteriepacks
C: Kathode des Metall-Sauerstoff-Batteriepacks
CC: Stromabnehmer der Kathode C
S: Separator des Metall-Sauerstoff-Batteriepacks
A1: Anode des zweiten Batteriepacks
C1: Kathode des zweiten Batteriepacks
S1: Separator des zweiten Batteriepacks

Claims

Fahrzeugbatteriesystem (1), aufweisend: einen Metall-Gas-Batteriepack (2), der dazu eingerichtet ist, elektrische Leistung abzugeben; einen Gasvorratsbehälter (3), der dazu eingerichtet ist, sauerstoffhaltiges Gas zu bevorraten und der mit dem Batteriepack (2) in Wirkverbindung steht, um an diesen Batteriepack (2) sauerstoffhaltiges Gas zu liefern; ein Gasreinigungsgerät (5), das dazu eingerichtet ist, sauerstoffhaltiges Gas zu empfangen, insbesondere Umgebungsluft, um dieses Gas von Verunreinigungen zu reinigen und um das gereinigte sauerstoffhaltige Gas an diesen Batteriepack (2) zu liefern; und ein Batteriebetriebssystem (6), das dazu eingerichtet ist, das Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas von dem Reinigungsgerät (5) und dem Gasvorratsbehälter (3) an den Batteriepack (2) zu steuern; wobei das Batteriesystem (1) mindestens zwei Betriebsarten hat, darunter: eine erste Betriebsart, die einen ersten Leistungsausgangspegel benötigt, der kleiner oder gleich einem zweiten Leistungspegel ist, der in elektrochemischer Hinsicht der maximalen Sauerstoffzufuhrrate des Reinigungsgeräts (5) in der ersten Betriebsart entspricht, und mindestens eine zweite Betriebsart, die einen dritten Leistungsausgangspegel benötigt, der größer ist als der zweite Leistungspegel; und wobei das Batteriebetriebssystem (6) dazu eingerichtet ist, die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den Batteriepack (2) so zu steuern, dass, wenn das Batteriesystem (1) in der ersten Betriebsart betrieben wird, der Batteriepack (2) mit von dem Reinigungsgerät (5) abgegebenem sauerstoffhaltigen Gas versorgt wird, und dass, wenn das Batteriesystem (1) in der zweiten Betriebsart betrieben wird, der Batteriepack (2) zusätzlich oder stattdessen mit sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasvorratsbehälter (3) versorgt wird.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach Anspruch 1, wobei die zweite Betriebsart des Batteriesystems (1) eine der folgenden ist: – eine Hochleistungs-Betriebsart, die einen Leistungsausgangspegel des Batteriepacks (2) benötigt, der höher ist als der Leistungspegel, der in elektrochemischer Hinsicht der maximalen Lieferrate von gereinigtem Gas des Reinigungsgeräts (5) in egal welcher Betriebsart des Batteriesystems (1) entspricht; – eine Start-Betriebsart, während welcher das Reinigungsgerät (5) an den Batteriepack (2) keinen oder zumindest unzureichenden Sauerstoff, um ihn auf Normalbetrieb hochzufahren, liefert; – eine Störungs-Betriebsart, bei der das Gasreinigungsgerät wegen einer Störung nicht oder zumindest nicht vollständig betriebsbereit ist.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriesystem (1) in der ersten Betriebsart so betrieben werden kann, dass: der erste Leistungsausgangspegel niedriger ist als der zweite Leistungspegel; das Reinigungsgerät (5) mehr gereinigtes sauerstoffhaltiges Gas liefert als das, was durch den Batteriepack (2) bei dem ersten Leistungsausgangspegel verbraucht wird; und dieser Überschuss an gereinigtem sauerstoffhaltigen Gas zumindest teilweise in dem Gasvorratsbehälter (3) gespeichert wird.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach Anspruch 3, wobei die erste Betriebsart eine der folgenden ist: – eine Niedrigleistungs-Betriebsart, bei der der Leistungsausgangspegel deutlich unter dem zweiten Leistungspegel liegt; – eine Abschaltvorbereitungs-Betriebsart, die eingeleitet wird, bevor das Batteriesystem (2) abgeschaltet wird, und wobei genügend überschüssiges gereinigtes sauerstoffhaltiges Gas in dem Gasvorratsbehälter gespeichert wird, um ein Starten des Batteriesystems nach dem Abschalten mit dieser gespeicherten Menge an gereinigtem sauerstoffhaltigen Gas zu ermöglichen.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriesystem (1) mindestens eine dritte Betriebsart hat, während welcher der Batteriepack (2) zumindest teilweise aufgeladen wird, wodurch sauerstoffhaltiges Gas zum Speichern in dem Gasvorratsbehälter (3) erzeugt wird.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriesystem (1) weiterhin einen oder mehrere Sensoren (9, 10, 11) aufweist, die dazu eingerichtet sind, eines oder mehrere der folgenden Dinge zu ermitteln: – die momentane Lieferrate von gereinigtem sauerstoffhaltigen Gas durch das Reinigungsgerät (5); – die Konzentration oder Menge an O₂ in dem gereinigten sauerstoffhaltigen Gas, das durch das Reinigungsgerät (5) bereitgestellt wird; – die Konzentration oder Menge an O₂ in dem sauerstoffhaltigen Gas, das in dem Gasvorratsbehälter (3) bevorratet oder durch diesen bereitgestellt wird; – die Konzentration oder Menge an Verunreinigungen in dem gereinigten sauerstoffhaltigen Gas, das durch das Reinigungsgerät (5) bereitgestellt wird.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriebetriebssystem (6) dazu eingerichtet ist, die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den Batteriepack (2) so zu steuern, dass, wenn das Batteriesystem (1) in der zweiten Betriebsart betrieben wird und das sauerstoffhaltige Gas in dem Gasvorratsbehälter (3) eine höhere Sauerstoffkonzentration als das durch das Reinigungsgerät (5) bereitgestellte Gas hat, dem Batteriepack (2) eine Mischung an gereinigtem sauerstoffhaltigen Gas von dem Reinigungsgerät (5) und sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasvorratsbehälter (3) zugeführt wird, wobei, wenn ein Soll-Leistungsausgangspegel des Batteriepacks (2) erhöht wird, der Anteil an sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasvorratsbehälter (3) in der Mischung entsprechend erhöht wird, damit der Batteriepack (2) elektrische Energie entsprechend diesem Soll-Leistungsausgangspegel liefern kann.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach Anspruch 7, wobei das Batteriebetriebssystem (6) weiter dazu eingerichtet ist, die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den Batteriepack (2) so zu steuern, dass, wenn ein Soll-Leistungsausgangspegel des Batteriepacks über einen vorbestimmten Wert erhöht wird, der Anteil an sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasvorratsbehälter (3) in der Mischung im Wesentlichen 100 % ist.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend einen oder mehrere Drucksensoren (9, 10, 11), die dazu eingerichtet sind, den Gasdruck des sauerstoffhaltigen Gases in dem Gasvorratsbehälter (3) zu messen und ein Signal an das Batteriebetriebssystem (6) abzugeben, wenn ein vorbestimmter maximaler Gasdruckwert erreicht wird, während sauerstoffhaltiges Gas in dem Gasvorratsbehälter (3) gespeichert wird.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend einen Kompressor (4), der dazu eingerichtet ist, gereinigtes sauerstoffhaltiges Gas, das von dem Reinigungsgerät (5) geliefert wird, oder sauerstoffhaltiges Gas, das aus dem Batteriepack (2) zurückströmt, oder beides, bis zu einem vorbestimmten maximalen Gasdruck zu komprimieren und das komprimierte sauerstoffhaltige Gas in dem Gasvorratsbehälter (3) zu speichern.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Gasvorratsbehälter (3) so bemessen ist, dass die Menge an Sauerstoff in dem Gasvorratsbehälter (3), wenn dieser vollständig bei maximalem Gasdruck mit im Wesentlichen reinem O₂ gefüllt ist, elektrochemisch einem Anteil von mehr als 5 % und weniger als 50 %, vorzugsweise etwa 10 %, der Energiespeicherkapazität des Batteriepacks (2) entspricht.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der besagte maximale Gasdruck in dem Bereich von 0,1 MPa bis 35 MPa, vorzugsweise im Bereich von 0,2 MPa bis 5 MPa und weiter vorzugsweise in dem Bereich von 0,3 MPa bis 1 MPa liegt.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasvorratsbehälter (3) so bemessen ist, dass er ein Gasvolumen von 150 Liter oder weniger, vorzugsweise 100 Liter oder weniger, bevorraten kann.
Fahrzeugbatteriesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend einen zweiten Batteriepack (12), der nicht vom Metall-Sauerstoff-Typ ist.
Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbatteriesystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren aufweist: das Betreiben des Batteriebetriebssystems (6), um die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas an den Batteriepack (2) so zu steuern, dass, wenn das Batteriesystem in der ersten Betriebsart betrieben wird, der Batteriepack (2) mit von dem Reinigungsgerät (5) abgegebenem sauerstoffhaltigen Gas versorgt wird, und wenn das Batteriesystem in der zweiten Betriebsart betrieben wird, der Batteriepack (2) zusätzlich oder stattdessen mit sauerstoffhaltigem Gas von dem Gasvorratsbehälter (3) versorgt wird.