DE202019101228U1 - Batteriespeichersystem - Google Patents

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Abstract

Batteriesystem (10, 100, 110) umfassend eine Batterieaufnahmeeinrichtung (20) und eine oder mehrere Batterieeinheiten (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (30) bidirektional induktiv miteinander und/oder mit der Batterieaufnahmeeinrichtung (20) zum Auf- und Entladen koppelbar sind, und die Batterieaufnahmeeinrichtung (20) mit einer externen elektrischen Energiequelle und/oder Energiesenke verbindbar ist, die Batterieeinheit (30) eine Spuleneinheit (42) umfasst und die Batterieaufnahmeeinrichtung (20) für jede aufnehmbare Batterieeinheit (30) eine Lageraufnahme (50) mit einer magnetisch komplementär koppelbaren Spuleneinheit (26,60) zum werkzeuglos wechselbaren Einschub und Entnahme einer Batterieeinheit (30) umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Batteriespeichersystem umfassend eine Batterieaufnahmeeinrichtung und eine oder mehrere Batterieeinheiten mit bidirektionaler induktiver Koppelung der einzelnen Batterieeinheiten miteinander und/oder mit der Batterieaufnahmeeinrichtung bei gleichzeitig mechanischer Trennung und werkzeugfreier Austauschbarkeit der Batterieeinheiten.
  • STAND DER TECHNIK
  • Aus dem Stand der Technik sind Batteriespeicher, sowohl in Einzelzellen, also auch parallel und seriell verschaltet, dem Fachmann hinreichend bekannt. Unter Batterie sollen weiterhin Batteriespeicher mit Sekundärzellen, insbesondere Akkumulatoren als wiederaufladbaren Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis verstanden werden.
  • Um höhere Spannungen zu erreichen werden in der Technik einzelne Zellen in Serie geschaltet bis eine Spannung zwischen 14 Volt und 60 Volt Ladeendspannung erreicht wird. Als Batteriezellen können alle bekannten elektrochemischen Sekundärelemente, wie Lithium-Ionen-Batterien, Bleibatterien, Nickel-Metall-Hydrid-Batterien, Metall-Luft-Batterien und Redox-Flow-Batterien verwendet werden. In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind auch Brennstoffzellen-Einschübe und Einschübe von Primärbatterien verwendbar. Primärbatterien sind z.B. Metall-Luft-Batterien, Zink-Koh le-Batterien.
  • Um höhere Ströme zu erreichen werden Batterien parallel verbunden. Im Beispiel von Lithium-Ionen-Batterien werden einzelne Zellen sowohl parallel als auch seriell verbunden. Ein Beispiel für Lithium-Ionen-Batterien ist die Verbindung von 14 Rund- zellen-Paketen und jeweils 6 Zellen parallel. Ein anderes Beispiel ist die Verschaltung von quaderförmigen Flachzellen.
  • Für die Anwendung von Batteriespeichern im Netzbetrieb oder im Netzersatzbetrieb für den Bereich von 230 Volt oder 400 Volt oder 480 Volt (Drehstrom) ist es notwendig die Gleichspannung und den Gleichstrom (DC) der Batterie (DC(!)) in eine Wechselspannung und Wechselstrom (AC) zu überführen und diese dann mittels Transformator auf das gewünschte Niveau anzuheben. Dies geschieht über einen DC(1)-AC(1)-AC(2)-Wechselrichter. Je nach Ausgangsspannung wird noch eine DC(2)-Hochstellstufe zusätzlich verwendet. Dann handelt es sich um einen DC(1)-DC(2)-AC(1)-AC(2)-Wechselrichter oder Gleichrichter mit zusätzlicher Anpassung an Nutzstrom und Nutzspannung, die in der Regel galvanisch miteinander verbunden sind. Um gleichzeitig die Batterie wieder aufladen zu können ist, ist eine bidirektionale Verwendung der Leistungselektronik wünschenswert. Alles bis hier beschriebene ist Stand der Technik und in einer Vielzahl von Produkten am Markt erhältlich.
  • Nachteilig am Stand der Technik ist eine komplizierte Handhabung beim Aufladen und Entladen der Batterien. Durch galvanische Verbindungen der Batterien mit Auf- und Entladestationen sind elektrische Kontaktstellen zu verbinden und zu lösen, wobei zum einen die Gefahr von Fehlbedienung / Kurzschlüssen und mechanischen Beschädigungen existiert, andererseits eine Gefährdung der Betriebssicherheit und der handelnden Personen besteht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Batteriesystem vorzuschlagen, dass einen vereinfachten, fehlerminimierten Umgang bei hoher Betriebssicherheit zum Laden und Entladen von Batterieeinheiten für eine Vielzahl von Anwendungsfällen ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Batteriesystem nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Erfindungsgemäß werden eine Batterieaufnahmeeinrichtung und eine oder mehrere Batterieeinheiten vorgeschlagen, wobei die Batterieeinheit bidirektional induktiv miteinander und/oder mit der Batterieaufnahmeeinrichtung zum Auf- und Entladen koppelbar ist. Die Batterieaufnahmeeinrichtung ist mit einer externen elektrischen Energiequelle und/oder Energiesenke verbindbar. Jede Batterieeinheit umfasst eine Spuleneinheit und die Batterieaufnahmeeinrichtung umfasst für jede aufnehmbare Batterieeinheit eine Lageraufnahme mit einer magnetisch komplementär koppelbaren Spuleneinheit zum werkzeuglos wechselbaren Einschub und Entnahme einer Batterieeinheit.
  • Mit anderen Worten wird ein Batteriespeichersystem beschrieben in dem eine oben beschriebene AC(1)-AC(2)-Hochstufung auf zwei räumlich getrennte Einheiten, der Batterieeinheit und der Batterieaufnahmeeinrichtung verteilt sind. Das hat zur Folge, dass die Gesamtkapazität des Gesamtspeichers des Batteriesystems nun galvanisch getrennt in einzelne Packungseinheiten der Batterieeinheiten separiert werden kann.
  • Im Folgenden soll der Begriff Batterieeinheit für die Batteriezellen mit zusätzlicher Elektronik und einer Spuleneinheit in einem im Wesentlichen gekapselten Gehäuse stehen. Der Begriff Batterieaufnahmeeinrichtung steht für ein Gehäuse oder einen Schrank mit Lageraufnahmen und komplementären Spuleneinheiten, die einzelne Batterieeinheit aufnimmt. Die Batterieaufnahmeeinrichtung enthält mindestens eine oder mehrere aufnehmende Spuleneinheiten AC(2) und eine nachfolgende Leistungselektronik.
  • Erfindungsgemäß findet eine berührungslose Verbindung der Batterieeinheiten in ihrem Gehäuse mit der Batterieaufnahmeeinrichtung durch Induktion statt. Die Batteriezellen und die Elektronik für die jeweilige Packungseinheit der Batterieeinheiten befinden sich in einem abgeschlossenen, im Wesentlichen gekapselten und vorzugsweise wasserdichten Gehäuse, dem Batteriegehäuse, wobei mehrere Einzelzellen zu einer Packungseinheit der Batterieeinheiten zusammengefasst sein können. Die Batterieeinheit kann ein Batterie-Management-System (BMS), Kommunikationsschnittstellen, Sicherungen, einen Gleichrichter, einen Zerhacker / Wechselrichter und eine Spulenwicklung [DC(1)-DC{2)-AC(2)] umfassen, die als Spuleneinheit bezeichnet wird und einer Hälfte eins Transformators entspricht, der vorzugsweise ein Wicklungsverhältnis von 10-30 aufweisen kann. Zusätzlich können weitere Elektronik, wie ein Temperaturmesssensor, ein Spannungssensor und eine Datenspeichereinheit in der Batterieeinheit umfasst sein.
  • Der große Vorteil dieser Bauweise ist, dass die Batterieeinheit in ihrem Gehäuse während des laufenden Betriebes entfernt und ausgetauscht werden kann, und das sicher und ohne elektrisches Fach-Wissen(„hot-swappable“).
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Spuleneinheit der Batterieeinheit und die Spuleneinheit der Batterieaufnahmeeinrichtung mechanisch trennbar mit einem maximalen Abstand der AC-AC-Spule von 110mm, bevorzugt 100 mm, besonders bevorzugt 10 mm und insbesondere 1 mm. Der Abstand kann durch zumindest eine batterieseitige, bevorzugt durch jeweils durch eine dünne, eine Spule oder Spulenanordnung der Spuleneinheit überdeckende Spulenkoppelplatte, die vorzugsweise gleichzeitig als Seitenwand eines Gehäuses der Batterieeinheit ausgelegt ist, bereitgestellt werden. Vorteilhaft kann die Spulenkoppelplatte segmentierte ferromagnetische Teilbereiche aufweisen, die an Kontaktflächen eines Ferritkern-Halbschale der Spulenanordnung ausgebildet ist, so dass ein im wesentlichen durchgängiger Magnetfeldschluss der Ferritkern-Halbschalen sich gegenüberliegender Spuleneinheiten erreicht werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst zumindest eine Spuleneinheit eine einzelne Spule, die als im Wesentlichen als elliptische langestreckte Flachspule ausgeformt ist, wobei bevorzugt eine Spulenwindung aus einer Hochfrequenzlitze besteht und die Spuleneinheit in ihren mechanischen Dimensionen und elektromagnetischen Parametern für einen Frequenzbereich von 50-100kHz, insbesondere für 70kHz Betriebsfrequenz optimiert ist. Bevorzugt ist die Spule in einem Halbschalengehäuse, insbesondere aus Aluminium angeordnet ist, und ist in einer Ferritkern-Halbschale aus segmentierten Ferritelementen eingebettet, so dass die Spuleneinheit ein Verhältnis von Dicke zu Länge/Breite von zumindest 1:5, bevorzugt 1:8, insbesondere 1:10 oder höher aufweist. Insofern wird eine besonders dünne, flächig ausgedehnte Spuleneinheit aufgebaut, die sich hervorragend als Abdeckung einer Seitenfläche einer Batterieeinheit mit geringer Bautiefe eignet. Aufgrund des einfachen Aufbaus innerhalb einer Halbschale kann sowohl Spule als auch Ferritkern-Halbschale modular aufgebaut und einfach maschinell zusammengefügt werden. In dem Halbschalengehäuse kann weiterhin ein Aufnahmebereich für eine Sensorelektronik einer NFC-Einheit, insbesondere Bluetooth oder RFID vorgesehen sein, und die Spuleneinheiten von Batterieeinheit und Batterieaufnahmeeinrichtung identisch komplementär aufgebaut sein. Insbesondere ist die Spuleneinheit spiegelsymmetrisch bezüglich Ihrer Längsachse aufgebaut, um in der Batterieeinheit und Batterieaufnahmeeinrichtung als Gleichteil einsetzbar zu sein. Insofern beinhaltet auf Seiten der Batterieeinheit die Spuleneinheit mit NFC-Einheit und Induktionsspule alle Verbindungs- und Kommunikationselemente gegenüber der Außenwelt, die über eine einzige Gehäuseseite, bevorzugt die flächenmässig kleinste Gehäuseseite, die Stirnseite eines in der Regel quaderförmigen Gehäuses kontaktierbar ist.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform können mehrere in einer Batterieaufnahmeeinrichtung aufgenommene Batterieeinheiten eine elektrische Gesamtkapazität von 1.5 kWh bis 1700 kWh bereitstellen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform können zumindest zwei oder mehrere Batteriesysteme zwei oder mehreren Batteriesysteme zu einem größeren Systemkomplex verschaltet sind.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Batterieeinheit und/oder jede Lageraufnahme eine mechanische und/oder eine magnetische Verriegelungseinheit zur lösbaren Verriegelung einer auswechselbaren Batterieeinheit umfasst sein. Die Verriegelungseinheit kann eine lagerichtige Einführung der Batterieeinheit in die Lageraufnahme und/oder ein unbeabsichtigte Entnahme der Batterieeinheit bevorzugt in einer Lade-/ und oder Endladephase verhindern. Eine mechanische Verriegelungseinheit kann beispielsweise mechanische Sperrstrukturen in der Gehäuseform der Batterieeinheit und/oder der Einschuböffnung der Lageraufnahme zum Verhindern einer fehlerhaften Lageorientierung beim Einschub der Batterieeinheit umfassen, auch keine durch ein Betätigungselement aktivierbare Auszugssperre ein unbeabsichtigtes Herausziehen aus der Lageraufnahme verhindern, so dass nach Verriegeln der Batterieeinheit in der Lageraufnahme eine exakte Ausrichtung der Spuleneinheiten zueinander gewährleistet bleibt. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise ein DC-Magnetspule auf Seiten der Lageraufnahme zumindest bei Laden oder Entladen der Batterieeinheit mit einem vordefinierbaren Leistungswert eine innerhalb des Gehäuses der Batterieeinheit angeordnetes ferromagnetisches Jochelement anziehen, um zumindest in dieser Phase eine Entnahme der Batterieeinheit kraftschlüssig zu verhindern, bis eine Energieübertragung elektronisch geregelt beendet ist. Weiterhin ist vorteilhaft denkbar, dass im Falle einer Fehlerdetektion ein motorbetriebener Auswurfaktor , oder auch auf dem Prinzip abstoßender Magnetfelder basierende Magnetspulenanordnung als Auswurfaktor in Lageraufnahme und/oder Batterieeinheit vorgesehen sein kann, der bei Detektion eines Fehlers oder Warnung durch die Batterieeinheit oder der Batterieaufnahmeeinrichtung z.B. vor zu hoher Strombelastung, ungewöhnlicher Temperatur- oder Druckerhöhung oder ähnliches, oder z.B. bei inkompatibler Datenkommunikation oder nichtbezahlter Energiekosten einen automatischen (Teil-)auswurf der Batterieeinheit aus der Lageraufnahme bewirkt.
  • Vorteilhaft erfasst die Batterieaufnahmeeinrichtung und/oder die Batterieeinheit die Menge der aufgenommenen oder abgegebenen elektrischen Energie in Form eines Coulomb-Countings. Ein von einer Batterieeinheit gespeichertes Coulomb als Amperesekunde ist eine Ladungsmenge, die von einer Batterieeinheit aufnehmbar bzw. abgebbar ist und kann beispielsweise über Messen von zeitbasierten Lade- und Entladeströmen bestimmt werden. Das Messen der gesamten aufgenommenen und abgegebenen Ladungsmenge gibt - ausgehend von einem Referenzwert - indirekt Auskunft über den Ladezustand einer Batterieeinheit, wobei bei chronologischer Erfassung auch ein Zustand und Qualität der Batterieeinheit über die Lebenszeit erfassbar ist. Das Coulomb-Counting kann vorteilhaft beispielsweise in einer Blockchain-ähnlichen Datenstruktur innerhalb der Batterieeinheit oder in einem Cloudspeicher chronologisch erfasst und über die Batterieaufnahmeeinrichtung beispielsweise zentral in einem Cloudspeicher hinterlegt werden, um eine Analyse des Verhaltens aller baugleichen Batterieeinheiten zu erhalten und beispielsweise ein Lade- und Entladeverhalten bei zunehmender Alterung zu ändern oder einen Austausch oder geänderten Einsatz der Batterieeinheit vorzusehen. Eine Tarifierung und monetäre Nutzungsbewertung der Batterieeinheit kann auf Basis des Coulomb-Countings erfolgen.
  • Vorteilhafterweise sieht ein Batterie-Management-System der Batterieeinheit ein aktives Balancing der Zellenladung vor. Akkupacks bestehen zur Erhöhung der Nennspannung in der Regel aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen oder Zellblöcken, wobei in der Praxis Zellen unterschiedlich ge- und entladen werden. Es gibt mehrere unterschiedliche Verfahren des Balancing, d.h. eines Ausgleichs der Ladungsmenge zwischen den Zellen, welche als passives und aktives Balancing bezeichnet werden. Beim passiven Balancing wird bei jenen Zellen, welche bereits die Ladeschlussspannung erreicht haben, durch eine Balancerschaltung ein zusätzlicher Widerstand parallel zur Zelle geschaltet, wodurch die Spannung dieser Zelle auf die Ladeschlussspannung begrenzt wird. Diese Zelle wird dann nur gering weiter geladen oder sogar etwas entladen, während die Zellen in der Reihenschaltung, welche die Ladeschlussspannung noch nicht erreicht haben, weiterhin mit dem vollen Ladestrom versorgt werden. Bei aktiven Balancern wird durch die Balancerschaltung ein Ladungstransfer von benachbarten Zellen untereinander realisiert und die Energie von Zellen mit höherer Ladung auf Zellen mit niedrigerer Ladung übertragen. Der Vorteil des aktiven Balancing besteht in dem deutlich höheren Wirkungsgrad, da überschüssige Energie nur zu einem geringen Grad in Wärme umgewandelt wird, so dass die Batterieeinheit eine längere Lebensdauer und eine hohe Kapazität über die Einsatzphase bewahrt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Batterieaufnahmeeinrichtung zumindest eine Lageraufnahme, bevorzugt zwei oder mehrere Lageraufnahmen mit zumindest einer magnetisch komplementär koppelbaren Spulen-einheit, bevorzugt einer Spuleneinheit pro Lageraufnahme zum werkzeugfrei wechselbaren Einschub und Entnahme einer Batterieeinheit umfassen. Die Lageraufnahme kann ein typisches 19 Zoll-Rastmaß aufweisen, so dass insbesondere bei einer Batterieaufnahmeeinrichtung mit einer Vielzahl von Lageraufnahmen auf industrieübliche Bauweisen für ein Gestell für Elektrogeräte mit einer genormten Breite von 19 Zoll zurückgegriffen werden kann, bei dem die einzelnen Geräte („Einschübe“), die sich im Rack montieren lassen, eine Frontplatten-Breite von genau 48,26 Zentimetern (=̂ 19") aufweisen (z. B.: Baugruppenträger). Eine Höheneinheit ist mit 1,75 Zoll (=̂ 4,445 cm) spezifiziert, eine Teilungseinheit (TE) für die Modulbreite innerhalb eines Einschubs mit 1/5 Zoll (=̂ 5,08 mm), so dass damit eine Höchstgröße einer hierzu angepassten Batterieeinheit gegeben ist. Ein derartiges 19-Zoll-Rack-System ist für industrieweite Kompatibilität genormt (EIA 310-D, IEC 60297 und DIN 41494 SC48D) und bietet ein modulares Baukastensystem zur Bereitstellung einer Farm von Batterieeinheiten. Weiterhin bevorzugt kann in der Lageraufnahme zur Ausübung einer federbelasteten Presskraft auf die Batterieeinheit im Einführungszustand in Richtung der Spuleneinheit eine Anpresseinheit, insbesondere ein Federelement angeordnet sein. Das Federelement kann beispielsweise als gebogenes Gleitblech ausgebildet sein. Somit wird beim Einschieben der Batterieeinheit in die Lageraufnahme sichergestellt, dass sich die Spuleneinheiten eng benachbart gegenüberstehen. Die Anpresseinheit kann nach Einschieben der Batterieeinheit in die Lageraufnahme auch durch eine mechanische Verkeilwirkung eines Betätigungsmechanismus, beispielsweise mittels eines Türmechanismus bereitgestellt werden.
  • Vorteilhafterweise umfasst jede Lagereinheit der Batterieaufnahmeeinrichtung eine NFC-Einheit, die in einer 1:1 Kommunikation mit der aufgenommenen Batterieeinheit kommuniziert. Gleichwohl ist denkbar, dass eine einzelne NFC-Einheit mit einer Mehrzahl von Batterieeinheiten kommuniziert. Somit kann vorteilhafterweise eine 1:1-Beziehung von Spuleneinheiten und NFC-Einheiten pro Lagereinheit bereitgestellt sein, aber auch eine 1 :X-Beziehung der Spuleneinheit und NFC-Einheit der Batterieaufnahmeeinrichtung mit mehreren Batterieeinheiten.
  • Weiterhin vorteilhaft umfasst jede Batterieaufnahmeeinrichtung ein übergeordnetes Batterie-Management-System, dass über die NFC-Schnittstelle mit jeder Batterieeinheit kommunizieren und den Lade- und Entladevorgang der Batterieeinheiten steuern, und dabei zunächst betriebsrelevante Parameter der Batterieeinheiten auslesen kann. Insbesondere kann eine interne Kommunikation durch einen EMV-resistenten, robusten RS-485 Datenbus erfolgen. Vorteilhafterweise ist das aufnahmeseitige Batterie-Management-System über einen Internet-Gateway mit dem Internet verbunden, um Daten mit einem zentralen Datenspeicher, insbesondere einer Cloudapplikation auszutauschen, und um eine vernetzte Datenüberwachung der Batterieeinheiten zu ermöglichen. Hiermit kann weiterhin ein universelles Billingsystem ermöglicht, sowie eine Prädiktion des Lebenszyklus jeder Batterieeinheit vorgenommen werden. Insofern ist ein zweistufiges Batterie-Management-System bereitgestellt, wobei jede Batterieeinheit ein individuelles Batterie-Management-System umfasst, dass vom übergeordnetes Batterie-Management-System der Batterieaufnahmeeinrichtung überwacht, gesteuert und bei Bedarf mit Updates versorgt werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Batterieaufnahmeeinrichtung weist das vorgenannte übergeordnete Batterie-Management-System einen Zwischenkreis mit einer DC Zwischenkreisspannung von 400V bis 800V auf. In dieser Höhe der Zwischenkreisspannung ist die direkte Einspeisung oder Abgabe von DC-Hochvoltenergie möglich, so dass beispielsweise Photovoltaikzellen direkt Hochvolt einspeisen oder Fahrzeuge direkt Hochvoltspannung zum Laden oder Betrieb des Bordnetzes entnehmen können. Insofern kann eine derartige Batterieaufnahmeeinrichtung auch direkt zur Abgabe von Energie zur Aufladung von Elektrofahrzeugen im Hochvoltbereich bereitstellen. Auch verknüpft das Batterie-Management-System den internen DC-Zwischenkreis mit einer AC-Netzversorgung oder stellt diese bereit, wobei zur Umwandlung vorzugsweise bidirektional arbeitende Umrichter bzw. Wechselrichter eingesetzt werden. Der Umrichter arbeitet dabei auch als Inselwechselrichter, und kann sowohl hohe induktive als auch kapazitive Lasten betreiben, sowie nichtsinusförmiger, oberwellenbehafteter Strombelastung ausgesetzt sein. Besonders vorteilhaft ist ein mehrstufiger, insbesondere 3-, 5- oder 7-stufiger Aufbau der Halbbrücken der Umrichter, so dass einer verringerter Oberwellenanteil einer zur Verfügung gestellten AC-Ausgangsspannung oder eingespeister Energie erreicht werden kann, vorzugsweise ist eine entsprechend hochkapazitive Zwischenkreiskapazität zur Glättung und Pufferung von eventuell auftretender Überspannung vorgesehen. So kann auch bei Ausfall oder unerwartetem Abtrennen oder Einschub von Batterieeinheiten die Batterieaufnahmeeinrichtung unterbrechungslos funktionsfähig bleiben.
  • Weiterhin vorteilhaft umfasst die Batterieaufnahmeeinrichtung eine aktive Temperaturregeleinrichtung, die eine Heiz- und/oder Kühlfunktion bereitstellt. Insbesondere in besonders warmer oder kühler Umgebung leiden Batteriezellen unter Kapazitätsverlust bzw. sind durch Überwärme gefährdet. Zumindest im aufgenommenen Zustand kann die Batterieaufnahmeeinrichtung die Erhaltung eines optimierten Temperaturniveaus zum langlebigen Betrieb der Batterieeinheiten bereitstellen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Batterieeinheit in einem Batteriegehäuse gekapselt sein, und zumindest eine, insbesondere eine Mehrzahl von Batteriezellen, eine Spuleneinheit, ein Batterie-Management-System und eine NFC-Einheit umfasst sein. Wesentlich in dieser Ausführungsform insbesondere die zumindest eine NFC-Einheit (Nahfeldkommunikations-Einheit) umfasst. Diese kann eine zumindest monodirektionale Datenverbindung von Batterieeinheit zu Lageraufnahme, bevorzugt eine bidirektionale Datenverbindung auf Basis von Wlan, Bluetooth, RFID oder andere NFC-Standards und/oder Infrarot-Schnittstelleneinheiten bereitstellen. NFC ein auf der RFID-Technik basierender internationaler Übertragungsstandard zum kontaktlosen Austausch von Daten per elektromagnetischer Induktion mittels loser gekoppelter Spulen über kurze Strecken von wenigen Zentimetern und einer Datenübertragungsrate von maximal 424 kBit/s, allerdings soll im Rahmen der Erfindungsbeschreibung auch eine WLAN- oder anderweitige Kurzstrecken-Funkkommunikation oder IR-Kommunikation durch die NFC-Einheit verwendbar sein. Aufgabe der NFC-Einheit ist die Übermittlung und Erfassung von Betriebsdaten und Parametern, wie Typenspezifikation, einer eindeutigen Adressierung der Batterieeinheit, ein Verlauf von Spannungen, Ströme, Temperaturen, Ladezustände, Fehlermeldungen und Protokolle, Betriebsstundenzähler und Speicher in denen Daten der Speichereinheit abgelegt werden um später ausgelesen oder übermittelt zu werden. Diese Übermittlung erfolgt getrennt und unabhängig von der induktiven Energieübertragung. Hierdurch kann beispielsweise auch mit einem mobilen Endgerät wie Smartphone, Smartwatch, Tablett Computer oder dergleichen Betriebsdaten und Status der Batterieeinheit ausgelesen werden, ohne dass die Spuleneinheit hierzu aktiviert werden muss. Dazu ist auch im ansonsten energielosen Stand-By-Zustand der Batterieeinheit eine Signalübertragung möglich, beispielsweise mittels einer App auf einem mobilen Endgerät. Somit kann durch eine App auf einem mobilen Endgerät auch bei deaktiviertem und ausgebauten Zustand der Batterieeinheit durch Nähern und Auflegen des Endgeräts auf die Seite der Spuleneinheit betriebsrelevante Daten der Batterieeinheit ausgelesen werden, so dass eine einfache Überwachung und Batteriepflege der Batterieeinheiten ermöglicht wird. Besonders vorteilhaft ist die NFC-Einheit in einem Gehäuse einer Spuleneinheit zur induktiven Energieübertragung angeordnet, so dass eine kompakte Baueinheit und eine räumlich enge Positionierung von sowohl Induktionsspule der Split-Transformator-Anordnung als auch der gegenüberstehenden, miteinander kommunizierenden NFC-Einheiten von Batterieeinheit und Batterieaufnahmeeinrichtung erreicht werden kann. Im stromlosen Zustand kann eine NFC-Einheit durch das in die Nähe bringen eines Auslesegerätes, z.B. eines Smartphones oder durch Einschieben in eine Lageraufnahme passiv mittels des geringfügigen Energieeintrages der Senderspule des Auslesegerätes bzw. der Lageraufnahme aktiviert werden, und das Batterie-Management-System aus einer Tiefschlafphase erwecken. Somit kann eine sehr hohe Lager und Stand-By-Zeit erreicht werden, ohne dass durch interne Signalkommunikation und andauernde Überwachung Energie verbraucht wird.
  • Vorteilhaft kann das Batterie-Management-System der Batterieeinheit eine Zellschutzfunktion durch ein vorgenanntes Zellenbalancing bereitstellen, eine Datenkommunikation mit der Batterieaufnahmeeinrichtung bereitstellen, den DC/DC-Wandler für den Lade-Entladebetrieb steuern und den Spulenwechselrichter für den bidirektionalen induktiven Energieaustausch ansteuern.
  • Besonders vorteilhaft kann die Spuleneinheit und die NFC-Einheit baulich integriert in einer Stirnfläche des Batteriegehäuses integriert ist, die flächenmäßig kleiner als andere Seitenflächen des Batteriegehäuses ist. Somit kann eine eng benachbarte Verbindung von Induktionsspule und drahtloser Datenschnittstelle erreicht werden. Bevorzugt kann an einer dieser Stirnfläche entgegengesetzten Fläche eine Anpresseinheit, insbesondere ein Federelement zur Ausübung einer federbelasteten Presskraft im Einführungszustand in einer Lageraufnahme auf diese Stirnfläche, angeordnet sein. Das Federelement kann beispielsweise als gebogenes Gleitblech ausgebildet sein. Somit wird beim Einschieben der Batterieeinheit in die Lageraufnahme sichergestellt, dass sich die Spuleneinheiten eng benachbart gegenüberstehen. Die Anpresseinheit kann nach Einschieben der Batterieeinheit in die Lageraufnahme eine Anpresskraft durch eine mechanisch verstellbare Verkeilwirkung eines Betätigungsmechanismus bereitstellen bzw. wieder lösen.
  • In einer Ausführungsform kann ein Batteriespeicher von 10 kWh Gesamtkapazität betrachtet werden. Dieser kann beispielsweise mehrere, bevorzugt sechs Lithium-Eisenphosphat-Flachzellen mit je 500 Wh-Kapazität, die seriell verbunden sind, umfassen. Dadurch kann eine Ladeendspannung von 21 Volt und eine Nennspannung von 19,2 Volt erreicht werden. Batteriezellen aus Lithium-Eisenphosphat-Flachzellen haben den Vorteil eines robusten Verhaltens und einer intrinsischen Sicherheit gegen Explosion, so dass dieser Zellentyp sich bei rauem Umgang und extremen Temperaturverhältnissen anbieten. Über eine DC-DC-Hochsetzstufe kann die Spannung auf 40 bis 48 Volt eines batterieseitigen Zwischenkreises angehoben werden. Danach folgt eine elektronische Zerhacker-Einheit als zwei oder mehrstufiger Wechselrichter bzw. Gleichrichter-Wechselrichter-Einheit mit einer angeschlossenen Spule der batterieseitigen Spuleneinheit. Diese Batterieeinheit kann in einem einzigen Gehäuse gekapselt sein. Die aufnahmeseitige Spuleneinheit der Batterieaufnahmeeinrichtung kann in einem Gehäuse der Batterieaufnahmeeinrichtung, beispielsweise in einem Schrank an einer Seitenwand, Rückwand oder im Einschubboden oder im Einschubdeckel angeordnet sein.
  • Im vorliegenden Beispiel ist eine Anordnung der aufnahmeseitigen Spuleneinheit in einer Seitenwand angedacht. In der aufnahmeseitigen Spuleneinheit kann ein Wechselstrom aus dem von der batterieseitigen Spuleneinheit erzeugten, PWM-modulierten Wechselmagnetfeld induziert werden.
  • Die aufnahmeseitige Spuleneinheit als Empfängerspule kann wahlweise so aufgebaut werden, dass sich jeweils einer einzigen Spule der batterieseitigen Spuleneinheit gegenüber liegt oder sich über mehrere batterieseitigen Spuleneinheiten ausdehnt.
  • Der Wechselstrom der Spuleneinheiten wird mit einer Leistungs-Elektronik, vorzugsweise über eine PWM-basierte Steuerung eines Zerhackers, d.h. Wechselrichters durch ein induktiv nutzbares magnetisches Wechselfeld in Spannung und Stromstärke angepasst. Dabei ist die Anpassung der Stromstärke und Frequenz des Spulenstroms durch den Wechselrichter an eine elektromagnetische Konfiguration der Spuleneinheit angepasst, so dass ein möglichst hoher Wirkungsgrad der Energieübertragung zwischen den Spuleneinheiten bei geringen Streuverlusten erreicht werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Batterieeinheit mechanisch abgeschlossen ist, und nach außen keine Schalter oder Öffnungen aufweisen, und nur über Induktion aufladbar und entladbar sein. Der Vorteil dieser Anordnung von einer induktiv und über das Gehäuse galvanisch entkoppelten Batterieeinheit ist, dass keine Schalter oder Kontakte in der Batterieeinheit verbaut werden müssen, und diese im Betrieb gefahrlos entnommen und auch eingefügt werden kann. Das erlaubt den Austausch einer geladenen oder entladenen Batterieeinheit von einem Standort mit einem anderen Standort. Beispielhaft kann eine Batterieeinheit im Haus(Keller) geladen werden und bei Bedarf als Zusatzspeicher in eine mobile Anwendung (Elektromobilität) eingesetzt werden.
  • Die Elektronik der Batterieeinheit kann ein Batterie-Management-System umfassen. Hierzu kann das Batteriegehäuse ist so aufgebaut, dass Energie aus oder in die Batterieeinheit nur nach einer vorher positiven Datenkommunikation zwischen Batterieaufnahmeeinrichtung und Batterieeinheit fließt. Die Kommunikation kann Teil des Batterie-Management-Systems sein und kann in einem üblichen Protokoll erfolgen, dass um die Komponente der AC(1)-AC(2)-Trennung erweitert ist.
  • Vorteilhaft kann die Batterieeinheit mit nur einer Transformator-Spule als Spuleneinheit an einem Ort A geladen, zu einem anderen Ort B transportiert und dort wieder entladen werden.
  • Die induktiv getrennten Batterieeinheiten erlauben eine Vielzahl von Plug-and-Play-Varianten. Energiespeicher können geladen und direkt, d.h. ohne Stecker lösen zu müssen, entnommen werden, und einem elektrischen Verbraucher, der über die Gegenspule verfügt zugeführt werden. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig wie z.B. ein Einsatz der Batterieeinheit für alle Arten von Handwerker-Geräten, insbesondere im gewerblichen Bereich, Gartengeräte, Rasenmäher, Schweißgeräte für den gewerblichen Bedarf, Induktionsherde, Notstrom-Einrichtungen für jeglicher Art um nur einige zu nennen. Durch die von der Energieerzeugung unabhängige Datenkommunikation über NFC-Kommunikation können neben Statusinformationen auch Abrechnungsinformationen z.B. für Mietbatterieeinheiten bzw. eine Kontingentierung elektrischer Energie vorgesehen sein. Abrechnungsdaten können bei jedem Einbringen einer Batterieeinheit in eine Batterieaufnahmeeinrichtung ausgetauscht und in einem Abrechnungskonto des Benutzers verrechnet werden. Eine An- und Abmeldung des Benutzers kann durch eine NFC-Kommunikation zwischen einem mobilen Datengerät des Benutzers wie Smartphone, Smartwatch oder ähnliches mit einer Batterieeinheit erfolgen.
  • Die Batterieeinheit kann dem jeweiligen Verbraucher angepasst sein. Entscheidend für die vorliegende Erfindung sind hier die induktive Koppelung der Ladeeinheit und auch der Entladeeinheit mit der einzelnen Batterieeinheit.
  • Für die Verwendung der geladenen Batterieeinheiten in Anwendung mit einem möglichst hohen Leistungsgewicht, wie z.B. bei Schweißgeräten und im Falle von Rasenmähern sind Lithium-Polymer-Batteriezellen vorteilhaft einsetzbar.
  • Ein weiterer Vorteil der induktiv getrennten Batterieeinheiten im oben beschriebenen Schrank bzw. der Batterieaufnahmeeinrichtung von mehreren Batterieeinheiten ist die Möglichkeit, verschiedene Batteriearten nebeneinander bzw. gleichzeitig aufzunehmen. Diese können Lithium-Polymer-Batteriezellen oder Lithium-Eisen-Phosphat- Batteriezellen sein. Aber auch Bleibatteriezellen oder Nickelmetallhydridbatteriezellen. Es besteht keine Einschränkung in der Wahl der verwendbaren Batteriezellen. In der Praxis wird man sich auf einige wenige Batteriezellenarten z.B. unterschiedlichen Lithiumtypen beschränken.
  • Eine große Anzahl von Batterieeinheiten kann in Containern oder Regal-Anordnungen geladen werden und bei Bedarf gefahrlos entnommen werden.
  • So sind verschiedene Leistungsbereiche, beispielhaft als Power to go (mobil) = 4kWh oder 6 kWh, als Power Rack (Hausanwendung) = 12 kWh oder 20 kWh und als Power MRack = 1,7 MWh denkbar.
  • Die einzelnen Batterieeinheiten können aus einem 20 kWh oder einem 1,7 MWh-System im laufenden Betrieb entnommen werden und z.B. einem 4 kWh zugeführt werden.
  • Besonders vorteilhaft ist dies in der Verwendung der mobilen Traktion, also in Elektrofahrzeugen. Das gefahrlose Handling erlaubt einem Nichtfachmann den Austausch von Batterieeinheiten mit Induktionstechnik.
  • In einer Ausführungsform einer Batterieeinheit können zusätzlich zur reinen Leistungselektronik des Batterie-Management-Systems noch Mikrokontroller, Spannungsüberwachung, Temperaturüberwachung, elektronische Uhr, WLAN-Modul und/oder Bluetooth oder ein anderes Funkkommunikationsmodul verbaut. Dazu sind noch Sicherungen und Speicher zur Protokollierung, und optional aktive oder passive RFID-Chips im Batteriemodul vorgesehen sein. Dabei kann vorzugsweise eine Spulenfrequenz über diese Technik optimiert zur Leistungsübertragung geregelt wird. Die vorliegende Batterieeinheit kann alle Lade- und Entlade-Vorgänge mit Zeitstempel und Temperatur beispielsweise in einer Blockchain-Datenstruktur manipulationssicher abspeichern und diese Informationen kann an eine zentrales Informationsspeicher- und Verarbeitungsvorrichtung, beispielsweise einen Cloudspeicher oder internetbasierten Powermanagement- und Kontrollsystem weiter geben werden. Dabei ist auch eine prädiktiver Austausch und Fernwartung der Batterieeinheiten möglich. Der Netzwerkzugriff kann über die NFC-Datenschnittstelle der Batterieeinheit mit der Batterieaufnahmeeinrichtung erfolgen, wobei die Batterieaufnahmeeinrichtung drahtlos oder drahtgebunden mit der Informationsspeicher- und Verarbeitungsvorrichtung verbunden ist.
  • In einer Ausführungsform werden spezifische Informationen der jeweiligen Batterieeinheit an die Elektronik im Schaltschrank der Batterieaufnahmeeinrichtung weiter gegeben. Die Lageraufnahme der Batterieaufnahmeeinrichtung, der die einzelnen modularen Batterieeinheiten enthält, speichert Informationen der jeweiligen Batterieeinheit.
  • Befindet sich eine Batterieeinheit in einer Lageraufnahme einer Batterieaufnahmeeinrichtung, können diese in einem Master-Slave-Modus miteinander kommunizieren, wobei die Batterieaufnahmeeinrichtung der Master sein kann. Die Kommunikation ist vergleichbar mit einem Computer an den mehrere Festplatten angeschlossen sind. Die Festplatten sind die induktiv gekoppelten Batterieeinheiten.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Induktionstechnik über Einzelzellen ist die Anwendung der Batterieeinheiten in korrosiver Umgebung oder im Wasser. Sowohl der Verbraucher z.B. ein Elektromotor als auch der stromliefernde Speicher können vollkommen gekapselt und haben keine freiliegenden elektrische Kontakte aufweisen. Dies ist von Vorteil in maritimen Anwendungen und kann in diesen hervorragend eingesetzt werden.
  • Im Folgenden wird ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer Batterieeinheit mit Spuleneinheit beschrieben: Eine Anzahl von n-Batteriezellen wird zunächst in Reihe geschaltet und mittels eines DC-DC-Wandlers von z.B. 12V in eine höhere Zwischenkreisspannung, beispielsweise 32V gewandelt. Diese wiederum wird in einer weiteren Stufe in eine sinusförmige Wechselspannung mit höherer Frequenz wechselgerichtet. Diese Wechselspannung wird mit der batterieseitigen Spuleneinheit verbunden. Die ganze Anordnung wird gekapselt, insbesondere mit einer wasserundurchlässigen Kunststoffschicht, so dass von außen keinerlei elektrische Kontakte vorhanden sind. Die Batterieeinheit kann somit eine Schutzart von IP 65 oder mehr erreichen. Der Energieaustausch mit den Zellen bzw. der Elektronik findet ausschließlich über die Spuleneinheit statt, so dass keine elektrischen Kontakte an der Batterieeinheit zu finden sind..
  • Damit diese Batterieeinheit Energie aufnehmen und abgeben kann ist eine aufnahmeseitige Spuleneinheit mit gleicher Wicklung oder an die gewünschte Spannung angepasste Spulenwicklung notwendig. Diese Gegenspule ist ihrerseits wieder an eine Leistungselektronik mit Regeleinheit angeschlossen. Die Regeleinheit passt den Strom leistungsorientiert bzw. aktiv an. Vorteilhaft kann, wie bereits mehrfach beschrieben ist, die räumliche Trennung der beiden Induktionsspulen sein, wobei mindestens eine sich in einem abgeschlossenen Gehäuse befindet. In einer Ausführungsform ist die aufnahmeseitige Spuleneinheit, die nicht die Batterien enthält, mit einem Verbraucher verbunden, wobei dieser ein Elektromotor ist, der selbst über einen Induktionsmechanismus in Bewegung gesetzt wird. In der Summe entsteht ein Batteriesystem, das aus mehreren Komponenten besteht, die alle voneinander vollständig galvanisch getrennt sind. In dieser Kombination und vor allem in den hier vorgestellten Größen von 100 Wh bis zu 10 kWh als abgeschlossene Speichereinheit sind derartige Batteriesysteme vielseitig und betriebssicher einsetzbar.
  • Eine besondere Anwendung ist die Verwendung der Batterieeinheit in flüssiger Umgebung, insbesondere in wässriger Umgebung. Einzige für den Fachmann sich ergebende und selbstverständliche Randbedingung ist die Verwendung von nicht-löslichen Gehäusematerialien in Bezug zur eingetauchten Lösung.
  • Die Batterieeinheit kann z.B. im Meer, einem See oder einem anderen Gewässer im geladenen Zustand oder im ungeladenen Zustand gelagert werden und dabei dem umgebenden Wasser dauerhaft ausgesetzt werden ohne eine Schädigung zu erfahren. Dauerhaft bedeutet hier einen Zeitraum von Tagen bis Jahren. Unter Schädigung wird verstanden das Eindringen von Wasser und/oder sich im Wasser befindlichen Ionen. Voraussetzung dafür ist die Verwendungen von verrotungsfreien Gehäusematerialien, wie z.B. fluorierte Kohlenwasserstoffe, Polyehtylene, Polypropylene, PVC-Arten.
  • Eine mögliche Anwendung ist im maritimen Bereich. Taucher und Höhlentaucher können geladene Batterieeinheiten an einen Ort im Gewässer hin transportieren und deponieren und zu einem späteren Zeitpunkt wird die Batterieeinheit an den Verbraucher angeschlossen. Die Übertragung der Energie an den Verbraucher erfolgt über Induktion. Die Arbeitsleistung des Verbrauchers z.B. Licht aussenden, Antrieb eines Motors etc. erfolgt galvanisch getrennt, so dass in das gesamte System kein Wasser beim Akkuwechsel oder Betrieb eindringen kann.
  • In einer Ausführungsform kann die Verwendung der vorher genannten Batterieeinheit in der Kanalisation und ähnlich gelagerten Umgebungen vorgesehen sein.
  • Eine besondere Ausführungsform ist die Verwendung des Batteriesystems mit einer Mehrzahl an Batterieeinheiten in einem Gesamtsystem, das einen oder mehrere Reluktanzmotoren enthält. Dabei sind die Reluktanzmotoren galvanisch getrennt von ihrer Energieversorgung.
  • Ein vorteilhafter Anwendungsfall kann in einer Verwendung der Speichereinheiten in explosionsgeschützten Bereichen, sog. Ex-Schutz sein.
  • In einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann eine Batterieaufnahmeeinrichtung als Zwischenschaltelement für eine Verbindung einer Batterieeinheit zu einer weiteren Batterieeinheit und/oder zum Laden und/oder Entladen einer einzelnen Batterieeinheit ausgeführt sein, und die Lageraufnahme hierzu nur bereichsweise ein Teilbereich eines Gehäuses der Batterieeinheit umgreifen, und vorzugsweise zwei gegenüberliegende oder benachbarte Lagereinheiten umfassen, um eine oder zwei Batterieeinheiten zumindest temporär induktiv werkzeugreif anschließen zu können. Diese Art einer vom Funktionsumfang deutlich reduzierter Batterieaufnahmeeinrichtung benötigt nicht zwangsläufig einen Anschluss an ein externes Netz und kann reduzierte Funktionseigenschaften gegenüber stationären Batterieaufnahmeeinrichtung aufweisen. Das Zwischenschaltelement kann eine beschränkte Funktionalität zur reinen Entnahme von Energie einer Batterieeinheit z.B. für ein 230V AC-Steckdosenbetrieb zur Verfügung stellen, oder als Ladestation für elektronische Mobilgeräte mit USB-Anschlüssen dienen. Auch kann eine direkte Übertragung von Energie einer voll aufgeladenen Batterieeinheit in eine entladene Batterieeinheit vorgesehen sein, so dass eine Akku2Akku-Aufladung auch zwischen Batterieeinheiten verschiedener Baugrößen ermöglicht werden kann. Dieses Zwischenschaltelement ist relativ klein und handlich und leicht zu transportieren.
  • Figurenliste
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen:
    • 1 ein schematischer Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines Batteriesystems 10 mit zwei Batterieeinheiten 30 und einer Batterieaufnahmeeinrichtung 20 gemäß der Erfindung;
    • 2 in mehreren Detail- und Schnittdarstellungen in 2a bis 2g ein Ausführungsbeispiel einer Batterieeinheit 30 mit induktiver Kopplungsmöglichkeit mit einer Batterieaufnahmeeinrichtung 20;
    • 3 in mehreren Teildarstellungen der 3a-3c eine Ausführungsform einer mobilen Batterieaufnahmeeinrichtung 20 zur Aufnahme von ein, zwei oder mehreren Batterieeinheiten 30;
    • 4 Eine Ausführungsform eines Container-Batteriesystems 100 (Power-MRack) für eine Hochenergiespeicherung und Abgabe sowie Aufladung einer hohen Anzahl von Batterieeinheiten 30 und zur Versorgung größerer Energieverbraucher oder Speicherung von Energie größerer regenerativer Energieerzeuger;
    • 5 Eine Ausführungsform einer Säulen-Batterieaufnahmeeinrichtung 110 für ein öffentlich zugängliche Aufladung und Austausch von Batterieeinheiten 30.
  • In den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
  • In den angehängten Zeichnungen und Abbildungen sind Daten von Beispiel-Ausführungen. Alle Angaben in den Abbildungen sind Teil dieser Beschreibung.
  • In der 1 ist schematisch ein Schaltplan einer ersten Ausführungsform eines Batteriesystems 10 dargestellt. Das Batteriesystem 10 setzt sich aus einer Batterieaufnahmeeinrichtung 20 zum Aufladen von zwei induktiv angekoppelten Batterieeinheiten 30, die in Lageraufnahmen 50 der Batterieaufnahmeeinrichtung 30 mechanisch geführt aufgenommen sind, zusammen. Jede Batterieeinheit 30 umfasst eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen 40, die eine DC-Spannung von ca. 10V-16V in einem Batteriezellen-Spannungskreis 82 bereitstellen. Über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler, der sowohl eine Hochsetz- als auch eine Tiefsetzfähigkeit aufweist, kann Energie zwischen dem Batteriezellen-Spannungskreis 82 und einem Batterie-Zwischenkreis 84 ausgetauscht werden. Der Batterie-Zwischenkreis 84 kann beispielsweise mit einer DC-Spannung von 32 V arbeiten. Am Batterie-Zwischenkreis 84 kann ein zwei- oder Mehrstufenwechselrichter 32 mit insbesondere zwei Halbbrücken angeordnet sein, um eine Wechselspannung in einem Batterie-Spulenkreis 84 zum Betrieb einer induktiven Spuleneinheit 42 bereitzustellen. Mittels einer PWM-Steuerung kann Frequenz und Energie der Wechselstromversorung im Spulenkreis 84 zur induktiven Aufnahme oder Abgabe elektrischer Energie über die Spuleneinheit 42 verstellbar sein. Vorzugsweise wird der Spulenkreis 84 in einem Frequenzbereich von ca. 70kHz betrieben, wobei die elektromagnetischen Eigenschaften der Spuleneinheit 42 auf diesen Frequenzbereich optimiert sind.
  • Parallel zur Spuleneinheit 2 ist eine NFC-Einheit 38 insbesondere räumlich benachbart an einer Gehäusewandung der Batterieeinheit 30 angeordnet. Diese kann mit einer korrespondierenden NFC-Einheit 28 der Batterieaufnahmeeinrichtung 20 bidirektionale Daten austauschen unabhängig vom Energieübertragungszustand der Spuleneinheit 42. Somit ist ein Ein- oder Auslesen von Daten auch bei sonstiger Stromlosigkeit in den Zwischenkreisen 82, 84, 86 möglich, so dass die Batterieeinheit 30 im Stand-By-Betrieb keinen Stromverlust erleidet und dennoch weiterhin ansprechbar ist. Hierzu kann ein geringer Energieeintrag in die NFC-Einheit 38 genügen, um deren Kommunikationsfähigkeit bereitzustellen. Vorteilhaft ist die NFC-Einheit 38 in einem gemeinsamen antiferromagnetischen Gehäuse, beispielsweise in einem Aluminium-Halbschalengehäuse gemeinsam mit der Spuleneinheit 42 angeordnet, das von einer Spulenkoppelplatte, die ein gehäuseseitige Wandungsbereich darstellt, abgedeckt ist. Die NFC-Einheit 38 ist mit einem Batterie-Management-System 36 verbunden, das eine Ladungs- und Entladungsvorgang der Batteriezellen 36 überwacht und steuert sowie Daten zur Identifikation der Batterieeinheit 30, des Typs, Ladezustands (Coulomb-Counting), Lebensdauer und weiterer diverser Daten vorzugsweise über einen RS 485 Bereitstellt und die Ladeelektronik steuert.
  • Die Batterieaufnahmeeinrichtung 20 weist für jede Batterieeinheit 30 eine separate Spuleneinheit 26 in einer Lageraufnahme 50 auf, und räumlich hierzu benachbart eine NFC-Einheit 28 zum Datenaustausch, und wird von einem übergeordneten Batterie-Management-System 52 ebenso wie die jeweiligen, der Ansteuerung der Spuleneinheiten 26 dienenden Wechselrichter 24 und die ein- und ausgangsseitigen DC/DC-Wandler 22 zur Einspeisung z.B. von Energie von Brennstoffzellen oder Photovoltaikanlagen und Umrichter 48 zur Ein- und Ausspeisung von Wechsel- oder Drehstromenergie. Der bidirektional arbeitende Umrichter kann hierzu zwei Wechselrichtereinheiten zum Gleich- bzw. Wechselrichten einer DC-Zwischenkreisspannung umfassen. Die zum Betrieb der Spuleneinheiten 26 für jede Batterieeinheit 30 angeordneten Wechselrichter 24 betreiben einen Spulenkreis 88 mit einer zum batterieseitigen Spulenkreis 86 abgestimmten Frequenz. Die Frequenz und Einzelheiten zum Energietransfer im Lade- oder Entladebetrieb können über eine, räumlich benachbart zur Spuleneinheit 26 angeordnete NFC-Einheit 28 mit der batterieseitigen NFC-Einheit 38 ausgehandelt werden und können dem übergeordneten Batterie-Management-System 52 der Batterieaufnahmeeinrichtung 30 mitgeteilt werden, das die erforderlichen Parameter ermittelt und steuert. Das Batterie-Management-System 52 kann vorteilhafterweise ein Gateway-Schnittstelle zum Internet beispielsweise über eine GSM-basierte Funkschnittstelle, WLAN, Bluetooth oder über Powerline-Communication (PowerLAN) herstellen, um auf einen externe Cloudapplikation und Tarifierung zugreifen zu können. Innerhalb der Batterieaufnahmeeinrichtung 20 kann ein DC-Zwischenkreis 90 mit einem Hochvolt-Spannungsniveau von 400V-800V vorgesehen sein, so dass sowohl für einen AC-Stromnetzbetrieb die erforderliche Spannung von bis zu 400V und für eine direkte DC-Einspeisung von PV-Spannung bis 800V oder Speisung von DC_ Batterie-Management-System 52 Hochvolt-Bordnetzen von Fahrzeugen bis 800V bereitstellen zu können. Insofern kann vorteilhaft der Split-Transformatoranordnung der batterieseitigen Spuleneinheit 42 und aufnahmeseitigen Spuleneinheit 88 bereits eine Spannungstransformation im Übersetzungsverhältnis von 1:10 bis 1:20 vornehmen.
  • In den 2a bis 2g sind im Detail der konstruktive Aufbau einer Ausführungsform einer Batterieeinheit 30 in Seiten- und Schnittdarstellungen beschrieben. Hierzu zeigt 2a eine stirnseitige und 2b eine seitenflächige Darstellung eines Gehäuses 44 einer Batterieeinheit 30. Auf einer Stirnseite, die einer eine Spuleneinheit 42 aufweisenden Stirnseite gegenüberliegt, ist ein Batteriegriff 76 zum Tragen, Ein- und Herausschieben der Batterieeinheit 30 vorgesehen, wobei das Gehäuse 44 im Wesentlichen eine quaderförmige Gestalt aufweist und vollständig gekapselt ist, sowie im Wesentlichen einen Metallmantel umfasst. Auf einer, der Griffseite gegenüberliegenden Seitenfläche ist die Spuleneinheit 42 angeordnet, die von einer aus Kunststoff bestehenden Spulenkoppelplatte überdeckt ist, in der bevorzugt segmentierte ferromagnetische Teilbereiche an Kontaktflächenbereichen vorgesehen sind, an denen sich Ferritjoche der beiden Spuleneinheiten 26, 42 gegenüberstehen, um den Magnetfluss zu maximieren und Streuverluste zu minimieren. Auch kann durch die Spulenkoppelplatte 42 hindurch eine NFC-Datenkommunikation über die NFC-Einheit 38 mit dem batterieseitigen Batterie-Management-System 36 erfolgen.
  • Auf der Griffseite können benachbart zum Griff 76 ein oder mehrere Überdruckventile 74 angeordnet sein, so dass im Falle eines Defektes von Batteriezellen 40 ein Überdruck aus dem Gehäuse 44 entweichen kann. Die Überdruckventile 74 können in Art von Rückschlagventilen ausgeführt sein.
  • In der Seitendarstellung der 2b ist in Seitenansicht die Ebene der Spuleneinheit 42 erkennbar, in den 2a und 2b sind Schnittführungen der weiteren 2c bis 2g eingezeichnet.
  • 2c zeigt in einer Schnittdarstellung C-C der 2b im Detail den Aufbau einer Spuleneinheit 42, die struktur- und funktionskomplementär zur Spuleneinheit 26 aufgebaut ist und ein grundsätzlichen Konzept einer generalisierten Spuleneinheit 60 folgt. Die Spuleneinheit 60 umfasst ein nicht ferromagnetisches Halbschalengehäuse als Aluminium-Halbschalengehäuse 92, das einen Aufnahmebereich 78 zur Aufnahme einer NFC-Einheit 28, 38 sowie einen Spulenaufnahmebereich umfasst. Im Spulenaufnahmebereich sind eine Vielzahl von plättchenförmigen, voneinander elektrisch isolierter Ferritelementen 66 angeordnet zu einer Ferritkern-Halbschale 64 angeordnet, wobei die Ferritkern-Halbschale 64 hervorstehende Kontaktflächen 68 und einen vertieften Rückschlussbereich 70 ausbilden, der einen Schalenbereich 72 zur Aufnahme einer Induktionsspule 62 ausbildet. Die Kontaktflächen 68 dienen dazu, den sich ausbildenden Magnetfluss in korrespondierende Kontaktflächen 68 einer komplementär gegenüberliegenden Spuleneinheit 60 ohne Streuverluste überzuleiten. Die Induktionsspule 62 kann aus einer in Form einer im Wesentlichen elliptischen langestreckten Flachspule aufgebaut sein, wobei die Spulenleitung beispielsweise aus einer verdrillten Hochfrequenzlitze aufgebaut sein kann. Die gesamte Spulenanordnung 70 ist in ihren mechanischen Dimensionen und elektromagnetischen Parametern für einen Frequenzbereich von 50-100kHz, insbesondere für 70kHz Betriebsfrequenz optimiert. Hochfrequenzlitzen sind seilartig aus vielen (isolierten) Einzeldrähten verdrillt, so dass einem Skin-Effekt entgegengewirkt werden kann. Hierzu kann ein Drillwinkel der Hochfrequenzlitze, die Radiusgröße und effektive Länge und Breite der Flachspulenform sowie die Windungszahl auf den gewünschten Frequenzbereich abgestimmt sein. Die Spule 62 ist an den Spulenkreis 86 der Batterieeinheit 30 bzw. dem Spulenkreis 88 der Batterieaufnahmeeinrichtung 20 angeschlossen, wobei sich die komplementären Spulenanordnungen 42, 26 vorteilhaft in Ihren Windungsverhältnissen derart unterscheiden können, dass gewünschte Spannungsniveaus der Zwischenkreise 84 der Batterieeinheit 30 bzw. des Zwischenkreises 90 der Batterieaufnahmeeinrichtung 20 bereitgestellt werden können.
  • 2d zeigt in einer Schnittdarstellung A-A einen Längsseitenquerschnitt und die 2e einen Querseitenquerschnitt B-B der 2a durch die Batterieeinheit 30. Diese umfasst vier Batteriezellen 40, die auf einer Oberseite von einer Platinenanordnung des Batterie-Management-Systems 36 begrenzt ist. Auf der rechten Seite der Schnittdarstellung der 2d (in 2e auf der linken Seite) ist ein Federelement 46 dargestellt. Eine Lageraufnahme 50 einer Batterieaufnahmeeinrichtung 20 nimmt die Batterieeinheit 20 in Querrichtung auf, so dass die Spulenanordnung 42, die links in 2d gezeigt ist, an einer Seitenwandung der Lageraufnahme 50 federdruckbelastet anliegt. An dieser Seitenwandung ist die Spuleneinheit 26 der Batterieaufnahmeeinrichtung 20, die ebenfalls in 2d links und 2e mit dargestellt ist, in kraftschlüssigem Flächenkontakt mit der Spuleneinheit 42 der Batterieeinheit 30 zur streufeldminimierenden Magnetfeldaustauschkopplung kommt.
  • Das Batterie-Management-System 36 umfasst Leistungsschaltelemente für den Lade- und Entladebetrieb, eine PWM-Treiberschaltung als Zerhacker oder Wechselrichter 32 zum Betrieb des Spulenkreises 86 durch den Wechselrichter 32 und einen DC/DC-Wandler 34 zur bidirektionalen Umsetzung des 10V-16V Batterie-Spannungskreises 82 in den 32V Zwischenkreis 84. Daneben sieht das Batterie-Management-System 36 eine Kommunikationseinrichtung der NFC-Einheit 38 zum bidirektionalen Austausch von Steuer- und Zustandsdaten aus, die durch ein Prozessor- und Speichersystem unterstützt wird. Zu den austauschbaren Daten über die NFC-Schnittstelle gehört eine eindeutige Identifizierung der Batterieeinheit 30, Typinformation, Life-Cycle-Informationen, aktueller Ladezustand, Strom- und Spannungsniveaus, eine Historie des Energiezustands (Coulomb-Counting) und weitere Daten. Die NFC-Schnittstelle kann aus einem Stand-By-Modus energielos durch Annäherung eines Auslesegerätes passiv aktiviert werden, so dass die Batterieeinheit im Ruhezustand keinerlei Energie verbraucht.
  • In den weiteren Teildarstellungen D und D* der 2f und 2g ist ein induktiv gekoppelter (2f) und entkoppelter (2g) Zustand der Spuleneinheiten 42 und 26 dargestellt. Die Spuleneinheiten 26, 42 sind gemäß der Darstellung der 2c aufgebaut und können sich hinsichtlich des Wicklungsverhältnisses unterscheiden oder identisch sein. Getrennt sind die Öffnungsbereiche der die Spuleneinheiten 26, 42 aufnehmenden Halbschalengehäuse 92 durch jeweils dünne Spulenkopplungsplatten 80. Deren Dicke und die definierten Ausrichtung der Ferritkern-Halbschalen 64 zueinander bestimmen die Streuverluste und den Energieübertragungs-Wirkungsgrad der induktiven Kopplung. Vorteilhaft können die Spulenkopplungsplatten 80 bereichsweise ferromagnetische und voneinander segmentierte Einsätze zur Magnetflussführung zwischen den Kontaktflächen 68 der Ferrit-Halbschalen 64, die den Transformatorkern bereitstellen aufweisen. Die 2f zeigt dabei einen induktiv gekoppelten, 2g einen110 induktiv getrennten Zustand von Batterieeinheit 30 zur Lageraufnahme 50 einer Batterieaufnahmeeinrichtung 20, wie dies z.B. bei einem Austausch im laufenden Lade- oder Entladebetrieb zur Bereitstellung einer Hot-Swap-Fähigkeit auftritt.
  • Die 3a, 3b und 3c zeigen eine Front-, Seiten- und Schnittdarstellung E-E durch ein Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems 10 mit einer mobilen Batterieaufnahmeeinrichtung 20, die mit drei Batterieeinheiten 30 bestückbar ist. Die Batterieaufnahmeeinrichtung ist nach Art eines Rollkoffers mit Standfüßen und Transportrollen 58 ausgerüstet. Mittels Tragegriffen 56, die auch durch einen Teleskopbügel ausfahrbar oder im Gehäuse 54 versenkbar ist, kann ein erleichterter Transport des Batteriesystems, dass im vollbestückten Zustand zwischen 35 bis 60 kg wiegen kann, ermöglicht werden. Im oberen Bereich des Gehäuses 54 ist das übergeordnete Batterie-Management-System, dass im Detail in 1 beschrieben ist, angeordnet, und kann mit einer passiven Kühlstruktur oder einem aktiven Kühlsystem temperiert werden. Durch das Öffnen einer Abdeckplatte oder Abdecktür können drei Lageraufnahmen 50 freigelegt werden, in denen Batterieeinheiten 30, wie in 2b dargestellt, in einer Querrichtung eingeschoben werden, so dass deren, an einer schmalen Seitenfläche angeordneten Spuleneinheit 42 in Kontaktberührung mit einer Spuleneinheit 26 der Lageraufnahme 50 kommt. Hierbei kann ein nicht dargestelltes Federelement oder eine Anpresseinheit eine federdruckbelastete konkrete Ausrichtung der beiden gegenüberliegenden Spuleneinheiten 26, 42 bereitstellen. Die Lageraufnahme 50 und/oder das Gehäuse 44 der Batterieeinheit kann durch formkomplementäre Strukturen eine lagerichtige Positionierung und Ausrichtung der Batterieeinheit 30 in der Lagereinheit 50 gewährleisten. An einer Seitenwand des Gehäuses 54 kann ein Touch-Bedienpanel 112 zum Abruf von Daten der Batterieeinheiten 30 und zur Abruf- und Einstellung von Lade- und Entladespezifikation und ggf. Bezahldetails angeordnet sein.
  • Die 3c ist eine Schnittdarstellung E-E der 3b mit drei aufgenommen Batterieeinheiten 30, die jeweils auch geschnitten sind, und ihre jeweiligen vier Bakteriellen 40 zeigen. Jede Batterieeinheit 30 wird mittels Federelementen 46 auf die Kontaktfläche der Spuleneinheit 26 der Lageraufnahme 50 gepresst, so dass eine optimierte induktive Kopplung der Spuleneinheiten 26, 42 bereitgestellt werden kann. Nicht dargestellt sind diverse Stromzuführungs- und -entnahmeanschlüsse für USB-Kleinspannung, bidirektionaler 48V DC-Schutzspannungsinterface zum Einspeisen und Entnahme von 48V Spannung, 800V DC-Hochvolteingang, Netzeingang mittels Kaltgerätestecker und Schuko-Steckdosen zur Bereitstellung von 230V AC-Netzspannung. Mittels dieser Ausführungsform eines Batteriesystems 10 kann mobil kurzfristig eine Energieversorgung z.B. für eine Feierlichkeit in der Natur oder zur Werkzeugbearbeitung in einer Baustelle bereitgestellt werden, aber auch Batterieeinheiten von Fahrzeugen, Werkzeugen oder ähnliches aufgeladen werden, wobei jeweils maximaler Personenschutz gegeben und eine Fehlbedienung ausgeschlossen ist.
  • Eine Ausführungsform der Batterieeinheit 20 (Power-Cell) kann vorzugsweise mit einem Lithium-Eisenphosphat oder Lithium-Ionen-Batteriezellen bestückt sein. Die LiFe-Zellentechnologie überzeugt durch hohe Einsatztiefe, eine konstante Spannung während der gesamten Nutzung, kurze Ladezeiten sowie ein optimales Verhältnis zwischen Platzverbrauch und Leistungsfähigkeit.
  • Die Batterieeinheit 20 (Power-Cell) kann durch Parallelschaltung modular erweiterbar und in ein beliebig großes Energienetzwerk integrierbar sein. Im geladenen Zustand kann eine Einzelzelle eine Energie von bis zu 2 kWh bei einem Zellwirkungsgrad von über 95 % und eine Ausgabeleistung bis zu 2,4 kW bereitstellen. Dabei kann die Batterieeinheit 20 minimale Selbstentladung, lange Lebensdauer, hohe Entladungstiefe und Zyklenfestigkeit bieten, und kann m laufenden Betrieb, sicher gewechselt werden („Hot- Swappable), ohne dass ein Lichtbogen auftritt, elektrische Verbindungen getrennt oder verbunden werden müssen oder elektrische Komponenten durch Überstrom geschädigt werden können. In dem internen Batterie-Management-System 36 kann eine aktive Stromregelung als Funktion von Zellspannung und Zelltemperatur (Derating) bereitgestellt sein. Das Gehäuse 44 kann als ein metallisches, geschlossenes, kontaktloses Batteriezellengehäuse ausgeführt sein, dass auch einen Transport-Test nach UN38.3 erfüllt. Denn für den Transport von Lithium-Akkus / -Batterien gelten seit 2003 besondere Vorschriften. Diese UN Transportvorschriften (z.B. UN 3090, UN 3480, UN 3481) wurden von der UN herausgegeben und gelten für den Transport zu Lande, zu Wasser und zu Luft.
  • Eine mittels Transportrollen 58 und Transportgriffe 56 mobile Batterieaufnahmeeinrichtung 20 (Power-Pack) kann zwei, drei oder mehrere Batterieeinheiten 20 in Lageraufnahmen 50 aufnehmen Externe Versorgungsanschlüsse und Bedienmöglichkeiten können 230V Steckdose bei 50Hz, USB-Ausgang, QI-Charger, oder ein Touch-Pad sein. Dabei kann eine Energiemenge z.B. für 20 Stunden fernsehen, 70 Stunden Radio hören oder 24 Stunden einen Kühlschrank bereitgestellt werden. Maximale Abgabeleistung kann bis zu bis zu 3,6 kW betragen, die speicherbare Energiemenge kann bis zu bis zu 6 kWh betragen.
  • Aufbauend auf das vorherig beschriebene Konzept einer mobilen Batterieaufnahmeeinrichtung kann ein größere, vorzugsweise stationär z.B. in einem Wohn- oder Bürogebäude angeordnete Batterieaufnahmeeinrichtung 20 (Power-Rack) eine Mehrzahl von Lagereinheiten 50 für eine Aufnahme von bis zu zehn Batterieeinheiten 30 bieten und kann so Energie bis zu 20 kWh, vorzugsweise gespeist über eine Photovoltaik- oder Windenergiequelle, speichern und bei Bedarf wieder mit einer Abgabeleistung bis zu 10,8 kW bereitstellen. Sowohl das Laden als auch das Entladen der Batterieeinheiten 30 erfolgt mittels effektiver und sicherer Induktionstechnik. Zur Aufladung kann eine derartige größere Batterieaufnahmeeinrichtung 20 mit nachhaltigen Energiequellen wie Photovoltaik, Windenergie oder durch das Stromversorgungsnetz auch 3-phasig mit 50Hz oder auch mit 48V DC oder DC-Hochvolt mit 400-800V DC geladen werden. Eine derartige Batterieaufnahmeeinrichtung 20 kann beispielsweise als Notenergieversorgung für Computerserver oder in Krankenhäuser kostengünstig und platzsparend eingesetzt werden.
  • In der 4 ist ein Container-Batteriesystem 100 (Mega-Rack / Power-MRack) dargestellt, wobei ein Regal-Batterieaufnahmeeinrichtung 102 in einem Containergehäuse angeordnet ist, und in Regal-Lageraufnahmen 50 des Regal-Batterieaufnahmeeinrichtung 102 eine Vielzahl von Batterieeinheiten 30 parallel aufgenommen werden können. Diese sind über einen Energie- und einen Datenbus miteinander verbunden, wobei jede Lageraufnahme 50 eine Spuleneinheit 26 und eine NFC-Einheit 28 aufweist. Ein nicht dargestelltes Batterie-Management-System 52 ist gegenüber einer Öffnungsseite des Containers zum Anschluss an ein externes Stromnetz, einer Photovoltaik- oder Windenergieeinrichtung zur Stromversorgung angeschlossen, um die Mehrzahl von Batterieeinheiten 50 parallel und unabhängig voneinander betrieben, d.h. aufladen zu können, oder Energie in ein Stromversorgungsnetz zur kurz- bis mittelfristigen Energieversorgung rückspeisen zu können. Die Ausgabeleistung kann bis zu 0,75 MW betragen und die speicherbare Gesamtleistung bis zu 1,7 MWh pro Container erreichen. Ein Netzseitige Ein- und Ausspeisung kann AC dreiphasig mit Spannungen zwischen 380-480 V AC möglich sein, wobei auch DC 48V oder Hochvolteinspeisung mit bis zu 800V möglich sein kann. Ein Batteriesystem 100 kann somit die Versorgung eines Gebäudes bzw. größeren Netzwerks bereitstellen oder speichert vor Ort gewonnene Energie für eine spätere industrielle Nutzung. Es stellt somit ein modernes Batteriesystem mit hohem Wirkungsgrad dar, deren Kapazität modular erweiterbar ist und ist für eine hohe Zykleneffizienz konzipiert. Das Verhältnis zwischen Volumen, Leistung und Zuverlässigkeit eignet sich für hohe Versorgungssicherheit und flexiblen Einsatz.
  • Die 5 stellt ein Säulen-Batteriesystem 110 (Power-Charge) mit einer Batterieaufnahmeeinrichtung 20 für eine Mehrzahl von Batterieeinheiten 30 bereit, wobei die einzelnen Lageraufnahmen 50 durch Türen verschließbar sind. Mittels eines Bedienpanels 112 kann ein Nutzer ein Auf- oder Entladevorgang einer Batterieeinheit 30 steuern und kann insbesondere für ein Bezahlladesystem eine gewünschte Energiemenge, Tarifierung, Ausleihe und Rückgabe einer Batterieeinheit 30 steuern. Das Säulen-Batteriesystem stellt somit ein Konzept einer öffentlichen Ladestation bereit, die eine komfortable Möglichkeit zum Aufladen einer Batterieeinheit 30 bietet. Stationiert an frequentierten und barrierefrei zugänglichen urbanen Plätzen ermöglicht diese, Nutzern verbrauchte Batterieeinheiten 30 gegen frisch geladene auszutauschen. Ein intuitives Touchscreen-Display des Bedienpanels 112 ist einfach zu bedienen und bietet einfache und bargeldlose Zahlungsmöglichkeiten. So kann beispielsweise der Nutzer zwischen geeigneten Abonnements oder der Zahlung mit Kreditkarte oder seinem Smartphone wählen. In einem nachhaltigen Energiekreislauf kombiniert dieses Säulen-Batteriesystem 110 eine Versorgungs-und Ladestation für Batterieeinheiten 30.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Batteriersystem
    20
    Batterieaufnahmeeinrichtung
    22
    Aufnahmeseitiger DC/DC-Wandler
    24
    Aufnahmeseitiger Wechselrichter
    26
    Aufnahmeseitige Spuleneinheit
    28
    Aufnahmeseitige NFC-Einheit
    30
    Batterieeinheit
    32
    batterieseitiger Wechselrichter
    34
    Batterieseitige DC/DC-Wandler
    36
    Batterieseitiges Batterie-Management-System
    38
    Batterieseitige NFC- Einheit
    40
    Batteriezelle
    42
    Batterieseitige Spuleneinheit
    44
    Batteriegehäuse
    46
    Federelement
    48
    Aufnahmeseitiger Umrichter
    50
    Lageraufnahme
    52
    Aufnahmeseitiges Batterie-Management-System
    54
    Gehäuse der Batterieaufnahmeeinrichtung
    56
    Transportgriff
    58
    Transportrollen
    60
    Spuleneinheit
    62
    Spule
    64
    Ferritkern-Halbschale
    66
    Ferritelement
    68
    Kontaktfläche
    70
    Rückschlussbereich
    72
    Schalenbereich
    74
    Überdruckventil
    76
    Batteriegriff
    78
    NFC-Platinenbereich
    80
    Spulenkoppelplatte
    82
    Batteriezellen-Spannungskreis
    84
    Batterie-Zwischenkreis
    86
    Batterie-Spulenkreis
    88
    Aufnahme-Spulenkreis
    90
    Aufnahme-Zwischenkreis
    92
    Spuleneinheit- Halbschalengehäuse
    100
    Container-Batteriesystem
    102
    Regal-Batterieaufnahmeeinrichtung
    110
    Säulen-Batteriesystem
    112
    Bedienpanel

Claims (10)

  1. Batteriesystem (10, 100, 110) umfassend eine Batterieaufnahmeeinrichtung (20) und eine oder mehrere Batterieeinheiten (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (30) bidirektional induktiv miteinander und/oder mit der Batterieaufnahmeeinrichtung (20) zum Auf- und Entladen koppelbar sind, und die Batterieaufnahmeeinrichtung (20) mit einer externen elektrischen Energiequelle und/oder Energiesenke verbindbar ist, die Batterieeinheit (30) eine Spuleneinheit (42) umfasst und die Batterieaufnahmeeinrichtung (20) für jede aufnehmbare Batterieeinheit (30) eine Lageraufnahme (50) mit einer magnetisch komplementär koppelbaren Spuleneinheit (26,60) zum werkzeuglos wechselbaren Einschub und Entnahme einer Batterieeinheit (30) umfasst.
  2. Batteriesystem (10, 100, 110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit (42, 60) der Batterieeinheit (30) und die Spuleneinheit (26, 60) der Batterieaufnahmeeinrichtung (20) mechanisch trennbar mit einem maximalen Abstand der Spuleneinheiten (26, 42) von 110 mm, bevorzugt von 100 mm, besonders bevorzugt 10 mm, insbesondere 1 mm ausgebildet sind, wobei bevorzugt zumindest eine nicht ferromagnetische Spulenkoppelplatte als Abdeckung der batterieseitigen Spuleneinheit (42, 60) angeordnet ist, die insbesondere ferromagnetische Bereiche zur Magnetflussführung aufweist.
  3. Batteriesystem (10, 100, 110) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Spuleneinheit (26, 42, 60) eine einzelne Spule (62) umfasst, die als im Wesentlichen als elliptische langestreckte Flachspule ausgeformt ist, wobei bevorzugt eine Spulenwindung aus einer Hochfrequenzlitze besteht und die Spuleneinheit (26,42,60) in in ihren mechanischen Dimensionen und elektromagnetischen Parametern für einen Frequenzbereich von 50-100kHz, insbesondere für 70kHz Betriebsfrequenz optimiert ist, und wobei weiterhin bevorzugt die Spule (62) in einem Halbschalengehäuse (92) angeordnet ist, und in einer Ferritkern-Halbschale (64) aus segmentierten Ferritelementen (66) eingebettet ist, so dass die Spuleneinheit (26,42,60) ein Verhältnis Dicke zu Länge/Breite von zumindest 1:5, bevorzugt 1:8, insbesondere 1:10 oder höher aufweist, und wobei weiterhin bevorzugt eine NFC-Einheit (28,38) in der Spuleneinheit (26, 42, 60) umfasst ist.
  4. Batteriesystem (10, 100, 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (30) mechanisch abgeschlossen ist, und nach außen keine Schalter oder Öffnungen aufweisen, und nur über Induktion aufladbar und entladbar ist.
  5. Batteriesystem (10, 100, 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (30) und/oder eine Lageraufnahme (50) der Batterieaufnahmeeinrichtung (20) eine mechanische und/oder magnetische Verriegelungseinheit umfasst, die eine lagerichtige Einführung und/oder unbeabsichtigte Entnahme der Batterieeinheit (30) bevorzugt in einer Lade-/ und oder Endladephase verhindern kann.
  6. Batteriesystem (10, 100, 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Batterieeinheiten (30) aufgenommen in einer Batterieaufnahmeeinrichtung (20) eine elektrischen Gesamtkapazität von 1.5 kWh bis 1700 kWh bereitstellen.
  7. Systemkomplex umfassend zumindest zwei oder mehrere Batteriesysteme (10, 100, 110) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehreren Batteriesysteme (10, 100, 110) zu einem größeren Systemkomplex verschaltet sind.
  8. Batterieaufnahmeeinrichtung (20) zur Verwendung in einem Batteriesystem (10, 100, 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieaufnahmeeinrichtung (20) zumindest eine Lageraufnahme (50), bevorzugt zwei oder mehrere Lageraufnahmen (50) mit zumindest einer magnetisch komplementär koppelbaren Spuleneinheit (26, 60), bevorzugt einer Spuleneinheit pro Lageraufnahme (50) zum werkzeugfrei wechselbaren Einschub und Entnahme einer Batterieeinheit (30) umfasst, wobei bevorzugt eine Anpresseinheit, insbesondere ein Federelement (46), zur Ausübung einer federbelasteten Presskraft im Einführungszustand auf die Batterieeinheit (30) in einer Lageraufnahme (50) angeordnet ist.
  9. Batterieeinheit (30) zur Verwendung in einem Batteriesystem (10, 100, 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (30) in einem Batteriegehäuse (42) gekapselt ist, und zumindest eine, insbesondere eine Mehrzahl von Batteriezellen (40), eine Spuleneinheit (26, 60), ein Batterie-Management-System (36) und eine NFC-Einheit (28) für eine zumindest monodirektionale, bevorzugt bidirektionale Datenkommunikation umfasst.
  10. Batterieeinheit (30) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit (26, 60) und die NFC-Einheit (28) baulich integriert in einer Stirnfläche des Batteriegehäuses (42) integriert ist, die flächenmäßig kleiner als andere Seitenflächen des Batteriegehäuses (42) ist, und dass bevorzugt an einer dieser Stirnfläche entgegengesetzten Fläche eine Anpresseinheit, insbesondere ein Federelement (46), zur Ausübung einer federbelasteten Presskraft im Einführungszustand in einer Lageraufnahme (50) auf diese Stirnfläche, angeordnet ist.
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