-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Speichern von elektrischer Energie und zum Bereitstellen
der elektrischen Energie für
eine elektrische Last in verschiedenen Antriebsenergieraten. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein Gerät, eine Vorrichtung und ein
Verfahren, die eine Hybrid-Batterie verwenden,
um variable Antriebsenergieraten für eine elektrische Last bereitzustellen,
wie beispielsweise einen Elektromotor oder -antrieb, die für den Antrieb
eines Fahrzeugs verwendet werden.
-
Allgemeiner
Stand der Technik
-
In
der Vergangenheit wurden verschiedene Möglichkeiten zum Speichern und
Bereitstellen von elektrischer Energie zum Antreiben einer elektrischen
Last, wie beispielsweise eines elektrischen Antriebsmotors, vorgeschlagen.
Zum Beispiel sind in der Vergangenheit verschiedene Typen von Batterien,
einschließlich
Blei-Säure,
Nickel-Cadmium (Ni-Cd)
und Nickel-Metall-Hybrid (Ni-MH), zum Antreiben elektrischer Fahrzeuge
verwendet worden. Allerdings weist jeder Batterie-Typ eindeutige
Vor- und Nachteile auf.
-
Zum
Beispiel weisen Blei-Säure-Batterien den
Vorteil auf, dass sie im Bedarfsfall einen hohen Antriebsenergie-Impuls
bereitstellen können.
Ferner können
Blei-Säure-Batterien
große
Ströme
bereitstellen, die ausreichend sind, um elektrische Lasten zu beschleunigen
und anzutreiben, wie beispielsweise Elektromotoren und -antriebe
in Fahrzeugen. Allerdings leiden Blei-Säure-Batterien unter dem Nachteil,
eine niedrige Energiedichte aufzuweisen, die manchmal als Watt-Stunde
pro Liter (W-h/l) ausgedrückt
oder gemessen wird, was bedeutet, dass die pro Volumeneinheit bereitgestellte
Energie niedrig ist. Desgleichen weisen Blei-Säure-Batterien eine relativ
niedrige spezifische Energie auf, die als Watt-Stunde pro Kilogramm
(W-h/kg) ausgedrückt wird,
was bedeutet, dass eine relativ große Masse benötigt wird,
um eine substanzielle Energiemenge zu speichern.
-
Im
Gegensatz dazu weisen Batterien auf Lithium-Basis, wie beispielsweise
Lithium-Batterien
mit Anoden oder negativen Elektroden aus Lithium-Metall oder -Legierung
und aufladbare Trocken-Lithiumionen-Batterien, wie zum Beispiel
im U.S.-Patent 6,159,635 offenbart, welches Das Gupta und anderen
erteilt wurde, eine höhere
Energiedichte und spezifische Energiemerkmale auf als Batteriezellen
auf Blei- oder Nickel-Basis. Es ist anzumerken, dass einige Typen
von aufladbaren Trocken-Lithiumionen-Batterien als Polymer-Lithium-Batterien
bezeichnet werden, weil sie in Polymerschichten gepackt und versiegelt
sind und Lithiumionen leitende Polymer-Elektrolyte aufweisen. Andererseits
können
Batterien auf Lithium-Basis nicht in der Lage sein, große Antriebsenergie-Impulse,
insbesondere hohe Stromdichten, wegen der eigenleitenden hohen Impedanz solcher
Zellen auf Lithium-Basis bereitzustellen. Ferner, um Energieverluste
zu verhindern, erfordern Zellen auf Lithium-Basis Wärmeverwaltungstechniken, um
die Batterie auf einer akzeptablen Temperatur zu halten, wie beispielsweise –20 °C bis zu
einem Höchstwert
von 70 °C.
Antriebsenergie-Impulse in Lithiumionen-Zellen erzeugen im Allgemeinen
größere Mengen
von Wärmeenergie,
die, falls sie nicht sachgemäß verwaltet
werden, die Batterie zerstören
können.
-
In
einem Elektrofahrzeug ist es wünschenswert,
eine Energiespeichervorrichtung zu haben, die eine hohe Energiedichte
aufweist, so dass ein Mindestvolumen durch die Energiespeichervorrichtung belegt
wird, sowie eine hohe spezifische Energie, so dass ein Mindestgewicht
zusammen mit dem Fahrzeug transportiert wird. Es ist jedoch auch
wünschenswert,
eine Energiespeichervorrichtung zu haben, die große Antriebsenergie-Impulse bereitstellen kann.
Insbesondere ist ein Antriebsenergie-Impuls im Allgemeinen zur Überwindung
von stationärer
Reibung und der Trägheit
eines stationären
elektrisch angetriebenen Fahrzeugs sowie zur Beschleunigung erforderlich.
Es wird angemerkt, dass Versuche unternommen worden sind, aufladbare
Lithium-Batterien anders zu konstruieren, um höhere Ströme bereitstellen zu können, doch
führte
dies zu niedrigeren spezifischen Energien und niedrigeren Energiedichten
solcher Batterievorrichtungen.
-
In
der Vergangenheit wurden mehrere verschiedene Typen von Energiespeichervorrichtungen in
dem Bemühen
vorgeschlagen, eine Hochleistungsspeichervorrichtung bereitzustellen,
die große Antriebsenergie-Impulse
bereitstellt. Zum Beispiel offenbaren das U.S.-Patent 5,780,980
und U.S.-Patent 5,808,448, beide erteilt an Naito, ein Elektrofahrzeug-Antriebssystem
mit einer direkten Strom-Antriebsenergiezufuhr, die eine Brennstoffzelle
umfasst, die an eine Blei-Säure-Batterie
angeschlossen ist. Die Brennstoffzelle erzeugt eine konstante Leistung, wenn
sie in Betrieb ist, und führt
dem Fahrzeug elektrische Antriebsenergie zu, wenn die Antriebsenergierate
für die
elektrische Last niedrig ist. Wenn die Antriebsenergierate für die elektrische
Last sich erhöht,
wird die Antriebsenergie von der Blei-Säure-Batterie sowie von der
Brennstoffzelle zugeführt. Naito
offenbart auch, dass die Brennstoffzelle die Blei-Säure-Batterie
auflädt,
wenn die Ladung für
die Blei-Säure-Batterie
sich unter einem spezifizierten Wert befindet. Allerdings leidet
Naito unter dem Nachteil, dass die Fluid-Reaktanten zum Betreiben der
Brennstoffzelle in Behältern
auf dem Fahrzeug mitgeführt
werden müssen.
Dies reduziert die spezifische Energie-Leistungsfähigkeit
der Vorrichtung in hohem Maße.
Des Weiteren offenbart Naito eine aufwändige elektrische Schaltung,
welche die Energiezufuhr von der Brennstoffzelle und der Blei-Säure-Batterie
gestattet.
-
Für viel kleinere
Lasten, wie beispielsweise im mikroelektronischen Bereich, wie zum
Beispiel im Einsatz bei elektrochromen Brillengläsern, wurden Lithium/Thionylchlorid- und Blei-Säure-Hybrid-Batterien
vorgeschlagen. Zum Beispiel offenbaren die U.S.-Patente an Kallman
die Verwendung einer Hybrid-Batterie, die eine primäre, das
heißt
nicht-aufladbare Lithium/Thionylchlorid-Batteriezelle, und eine sekundäre versiegelte
Blei-Säure-Batterie
aufweist, um mikroelektronische Schaltungen zu versorgen. Die primäre und die
sekundäre
Batterie treiben eine Last an, die im Fall von Kallman mikroelektronische Schaltungen
mit niedriger Antriebsenergie für
elektrochrome Brillengläser
sind. Die primäre
Batterie versorgt auch eine Steuereinheit, die wiederum periodisch
die sekundäre
Batterie laden kann. Kallman offenbart jedoch nicht, dass die primäre Lithium/Thionylchlorid-Batterie
wieder aufgeladen wird. Außerdem
ist die Kallman-Vorrichtung so konstruiert, dass sie mit einer relativ
niedrigen Gesamtenergieleistung klein ist und als solche für größere Lasten
nicht verwendet werden könnte.
-
Es
wurden auch Kondensatoren in der Vergangenheit verwendet, wie beispielsweise
in der europäischen
Anmeldung 0 564 149 A2 an Jeol Ltd. offenbart. Wie in dieser Anmeldung
offenbart, sind Kondensatoren jedoch viel empfindlicher für die angelegte
Spannung, und wenn die an den Kondensator angelegte Spannung die
Nennspannung überschreitet,
reduziert sich die Kapazitanz des Kondensators sofort, und der Leckstrom
erhöht
sich. Aus diesem Grund offenbart die europäische Anmeldung 0 564 149 A2
ausführlich
Steuerschaltungen, um das Laden der Kondensatoren zu begrenzen,
weist aber keine Offenbarung in Bezug auf die Verwendung von Batterien
oder dahingehend auf, wie die Batterien zu steuern sind.
-
Demzufolge
besteht ein Bedarf in der Technik an einer effizienten Energiespeichervorrichtung, die
eine relativ hohe Energiedichte und eine relativ hohe spezifische
Energie aufweist für
die Verwendung bei großen
Lasten, die variable Antriebsenergie-Erfordernisse aufweisen. Des
Weiteren, obwohl Energiedichte ein wichtiger Gesichtspunkt ist,
ist es auch erforderlich, zu berücksichtigen,
wie die Batterien in dem Fahrzeug untergebracht werden. Mit anderen
Worten, das effektive Volumen der Vorrichtung mit den Batterien,
das heißt,
das Gesamtvolumen, das zum Aufnehmen der Batterien erforderlich
ist, nicht nur das Volumen der einzelnen Zellen, muss berücksichtigt
werden. Ein weiterer Gesichtspunkt sollte das Laden des Systems
sein, nachdem die Leistung unter einen vorgegebenen Pegel gefallen ist.
-
Kurzdarstellung
der Erfindung
-
Dementsprechend
ist es eine Aufgabe der Erfindung, wenigstens teilweise die Nachteile
des bisherigen Stands der Technik zu überwinden. Des Weiteren ist
es eine Aufgabe der Erfindung, eine effiziente Energiespeichervorrichtung
zur Verwendung in Situationen mit relativ großer Last bereitzustellen, wie
beispielsweise für
ein Elektrofahrzeug, und vorzugsweise mit einer hohen spezifischen
Energie und Energiedichte, während
sie immer noch in der Lage ist, große Antriebsenergie-Impulse
in einer wärmeverwaltbaren
Weise bereitzustellen.
-
Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung in einem Gesichtspunkt eine Antriebsenergiequelle
zum Zuführen
elektrischer Antriebsenergie zu einem Antriebsmotor bereit, wobei
der Antriebsmotor elektrische Antriebsenergie in unterschiedlichen
Raten aufnimmt, wobei die Antriebsenergiequelle umfasst: eine erste
aufladbare Energie-Batterie
mit einer ersten Energiedichte zum Speichern elektrischer Energie;
eine zweite aufladbare Antriebsenergie-Batterie mit einer zweiten
Energiedichte, die geringer ist als die erste Energiedichte, zum
Speichern elektrischer Energie und Bereitstellen elektrischer Antriebsenergie
für den
Elektromotor in den unterschiedlichen Raten; eine Batterie-Steuereinheit zum
Steuern des kontinuierlichen Aufladens der Antriebsenergie-Batterie mit elektrischer
Energie von der Energie-Batterie; und wobei elektrische Ener gie, die
in der Energie-Batterie gespeichert ist, dem Elektromotor über die
Antriebsenergie-Batterie und in den unterschiedlichen Raten zugeführt wird.
-
In
einem anderen Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung eine
Energiespeichervorrichtung zum Speichern elektrischer Energie bereit,
die an eine elektrische Last abzugeben ist, wobei die Energiespeichervorrichtung
umfasst: eine erste aufladbare Batterie mit einer ersten Energiedichte,
die elektrisch mit einer externen Antriebsenergiequelle verbunden
werden kann; eine zweite aufladbare Batterie mit einer zweiten Energiedichte,
die geringer als die erste Energiedichte ist, wobei die zweite Batterie elektrisch
mit der ersten Batterie verbunden ist und elektrisch mit der Last
verbunden werden kann; wobei während
des Betriebs die zweite Batterie mit der Last verbunden ist und
der Last elektrische Energie zuführt,
während
die erste Batterie die zweite Batterie kontinuierlich auflädt; und
wobei die erste Batterie zum Aufladen periodisch mit der externen
Quelle je nach Erfordernis verbunden ist.
-
In
einem weiteren Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung eine
Energiespeichervorrichtung zum Speichern elektrischer Energie bereit,
die an eine elektrische Last abzugeben ist, wobei die Energiespeichervorrichtung
umfasst:
eine aufladbare Batterie mit einer ersten Energiedichte,
die elektrisch mit einer externen Antriebsenergiequelle verbunden
werden kann; eine aufladbare elektrische Vorrichtung mit einer zweiten
Energiedichte, die geringer als die erste Energiedichte ist, wobei
die zweite Batterie elektrisch mit der ersten Batterie verbunden
werden kann und elektrisch mit der Last verbunden werden kann; wobei
während des
Betriebs die aufladbare elektrische Vorrichtung mit der Last verbunden
ist und der Last elektrische Energie zuführt, während die Batterie die aufladbare elektrische
Vorrichtung im Wesentlichen kontinuierlich auflädt; und wobei die Batterie
zum Aufladen periodisch mit der externen Quelle je nach Erfordernis verbunden
ist.
-
In
einem weiteren Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zum Speichern elektrischer Energie für eine elektrische Last bereit, die
elektrische Antriebsenergie in unterschiedlichen Raten aufnimmt,
wobei das Verfahren umfasst: Laden einer ersten aufladbaren Energie-Batterie
mit einer ersten Energiedichte; Laden einer zweiten aufladbaren
Antriebsenergie-Batterie mit einer zweiten Energiedichte, die geringer
als die erste Energiedichte ist; Zuführen von elektrischer Energie
von der zweiten Antriebsenergie-Batterie zu der elektrischen Last
in der unterschiedlichen Rate; und Aufladen der zweiten Antriebsenergie-Batterie über die
erste Energie-Batterie.
-
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Energie-Batterie
eine herkömmliche Blei-Säure-Batterie
sein kann, die im Allgemeinen in Fahrzeugen verwendet wird. Auf
diese Weise kann die Blei-Säure-Batterie
ausreichende Antriebsenergie-Impulse und mit ausreichendem Strom
bereitstellen, um eine elektrische Last anzutreiben, die variable
Antriebsenergie-Erfordernisse aufweist, wie beispielsweise ein Elektromotor
in einem Fahrzeug. Die Energie-Batterie ist jedoch vorzugsweise
eine Zelle oder Batterie auf Lithium-Basis, die eine hohe Energiedichte
und hohe spezifische Energie aufweist. Dementsprechend, wenn die
Antriebsenergie-Batterie kontinuierlich durch die Energie-Batterie
aufgeladen wird, kann die Antriebsenergie-Batterie nahe an ihrem
optimalen Ladepegel gehalten werden, was die Lebensdauer der Antriebsenergie-Batterie
verbessern soll. Des Weiteren, indem die Antriebsenergie nahezu
ihren optimalen Ladepegel aufweist, kann die Energie erzeugende
Leistungsfähigkeit
der Antriebsenergie-Batterie aufrecht erhalten werden, und Energie
kann für
die Last in variablen Raten bereitgestellt werden, wodurch die Antriebsenergie-Erfordernisse
der Last einfacher erfüllt
werden. Da sich der Hauptenergiespeicherabschnitt des Energie bereitstellenden
Systems der vorliegenden Erfindung jedoch in der Energie-Batterie
mit hoher Energiedichte und spezifischer Energie befindet, wird
dem Fahrzeug relativ wenig zusätzliches
Volumen und Gesicht hinzugefügt.
-
In
einer der weiteren Ausführungsformen
ist die Lithium-Batterie eine Polymer-Lithium-Batterie, die eine aufladbare Trocken-Lithiumionen-Batterie umfasst,
die in Kunststoffabdeckungen gepackt oder davon umhüllt und
darin versiegelt ist und feste Polymer- und organische Flüssigkeits-, Lithiumionen leitende
Elektrolyte aufweist. Solche Polymer-Lithiumionen-Batterien können in
spezifischen Formen oder Ausbildungen hergestellt und in eine sachdienliche Form
ausgeformt werden, die einen Raum einnehmen kann, der anderenfalls
in dem Fahrzeug frei gelassen wird. Auf diese Weise kann das effektive
Volumen der Energiespeichervorrichtung reduziert werden, indem sichergestellt
wird, dass um die Energie-Batterie wenig Raum verschwendet wird.
-
Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass beide Batterien
in der Energiespeichervorrichtung aufgeladen werden können. Wie oben
festgestellt, lädt
die Energie-Batterie
im Wesentlichen kontinuierlich die Antriebsenergie-Batterie auf.
Wenn erforderlich, kann jedoch auch die Energie-Batterie aufgeladen
werden, indem sie mit einer externen Quelle verbunden wird. Auf
diese Weise kann die Energiespeichervorrichtung leicht für fortgesetzten
Einsatz regeneriert werden und benötigt keinen Zusatz von Fluid-Reaktanten oder den
Austausch der Batterien. Des Weiteren kann in einer bevorzugten
Ausführungsform
die Antriebsenergie-Batterie von der externen Quelle aufgeladen
werden, wenn die Energie-Batterie aufgeladen wird, um die Auflade-Effizienz
zu verbessern.
-
Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass wegen der
Verwendung einer Blei-Säure-Batterie
bestehende Techniken zur Energiewiedergewinnung verwendet werden
können.
Insbesondere kann die Energie, die während des Bremsens erzeugt
wird, nutzbar gemacht werden, um den Energiepegel der Blei-Säure-Batterie
aufzufüllen, wenn
das Fahrzeug angehalten wird. Dieses Verfahren wird oft als Nutzbremsung
bezeichnet.
-
Genau
wie gewisse Lasten gelegentliche oder periodische Energie-Impulse
erfordern, können Ladequellen
von Zeit zu Zeit Energie-Impulse zur Verfügung stellen. Die Nutzbremsung
eines Fahrzeugs ist ein Beispiel für eine solche "Impuls"-Ladequelle. Wenn
die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist, Ladung in einer
hohen Rate anzunehmen, können
diese Energie-Impulse effizient aufgenommen werden. Ein Vorteil
der vorliegenden Erfindung ist, dass gelegentliche oder periodische
Antriebsenergie-Impulse dazu verwendet werden können, die Antriebsenergie-Batterie
in einer Rate aufzuladen, die von der Energie-Batterie nicht effizient
aufgenommen werden kann oder die Energie-Batterie beschädigen könnte. Ein anschließende hohe
Last könnte die
Energie aus dieser "Impuls"-Ladequelle direkt aus
der Antriebsenergie-Batterie verwenden. Alternativ könnte die
Antriebsenergie-Batterie verwendet werden, um die Energie-Batterie
in einer niedrigeren Rate über
einen längeren
Zeitraum aufzuladen. Welche Weiterleitung von Energie am effektivsten
für eine
spezielle Nutzung ist, ändert
sich natürlich
mit dem zeitabhängigen
Energiebedarf der elektrischen Last und der speziellen Anwendung
der Energiespeichervorrichtung.
-
Weitere
Gesichtspunkte der Erfindung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen
Beschreibung und aus den Zeichnungen offenkundig, welche die Erfindung
und bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung veranschaulichen.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
In
den Zeichnungen, welche Ausführungsformen
der Erfindung veranschaulichen, zeigt
-
1 ein
elektrisches System, das eine elektrische Speichervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst;
-
2A eine
Kurve, welche die Entladung der Blei-Säure-Batterie in Bezug zur Zeit
zeigt; und
-
2B eine
Kurve, welche die Entladung des aufladbaren Trocken-Lithium-Energie-Batterieblocks in
Bezug zur Zeit zeigt.
-
Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
-
Wie
hierin oben beschrieben, ist in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung eine Energiespeichervorrichtung bereitgestellt, die
eine Energie-Batterie umfasst, die mit einer Antriebsenergie-Batterie
verbunden ist. Die Energie-Batterie weist eine hohe Energiedichte
und eine hohe spezifische Energie auf, so dass sie leicht und effizient
eine hohe Energiemenge speichern kann. Die Energie-Batterie ist
ebenfalls über
externe Quellen aufladbar. Die Energie-Batterie kann eine relativ
stabile Energieleistung bereitstellen, kann aber einen relativ niedrigen Strompegel
aufweisen. Mit anderen Worten, die Energie-Batterie führt die
hauptsächliche
Funktion des effizienten Speicherns einer großen Energiemenge durch, ohne
eine große
Masse aufzuweisen oder einen großen Raum zu belegen, kann aber
unter Umständen
keine hohen oder variablen Strompegel oder eine variable Antriebsenergieleistung
bereitstellen.
-
Im
Gegensatz dazu ist die Antriebsenergie-Batterie so ausgelegt, dass
sie eine variable Leistung der Antriebsenergie aufweist und kurze
hohe Stromimpulse bereitstellen kann. Zum Beispiel ist die Antriebsenergie-Batterie
in der Lage, hohe Antriebsenergie-Impulse mit kurzen hohen Stromimpulsen bereitzustellen,
wie für
die elektrische Last erforderlich, wie zum Beispiel den Antriebsenergie-Erfordernissen
eines Elektromotors oder -Antriebs, die für den Antrieb eines Fahrzeugs
verwendet werden. Die Antriebsenergie-Batterie weist unter Umständen jedoch
keine hohe Energiedichte oder hohe spezifische Energie auf. Insbesondere
ist die Antriebsenergie-Batterie aufladbar und kann über die
Energie-Batterie und optional über
eine externe Antriebsenergiequelle wieder aufgeladen werden.
-
Im
Betrieb erfüllt
die Antriebsenergie-Batterie die variablen Strom- und Antriebsenergie-Erfordernisse einer
elektrischen Last, wobei sie kontinuierlich von der Energie-Batterie
aufgeladen wird. Auf diese Weise stellt die elektrische Speichervorrichtung auf
Grund der Energie-Batterie eine Hybrid-Batterie mit höherer Energiedichte
und hoher spezifischer Energie bereit, wobei sie auf Grund der Antriebsenergie-Batterie
immer noch variable Antriebsenergie-Raten sowie hohe Stromimpulse
bereitstellt, wie sie für
elektrische Lasten erforderlich sind.
-
Die
elektrische Speichervorrichtung umfasst auch eine Steuereinheit
zum Koordinieren des Ladens und Arbeitens der Energie-Batterie sowie
der Antriebsenergie-Batterie. Die Steuereinheit koordiniert auch
das Laden und Arbeiten der Energie-Batterie und der Antriebsenergie-Batterie,
um die lange Lebensdauer von beiden aufrecht zu erhalten, indem sie
beispielsweise das Überladen
der Antriebsenergie-Batterie und Überhitzen der Energie-Batterie
verhindert. Die Steuereinheit integriert optional auch eine Gerätekonsole,
welche die Spannung und den Stromfluss von der Energie-Batterie
zu der Antriebsenergie-Batterie sowie von der Antriebsenergie-Batterie
zu der elektrischen Last angibt. Die Steuereinheit gibt optional,
beispielsweise durch eine Warn- oder Alarm-Vorrichtung, auch die
Annäherung
an den niedrigsten zulässigen
Spannungspegel der Energie-Batterie
an, so dass ein Aufladen der Energie-Batterie erfolgen kann. Die
Energie-Batterie und optional die Antriebsenergie-Batterie können über eine
externe Quelle aufgeladen werden. Die Steuereinheit kann auch das
Aufladen der Energie-Batterie und auch der Antriebsenergie-Batterie über die
externe Quelle koordinieren.
-
1 veranschaulicht
ein allgemein mit dem Bezugszeichen 10 gezeigtes elektrisches
System, das eine Energiespeichervorrichtung 15 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet. Wie in 1 gezeigt,
umfasst das System 10 die E nergiespeichervorrichtung 15,
die mit einer Last verbunden ist, die als Motor 100 in 1 gezeigt ist.
-
Wie
ebenfalls in 1 gezeigt, umfasst die Energiespeichervorrichtung 15 zwei
aufladbare Batterien 20, 30. Die erste Batterie
ist eine Energie-Batterie 20, und die zweite Batterie ist
eine Antriebsenergie-Batterie 30.
-
Wie
ebenfalls in 1 veranschaulicht, ist die Energie-Batterie 20 mit
der Antriebsenergie-Batterie 30 über eine erste Verbindung 21 verbunden. Die
Antriebsenergie-Batterie 30 ist
wiederum mit einer elektrischen Last, welche in dieser Ausführungsform
ein Elektromotor 100 ist, über eine zweite Verbindung 22 verbunden.
Während
des Betriebs führt die
Antriebsenergie-Batterie 30 elektrische Energie über die
zweite Verbindung 22 dem Antriebsmotor 100 zu,
und die Energie-Batterie 20 führt elektrische Energie über die
erste Verbindung 21 zum im Wesentlichen kontinuierlichen
Aufladen der Antriebsenergie-Batterie 30 zu.
-
Die
Antriebsenergie-Batterie 30 versorgt den Motor 100 über die
zweite Verbindung 22 mit Antriebsenergie mit einer zweiten
Spannung V-2 und einem zweiten Strom I-2. Es ist klar, dass die
zweite Spannung V-2 und der zweite Strom I-2 sich ändern, um
es der Antriebsenergie-Batterie 30 zu gestatten, Impulse
von Strom und elektrischer Antriebsenergie mit unterschiedlichen
Raten, abhängig
von den Anforderungen des Motors 100, zuzuführen. Dementsprechend
wird die Antriebsenergie-Batterie 30 so ausgewählt und
konstruiert, dass sie die Antriebsenergierate sowie Erfordernisse
von Strom I-2 und Spannung V-2 der elektrischen Last erfüllt.
-
In
der Ausführungsform,
in der die elektrische Last ein Motor 100 ist, kann der
Motor 100 zum Beispiel ein 96-Volt-Motor sein, der zwischen
75 und 500 Ampere arbeitet. In diesem Fall ist es praktisch und
wünschenswert,
dass die Antriebsenergie-Batterie 30 wenigstens eine Leistungsfähigkeit
von 5 Kilowattstunden oder höher
aufweist. Die Blei-Säure-Batterie 30 wird
bevorzugt, so dass hohe Antriebsenergie-Impulse mit kurzen hohen
Stromimpulsen für
den Motor 100 bereitgestellt werden können. Allerdings können auch
andere Hochleistungsbatterien, wie beispielsweise Nickel-Metall-
oder Nickellegierung-Hybrid-Batterien oder Nickel-Cadmium-Batterien
statt Blei-Säure-Batterien
verwendet werden.
-
In
einigen Ausführungsformen
kann die Vorrichtung 15 zusätzlich zu Batterien aufladbare
elektrische Speichervorrichtungen umfassen.
-
Im
Gegensatz dazu ist die Energie-Batterie 20 so ausgelegt,
dass sie eine große
Menge von elektrischer Energie speichert. Also solche weist die Energie-Batterie 20 vorzugsweise
eine Energiedichte auf, die relativ hoch ist, vorzugsweise höher als
die Energiedichte der Antriebsenergie-Batterie 30. Auf diese
Weise kann die Energie-Batterie 20 große Mengen von elektrischer
Energie effizient speichern. Des Weiteren, da die Antriebsenergie-Batterie 30 ausgewählt worden
ist, um die variablen Antriebsenergie-Erfordernisse des Motors 100 zu
erfüllen,
kann die Energie-Batterie 20 ausgewählt werden, ohne die Antriebsenergie-Erfordernisse
des Motors 100 zu berücksichtigen.
Stattdessen besteht die Hauptaufgabe der Energie-Batterie 20 darin,
dass die Energie-Batterie 20 in der Lage ist, elektrische
Energie mit gewünschten
Pegeln und mit sachgemäßen Spannungen
und Strömen
effizient zu speichern und bereitzustellen, um die Antriebsenergie-Batterie 30 im
Wesentlichen kontinuierlich so aufzuladen, dass die Antriebsenergie
erzeugende Leistungsfähigkeit
der Antriebsenergie-Batterie 30 aufrecht erhalten werden kann.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Energie-Batterie 20 eine Lithium-Batterie, doch
kann jede andere Batterie, die zu dieser Funktion fähig ist, verwendet
werden. Noch bevorzugter wird eine aufladbare Trocken-Lithiumionen-Batterie
als die Energie-Batterie 20 verwendet.
-
In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
kann die aufladbare Trocken-Lithiumionen-Batterie eine Polymer-Lithiumionen-Batterie
sein, die in verschiedene Formen ausgeformt werden kann. Auf diese
Weise kann durch Ausformen der Polymer-Lithium-Batterie, damit sie jeden zugewiesenen
Raum einnimmt, das effektive Volumen der Energiespeichervorrichtung 15 verringert
werden. Des Weiteren kann die Polymer-Lithiumionen-Batterie so ausgeformt
werden, dass sie einen sonst nicht genutzten Raum einnimmt, wie
beispielsweise den Raum zwischen anderen Komponenten oder Karosserieteilen in
einem Fahrzeug. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann die Polymer-Lithiumionen-Batterie so ausgeformt werden, dass
sie als Mantel oder Gehäu se
der Vorrichtung 15 als Ganzem dient, wodurch das effektive
Volumen der Energiespeichervorrichtung 15 noch weiter verringert
wird.
-
Der
erste Strom I-1 und die erste Spannung V-1 der ersten Verbindung 21 werden
so ausgewählt, dass
sie für
eine optimale Lebensdauer der Energie-Batterie 20 und der
Antriebsenergie-Batterie 30 sorgen. Zum Beispiel wird der
Strom I-1 vorzugsweise so ausgewählt,
dass die schädliche
Auswirkung auf die Energie-Batterie 20 minimiert wird,
wie beispielsweise die Wärmeerzeugung
durch die Energie-Batterie 20. Der Strom I-1 wird ebenfalls
vorzugsweise so ausgewählt,
dass er anhaltende hohe Energie auf gewünschten Pegeln bereitstellt,
um die Antriebsenergie-Batterie 30 kontinuierlich aufzuladen und
dadurch die Antriebsenergie erzeugende Leistungsfähigkeit
der Antriebsenergie-Batterie 30 aufrecht zu erhalten sowie
die langfristigen Erfordernisse der Energie-Batterie 20 und
der Antriebsenergie-Batterie 30 zu erfüllen. Dementsprechend wird für eine lange
Lebensdauer bevorzugt, dass die erste Spannung V-1 und der erste
Strom I-1 so ausgewählt werden,
dass die Antriebsenergie, die von der Energie-Batterie 20 zu
der Antriebsenergie-Batterie 30 übertragen wird, ausreichend
ist, um die vom Motor 100 an die Antriebsenergie-Batterie 30 gestellten
Energie-Erfordernisse zu erfüllen,
aber auch relativ so niedrig ist, dass die Temperaturauswirkungen
der Energie-Batterie 20 verringert werden.
-
Des
Weiteren kann in dem Fall, in dem die Antriebsenergie-Batterie 30 eine
Blei-Säure-Batterie 30 ist,
die lange Lebensdauer erhalten werden, indem die Blei-Säure-Batterie 30 nahe
an ihrem obersten Ladepegel gehalten wird. Dies lässt sich
in einer bevorzugten Ausführungsform
durch einen im Wesentlichen kontinuierlichen Fluss des ersten Stroms I-1
zu der Antriebsenergie-Batterie 30 erreichen, so dass die
Energie-Batterie 20 die Antriebsenergie-Batterie 30 im
Wesentlichen kontinuierlich auflädt.
Indem der erste Strom I-1 relativ niedrig gehalten wird, ist auch
die Energie-Übertragungsrate
entsprechend niedriger, doch kann dies ausgeglichen werden, indem
die Antriebsenergie-Batterie 30 mit elektrischer
Energie von der Energie-Batterie 20 im Wesentlichen kontinuierlich
aufgeladen wird.
-
Zum
Steuern des Flusses von Strom und elektrischer Energie zwischen
den Batterien 20, 30 umfasst die Elektroenergie-Speichervorrichtung 15 auch
eine Steuereinheit 60. Die Steuereinheit 60 ist mit
den Batterien 20, 30 sowie der ersten Verbindung 21 ver bunden,
um den Antriebsenergiefluss von der Energie-Batterie 20 zu
der Antriebsenergie-Batterie 30 zu regulieren.
-
Wie
ebenfalls in 1 dargestellt ist, ist ein Nutzbremsungssystem 90 über eine
fünfte
Verbindung 25 mit der Antriebsenergie-Batterie 30 verbunden.
Wenn das Fahrzeug bremst, wandelt das Nutzbremsungssystem 90 die
kinetische Energie des sich bewegenden Fahrzeugs in elektrische
Energie um, wie in dem Fachgebiet bekannt ist. Das Nutzbremsungssystem 90 gibt
diese wieder aufgefangene elektrische Energie vorzugsweise an die
Antriebsenergie-Batterie 30 über die fünfte Verbindung 25 mit dem
fünften
Strom I-5 und der fünften
Spannung V-5 ab.
-
Die
Steuereinheit 60 steuert den Energiefluss über die
erste Verbindung 21 durch Steuern eines ersten Stroms I-1
und einer ersten Spannung V-1, beispielsweise über einen Schalter 25.
Zum Beispiel kann die Steuereinheit 60, indem die Steuereinheit
den Schalter 26 öffnet
und schließt,
den Energiefluss von einer Batterie zur anderen steuern. Im Fachgebiet
ist bekannt, dass dieser Typ von Schalter 26 schnell arbeiten
kann und Kondensatoren, Induktoren und andere Komponenten enthalten
kann, so dass die Steuerung des Elektrizitätsflusses mit relativ hoher
Effizienz erreicht werden kann. Wenn die elektrische Energie zum
Beispiel von einer Quelle mit höherer
Spannung zu einem Empfänger
mit niedrigerer Spannung fließt,
arbeitet der Schalter 26 in einem so genannten "in entgegengesetzter
Richtung wirkenden" (buck)
Modus. Wenn die Spannung der Quelle niedriger ist als die Spannung
des Empfängers,
arbeitet der Schalter 26 in einem so genannten "Verstärkungs-" (boost) Modus. Schalterauslegungen,
die in dem einem oder dem anderen (oder beiden) dieser Modi arbeiten,
sind in dem Fachgebiet bekannt und werden demzufolge hier nicht
ausführlich
erörtert.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die Energie-Batterie 20 so konstruiert, dass ihre Spannung
im allgemeinen etwas höher
ist als die Spannung der Antriebsenergie-Batterie 30, selbst wenn die
Energie-Batterie sich am Ende ihrer Nutzkapazität befindet. Auf diese Weise
kann der Schalter 26 so ausgelegt werden, dass er immer
in dem in entgegengesetzter Richtung wirkenden Modus arbeitet, der
aus Kosten- und Effizienzgründen
zu bevorzugen ist, den Energiefluss jedoch so begrenzt, dass er
von der Energie-Batterie 20 zur Antriebsenergie-Batterie 30 unidirektional
verläuft.
Mit dieser Begrenzung befindet sich die Antriebsenergie-Batterie 30 jedes
Mal, wenn erwartet wird, dass ein Nutzbremsungsanstieg der Antriebsenergie
an die Antriebsenergie-Batterie 30 abgegeben wird, vorzugsweise
in einem Kapazitätszustand,
der niedrig genug ist, um diese Energie aufzunehmen, ohne überladen
zu werden, und die Belastungscharakteristik gestattet es vorzugsweise, diese
Situation aufrecht zu erhalten, ohne die Energie-Batterie 20 durch
die Antriebsenergie-Batterie 30 aufladen zu müssen. Wenn
die Energiespeichervorrichtung 15 in einem Elektrofahrzeug
verwendet wird, ist die Energie, die durch das Nutzbremsungssystem 90 zurückgegeben
wird, fast immer niedriger als die Energie, die vorher zur Beschleunigung
zugeführt wurde.
Daher ist es im Allgemeinen möglich,
einen Ladekapazitätszustand
in der Antriebsenergie-Batterie 30 aufrecht zu erhalten,
um die meisten Antriebsenergie-Impulse aus dem Nutzbremsungssystem aufzunehmen.
-
In
einer anderen Ausführungsform
könnte der
Schalter 26 in dem in entgegengesetzter Richtung wirkenden
Modus und Verstärkungs-Modus
arbeiten, wodurch es der Antriebsenergie-Batterie 30 gestattet
wird, die Energie-Batterie 20 aufzuladen, wenn zum Beispiel
die Antriebsenergie-Batterie 30 überladen worden ist, wie beispielsweise
durch das Nutzbremsungssystem 90.
-
1 veranschaulicht
auch eine Aufladeeinrichtung 50, die zum Aufladen der Speichervorrichtung 15 über externe
Antriebsenergiequellen verwendet wird. Die Aufladeeinrichtung 50 kann
mit der Energiespeichervorrichtung 15 über Anschlüsse 16, 17, 18 verbunden
werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Energiespeichervorrichtung 15 verwendet, um einen
Elektromotor 100 in einem (nicht gezeigten) Fahrzeug anzutreiben.
Die Vorrichtung wäre
in dem Fahrzeug enthalten. Die Energie-Batterie 20 würde die
Antriebsenergie-Batterie 30 im Wesentlichen kontinuierlich
aufladen, selbst wenn sich das Fahrzeug bewegt.
-
Da
diese externen Antriebsenergiequellen 8 im Allgemeinen
befestigt sind, erfolgt die Regenerierung der Vorrichtung 15 im
Allgemeinen, wenn das Fahrzeug stationär ist. In diesem Fall könnte sich
die Aufladeeinrichtung 50 an einem festen Ort befinden und
würde elektrische
Antriebsenergie zur Regenerierung der Energiespeichervorrichtung 15 über externe
Antriebsenergiequellen 8 bereitstellen, wie beispielsweise
Hydro-Netze (hydro mains).
-
Die
Anschlüsse 16 und 18 führen Energie von
der Aufladeeinrichtung 50 getrennt zu der Energie-Batterie 20 und
der Antriebsenergie-Batterie 30 zu. Wie in 1 veranschaulicht,
gibt die Aufladeeinrichtung 50 Antriebsenergie an die Energie-Batterie 20 über die
dritte Verbindung 23 ab, die vom Anschluss 16 ausgebildet
wird. Die dritte Verbindung 23 stellt Antriebsenergie mit
einer dritten Spannung V-3 und einem dritten Strom I-3 bereit, die
ausgewählt werden,
um die Auflademerkmale der Energie-Batterie 20 zu erfüllen. Desgleichen
gibt die Aufladeeinrichtung 50 Antriebsenergie an die Antriebsenergie-Batterie 30 über die
vierte Verbindung 24 ab, die durch den Anschluss 18 ausgebildet
wird. Die vierte Verbindung 24 stellt Antriebsenergie mit
einer vierten Spannung V-4 und einem vierten Strom I-4 bereit, um die
Auflademerkmale der Antriebsenergie-Batterie 30 zu erfüllen. Auf
diese Weise kann die Aufladeeinrichtung 50 beide, die Energie-Batterie 20 und
die Antriebsenergie-Batterie 30, gleichzeitig aufladen.
-
Die
Steuereinheit 60 kann über
den Anschluss 17 mit der Aufladeeinrichtung 50 verbunden werden,
um es der Steuereinheit 60 zu gestatten, die Spannungen
V-3 und V-4 und die Ströme
I-3 und I-4 zu steuern. Die Steuereinheit 60 steuert die
Spannungen V-3 und V-4 und die Ströme I-3 und I-4, um sicherzustellen,
dass die Batterien 20, 30 effizient und ohne Beschädigung aufgeladen
werden.
-
Die
Energie-Batterie 20 wird wahrscheinlich mehr Zeit zum Aufladen
erfordern, da sie eine größere Energiespeicher-
und Arbeitskapazität
besitzt, was zu dem Ergebnis führt,
dass die Steuereinheit 60 im Allgemeinen zuerst aufhört, die
Antriebsenergie-Batterie 30 aufzuladen. Es ist auch klar,
dass es nicht notwendig ist, dass die Aufladeeinrichtung 50 wenigstens
die Antriebsenergie-Batterie 30 auflädt, weil die Antriebsenergie-Batterie 30 durch
die Energie-Batterie 20 aufgeladen werden kann. Mit anderen Worten,
in einer Ausführungsform
wird nur die Energie-Batterie 20 durch die externe Antriebsenergiequelle 8 über die
Aufladeeinrichtung 50 aufgeladen, und die Energie-Batterie 20 lädt dann
die Antriebsenergie-Batterie 30 auf. In dieser Ausführungsform sind
der Anschluss 18 und die vierte Verbindung 24 sowie
der dazugehörige
Steuerschaltkreis für
die Spannung V-4 und den Strom I-4 der vierten Verbindung 24 nicht
erforderlich, wodurch die Gesamtkosten reduziert werden. Allerdings
werden der Anschluss 18 und die vierte Verbindung 24 direkt
von der Aufladeeinrichtung 50 zu der Antriebsenergie-Batterie 30 im
Allgemeinen bevorzugt, da es das gleichzeitige Aufladen beider Batterien 20, 309 gestattet,
und daher die Gesamtladezeit der Vorrichtung 15 verringert
wird.
-
2A zeigt
eine Kurve, welche die zeitliche Entladung der Antriebsenergie-Batterie 30 darstellt. Wie
in 2 gezeigt, nimmt die Kapazität der Antriebsenergie-Batterie 30,
die in dieser bevorzugten Ausführungsform
eine Blei-Säure-Batterie 30 ist,
in Schritten ab, die plötzlichen
Antriebsenergie-Impulsen 210 entsprechen, die für den Motor 110 erforderlich
sind. Die plötzlichen
Antriebsenergie-Impulse 210 sind zum Beispiel erforderlich,
um Trägheit,
stationäre
Reibung, wenn das Fahrzeug stationär ist, und auch bei Beschleunigung
zu überwinden.
Sobald diese ersten Impulse 210 jedoch aufgetreten sind, beginnt
die Kapazität
sich zu erhöhen,
selbst wenn die Antriebsenergie-Batterie 30 dem Motor 100 Antriebsenergie
zuführt,
weil die Lithium-Batterie 20 die Blei-Säure-Batterie 30 kontinuierlich
auflädt.
Mit anderen Worten, wenn ein erster Impuls 210 aufgetreten
ist, und der Motor 100 in einem stabilen Zustand arbeitet,
wobei das Fahrzeug in einer ziemlich konstanten Geschwindigkeit
bewegt wird, sollte die Trocken-Lithium-Batterie 20 die
Antriebsenergie-Batterie 30 auf einen Pegel aufladen, der
höher ist
als der, auf dem die Antriebsenergie-Batterie 30 dem Motor 100 Energie
zuführt.
Auf diese Weise kann die Kapazität
der Antriebsenergie-Batterie 30 steigen, selbst wenn sie
dem Motor 100 in einem stabilen Zustand Energie zuführt.
-
An
dem Punkt, der in 2A mit dem Buchstaben "R" bezeichnet ist, wird die Vorrichtung 15 mit der
Blei-Säure-Batterie 30 über eine
feste externe Quelle 8 mittels der Aufladeeinrichtung 50 aufgeladen.
Während
des Aufladens, in 2A durch das Bezugszeichen 250 gezeigt,
wird die Blei-Säure-Batterie 30 durch
die Aufladeeinrichtung 50 über eine feste externe Quelle 8 so
aufgeladen, dass sich ihre Kapazität erhöht.
-
Zwischen
dem Aufladen über
eine feste externe Quelle 8 kann die Antriebsenergie-Batterie 30 im
Wesentlichen kontinuierlich durch die Trocken-Lithiumionen-Energie-Batterie 20 aufgeladen
werden. Dieses kontinuierliche Aufladen erhöht die Kapazität der Blei-Säure-Batterie 30 auf
temporäre
waagrechte Abschnitte (plateaus), die in 2A mit
dem Bezugszeichen 220 angegeben werden. Diese waagrechten Abschnitte 220 stellen
die Blei-Säure-Batterie 30 dar, die
den Motor 100 mit niedrigen Antriebsenergiepegeln antreibt,
während
sie kontinuierlich von der Lithiumionen-Batterie 20 aufgeladen wird.
Mit anderen Worten, diese waagrechten Abschnitte 220 stellen
einen stabilen Zustandspegel dar, bei dem Energie im Wesentlichen
von der Energie-Batterie 20 durch die Antriebsenergie-Batterie 30 und
in den Motor 100 fließt.
Obwohl nicht gezeigt, könnten
diese waagrechten Abschnitte 220 auch nach oben zum vollen oder
100-%-Kapazitätspegel
der Blei-Säure-Batterie 30 ansteigen.
Dies würde
veranschaulichen, dass die Energie-Batterie 20 mehr als
die erforderlichen Antriebsenergie-Pegel zuführt, um den Motor 100 anzutreiben,
und auch die Antriebsenergie-Batterie 30 in einer größeren Rate
auflädt
als die Antriebsenergie-Rate des Motors 100 zu diesem bestimmten
Zeitpunkt.
-
2B veranschaulicht
die Kapazität
der Lithiumionen-Energie-Batterie 20 in Bezug zur Zeit. Wie
in 2B dargestellt, nimmt die Kapazität der Energie-Batterie 20 mit
der Zeit ziemlich beständig ab.
Obwohl die Kapazität
der Energie-Batterie 20 Einsattelungen 212 aufweisen
kann, die den plötzlichen
Antriebsenergie-Impulsen 210 der Antriebsenergie-Batterie 30 entsprechen,
würden
diese wenigstens nicht so schwerwiegend sein wie die Einsattelungen
in der Kapazität
der Antriebsenergie-Batterie 30, weil die Energie-Batterie 20 nicht
so ausgelegt ist, dass sie Energie in einer hohen Rate überträgt. Desgleichen,
wie in 2B veranschaulicht, weist die Energie-Batterie 20 weniger
steile Verringerungen der Antriebsenergie auf, die den waagrechten
Abschnitten 220 in der Antriebs-Energie-Batterie 30 entsprechen.
Dies stellt die Antriebsenergie-Batterie 30 dar, die dem
Motor 100 elektrische Energie mit niedrigeren Antriebsenergiepegeln
zuführt.
-
Es
ist klar, dass die Kapazität
der Blei-Säure-Batterie 30 mit
der Zeit abnimmt, wie in 2A gezeigt.
An dem Punkt, der in 2A mit dem Buchstaben "R" bezeichnet ist, wird die Vorrichtung 15 mit der
Energie-Batterie 20 aufgeladen. Das Laden der Energie-Batterie 20 ist
in 2B unter dem Bezugszeichen 251 gezeigt.
Wie in 2A gezeigt, erhöht sich
während
des Aufladens die Kapazität
der Energie-Batterie allmählich
auf annähernd
die volle oder die volle Kapazität.
-
Die
Vorrichtung 15 wird im Allgemeinen aufgeladen, wenn die
Kapazität
der Energie-Batterie 20 unter
einen Schwellenwert fällt,
der in 2B allgemein durch die untere
gestrichelte Linie gezeigt wird, die mit dem Buchstaben "L" gekennzeichnet ist. Obwohl die Kapazität der Antriebsenergie-Batterie 30 auf
der Gerätekonsole
gezeigt werden und/oder einen Alarm auslösen kann, ist die Kapazität der Energie-Batterie 20 der Hauptfaktor
zur Bestimmung dessen, wann die Vorrichtung 15 wieder aufgeladen
werden muss. Die Vorrichtung 15 kann einen Alarm und/oder
eine (nicht gezeigte) Gerätekonsole
umfassen, die angeben, wann sich die Kapazität der Energie-Batterie 20 diesem
Schwellenwert nähert
oder ihn erreicht hat. Dies wird zum Beispiel in 2B angegeben
durch den Punkt, der mit dem Buchstaben "R" bezeichnet
ist. 2A und 2B veranschaulichen,
dass die Kapazität
der Antriebsenergie-Batterie 30 und der Energie-Batterie 20 den
unteren Schwellenwert etwa zum gleichen Zeitpunkt erreichen. Es
ist klar, dass dies nicht notwendigerweise der Fall sein muss, aber
die Kapazität
der Energie-Batterie wird eher der Hauptfaktor für die Bestimmung sein, wann
die Vorrichtung 15 aufgeladen werden sollte. Es ist ebenfalls
klar, dass der untere Schwellenwert für beide Batterien 20, 30 ausgewählt wird,
um Beschädigung
oder Leistungsminderung der Energie-Batterie 30 und/oder
der Antriebsenergie-Batterie 20 zu vermeiden.
-
Dementsprechend,
unter Verwendung der Energiespeichervorrichtung 15 wie
oben beschrieben, kann Energie von einer Energie-Batterie 20 mit hoher
Energiedichte für
eine Antriebsenergie-Batterie 30 mit niedrigerer Energiedichte
und anschließend
für eine
elektrische Last bereitgestellt werden, welche der Motor 100 ist.
Auf diese Weise speichert die Antriebsenergie-Batterie 30 mit
der niedrigeren Energiedichte im Wesentlichen temporär Energie
von der Energie-Batterie 20, um die Energie mit den Raten
bereitzustellen, die von der Last 100 gefordert werden.
Die Hochleistungs-Batterie 30 kann die elektrische Energie
für das
Fahrzeug effizient speichern.
-
Ein
Vergleichsbeispiel eines Fahrzeugs mit einer herkömmlichen
Blei-Säure-Energiespeichervorrichtung
und eines Fahrzeugs mit einer Energiespeichervorrichtung 15 der
vorliegenden Erfindung wird im Folgenden bereitgestellt, um die
vorliegende Erfindung weiter zu beschreiben und zu veranschaulichen.
-
Zunächst wurde
ein herkömmliches
umgebautes Elektrofahrzeug (Suzuki Motors/REV Consulting) mit einem
96-Volt-Gleichstrommotor mit einem einzelnen, in Reihe geschalteten
Block von sechzehn hochwertigen Sechs-Volt-Bleibatterien (Trojan – Warenzeichen)
ausgestattet, die ein Gesamtgewicht von 523 kg hatten und ein Volumen
von 225 Litern einnahmen und eine Nennkapazität von 23,4 Kilowattstunden
bei der 20-Stunden-Rate
(20 hour rate) aufwiesen. Gewicht und Volumen sind diejenigen der Batterien
selbst und enthalten nicht das Gewicht und Volumen der Haltestrukturen
und Gehäuse, die
zum Befestigen, Aufnehmen und Kühlen
der Batterie verwendet werden. Die Leistung war akzeptabel, aber die
Strecke des Fahrzeugs war auf ungefähr 70 Kilometer pro Ladung
begrenzt. Der durchschnittliche Motorstrom betrug für das Fahrzeug
bei einer konstanten Geschwindigkeit von 60 km/h ungefähr 40 Ampere.
Somit konnte weit unter der Hälfte
der Nennkapazität
dieser Batterie genutzt werden. Der Motor-Spitzenstrom betrug während der
Beschleunigung 440 Ampere.
-
Das
Antriebssystem des Fahrzeugs wurde dann mit einer Antriebsenergie-Batterie 20 und
einer Energie-Batterie 30 gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung umgebaut, wie allgemein in 1 veranschaulicht.
Die Antriebsenergie-Batterie 20 bestand aus acht Zwölf-Volt-Blei-Autobatterien (Interstate – Warenzeichen)
in einer Reihenschaltung mit einer Nennspannung von 96 Volt. Diese
Batterien haben keine Nennleistung, haben aber einen Startnennstrom
(cranking current rating) von 525 Ampere und einen Kaltstartnennstrom
von 420 Ampere. Die Höchstspannung
dieser Batterie betrug ungefähr
110 Volt bei voller Ladung. Die Energie-Batterie bestand aus einer
Reihen/Parallel-Anordnung von 480 Lithiumionen-Polymer-Zellen, jede
mit einer Kapazität von
11,4 Amperestunden, einer maximalen Nennstromleistung von 4 Ampere
und einer Nennspannung von 3,65 Volt (hergestellt von Electrovaya,
Toronto, Kanada). Mit 12 parallelen Zellen in einer Gruppe und 40
Gruppen in Reihe wies die Batterie eine maximale Spannung bei voller
Ladung von ungefähr
160 Volt und eine Mindestspannung bei Entladung von ungefähr 120 Volt
auf.
-
Die
Blei-Antriebsenergie-Batterie 30 und die Lithium-Energie-Batterie 20 wurden
mit einem in entgegengesetzter Richtung wirkenden Schalter verbunden,
der mit 115 Kilohertz arbeitet und einen Wirkungsgrad von ungefähr 90% bereitstellt.
Die Schalter-Steuereinheit 60 wurde
so eingestellt, dass sie einen Stromfluss von 40 A von der Energie-Batterie 20, (welche
die Antriebsenergie-Batterie 30 lädt), gestattete, wenn die Antriebsenergie-Batterie 20 auf
75% Kapazität
abfiel, und den Stromfluss stoppte, wenn die Antriebsenergie-Batterie 30 80%
Ladekapazität erreichte.
Die Energie-Batterie 20 konnte über eine externe Quelle 8 unter
Verwendung eines einphasigen 60-Hz-Netzanschlusses mit 220 Volt mit einem maximalen
Nennstrom von 20 Ampere geladen werden und wurde unter Verwendung
eines Spartransformators, Gleichrichters und Filters, wie im Fachgebiet
bekannt, gesteuert. Während
des Ladens der Energie-Batterie 20 wurde die Spannung so
gesteuert, dass der Ladestrom unter 18 Ampere blieb, und die Zellengruppen-Spannungen
wurden zum Ende des Ladens hin sorgfältig überwacht, so dass es keiner
Zellengruppen-Spannung möglich
war, jemals 4,20 Volt zu übersteigen.
-
Im
Betrieb erreichte der Strom zum Motor einen Höchstwert von 385 Ampere während rascher Beschleunigung.
Während
der Nutzbremsung erreichte der Strom, der in die Antriebsenergie-Batterie zurückgeführt wurde,
einen Höchstwert
von 112 Ampere, jedoch nur für
einige Sekunden während
eines abrupten Stopps. Ein durchschnittlicher Motorstrom während typischen
Fahrens war etwas geringer als 40 Ampere. Die Antriebsenergie-Batterie
führte
die hohen Stromimpulse problemlos zu und nahm die Nutzbremsungsimpulse
mit sehr geringer Überspannung
auf. Bei vollständiger
Ladung konnte das Fahrzeug ungefähr
180 km gefahren werden, wobei die Energie-Batterie nach dieser Zeit
aufgeladen werden musste. Die Leistung des Fahrzeugs schien sich auch
nach wiederholter Aufladung und Nutzung nicht zu verschlechtern.
-
Das
Gewicht der Energie-Batterie betrug 103 kg, während die Antriebsenergie-Batterie
105 kg wog, was einem Gesamtgewicht von ungefähr 210 kg entsprach. Das von
der Energie-Batterie beanspruchte Volumen betrug 50 Liter, und das
der Antriebsenergie-Batterie
60 Liter, was insgesamt 110 Litern entsprach. Diese Gewichte und
Volumina enthalten wiederum keine Befestigungs-, Aufnahme- und Kühlsysteme,
die in dem verbesserten System selbst leichter und kleiner sein
könnten
wegen des leichteren und kleineren Batteriesystems.
-
Somit
war die Kombinations- oder Hybrid-Batteriespeichervorrichtung 15 der
vorliegenden Erfindung viel leichter, viel kleiner und viel effektiver als
die herkömmliche
Einzelblock-Batterie, die sie ersetzte. Die Energie-Batterie 20 in
diesem Beispiel wies einen Nennstrom von 48 Ampere auf, (jeweils zwölf parallele
Zellen pro Gruppe mit jeweils 4 Ampere), und hätte die 385-Ampere-Beschleunigungsimpulse
kaum abgeben können,
die von der Antriebsenergie-Batterie 30 abgegeben wurden
und für
den Motor 100 erforderlich waren. Allerdings war die Antriebsenergie-Batterie 30,
wie durch die herkömmliche
Einzelblock-Batterie veranschaulicht, viel schwerer und größer. Somit
stellte die Speichervorrichtung 15 der vorliegenden Erfindung
mehrere Vorteile gegenüber
der herkömmlichen
Einzelblock-Batterie bereit.
-
Ein
weiterer Vorteil der Batteriespeichervorrichtung 15 der
vorliegenden Erfindung zeigt sich durch die Einbauort-Flexibilität der zwei
Batterien 20, 30. Die Antriebsenergie-Batterie 30,
die hohe Stromimpulse zuführt,
befindet sich vorzugsweise in der Nähe des Motors, um die Länge von
teurer, schwerer und widerstandsfähiger Verkabelung zu minimieren. In
dem ursprünglichen
herkömmlichen
Fahrzeug war es nicht möglich,
die gesamte Batterie wegen ihrer großen Große und ihres Gewichts in der
Nähe des Motors
einzubauen, und daher war zusätzliches
Kabel mit zusätzlichen
Kosten und Gesamtgewicht erforderlich. In dem umgebauten Fahrzeug
wurde die Antriebsenergie-Batterie 30 in der Nähe des Motors 100 eingebaut,
wodurch die Kosten und das Gewicht, die mit schweren und teuren
Kabeln entlang der zweiten Verbindung 22 zusammenhingen,
verringert wurden. Allerdings kann die Energie-Batterie 20 mit ihrem
relativ niedrigen Strom weniger schwere und teure Kabel für die erste
Verbindung 21 zu der Antriebsenergie-Batterie 30 verwenden und kann
somit vom Motor 100 und der Antriebsenergie-Batterie 30 entfernt
eingebaut werden, ohne schwere und teure Kabel zu erfordern.
-
Es
ist klar, dass, obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf die
bevorzugte Ausführungsform
beschrieben worden ist, in der die Energie-Batterie 20 eine
Trocken-Lithiumionen-Batterie ist, die Energie-Batterie 20 nicht
auf diesen Typ von Batterie beschränkt ist. Stattdessen könnte jeder
Typ von Batterie mit einer Energiedichte verwendet werden, die größer als
die Energiedichte der Antriebsenergie-Batterie ist, wie beispielsweise
eine Natrium-Schwefel-Batterie, eine Lithium-Luft-Batterie oder
eine chemische Entsprechung. In einer der bevorzugten Ausführungsformen
umfasst die Energie-Batterie 20 eine Polymer-Lithiumionen-Batterie, die
in verschiedene Formen ausgeformt werden kann, wodurch das effektive
Volumen der Energiespeichervorrichtung 15 verringert werden
kann.
-
Desgleichen,
obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine Antriebsenergie-Batterie 30 beschrieben
worden ist, die eine Blei-Säure-Batterie 30 umfasst,
ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Stattdessen
kann jeder Typ von Antriebsenergie-Batterie 30, die von einer
Energie-Batterie 20 aufgeladen werden kann, wie beispielsweise
einer Lithium-Batterie, und die elektrische Energie in unterschiedlichen
Raten bereitstellen kann, wie von der Last 100 gefordert,
verwendet werden, wie beispielsweise Hochleistungs-Lithium- oder
Lithiumionen-Batterien und Hochleistungs-Nickel-Nassbatterien.
-
Es
ist klar, dass die Begriffe "Zellen" und "Batterien" hierin untereinander
austauschbar verwendet worden sind, auch wenn eine allgemeine Bedeutung
einer Batterie mehr ist als eine Zelle. Dies gibt wieder, dass sowohl
die Energie-Batterie 20 als auch die Antriebsenergie-Batterie 30 Batterien
oder Zellen sein können.
-
Es
ist ebenfalls klar, dass die vorliegende Erfindung, wie in 1 veranschaulicht,
andere Vorrichtungen und Komponenten umfassen kann, einschließlich Filter,
Kondensatoren, Induktoren und Sensoren, wie im Fachgebiet bekannt,
um die Vorrichtung 15 zu betreiben, die aus Klarheitsgründen weggelassen
worden sind.
-
Es
ist klar, dass, obwohl verschiedene Merkmale der Erfindung in Bezug
auf die eine oder andere der Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben worden sind, die verschiedenen Merkmale und Ausführungsformen
der Erfindung kombiniert oder in Verbindung mit anderen Merkmalen
und Ausführungsformen
der Erfindung als hierin beschrieben und veranschaulicht verwendet
werden können.
-
Obwohl
diese Offenbarung gewisse bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben und veranschaulicht hat, ist klar, dass die Erfindung nicht
auf diese bestimmten Ausführungsformen
beschränkt
ist. Stattdessen umfasst die Erfindung alle Ausführungsformen, die funktionale,
elektrische oder mechanische Entsprechungen der spezifischen Ausführungsformen
und Merkmale sind, die hierin beschrieben und veranschaulicht worden
sind.