JP2014519797A - バッテリー製造装置およびバッテリー製造装置を制御するための方法 - Google Patents

バッテリー製造装置およびバッテリー製造装置を制御するための方法 Download PDF

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Abstract

バッテリー製造装置、特に電気化学セル（４）を形成するための形成装置（１）であって、製造ユニット、特に少なくとも一つの電気化学セル（４）を受容するため、特に複数の電気化学セル（４）を受容するための受容ユニット（３）と、電力網結合装置（５）であって、当該電力網結合装置を用いて前記バッテリー製造装置が好ましくは再生可能に作り出される電気エネルギーを、電力網（２）、特に公共電力網から調達し得るとともに電気エネルギーを当該電力網に放出し得る電力網結合装置と、バッテリー製造の少なくとも部分を制御するための制御装置（７）と、を含んでいるバッテリー製造装置において、前記制御装置（７）は、前記電力網（２）から調達される電気エネルギーおよび／または前記電力網（２）に放出される電気エネルギーが、前記電力網（２）における電力供給に応じて、および／または前記電力網（２）の状態を特徴づける少なくとも一つのパラメータに応じて、および／または前記電力網（２）の状態を特徴づける少なくとも一つのパラメータ変化に応じて制御され得、特に前記電力網における一時的な電力供給に応じて制御され得るように形成されていることを特徴とするバッテリー製造装置。

Description

本発明はバッテリー製造装置、特に電気化学セルを形成するための形成装置と、バッテリー製造装置を制御するための方法および対応するバッテリーと、当該バッテリーのためのさらなる処理ステップに関する方法と、エネルギー伝送および／またはエネルギー分配のためのシステムに関する。
例えば風力エネルギーまたは太陽エネルギーのような再生エネルギーは、電力出力が変動するという不利点を有している。風力発電所または太陽熱発電所は、相応の天候条件において大きな電力を放出する一方、天候状況が相応に変化すると、電力出力は短時間で非常に小さな数値に減少し得る。電力網の電力供給におけるこのような変動は、特に電気エネルギーの大量消費部においてはエネルギー供給の障害となり得る。さらに供給の障害は、エネルギー調達コストの一時的な増大を招く。例えばバッテリーを充電するための電気エネルギーをも必要とするバッテリー製造装置は、変動する電力供給に適合されていなければならない。
本発明は、改善されたバッテリー製造装置と、バッテリー製造装置を制御するための改善された方法および改善されたバッテリーと、当該バッテリーにおいてさらなる処理ステップを実施するための改善された方法とを提供することを課題とする。
上記の課題は、バッテリー製造装置、特に電気化学セルを形成するための形成装置であって、以下のものを有するバッテリー製造装置によって解決される。すなわち、製造ユニット、特に少なくとも一つの電気化学セルを受容するため、特に複数の電気化学セルを受容するための受容ユニットと、電力網結合装置であって、当該電力網結合装置を介してバッテリー製造装置が少なくとも、好ましくは再生可能に作り出される電気エネルギーを、電力網、特に公共電力網から調達し得るとともに、電気エネルギーを当該電力網に放出し得る電力網結合装置と、を有するバッテリー製造装置である。バッテリー製造装置には制御装置が含まれており、当該制御装置はバッテリー製造の少なくとも部分を制御する役割を果たす。制御装置は、電力網から調達されたエネルギーおよび／または電力網に放出されたエネルギーが、電力網における電力供給に応じて、および／または電力網の状態を特徴づける少なくとも一つのパラメータに応じて、および／または電力網の状態を特徴づける電力網における少なくとも一つのパラメータ変化に応じて制御され得るように形成されている。電力供給とは特に、一時的な電力供給を意味する。
本発明の意味においてバッテリー製造装置とは、電気化学セル、または少なくとも一つの電気化学セルを含むバッテリー構造体の製造の過程で用いられ得るあらゆる装置と理解される。このとき電気化学セル、または少なくとも一つの電気化学セルを含むバッテリー構造体の製造とは、天然の出発物質または予備製造された出発物質を、場合によってエネルギーおよびさらなる作用媒体を用いながら、規定通りに応用された状態で使用され得る完成した製品としての電気化学セル、または少なくとも一つの電気化学セルを含むバッテリー構造体を完成させるまで搬送するプロセスに関する。直接的な製造プロセスは製造ユニットにおいて行われる。例えば制御装置または電力網結合装置のようなその他の装置は、製造のプロセスに直接的に関与していない。電気化学セルの形成は、バッテリー製造の主要な構成要素と見なされ得る。当該形成は、電気化学セルの電極において特殊な表面層を作り出すのに役立つが、電気化学セルにおいて本質的に機械的な変化は必ずしも行われない。電気化学セルの形成は、電気化学セルの複数回の充電および放電を含み得る。このとき形成すべき電気化学セルのための受容装置はあり得る製造ユニットを表している。
本発明の意味において電気化学セルとは、化学エネルギーを貯蔵するためにも電気エネルギーを放出するためにも用いられる装置と理解される。本発明に係る電気化学セルはそのために、少なくとも電極スタックまたは電極コイルを有しており、当該電極スタックまたは電極コイルはジャケットを用いて、ジャケットに対して概ね気密かつ液密に隔離されている。電気化学セルはまた、充電の際に電気エネルギーを受容するように構成されていてよい。その場合は、二次セルまたは蓄電池という。
本発明により好ましくはセパレータが用いられ、当該セパレータは電子伝導性を有さないか電子伝導性が乏しく、少なくとも部分的に物質透過性を有する支持体から成る。当該支持体は好ましくは少なくとも一つの面が無機材料でコーティングされている。少なくとも部分的に物質透過性を有する支持体として、好ましくは有機材料が用いられ、当該有機材料は好ましくは織られていないフリースとして形成されている。好ましくは一つのポリマー、特に好ましくはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を有する有機材料は、好ましくはイオン伝導性を有する無機材料でコーティングされており、当該イオン伝導性を有する無機材料はさらに好ましくは−４０℃から２００℃の温度範囲でイオン伝導性となる。当該無機材料は好ましくは、Ｚｒ、Ａｌ、Ｌｉの元素の少なくとも一つを有する酸化物、リン酸塩、硫酸塩、チタン酸塩、ケイ酸塩、アルミノケイ酸塩のグループからの少なくとも一つの化合物、特に好ましくは酸化ジルコニウムを有している。無機的かつイオン伝導性を有する材料は好ましくは、１００ｎｍより小さい最大直径を有する粒子を有している。このようなセパレータは例えば「Ｓｅｐａｒｉｏｎ」という商品名でドイツのＥｖｏｎｉｋ社によって販売されている。
制御装置が、調達される電気エネルギーもしくは放出される電気エネルギーを電力供給に応じて制御できることにより、バッテリー製造装置は電力供給の変動に合わせて調整され得る。このとき電力供給が増大した場合、電力供給が小さい場合よりも大きな電力が調達されるように構成されていてよい。さらに電力供給が大きい場合、電力網に放出される電力が小さくなるように、もしくは電力供給が少ない場合、電力網に放出される電力が大きくなるように構成されていてよい。大きな電力供給は回路網過小負荷の際に存在し得、小さな電力供給は回路網過剰負荷の際に存在し得る。
電気化学セルを形成するプロセスにおいて、電気エネルギーはエネルギー源、特に電力網またはエネルギー貯蔵装置から調達される。当該エネルギーの大部分は電気化学セルを充電するために必要とされる。したがって当該エネルギーは、あらゆる種類の損失を除いて消費されず、化学エネルギーに変換されるのみである。他の時点において、形成すべき電気化学セルは再び放電され、それによって電気エネルギーが使用に供される。大規模形成すべき電気化学セルが多数であるために、バッテリー製造装置を、調達される電力または放出すべき電力に関して制御することは、電力網の安定化に寄与する。さらに、電力網過小負荷の際、もしくは償還額が大きいときの有利な電流購入コストを、電力網過剰負荷の際に電力網に供給される電力に対して利用することから、コスト上の有利点が生じ得る。
電力網の状態を特徴づけるパラメータが、以下のもの、すなわち電力網結合装置での電力網における電圧、センサでの電力網における電圧、電気エネルギー大量消費部での電力網における電圧、電流発生設備での電力網における電圧、電力網結合装置での電力網における周波数、センサでの電力網における周波数、電気エネルギー大量消費部での電力網における周波数、電流発生設備での電力網における周波数、を有するパラメータグループから選択されていると有利であることが判明した。
電力網の状態を特徴づけるパラメータ変化が、以下のもの、すなわち電力網結合装置での電力網における電圧変化、センサでの電力網における電圧変化、電気エネルギー大量消費部での電力網における電圧変化、電流発生設備での電力網における電圧変化、電力網結合装置での電力網における周波数変化、センサでの電力網における周波数変化、電気エネルギー大量消費部での電力網における周波数変化、電流発生設備での電力網における周波数変化、を有するパラメータ変化のグループから選択されていると有利であることがさらに判明した。
制御装置および／または電力網結合装置は好適に、電力網からの部分的または完全に再生可能に作り出された電気エネルギーの調達に適合されて形成されている。
バッテリー製造装置が充電サイクルにおいて、第一の種類の電気化学セルに対して、当該電気化学セルの名目充電容量の５０％から７０％の範囲内でエネルギーを供給するように形成されていると有利であることが判明している。
さらに、バッテリー製造装置が充電サイクルにおいて、第二の種類の電気化学セルに対して、当該電気化学セルの名目充電容量の５５％から１１５％の範囲内、好ましくは当該名目充電容量の８４％から９４％の範囲内、特に当該名目充電容量の８９％でエネルギーを供給するように形成されていると有利であることが判明している。当該形成は特に、より大きな充電状態に対して形成されている第三世代のバッテリーに対して特に有利である。当該実施の形態および前記の実施の形態の有利点は、輸送の前に電気化学セルの充電を行うために、後でバッテリーを自動車に取り付ける際の充電時間が回避または低減され得、それによってコスト上の有利点が得られるということである。取り付け場所において、電気エネルギーの受容を制御するための制御装置を省くことができるという理由による。
バッテリー製造装置は好ましくはエネルギー貯蔵装置を有している。このときエネルギー貯蔵装置とは、エネルギーを特に後の利用、またはその他の放出という目的のために貯蔵できるあらゆる装置と理解される。エネルギー貯蔵装置は電気エネルギーを他のエネルギー型式、例えば機械エネルギーおよび／または化学エネルギーに変換できる。好ましくはエネルギーを電気エネルギーに再変換することが行われる。エネルギー貯蔵装置は好ましくは、多数の電気化学セル、特に二次セルを含み得る。
エネルギー貯蔵装置を設けることによって、電気エネルギーを必要とするバッテリー製造装置の部分、特に製造ユニットには、代替的にエネルギー貯蔵装置を介して電力が提供され得ることにより、電力網での電力供給に関わりなく、少なくとも間欠的に十分な電力が供給され得る。同様に製造ユニットは特定の動作状態において、電力網における電力供給に関わりなく、電気エネルギーを放出し得る。製造ユニットが電気エネルギーをエネルギー貯蔵装置にも放出し得るからである。このときバッテリー製造装置は、一時的な電力供給が電流調達のために好適である場合、電力網から調達する電力を増大させ、このとき電力を、当該時点において製造ユニットによる電力の需要が存在しないか、あるいはわずかな大きさである場合、エネルギー貯蔵装置にも導入し得る。エネルギー貯蔵装置に貯蔵されたエネルギーは任意の時点において、製造ユニットで使用され得る。代替的にエネルギー貯蔵装置に貯蔵されたエネルギーは任意の時点において、電力網に放出され得る。一つまたは複数の電気化学セルはエネルギー貯蔵装置の構成要素であってよい。
エネルギー貯蔵装置と製造ユニットは好適に共通の装置によって形成されている。このとき特にエネルギー貯蔵装置もしくは製造ユニットはそれぞれ、同種の構成要素から形成されていてよい。代替的に、あるいはこれと組み合わせて、動作状態に応じてバッテリー製造装置の構成要素は、エネルギー貯蔵装置か、製造ユニットのいずれかに配設されていてよい。他の動作状態において当該構成要素はそれぞれ他の装置、すなわち製造ユニットあるいはエネルギー貯蔵装置に配設されていてよい。この点は特に電気化学セルのための受容装置であって、ある動作状態において形成すべき電気化学セルが取り付けられ得る受容装置に当てはまる。電気化学セルの形成に対して時間的に後続する動作状態において、その前の動作状態において形成された電気化学セルは、形成のプロセスはすでに終了しているのだが、さらに受容装置に留まり得る。当該動作状態において電気化学セルはエネルギーの貯蔵に寄与し得る。エネルギーを貯蔵するために設けられた電気化学セルが取り付けられている受容装置は従って、当該動作状態においてエネルギー貯蔵装置の機能を、場合によっては電気化学セルと協働して引き受ける。この点において、エネルギー貯蔵装置と製造ユニットは、バッテリー製造装置内での瞬間的な機能を観察することによってのみ区別され得る。
バッテリー製造装置は好適に回路網負荷センサを含んでおり、当該回路網負荷センサは特に電力網の回路網過剰負荷および／または回路網過小負荷を認識し得る。検出された回路網過剰負荷および／または回路網過小負荷に基づいて、電力網における電力供給が推論され得る。回路網負荷センサは例えば電力網の回路網周波数を検出し得る。回路網負荷センサはソフトウェアモジュールとして実現されていてよく、および／または制御装置の構成要素として形成されていてよい。電力が過剰供給されると、回線周波数が増大し得る。過少供給の場合は回線周波数が減少し得る。回路網負荷センサは代替的にデータ処理ユニットであってもよく、当該データ処理ユニットは好適に、外部から通信回線を介してバッテリー製造装置に伝達され得る、処理された回路網負荷データを評価し得るとともに、回路網負荷に対する推論を可能にする。このような回路網負荷データは、電気エネルギーの当面の、および／または将来的な調達コストに関する値も含み得る。
さらにバッテリー製造装置が、電力網における電力供給に応じて、および／または電力網における少なくとも一つのパラメータに応じて、および／または電力網における少なくとも一つのパラメータ変化に応じて、個々の電気化学セルまたは電気化学セルのグループに対して形成を開始または終了すると、有利であると判明している。
第二の態様によれば本発明が解決すべき課題は、バッテリー製造装置、特に電気化学セルを形成するための形成装置であって、以下のものを有するバッテリー製造装置を制御するための方法によって解決される。すなわち製造ユニット、特に少なくとも一つの電気化学セルを受容するため、特に複数の電気化学セルを受容するための受容ユニットと、電力網結合装置であって、当該電力網結合装置を用いてバッテリー製造装置が好ましくは再生可能に作り出される電気エネルギーを電力網から調達し得るとともに、電気エネルギーを当該電力網に放出し得る電力網結合装置と、バッテリー製造の少なくとも部分を制御するための制御装置と、を有するバッテリー製造装置を制御するための方法である。このとき電力網における電力の供給、すなわち電力供給および／または電力網の状態を特徴づける少なくとも一つのパラメータ、および／または電力網の状態を特徴づける少なくとも一つのパラメータ変化を検出するとともに、当該検出された電力供給に基づいて、および／または当該検出されたパラメータに基づいて、および／または当該検出されたパラメータ変化に基づいて、電力網から調達される、および／または電力網に放出されるエネルギーの大きさが確定される。
電力網の状態を特徴づけるパラメータが、以下のもの、すなわち電力網結合装置での電力網における電圧、センサでの電力網における電圧、電気エネルギー大量消費部での電力網における電圧、電流発生設備での電力網における電圧、電力網結合装置での電力網における周波数、センサでの電力網における周波数、電気エネルギー大量消費部での電力網における周波数、電流発生設備での電力網における周波数、を有するパラメータグループから選択されていると有利であることが判明した。
さらに電力網の状態を特徴づけるパラメータ変化が、以下のもの、すなわち電力網結合装置での電力網における電圧変化、センサでの電力網における電圧変化、電気エネルギー大量消費部での電力網における電圧変化、電流発生設備での電力網における電圧変化、電力網結合装置での電力網における周波数変化、センサでの電力網における周波数変化、電気エネルギー大量消費部での電力網における周波数変化、電流発生設備での電力網における周波数変化、を有するパラメータ変化のグループから選択されていると有利であることがさらに判明した。
制御装置および／または電力網結合装置は好適に、電力網からの部分的または完全に再生可能に作り出された電気エネルギーの調達に適合されて形成されている。
充電サイクルにおいて、第一の種類の電気化学セルに対して、当該電気化学セルの名目充電容量の５０％から７０％の範囲内でエネルギーが供給されると有利であることが判明しており、当該形成は特に第二世代のバッテリーに対して有利である。
さらに充電サイクルにおいて、第二の種類の電気化学セルに対して、当該電気化学セルの名目充電容量の５５％から１１５％の範囲内、好ましくは当該名目充電容量の８４％から９４％の範囲内、および特に当該名目充電容量の８９％でエネルギーが供給されると有利であることが判明している。当該形成は第三世代のバッテリーに対して特に有利である。
電力網における電力供給は、回路網負荷センサによって検出され得る。調達すべきおよび／または放出すべきエネルギーの大きさはさらなるパラメータによって影響されていてよい。バッテリー製造装置に対してすでに挙げた前記の有利点が生じる。
電力網における電力供給は、回線周波数の測定に基づいて検出される。このとき好ましくは一時的な、すなわち回線周波数の測定の時点において存在する電力供給が検出される。代替的に、あるいはこれと組み合わせて、電力網における電力供給は統計的に検出され得る。この場合、一時的な電力供給が検出され得る。代替的に、あるいはこれと組み合わせて、任意の、特に将来における一時点での電力供給も検出され得る。このために例えば以前の時点における比較可能な構成条件における電力供給が、場合によって異なる構成条件をさらに考慮しながら、参照され得る。
好ましくは回路網過剰負荷の際に、回路網過小負荷の際よりも多くの電気エネルギーが電力網から取り出される。当該比較のためにはそれぞれ、バッテリー製造装置のほとんど同一の動作状態を参照すべきである。当該動作状態は回路網過剰負荷もしくは回路網過小負荷の存在によってのみ互いに区別される。このとき制御内部に、バッテリー製造装置の部分が、回路網過小負荷の際に、回路網過剰負荷の際に行われるよりも多くのエネルギーをエネルギー貯蔵装置から調達することを生じさせる機能が実装されていてよい。代替的に、あるいは組み合わせて、制御内部に、回路網過剰負荷の際に回路網過小負荷の際に行われるよりも、バッテリー製造装置の部分に対して提供されるエネルギーが少なくなること、もしくはバッテリー製造装置の部分が求める電力が少なくなることを生じさせる機能が実装されていてよい。
回路網過小負荷および回路網過剰負荷およびという概念は相対的な概念として理解すべきであり、好ましくは電力網の二つの状態に関する。それぞれについて回路網過剰負荷の場合、電力網の電力供給は回路網過小負荷の場合におけるよりも小さく、もしくは、回路網過小負荷の場合、電力網の電力供給は回路網過剰負荷におけるよりも大きい。これには当然ながら絶対的回路網過剰負荷もしくは絶対的回路網過小負荷の状態も含まれる。当該絶対的回路網過剰負荷もしくは絶対的回路網過小負荷において、電力網において要求される電力の全体が電力網において提供される電力の全体よりも大きいか、もしくは小さい。
好ましくは回路網過小負荷の際に、特にその他の条件が変わらないままである場合、回路網過剰負荷の際よりも多くの電力が電力網から取り出される。取り出される電力は好ましくは製造ユニットおよび／またはエネルギー貯蔵装置に供給される。その意味で電力網において電力の過剰供給が起こったとすると、電力の受容が増大するという反応が生じ得る。これにより製造ユニットにはより多くの電力が供給され得る。代替的に、あるいは組み合わせて、エネルギー貯蔵装置にはより多くの電力が供給され得、当該電力はその後、電力網における電力供給が他の時点においてより小さいとき、製造装置に対して使用に供され得る。
回路網過剰負荷の際に、特にその他の条件が変わらないままである場合、特に製造ユニットのために、回路網過小負荷の際よりも多くの電力がエネルギー貯蔵装置から取り出され得る。これにより、電力網の低減された電力放出はエネルギー貯蔵装置に代替され得る。
好ましくは回路網過剰負荷の際に、特にその他の条件が変わらないままである場合、回路網過小負荷の際よりも多くの電力が、特に製造ユニットおよび／またはエネルギー貯蔵装置から電力網に導入される。特に製造ユニットが形成プロセスを処理するとき、処理すべき電気化学セルに貯蔵されているエネルギーが、当該電気化学セルから取り出されることが生じ得る。当該エネルギーはエネルギー貯蔵装置または電力網に導入され得る。このとき回路網過剰負荷の場合、より多くのエネルギーを電力網に導入することが生じる。これに対して回路網過小負荷の際に、特にその他の条件が変わらないままである場合、回路網過剰負荷の際よりも多くの電力が特に電力網から、および／または製造ユニットから、エネルギー貯蔵装置に導入され得る。従って使用に供される電力供給がより大きくなると、それによってエネルギー貯蔵装置は充電され得る。代替的に、あるいはこれと組み合わせて、製造ユニットから放出される電力は、回路網過剰負荷の際に行われるよりも増大されて、エネルギー貯蔵装置に導入され得る。
好ましくは、製造作業におけるある動作状態において処理される電気化学セルは、当該動作状態に対して時間的に後続する動作状態において、エネルギー貯蔵装置の電気化学セルとして用いられる。特に製造ユニットが電気化学セルを形成するために用いられる場合、電気化学セルは形成後、さらに一定の時間にわたってバッテリー製造装置内に留まり得、このとき場合によっては充電された状態、または少なくとも部分的に充電された状態にあってよい。このような動作状態において電気化学セルの貯蔵容量は、電気エネルギーを貯蔵するために用いられ得る。このとき電気化学セルは、当該電気化学セルが製造プロセスの間に取り付けられていた受容装置によって、特にエネルギー貯蔵装置の他の受容装置に場所的に移動され得る。しかしながら電気化学セルは代替的に当該受容装置にとどまってもよい。このような場合、バッテリー製造装置は、当該バッテリー製造装置がエネルギー貯蔵装置として、場合によっては当該エネルギー貯蔵装置内に取り付けられた電気化学セルと協働して用いられ得るように形成されている。
さらに当該方法において、電力網における電力供給に応じて、および／または電力網における少なくとも一つのパラメータに応じて、および／または電力網における少なくとも一つのパラメータ変化に応じて、個々の電気化学セルまたは電気化学セルのグループに対して形成が開始または終了されると、有利であると判明している。
本発明の第三の態様によれば本発明が解決すべき課題は、バッテリー、特に本発明によって製造された第一の種類の電気化学セルを有するリチウムイオンバッテリーにおいて、以下のように解決される。すなわち、充電サイクルにおいて、当該電気化学セルに対して名目充電容量の５０％から７０％の範囲内でエネルギーが供給されたことによって解決される。
本発明の第四の態様によれば本発明が解決すべき課題は、バッテリー、特に本発明によって製造された第二の種類の電気化学セルを有するリチウムイオンバッテリーにおいて、以下のように解決される。すなわち、充電サイクルにおいて、当該電気化学セルに対して、当該電気化学セルの名目充電容量の５５％から１１５％の範囲内、好ましくは当該名目充電容量の８４％から９４％の範囲内、および特に当該名目充電容量の８９％でエネルギーが供給されたことによって解決される。
本発明の第五の態様によれば本発明が解決すべき課題は、本発明に従って製造された第一の種類の電気化学セルを有するバッテリーにおいてさらなる処理ステップを実施するための方法において、以下のように解決される。すなわち、さらなる処理ステップの前に充電サイクルにおいて、当該電気化学セルに対して名目充電容量の５０％から７０％の範囲内でエネルギーが供給され、好ましくは当該さらなる処理ステップは、バッテリーの輸送および／またはバッテリーの自動車への取り付けを有していることによって解決される。
本発明の第五の態様によれば本発明が解決すべき課題は、本発明に従って製造された第二の種類の電気化学セルを有するバッテリーにおいてさらなる処理ステップを実施するための方法において、以下のように解決される。すなわち、さらなる処理ステップの前に充電サイクルにおいて、当該電気化学セルに対して名目充電容量の５５％から１１５％の範囲内、好ましくは名目充電容量の８４％から９４％の範囲内、および特に名目充電容量の８９％でエネルギーが供給され、好ましくは当該さらなる処理ステップは、バッテリーの輸送および／またはバッテリーの自動車への取り付けを有していることによって解決される。
本発明の第六の態様によれば本発明が解決すべき課題は、電力網と一つまたは複数の発電設備であって、当該発電設備の少なくとも一つは再生可能な電流を作り出すために形成されている発電設備とを有するエネルギー伝送システムおよび／またはエネルギー分配システムにおいて、以下のように解決される。すなわち、エネルギー伝送システムおよび／またはエネルギー分配システムは本発明の第一の態様による少なくとも一つのバッテリー製造装置に接続されていることによって解決され、当該発電設備が、風力発電所、太陽熱発電所、水力発電所、地熱発電所、または潮力発電所を含むグループから選択されていると有利であると判明している。
以下に本発明の有利点を好適な実施の形態に基づき、図面を用いてより詳しく説明する。図に示すのは以下の通りである。
本発明に係る形成装置のブロック図である。 代替的な実施の形態における本発明に係る形成装置のブロック図である。 第一の実施の形態における電流調達のための制御の特性要因図である。 第一の実施の形態の電流放出のための制御の特性要因図である。 第二の実施の形態における電流調達のための制御の特性要因図である。 第二の実施の形態の電流放出のための制御の特性要因図である。 第三の実施の形態における電流調達のための制御の特性要因図である。 第三の実施の形態の電流放出のための制御の特性要因図である。 本発明による形成装置の制御についてのフローチャートである。
図１は本発明に係るバッテリー製造装置のための例としての形成装置１を示している。形成装置１は電気化学セル４のための受容装置３を含んでいる。受容装置３に受容された電気化学セル４は、形成装置１内部において当該電気化学セルで製造プロセスが行われるようなセルであり、当該製造プロセスは本図の場合、形成することによって構成されていてよい。代替的に、あるいはこれと組み合わせて、他の製造プロセスも実施され得る。
形成装置１はさらに、電力網結合装置５を有しており、当該電力網結合装置は双方向電力線１０によって公共電力網２に接続されている。電力網結合装置５は電力網２からの電力の調達を可能にする一方、電力網結合装置５は電力を形成装置１から電力網２内に放出することを可能にする。電力網結合装置５はさらなる双方向電力線１０を介して受容装置３と接続されており、それによって電力は電力網結合装置５から受容装置３に放出され得るとともに、電力は受容装置３から電力網結合装置５に放出され得る。
形成装置１はさらに、エネルギー貯蔵装置６を有している。エネルギー貯蔵装置６には多数の電気化学セル１１が設けられている。エネルギー貯蔵装置６に設けられている電気化学セル１１は好ましくはすでに完成製造された電気化学セルであって、当該電気化学セルでは目下のところ、形成装置内部でいかなる製造プロセスも実施されていない。むしろエネルギー貯蔵装置６における電気化学セル１１は、電気エネルギーを貯蔵するためのユニットとして役立つ。エネルギー貯蔵装置６は双方向電力線１０を介して受容装置３および電力網結合装置５と接続されている。
形成装置１は制御装置７を有している。制御装置７は双方向データ回線１０を介して電力網結合装置５、受容装置３、およびエネルギー貯蔵装置６と接続されている。制御装置７は前記の装置３，５，６内部の個々の過程を開ループ制御および閉ループ制御し得る。制御装置７は特に、電力線１０内の電力の流れを開ループ制御もしくは閉ループ制御し得る。制御装置７はさらなるデータ回線８を介して回路網負荷センサ９と接続されている。回路網負荷センサ９は電力網２における回線周波数を検出するために形成されており、それによって電力網２内部の回路網負荷についての推論が検出され得る。図に示されていないさらなるデータ回線を介して回路網負荷センサ９はさらに、局所的な電力網供給者のデータを得る。当該データは回路網負荷の程度および目下のエネルギー調達コストを含んでいる。エネルギー調達コストとは負のエネルギー調達コストでもあり、すなわち、形成装置から電力網に供給される電力に対する電力網操作者の側の対価でもある。
図２は本発明に係る形成装置１のブロック図を示しており、当該形成装置は概ね図１による形成装置に対応している。以下において相違点のみを詳しく述べる。受容装置とエネルギー貯蔵装置が共通の装置によって形成されているのが認められる。形成の後、形成すべき電気化学セルは、なおも一定の期間にわたって受容装置内に貯蔵される。当該貯蔵の間に以前に形成された電気化学セルは充電されていてよく、それによってエネルギー貯蔵装置６の電気化学セル１１の課題を引き受ける。この意味においてエネルギー貯蔵装置６の電気化学セル１１は、電気化学セル４の形成が終了している場合、受容装置３の電気化学セル４によって形成されている。
制御装置は検出された回路網負荷に基づいて、個々の装置の電流調達もしくは電流放出を制御する。図３から図８を参照しながらこの点を説明する。
図３は第一の実施の形態における電流調達のための制御の特性要因図を示している。このときＸ軸には回路網負荷Ｄの程度が表示される。このときＤminは例えば回路網過小負荷の状態を表している。このときＤmaxは例えば回路網過剰負荷の状態を表している。
Ｙ軸は個々の装置から要求される、あるいは提供される電力Ｗを表している。回路網負荷Ｄの程度に関わらず、受容装置は一定の電力Ｗ３を必要とする。当該電力Ｗ３は一方で、電力網結合装置５を介して電力網２から提供され得る。これはＷ５によって表示される線で示されている。回路網負荷Ｄがより小さいと、電力網２から調達される電力Ｗ５はより大きいことが認められる。回路網負荷Ｄがより大きいと、電力網２から調達される電力Ｗ５は減少する。しかしながら恒常的に要求される受容装置３の電力Ｗ３を満足させるために、代替的にエネルギー貯蔵装置６によって電力Ｗ６が提供される。一定の回路網過剰負荷Ｄmax以降は、エネルギーは専らエネルギー貯蔵装置６を介して調達されることが分かる。これに対して一定の回路網過小負荷Ｄminを下回ると、電力は専ら電力網結合装置５によって電力網２から取り出される。
図４は第一の実施の形態の電流放出のための制御の特性要因図を示している。例えば受容装置３内に設けられた電気化学セル４が放電され得る。電力曲線はＸ軸の下方にあり、従って図３に示す電力の流れに対して逆向きの方向における電力の流れを表している。
バッテリー受容装置３は電力Ｗ３を放出できることが分かる。回路網過小負荷の場合、電力網への電力の放出は不適切であるため、より多くの電力Ｗ６がエネルギー貯蔵装置６に放出される。これに対して回路網過剰負荷の場合、電力Ｗ５が増大されて電力網結合装置５を介して電力網２に放出される。一定の回路網過小負荷Ｄminを下回ると、電力は専らエネルギー貯蔵装置６に放出される一方、一定の回路網過剰負荷Ｄmaxを上回ると電力は専ら電力網結合装置５を介して電力網２に放出されることが分かる。
図５もしくは図６は第二の実施の形態における電流調達もしくは電流放出のための制御の特性要因図を示している。当該電流調達もしくは電流放出のための制御の特性要因図は概ね図３および図４の特性要因図に相当するので、以下において相違点のみを詳しく述べる。図５において回路網過小負荷のとき、一定の回路網過小負荷Ｄminを下回ると、電力網結合装置５を介して電力網２から、電力Ｗ３が受容装置３によって必要とされるよりも多くの電力Ｗ５が調達されることが分かる。さらに一定の回路網過小負荷Ｄminを下回るとき、エネルギー貯蔵装置によって提供される電力Ｗ６は負の値を取ることが分かる。これは、電力網結合装置５によって電力網２から提供される電力Ｗ５の過剰部分がエネルギー貯蔵装置６を充電するために使用されることから生じる。さらに一定の回路網過剰負荷Ｄmaxを上回ると、エネルギー貯蔵装置６には受容装置３によって必要とされるよりも多くの電力Ｗ６が提供されることが分かる。エネルギー貯蔵装置６によって提供される電力の過剰部分が電力網２に導入され、それによって回路網負荷の安定化に寄与する。認められるとおり、電力網から調達される電力Ｗ５は負であり、それは電力が電力網２に放出されることを意味する。
図６はこのとき、受容装置が電力Ｗ３を放出できる状態を示している。一定の回路網過小負荷Ｄminを下回ると、電力網から調達される電力Ｗ５は正の値を取ることが分かる。当該正の電力はエネルギー貯蔵装置６に放出される。エネルギー貯蔵装置６に放出される電力Ｗ６は受容装置３によって放出される電力Ｗ３よりも大きいことが認められる。さらに一定の回路網過剰負荷Ｄmaxを上回ると、電力Ｗ６の過剰分が電力網２に放出され得、それによって電力網結合装置５を介して電力網２に放出される全体の電力Ｗ５は、受容装置３によって提供される電力Ｗ３よりも大きい。
図７および図８は第三の実施の形態における電流調達もしくは電流放出のための制御の特性要因図を示している。当該電流調達もしくは電流放出のための制御の特性要因図は概ね図５および図６の特性要因図に相当するので、以下において相違点のみを詳しく述べる。受容装置３に必要とされる電力Ｗ３が回路網負荷Ｄに応じて変化することが認められる。すなわち高い回路網負荷Ｄがあるとき、図７に示されるように、受容装置３に必要とされる電力Ｗ３は制御装置によって低減される。回路網負荷が小さいとき、受容装置３に必要とされるエネルギーＷ３は増加される。同様に図８に示される通り、制御装置は、回路網過剰負荷の際に、図８に表示されているように、回路網過小負荷のときよりも多くの電力Ｗ３を放出するように実施されていてよい。
図９は本発明による形成装置１の制御についてのフローチャートを示している。ステップＳ１において電力網２における電力の供給に関するパラメータデータが検出され、ステップＳ２において検出されたパラメータデータは制御ユニット７に供給され、当該制御ユニットにおいて検出されたパラメータデータを用いてステップＳ３において決定値が形成される。続いてステップＳ４において、設定された閾値よりも決定値が大きいかどうか、決定される。ステップＳ４における決定が、決定値は設定された閾値よりも大きいというものである場合、ステップＳ５において電気エネルギーが電力網２から形成装置１に供給される。それに対してステップＳ４における決定が、決定値は設定された閾値よりも大きくないというものである場合、ステップＳ６において電気エネルギーが形成装置１から電力網２に放出される。さらに、決定値が閾値の周囲の設定された数値領域にある場合、電流が電力網２から形成装置１に供給されず、かつ、電流が形成装置１から電力網２に放出されないこともあり得る。
さらにパラメータデータの検出後、決定値が形成され、続いて当該形成された決定値が制御ユニット７に供給されることも可能である。これに関連してパラメータデータとは、多数のパラメータデータであるだけでなく、場合によっては個々のパラメータデータであると理解すべきである。
本発明はさらに、これらの電気化学セルを有するバッテリー、特に自動車に応用するために形成されたバッテリーであって、当該電気化学セルを有するバッテリーに関する。
１ 形成装置
２ 電力網
３ 受容装置
４ 電気化学セル
５ 電力網結合装置
６ エネルギー貯蔵装置
７ 制御装置
８ データ回線
９ 回路網負荷センサ
１０ 電力線
１１ 電気化学セル
Ｄ 回路網負荷
Ｗ 電力
Ｓ１ 電力網における電力供給に関するパラメータデータを検出する
Ｓ２ 検出されたパラメータデータを制御装置に供給する
Ｓ３ 検出されたパラメータデータから決定値を形成する
Ｓ４ 決定値が所定の閾値より大きいかどうか決定する
Ｓ５ 電気エネルギーを電力網から調達する
Ｓ６ 電気エネルギーを電力網に供給する

Claims (30)

  1. バッテリー製造装置、特に電気化学セル（４）を形成するための形成装置（１）であって、製造ユニット、特に少なくとも一つの電気化学セル（４）を受容するため、特に複数の電気化学セル（４）を受容するための受容ユニット（３）と、電力網結合装置（５）であって、当該電力網結合装置を用いて前記バッテリー製造装置が好ましくは再生可能に作り出される電気エネルギーを、電力網（２）、特に公共電力網から調達し得るとともに電気エネルギーを当該電力網に放出し得る電力網結合装置と、バッテリー製造の少なくとも部分を制御するための制御装置（７）と、を有するバッテリー製造装置において、
    前記制御装置（７）は、前記電力網（２）から調達される電気エネルギーおよび／または前記電力網（２）に放出される電気エネルギーが、前記電力網（２）における電力供給に応じて、および／または前記電力網（２）の状態を特徴づける少なくとも一つのパラメータに応じて、および／または前記電力網（２）の状態を特徴づける少なくとも一つのパラメータ変化に応じて制御され得、特に前記電力網（２）における一時的な電力供給に応じて制御され得るように形成されていることを特徴とするバッテリー製造装置。
  2. 前記電力網の状態を特徴づける前記パラメータが、前記電力網結合装置（５）での前記電力網（２）における電圧、センサでの前記電力網（２）における電圧、電気エネルギー大量消費部での前記電力網（２）における電圧、電流発生設備での前記電力網（２）における電圧、前記電力網結合装置（５）での前記電力網（２）における周波数、センサでの前記電力網（２）における周波数、電気エネルギー大量消費部での前記電力網（２）における周波数、電流発生設備での前記電力網（２）における周波数、を有するパラメータグループから選択されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリー製造装置。
  3. 前記電力網の状態を特徴づける前記パラメータ変化が、前記電力網結合装置（５）での前記電力網（２）における電圧変化、センサでの前記電力網（２）における電圧変化、電気エネルギー大量消費部での前記電力網（２）における電圧変化、電流発生設備での前記電力網（２）における電圧変化、前記電力網結合装置（５）での前記電力網（２）における周波数変化、センサでの前記電力網（２）における周波数変化、電気エネルギー大量消費部での前記電力網（２）における周波数変化、電流発生設備での前記電力網（２）における周波数変化、を有するパラメータ変化のグループから選択されていることを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリー製造装置。
  4. 前記制御装置（７）および／または前記電力網結合装置（５）は、前記電力網（２）からの部分的または完全に再生可能に作り出された電気エネルギーの調達に適合されて形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリー製造装置。
  5. 前記バッテリー製造装置が充電サイクルにおいて、第一の種類の電気化学セル（４）に対して、当該電気化学セル（４）の名目充電容量の５０％から７０％の範囲内でエネルギーを供給するために形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリー製造装置。
  6. 前記バッテリー製造装置が充電サイクルにおいて、第二の種類の電気化学セル（２）に対して、当該電気化学セル（２）の名目充電容量の５５％から１１５％の範囲内、好ましくは当該名目充電容量の８４％から９４％の範囲内、および特に当該名目充電容量の８９％でエネルギーを供給するように形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のバッテリー製造装置。
  7. エネルギー貯蔵装置（６）を特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のバッテリー製造装置。
  8. 前記エネルギー貯蔵装置（６）と前記製造ユニット（３）は共通の装置によって形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のバッテリー製造装置。
  9. 前記バッテリー製造装置は回路網負荷センサ（９）を有しており、当該回路網負荷センサは特に前記電力網（２）の回路網過剰負荷および／または回路網過小負荷を認識し得ることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のバッテリー製造装置。
  10. 前記バッテリー製造装置が、前記電力網（２）における前記電力供給に応じて、および／または前記電力網（２）における少なくとも一つのパラメータに応じて、および／または前記電力網（２）における少なくとも一つのパラメータ変化に応じて、個々の電気化学セル（４）または電気化学セル（４）のグループに対して形成を開始または終了するために形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のバッテリー製造装置。
  11. バッテリー製造装置、特に電気化学セル（４）を形成するための形成装置（１）であって、製造ユニット、特に少なくとも一つの電気化学セル（４）を受容するため、特に複数の電気化学セル（４）を受容するための受容ユニット（３）と、電力網結合装置（５）であって、当該電力網結合装置を用いて前記バッテリー製造装置が好ましくは再生可能に作り出される電気エネルギーを電力網（２）、特に公共電力網から調達し得るとともに、電気エネルギーを当該電力網に放出し得る電力網結合装置と、バッテリー製造の少なくとも部分を制御するための制御装置（７）と、を有するバッテリー製造装置を制御するための方法において、
    前記電力網（２）における電力の供給、および／または前記電力網（２）の状態を特徴づける少なくとも一つのパラメータ、および／または前記電力網（２）の状態を特徴づける少なくとも一つのパラメータ変化が検出され、前記電力網（２）における当該検出された電力供給に基づいて、および／または当該検出されたパラメータに基づいて、および／または当該検出されたパラメータ変化に基づいて、前記電力網（２）から調達される、および／または前記電力網（２）に放出されるエネルギーの大きさが確定されることを特徴とする方法。
  12. 前記電力網（２）の状態を特徴づける前記パラメータが、前記電力網結合装置（５）での前記電力網（２）における電圧、センサでの前記電力網（２）における電圧、電気エネルギー大量消費部での前記電力網（２）における電圧、電流発生設備での前記電力網（２）における電圧、前記電力網結合装置（５）での前記電力網（２）における周波数、センサでの前記電力網（２）における周波数、電気エネルギー大量消費部での前記電力網（２）における周波数、電流発生設備での前記電力網（２）における周波数、を有するパラメータグループから選択されていることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 前記電力網（２）の状態を特徴づける前記パラメータ変化が、前記電力網結合装置（５）での前記電力網（２）における電圧変化、センサでの前記電力網（２）における電圧変化、電気エネルギー大量消費部での前記電力網（２）における電圧変化、電流発生設備での前記電力網（２）における電圧変化、前記電力網結合装置（５）での前記電力網（２）における周波数変化、センサでの前記電力網（２）における周波数変化、電気エネルギー大量消費部での前記電力網（２）における周波数変化、電流発生設備での前記電力網（２）における周波数変化、を有するパラメータ変化のグループから選択されていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
  14. 前記制御装置（７）および／または前記電力網結合装置（５）は、前記電力網（２）からの部分的または完全に再生可能に作り出された電気エネルギーの調達に適合されて形成されていることを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 充電サイクルにおいて、第一の種類の前記電気化学セル（２）に対して、当該電気化学セル（４）の名目充電容量の５０％から７０％の範囲内でエネルギーが供給されることを特徴とする請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. 充電サイクルにおいて、第二の種類の前記電気化学セル（２）に対して、当該電気化学セル（４）の名目充電容量の５５％から１１５％の範囲内、好ましくは当該名目充電容量の８４％から９４％の範囲内、および特に当該名目充電容量の８９％でエネルギーが供給されることを特徴とする請求項１１から１５のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記電力網（２）における前記電力供給は、回線周波数の測定に基づいて検出されることを特徴とする請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記電力網（２）における前記電力供給は統計的に検出されることを特徴とする請求項１１から１７のいずれか一項に記載の方法。
  19. 回路網過小負荷（Ｄmin）の際に、特に前記製造ユニットおよび／またはエネルギー貯蔵装置のために、回路網過剰負荷（Ｄmax）の際よりも多くの電力が前記電力網（２）から取り出されることを特徴とする請求項１１から１８のいずれか一項に記載の方法。
  20. 回路網過剰負荷（Ｄmax）の際に、特に前記製造ユニットのために、回路網過小負荷の際よりも多くの電力がエネルギー貯蔵装置から取り出されることを特徴とする請求項１１から１９のいずれか一項に記載の方法。
  21. 回路網過剰負荷（Ｄmax）の際に、回路網過小負荷（Ｄmin）の際よりも多くの電力が特に前記製造ユニットから、および／またはエネルギー貯蔵装置から前記電力網（２）に導入されることを特徴とする請求項１１から２０のいずれか一項に記載の方法。
  22. 回路網過小負荷（Ｄmin）の際に、回路網過剰負荷（Ｄmax）の際よりも多くの電力が特に電力網（２）から、および／または前記製造ユニットから、前記エネルギー貯蔵装置に導入されることを特徴とする請求項１１から２１のいずれか一項に記載の方法。
  23. 前記製造ユニットにおけるある動作状態において処理される電気化学セル（４）は、時間的に後続する動作状態において、エネルギー貯蔵装置（６）の電気化学セル（１１）として用いられることを特徴とする請求項１１から２２のいずれか一項に記載の方法。
  24. 前記電力網（２）における前記電力供給に応じて、および／または前記電力網（２）における少なくとも一つのパラメータに応じて、および／または前記電力網（２）における少なくとも一つのパラメータ変化に応じて、個々の電気化学セル（４）または電気化学セル（４）のグループに対して形成が開始または終了されることを特徴とする請求項１１から２３のいずれか一項に記載の方法。
  25. バッテリー、特にリチウムイオンバッテリーであって、請求項１１から２４のいずれか一項に記載の方法によって製造された第一の種類の電気化学セル（４）を有するバッテリーにおいて、充電サイクルにおいて、当該電気化学セル（４）に対して当該電気化学セル（４）の名目充電容量の５０％から７０％の範囲内でエネルギーが供給されたことを特徴とするバッテリー。
  26. バッテリー、特にリチウムイオンバッテリーであって、請求項１１から２４のいずれか一項に記載の方法によって製造された第二の種類の電気化学セル（４）を有するバッテリーにおいて、充電サイクルにおいて、当該電気化学セル（４）に対して、当該電気化学セル（４）の名目充電容量の５５％から１１５％の範囲内、好ましくは当該名目充電容量の８４％から９４％の範囲内、および特に当該名目充電容量の８９％でエネルギーが供給されたことを特徴とするバッテリー。
  27. 請求項１１から２４のいずれか一項に記載の方法によって製造された第一の種類の電気化学セル（４）を有するバッテリーのさらなる処理ステップを実施するための方法において、当該さらなる処理ステップの前に充電サイクルにおいて、当該電気化学セル（４）に対して前記名目充電容量の５０％から７０％の範囲内でエネルギーが供給され、好ましくは当該さらなる処理ステップは、前記バッテリーの輸送および／または前記バッテリーの自動車への取り付けを有していることを特徴とする方法。
  28. 請求項１１から２４のいずれか一項に記載の方法によって製造された第二の種類の電気化学セル（４）を有するバッテリーのさらなる処理ステップを実施するための方法において、当該さらなる処理ステップの前に充電サイクルにおいて、当該電気化学セル（４）に対して前記名目充電容量の５５％から１１５％の範囲内、好ましくは前記名目充電容量の８４％から９４％の範囲内、および特に前記名目充電容量の８９％でエネルギーが供給され、好ましくは当該さらなる処理ステップは、前記バッテリーの輸送および／または前記バッテリーの自動車への取り付けを有していることを特徴とする方法。
  29. 電力網（２）と、一つまたは複数の発電設備であって、当該発電設備の少なくとも一つは再生可能な電流を作り出すために形成されている発電設備とを有するエネルギー伝送システムおよび／またはエネルギー分配システムにおいて、前記エネルギー伝送システムおよび／またはエネルギー分配システムは請求項１から１０のいずれか一項に記載の少なくとも一つのバッテリー製造装置に接続されていることを特徴とするエネルギー伝送システムおよび／またはエネルギー分配システム。
  30. 前記再生可能な電流を作り出すために形成されている発電設備が、風力発電所、太陽熱発電所、水力発電所、地熱発電所、波力発電所または潮力発電所を有するグループから選択されていることを特徴とする請求項２９に記載のエネルギー伝送システムおよび／またはエネルギー分配システム。
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