WO2007073726A2 - Vorrichtung zum speichern von energie sowie verwendung einer derartigen vorrichtung zum speichern von energie - Google Patents

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Robert Goldner
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P21 - Power For The 21St Century Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J15/00—Systems for storing electric energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/40—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a device for storing energy and the use of such a device for storing energy.
  • Such a device for storing energy is arranged between a power generator, which supplies the device for storing energy with energy, and an energy consumer, which is supplied with energy in the event of energy bottlenecks by the device for storing energy.
  • the device for storing energy serves as an energy buffer for consumers. In particular, if a consumer needs a lot of energy in the short term, which the actual power source of the consumer can not provide, the device for storing energy can supply corresponding energy reserves.
  • devices for storing energy are known from the prior art, which make motor vehicles more economical and improve their performance.
  • the devices for storing energy are charged, for example, with excess energy or with the energy released when the vehicle is decelerated.
  • the energy boost from the energy storage device adds power.
  • the devices for storing energy may be batteries, but they will wear out over time and thereby lose memory power.
  • hybrid motor vehicles which are driven by an electric and an internal combustion engine simultaneously.
  • the internal combustion engine drives a generator that both powers the electric motor and a powerful battery, the so-called energy storage device. invites.
  • a clever engine management system enables a very low overall consumption in such a hybrid system.
  • the trick of such a vehicle is that the energy buffered in the battery briefly provides a much higher power than the built-in internal combustion engine can deliver. Thus, the performance of the vehicle can be extremely increased.
  • capacitors in particular high-performance capacitors, can be used as devices for storing energy. Capacitors allow a virtually unlimited lifetime of these batteries.
  • Buffer storage because no electrochemical reactions take place in capacitors, but only charges are separated.
  • a simple capacitor consists of two opposing metal plates. There is an excess of electrons on one metal plate and a lack of electrons on the other metal plate. If both metal plates electrically connected, a current flows and the energy stored in the capacitor can be used.
  • ultra-capacitors Modern double-layer capacitors, also called ultra-capacitors, whose surface according to the rules of fractal geometry by a factor of several ten thousand larger than normal capacitors, allow significantly smaller geometries at high power.
  • ultra-capacitors have tiny carbon particles with a very finely textured, three-dimensional surface. For each gram of material, surfaces of about 2000 square meters or more and thus an extremely high storage capacity are possible.
  • the object of the invention is to provide a device for storing energy, the storage capacity is quickly and inexpensively adjustable to the needs of different consumers, the spatial dimensions and weight of the device for storing energy are minimized, while high storage capacity of Device for storing energy.
  • a device for storing energy comprising at least one line element with at least one connection device for connection to an energy consumer, having at least two energy storage units, each of the at least two energy storage units being electrically connected to the at least one line element, wherein an energy storage unit has at least one printed circuit board, On the one or both printed circuit board side (s) sitting a plurality of energy stores, which are connected to each other via electrical lines, and wherein at least one energy storage unit has a power electronics with a connecting element for connection to a power generator, represents a device for storing energy whose storage capacity is quickly and inexpensively adjustable to the needs of different consumers, the spatial Dimensions and the weight of the device for storing energy are minimized, while high storage capacity of the device.
  • each of the at least two energy storage units is electrically connected to the at least one line element of the device for storing energy
  • a device for storing energy is created, which is modular. That is, depending on the necessity of the power supply of the power consumer connected to the terminal device of the power storage device, the storage capacity of the power storage device can be changed quickly and easily.
  • the energy storage units represent individual storage modules. Depending on the needs of the consumer's power supply, the energy storage units may be modularly added or removed to the energy storage device. This allows the size and weight of the energy storage device to be kept to a minimum for any need. It can be just as many
  • Energy storage units are attached to the device for storing energy, as needed in individual cases.
  • An energy storage unit has at least one printed circuit board on which sit on one or both printed circuit board side (s) a plurality of energy storage.
  • the energy stores are the smallest storage unit in this inventive device for storing energy. They can represent batteries or capacitors. Compared to a battery, a capacitor has the advantages that it can be charged and discharged quickly, can be exposed to very high loading and Entladestromquartern, has virtually no material changes and thus high cycle life and a long period of operation. However, the stored energy in a capacitor W is compared to a battery with the same charge Q and voltage U only half as large.
  • the energy storage units can sometimes be equipped with more or less energy storage devices.
  • the individual energy stores are via electrical lines connected with each other. These electrical leads converge at a location on each energy storage unit, which are then electrically connected to the at least one conducting element of the energy storage device.
  • the line element has at least one connection device for connection to an energy consumer in order to deliver the energy stored in the energy storage units to the energy consumer.
  • At least one energy storage unit of the device for storing energy has power electronics with a connection element for connection to a power generator.
  • the energy storage units can be charged via the connecting element and the power electronics.
  • the power electronics ensure that the energy storage units are charged but can not be discharged by the power generator. It can be provided that each energy storage unit has its own power electronics with a connecting element for connection to a power generator. But it is also possible that all energy storage units of the device for storing energy have a common power electronics with a connecting element for connection to a power generator.
  • the power electronics advantageously has an overvoltage protection in order to protect the energy stores of the energy storage units from excessive voltages.
  • the storage capacity of the energy storage device can be easily increased by the addition of modular energy storage units and easily reduced by the removal of modular energy storage units.
  • Double-layer capacitors are very efficient energy storage devices that can store and release electrical energy quickly. They are therefore particularly suitable for the short-term bridging of power failures and the coverage of load peaks.
  • the Double-layer capacitors may be electrostatic or electrochemical double-layer capacitors. These are also referred to as ultracapacitors, supercapacitors, ultracaps or supercaps.
  • the stored energy of an electrostatic double-layer capacitor depends on the voltage, the electrode spacing and the available surface. Particularly suitable are double-layer capacitors with carbon contact surfaces.
  • the surface can be extremely increased by the use of activated carbon fleeces compared to a normal capacitor.
  • tiny carbon particles with a very finely structured, three-dimensional surface create very large surfaces, so that per gram of carbon particle material surfaces of over 2000 square meters and thus an extremely high capacity are possible.
  • Such double-layer capacitors are very light, with high energy storage capacity.
  • supercaps weighing in at around 300g can store more than one watt-hour of energy.
  • the device for storing energy in its outer dimensions can be kept very small and light in weight.
  • such double-layer capacitors enable a high storage capacity.
  • Energy storage devices are small storage modules that are simply and quickly attached to the conduit member of the energy storage device can be removed to vary the storage capacity of the device for storing energy.
  • a device for storing energy in which an energy storage unit has two printed circuit boards running parallel to one another, a plurality of energy stores each being located on the side of a printed circuit board remote from the respective other printed circuit board, is particularly suitable since both the fastening of the energy stores to the printed circuit boards, as well as the printed circuit boards themselves can be easily formed.
  • the electrical lines that connect the energy storage devices can be arranged between the two mutually parallel printed circuit boards.
  • the two parallel circuit boards are releasably secured together.
  • the printed circuit boards can be fixed to one another non-positively. For example, they can be bolted together.
  • the board can have simple copper lines and copper holes as electrical leads.
  • the line element has fastening elements for the positive and / or non-positive connection of at least two energy storage units.
  • the energy storage units the so-called modular memory modules, can be easily and quickly attached to the at least one line element of the device for storing energy.
  • the device for storing energy can be equipped with energy storage units.
  • Fasteners electrically conductive connectors are. Such connectors ensure in addition to a secure hold of the energy storage units on the line element for a quick attachment of the energy storage units to the line element.
  • the device for storing energy can be easily equipped with a corresponding number of energy storage units.
  • a device for storing energy in which the power electronics is arranged between the two mutually parallel printed circuit boards, is particularly suitable, as a result, the power electronics is particularly well protected against external influences.
  • an energy storage unit is arranged in the power electronics between the two parallel circuit boards, very easy and inexpensive to manufacture.
  • the printed circuit boards can be made relatively simple, since the power electronics sits between them.
  • the circuit boards have simple copper leads and bores to electronically interconnect the energy storage and power electronics.
  • An energy storage unit is arranged in the power electronics between the two parallel circuit boards, it is also low to its outer dimensions, whereby a space optimization of the device for storing energy is possible.
  • the power electronics has at least one thyristor, a fuse, a switch and / or an electronic semiconductor component.
  • the thyristor, the fuse, the switch and the electronic semiconductor device serve to protect the energy storage unit or the energy storage. It is advantageous if a thyristor, a fuse, a switch and an electronic semiconductor component are seated between the connecting element for connection to a power generator and an energy storage unit. If the voltage applied to the energy storage is too high, the thyristor fires, resulting in a large current flow from the power generator and to trigger the fuse.
  • a thyristor is an electronic component, a so-called multi-layer semiconductor. A thyristor has three connections.
  • a thyristor In addition to an anode and a cathode connection, a thyristor has a gate connection. In the ground state, the thyristor is blocking in both directions. In the forward direction it locks up to a breakdown voltage. In the forward direction it can be switched by a current pulse at the gate terminal in a conductive state. In the reverse direction, it blocks the current like a normal diode.
  • the diode is an electronic device with two poles, which has an unbalanced and non-linear characteristic. A diode is for electricity flowing in one direction, permeable and for Current flowing through the conductor in opposite direction, below the breakdown voltage, an insulator.
  • the thyristor is used as a controllable diode.
  • the thyristor By a current injection into the third layer, wherein the control is carried out at the gate terminal, the thyristor can ignited, that is switched to be conductive.
  • the prerequisite for this is a positive voltage between the anode and cathode, as well as a minimum current through the middle barrier layer.
  • Deleted, ie offset in the blocking state the thyristor is by falling below the holding current, generally by switching off or reversing the voltage in the load circuit.
  • the switch is disposed between the electronic semiconductor device on one side and the fuse and the thyristor on the other side.
  • the switch is closed, so that there is a flow of current from the power generator via the electronic semiconductor device, the switch, the fuse and the thyristor to the energy storage of the energy storage unit.
  • the electronic semiconductor device prevents current from flowing from the energy storage of the energy storage unit to the power generator.
  • Power generators such as a fuel cell, do not tolerate being energetic.
  • the electronic semiconductor device may be formed, for example, as a diode. However, since a diode may be lossy, it is particularly preferred that the electronic semiconductor device is a transistor, in particular a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor). Through a MOSFET energy losses can be reduced at the energy storage.
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • a device for storing energy in which the power electronics of two juxtaposed energy storage units are coupled together. This allows the power electronics of the individual energy storage units can be simplified again.
  • the coupling of the power electronics ensures a saving of required electronics.
  • only one connection to the power generator may be provided instead of a connection from each energy storage unit to the power generator.
  • the conducting element serves to transfer the energy, i. of electricity, to the energy consumer.
  • the conduit element should at least two
  • Conductor rails a positive conductor and a negative conductor, have to ensure a current flow.
  • a device for storing energy in which the line element has three conductor rails is preferred.
  • the third busbar serves as a protective conductor. This protective conductor leads directly to earth and serves to prevent dangerous touch voltages on conductive housing or operating parts.
  • a device for storing energy in which two juxtaposed energy storage units are offset relative to one another. This can reduce the outer dimensions of the energy storage device.
  • the energy storage units can be arranged nested inside each other.
  • a device for storing energy in which the energy stores of an energy storage unit are arranged on a circuit board side in at least one row, is particularly space-saving and structurally simple. As a result, the energy storage can be particularly easy to attach to the circuit board.
  • an energy storage unit which has two rows of six energy stores on each side, is well suited as a so-called storage module.
  • the energy storage unit is formed compact in this way and has through the large number of energy storage, here 24 energy storage, a relatively high
  • a device for storing energy in which a current source with an electronic semiconductor component and a fuse are provided between the line element and the energy consumer.
  • the current source allows in the reverse direction of the electronic semiconductor device, in particular a diode or a MOSFET, only a small current flow, while the power consumer an unlimited flow of current is possible.
  • a device for storing energy in which the device for storing energy has a control device, is particularly suitable for controlling the energy demand of the energy consumer.
  • the control device controls the transition of the energy stored in the device for storing energy to the energy consumer. Further, the controller may control the charging of the power storage device. If the storage capacity of the energy storage units is not exhausted, the control unit closes the switch (s) of the power electronics of the energy storage unit (s) so that the energy producer (s) can charge the energy storage device with energy.
  • the device for storing energy can consist of the line element, the energy storage units, the connection device for connection to an energy consumer and the power electronics with a connection element for connection to a power generator.
  • a device for storing energy which has a housing is preferred. As a result, the aforementioned components are protected from external influences.
  • Connecting device for connection to an energy consumer and the connecting element for connection to a power generator may be integrated into the housing. It is particularly advantageous if the line element is releasably secured to the housing. Depending on the required size of the device for storing energy, the line element may be formed smaller or larger. The larger the line element, the more connection options, in particular plug-in connections, for receiving energy storage units have this. If necessary, a line element can be easily and quickly replaced by another, for example, larger, line element.
  • a fuel cell stack can be used as the energy generator.
  • a hybrid engine or an internal combustion engine is advantageous.
  • an inventive device for storing energy future fuel cell cars can be made more economical and their performance can be improved.
  • the device for storing energy is charged with excess energy or with the energy released when the vehicle is decelerated. When accelerating, the energy boost from the energy storage device adds extra power that the car's fuel cell lacks.
  • the internal combustion engines for example, ordinary motor vehicles are often oversized by a factor of two.
  • the maximum engine power is needed only during a fraction of the operating time, such as when accelerating from a standstill or in an overtaking maneuver. Most of the time, such an internal combustion engine with significantly lower power would be sufficient.
  • over-sized internal combustion engines are not only more expensive and heavier, they also consume more fuel overall since the efficiency of an internal combustion engine is significantly lower at the bottom of its power curve.
  • the device for storing energy Due to the modular design of the device for storing energy, it can be quickly and inexpensively adapted to the respective additional energy requirements of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • a fuel cell supplies the electrical energy.
  • the performance of the fuel cell in the short term be increased so that the dimensioning of the fuel cell can be formed efficiently.
  • the simple customization of the energy storage device through its modular design of the energy storage units provides a very simple and versatile way of using it to store energy.
  • Figure 1 is a schematic representation of a device for storing energy arranged between a power generator and an energy consumer;
  • Figure 2 shows a device for storing energy with a housing
  • Figure 3 is an enlarged view of a portion of a device for storing energy
  • Figure 4 is a sectional view of a device for storing energy
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a device for storing energy 1 arranged between a power generator 9 and a power consumer 3.
  • the device for storing energy 1 has a
  • the power generator 9 may be a fuel cell.
  • the thyristor 10 The thyristor 10, the fuse 11, the switch 13 and the electronic
  • the thyristor 10 If the voltage applied to the energy stores 6 of the energy storage device 1 is too great, the thyristor 10 will fire, resulting in a large current flow the power generator 9 and to trigger the fuse 11 leads.
  • the thyristor 10 blocks in the forward direction up to a certain breakdown voltage. In the forward direction, it can by a current pulse at the gate terminal in a conductive state are switched. In the reverse direction, it blocks the current like a normal diode.
  • the switch 13 is disposed between the electronic semiconductor device 14 on one side and the fuse 11 and the thyristor 10 on the other side.
  • the switch 13 is closed, causing current to flow from the power generator 9 via the electronic semiconductor device 14, through the switch 13, through the fuse 11 and the thyristor 10 the energy storage 6 of the energy storage unit 4 of the device for storing energy 1 comes.
  • the electronic semiconductor device 14 prevents current from flowing from the energy stores 6 of the energy storage unit 4 to the power generator 9, because power generators such as a fuel cell can not tolerate energy sinks.
  • the electronic semiconductor component 14 is preferably designed as a MOSFET.
  • the device for storing energy 1 has a power source with an electronic semiconductor component 15 and a fuse 12 in the direction of the energy consumer 3.
  • the power source allows in the reverse direction of the electronic semiconductor device 15, in particular a MOSFET, a small current flow, while the power consumer 3 towards an unlimited current flow is possible.
  • Fig. 2 shows a perspective view of a possible embodiment of a device for storing energy 1.
  • Energy 1 has a housing 16 in which a line element 2 is arranged. On the line element 2 five energy storage units 4 are releasably secured electrically conductive. Each energy storage unit 4 has two printed circuit boards 5 which run parallel to one another. On each printed circuit board 5 twelve energy storage 6 are fixed, which are formed in two rows of six energy storage 6. The energy storage 6 are electrically connected to each other via electrical lines 7. In Figs. 3 and 4, sections through a possible embodiment of a device for storing energy 1 are shown.
  • the conduit element 2 is fixed to the housing 16.
  • the energy storage units 4 are releasably secured to each other on the conduit member 2.
  • the attachment may in particular be a positive plug connection.
  • the energy storage 6 sitting directly on the printed circuit boards 5 of the energy storage units 4.
  • the energy storage 6 are connected to each other.
  • the energy storage units 4 each have two printed circuit boards 5. Between the printed circuit boards 5, the power electronics 8 of the device for storing energy 1 is provided.
  • the energy stores 6 are in particular double-layer capacitors, so-called ultracapacitors, supercapacitors, ultracaps or supercaps.
  • the device for storing energy 1 furthermore has a control device 17, which is suitable in particular for controlling the energy requirement of the energy consumer 3. That is, the controller 17 controls the transition of the energy stored in the power storage device 1 to the power consumer 3.
  • the controller 17 may also control the charging of the power storage device 1.
  • control unit 17 closes the switch or switches 13 of the power electronics (s) 8 of the energy storage unit (s) 4, so that the energy generator (s) 9 can charge the device for storing energy 1 with energy or can.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, aufweisend zumindest ein Leitungselement mit zumindest einer Anschlusseinrichtung zum Anschluss an einen Energieverbraucher, aufweisend zumindest zwei Energiespeichereinheiten, wobei jede der zumindest zwei Energiespeichereinheiten elektrisch mit dem zumindest einen Leitungselement lösbar verbunden ist, wobei eine Energiespeichereinheit zumindest eine Leiterplatine aufweist, an der an einer oder an beiden Leiterplatinenseite(n) eine Vielzahl von Energiespeichern sitzen, die über elektrische Leitungen miteinander verbunden sind, und wobei zumindest eine Energiespeichereinheit eine Leistungselektronik mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger aufweist. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Energie zur Speicherung von Energie aus einem Brennstoffzellenstack und/oder zur Abgabe der gespeicherten Energie an einen Brennstoffzellenstack, einen Hybridmotor oder einen Verbrennungsmotor.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Speichern von Energie sowie Verwendung einer derartigen Vorrichtung zum Speichern von Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Energie sowie die Verwendung einer derartigen Vorrichtung zum Speichern von Energie.
Eine derartige Vorrichtung zum Speichern von Energie ist zwischen einem Energieerzeuger, der die Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Energie versorgt, und einem Energieverbraucher, der bei Energieengpässen von der Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Energie versorgt wird, angeordnet. Die Vorrichtung zum Speichern von Energie dient als Energiepuffer für Verbraucher. Insbesondere wenn bei einem Verbraucher kurzfristig viel Energie benötigt wird, die die eigentliche Stromquelle des Verbrauchers nicht bereitstellen kann, kann die Vorrichtung zum Speichern von Energie entsprechende Energiereserven liefern.
So sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen zum Speichern von Energie bekannt, die Kraftfahrzeuge wirtschaftlicher machen und deren Fahrleistungen verbessern sollen. Hierbei werden die Vorrichtungen zum Speichern von Energie beispielsweise mit überschüssiger Energie oder mit der beim Abbremsen des Fahrzeugs freiwerdenden Energie aufgeladen. Wird das Kraftfahrzeug beschleunigt, bringt der Energieschub aus der Vorrichtung zum Speichern von Energie zusätzliche Leistung. Die Vorrichtungen zum Speichern von Energie können Batterien bzw. Akkus sein, die aber mit der Zeit verschleißen und dadurch an Speicherkraft verlieren.
Es sind Hybridkraftfahrzeuge bekannt, die gleichzeitig von einem Elektro- und einem Verbrennungsmotor angetrieben werden. Der Verbrennungsmotor treibt einen Generator an, der sowohl den Elektromotor mit Strom versorgt, als auch einen leistungsstarken Akku, die so genannte Vorrichtung zum Speichern von Energie, lädt. Durch ein geschicktes Motormanagement kann bei einem solchen Hybridsystem ein sehr geringer Gesamtverbrauch ermöglicht werden. Der Clou eines solchen Fahrzeugs ist, dass über die im Akku gepufferte Energie kurzzeitig eine wesentlich höhere Leistung zur Verfügung steht, als der eingebaute Verbrennungsmotor eigentlich liefern kann. So lassen sich die Fahrleistungen des Fahrzeugs extrem steigern.
Der Nachteil eines solchen Systems liegt in den Akkus. Da in elektrochemischen Reaktionen chemische Verbindungen umgesetzt werden, unterliegen Akkus bei den ständigen Lade- und Entladevorgängen einem Verschleiß, so dass die Leistung irgendwann nachlässt.
Alternativ zu den Akkus können Kondensatoren, insbesondere Hochleistungs- Kondensatoren, als Vorrichtungen zum Speichern von Energie eingesetzt werden. Kondensatoren ermöglichen eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer dieser
Pufferspeicher, denn in Kondensatoren laufen keine elektrochemischen Reaktionen ab, sondern es werden lediglich Ladungen getrennt. Ein einfacher Kondensator besteht aus zwei gegenüberliegenden Metallplatten. Auf der einen Metallplatte herrscht ein Überschuss an Elektronen, auf der anderen Metallplatte ein Mangel an Elektronen. Werden beide Metallplatten elektrisch leitend verbunden, fließt ein Strom und die im Kondensator gespeicherte Energie kann genutzt werden.
Je größer die Oberfläche der Metallplatten ist und je näher die beiden Metallplatten zusammen liegen, desto größer ist die Kapazität des Kondensators und desto mehr Energie kann durch ihn gespeichert werden. Herkömmliche Kondensatoren die Energien von etwa 200 Wattstunden speichern können, was für Kraftfahrzeuge notwendig ist, sind jedoch sehr groß und damit auch sehr schwer. Der Einsatz solcher herkömmlicher Kondensatoren ist somit in vielen Fällen unwirtschaftlich.
Moderne Doppelschicht-Kondensatoren, auch Ultra-Kondensatoren genannt, deren Oberfläche nach den Regeln der fraktalen Geometrie um einen Faktor von mehreren Zehntausend größer ist als bei normalen Kondensatoren, ermöglichen deutlich kleiner Geometrien bei hoher Leistung. Derartige Ultra-Kondensatoren weisen winzige Kohlenstoffpartikel mit einer sehr fein strukturierten, dreidimensionalen Oberfläche auf. Pro Gramm des Materials sind so Oberflächen von etwa 2000 und mehr Quadratmetern und damit eine extrem hohe Speicherkapazität möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Speichern von Energie zu schaffen, deren Speicherkapazität schnell und kostengünstig auf die Notwendigkeiten unterschiedlicher Verbraucher einstellbar ist, wobei die räumlichen Abmaße und das Gewicht der Vorrichtung zum Speichern von Energie möglichst gering sind, bei gleichzeitig hoher Speicherkapazität der Vorrichtung zum Speichern von Energie.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgäbe durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß dem Patentanspruch 13 gelöst. Weitere Vorteile, Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der Verwendung, und umgekehrt.
Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, aufweisend zumindest ein Leitungselement mit zumindest einer Anschlusseinrichtung zum Anschluss an einen Energieverbraucher, aufweisend zumindest zwei Energiespeichereinheiten, wobei jede der zumindest zwei Energiespeichereinheiten elektrisch mit dem zumindest einen Leitungselement lösbar verbunden ist, wobei eine Energiespeichereinheit zumindest eine Leiterplatine aufweist, an der an einer oder an beiden Leiterplatinenseite(n) eine Vielzahl von Energiespeichern sitzen, die über elektrische Leitungen miteinander verbunden sind, und wobei zumindest eine Energiespeichereinheit eine Leistungselektronik mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger aufweist, stellt eine Vorrichtung zum Speichern von Energie dar, deren Speicherkapazität schnell und kostengünstig auf die Notwendigkeiten unterschiedlicher Verbraucher einstellbar ist, wobei die räumlichen Abmaße und das Gewicht der Vorrichtung zum Speichern von Energie möglichst gering sind, bei gleichzeitig hoher Speicherkapazität der Vorrichtung.
Dadurch, dass jede der zumindest zwei Energiespeichereinheiten elektrisch mit dem zumindest einen Leitungselement der Vorrichtung zum Speichern von Energie lösbar verbunden ist, wird eine Vorrichtung zum Speichern von Energie geschaffen, die modular aufgebaut ist. D.h., je nach Notwendigkeit der Energieversorgung des an die Anschlusseinrichtung der Vorrichtung zum Speichern von Energie angeschlossenen Energieverbrauchers, kann die Speicherkapazität der Vorrichtung zum Speichern von Energie schnell und einfach verändert werden. Die Energiespeichereinheiten stellen einzelne Speichermodule dar. Je nach Bedarf der Energieversorgung des Verbrauchers können die Energiespeichereinheiten modular an die Vorrichtung zum Speichern von Energie hinzugefügt oder entfernt werden. Hierdurch kann die Größe und das Gewicht der Vorrichtung zum Speichern von Energie für jeden möglichen Bedarf minimal gehalten werden. Es können genau so viele
Energiespeichereinheiten an der Vorrichtung zum Speichern von Energie befestigt werden, wie im Einzelfall benötigt werden.
Die Größe der einzelnen Energiespeichereinheiten ist ebenfalls frei wählbar. Eine Energiespeichereinheit weist zumindest eine Leiterplatine auf, an der an einer oder an beiden Leiterplatinenseite(n) eine Vielzahl von Energiespeichern sitzen. Die Energiespeicher sind die kleinste Speichereinheit bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Energie. Sie können Akkus oder Kondensatoren darstellen. Gegenüber einem Akku weist ein Kondensator die Vorteile auf, das er schnell geladen und entladen, sehr hohen Be- und Entladestromstärken ausgesetzt werden kann, praktisch keine Materialveränderungen und dadurch hohe Zyklendauern sowie einen langen Betriebszeitraum aufweist. Allerdings ist die in einem Kondensator gespeicherte Energie W ist im Vergleich zu einem Akku bei gleicher Ladung Q und Spannung U nur halb so groß.
Je nach vorhandenem Platz in der Vorrichtung zum Speichern von Energie können die Energiespeichereinheiten mal mit mehr oder mal mit weniger Energiespeichern bestückt sein. Die einzelnen Energiespeicher sind über elektrische Leitungen miteinander verbunden. Diese elektrischen Leitungen laufen an einer Stelle jeder Energiespeichereinheit zusammen, die dann mit dem zumindest einen Leitungselement der Vorrichtung zum Speichern von Energie elektrisch verbunden werden. Das Leitungselement weist zumindest eine Anschlusseinrichtung zum Anschluss an einen Energieverbraucher auf, um die in den Energiespeichereinheiten gespeicherte Energie an den Energieverbraucher abzugeben.
Vorteilhaft ist es, wenn zumindest eine Energiespeichereinheit der Vorrichtung zum Speichern von Energie eine Leistungselektronik mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger aufweist. Über das Verbindungselement und die Leistungselektronik können die Energiespeichereinheiten geladen werden. Die Leistungselektronik sorgt dafür, dass die Energiespeichereinheiten geladen, aber nicht von dem Energieerzeuger entladen werden können. Es kann vorgesehen sein, dass jede Energiespeichereinheit eine eigene Leistungselektronik mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger aufweist. Es ist aber auch möglich, dass alle Energiespeichereinheiten der Vorrichtung zum Speichern von Energie eine gemeinsame Leistungselektronik mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger aufweisen. Die Leistungselektronik weist vorteilhafterweise einen Überspannungsschutz auf, um die Energiespeicher der Energiespeichereinheiten vor zu großen Spannungen zu schützen.
Durch den modularen Aufbau der Vorrichtung zum Speichern von Energie können für jeden Energieverbraucher exakt dimensionierte Vorrichtung zum Speichern von Energie schnell und kostengünstig angepasst werden. Die Speicherkapazität der Vorrichtung zum Speichern von Energie lässt sich durch das Hinzufügen von modularen Energiespeichereinheiten leicht erhöhen und durch das Entfernen von modularen Energiespeichereinheiten leicht verringern.
Besonders bevorzugt ist eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Energiespeicher Doppelschichtkondensatoren sind. Doppelschichtkondensatoren sind sehr effiziente Energiespeicher, die elektrische Energie schnell speichern und wieder abgeben können. Sie eignen sich deshalb insbesondere für die kurzfristige Überbrückung von Stromausfällen und das Abdecken von Lastspitzen. Die Doppelschichtkondensatoren können elektrostatische bzw. elektrochemische Doppelschichtkondensatoren sein. Diese werden auch als Ultrakondensatoren, Superkondensatoren, Ultracaps oder Supercaps bezeichnet.
Bei elektrostatischen Doppelschichtkondensatoren findet die Ladungsspeicherung durch Ladungstrennung und Ausrichtung von Solvartionsdipolen an einer Doppelschicht statt. Hierbei tritt kein Ladungsdurchtritt auf, so dass die chemische Zusammensetzung konstant bleibt. Erst bei Überspannungen würde ein unerwünschter Ladungsdurchtritt erfolgen. Das Laden der Doppelschichtkondensatoren ist genauso schnell wie das Entladen in nur wenigen Sekunden möglich. Eine Ladeüberwachung ist in der Regel nicht notwendig.
Die gespeicherte Energie eines elektrostatischen Doppelschichtkondensators hängt von der Spannung, dem Elektrodenabstand sowie der zur Verfügung stehenden Oberfläche ab. Besonders geeignet sind Doppelschichtkondensatoren mit Kohlenstoffkontaktflächen. Die Oberfläche kann durch den Einsatz von Aktivkohlevliesen gegenüber einem normalen Kondensator extrem vergrößert werden. Hierbei schaffen winzige Kohlenstoffpartikel mit einer sehr fein strukturierten, dreidimensionalen Oberfläche sehr große Oberflächen, so dass pro Gramm des Kohlenstoffpartikel-Materials Oberflächen von über 2000 Quadratmetern und damit eine extrem hohe Kapazität möglich sind.
Derartige Doppelschichtkondensatoren sind sehr leicht, bei gleichzeitig hoher Energiespeicherfähigkeit. So können Supercaps bei einem Gewicht um die 300g Energiemengen von über einer Wattstunde speichern.
Durch die Verwendung von zuvor erwähnten Doppelschichtkondensatoren kann die Vorrichtung zum Speichern von Energie in Ihren äußeren Abmaßen sehr klein und im Gewicht niedrig gehalten werden. Gleichzeitig ermöglichen derartige Doppelschichtkondensatoren eine hohe Speicherkapazität. Die
Energiespeichereinheiten stellen kleine Speichermodule dar, die einfach und schnell an das Leitungselement der Vorrichtung zum Speichern von Energie befestigt oder entfernt werden können, um die Speicherkapazität der Vorrichtung zum Speichern von Energie zu variieren.
Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der eine Energiespeichereinheit zwei parallel zueinander verlaufende Leiterplatinen aufweist, wobei auf den der jeweils anderen Leiterplatine abgewandten Seite einer Leiterplatine jeweils eine Vielzahl von Energiespeichern sitzen, ist besonders geeignet, da sowohl die Befestigung der Energiespeicher an den Leiterplatinen, als auch die Leiterplatinen selbst einfach ausgebildet sein kann. Bei derartigen Energiespeichereinheiten können die elektrischen Leitungen, die die Energiespeicher miteinander verbinden, zwischen den zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen angeordnet sein. Bevorzugt sind die zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen lösbar aneinander befestigt. Die Leiterplatinen können kraftschlüssig aneinander befestigt sein. So können sie beispielsweise miteinander verschraubt sein. Die Platine kann einfache Kupferleitungen und Kupferbohrungen als elektrische Leitungen aufweisen.
Vorteilhaft ist eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der das Leitungselement Befestigungselemente zur form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung zumindest zweier Energiespeichereinheiten aufweist. Hierdurch lassen sich die Energiespeichereinheiten, die so genannten modularen Speichermodule, einfach und schnell an dem zumindest einem Leitungselement der Vorrichtung zum Speichern von Energie befestigen. Je nach Bedarf kann die Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Energiespeichereinheiten bestückt werden.
Vorteilhaft ist eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die
Befestigungselemente elektrisch leitende Steckverbindungen sind. Derartige Steckverbindungen sorgen neben einem sicheren Halt der Energiespeichereinheiten an dem Leitungselement für eine schnelle Befestigung der Energiespeichereinheiten an dem Leitungselement. Je nach Energiebedarf des Verbrauchers kann die Vorrichtung zum Speichern von Energie einfach mit einer entsprechenden Anzahl von Energiespeichereinheiten bestückt werden. Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Leistungselektronik zwischen den zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen angeordnet ist, ist besonders geeignet, da hierdurch die Leistungselektronik besonders gut geschützt ist vor äußeren Einflüssen. Ferner ist eine Energiespeichereinheit, bei der Leistungselektronik zwischen den zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen angeordnet ist, sehr leicht und kostengünstig herzustellen. Die Leiterplatinen können relativ einfach ausgebildet sein, da die Leistungselektronik zwischen ihnen sitzt. Die Leiterplatinen weisen einfache Leitungen und Bohrungen aus Kupfer auf, um die Energiespeicher und die Leistungselektronik elektronisch miteinander zu verbinden. Eine Energiespeichereinheit, bei der Leistungselektronik zwischen den zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen angeordnet ist, ist auch ihn Ihren äußeren Abmaßen gering, wodurch eine Bauraumoptimierung der Vorrichtung zum Speichern von Energie möglich ist.
Vorteilhaft ist ferner eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Leistungselektronik zumindest einen Thyristor, eine Sicherung, einen Schalter und/oder ein elektronisches Halbleiterbauteil aufweist. Der Thyristor, die Sicherung, der Schalter und das elektronische Halbleiterbauteil dienen zum Schutz der Energiespeichereinheit bzw. der Energiespeicher. Vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger und einer Energiespeichereinheit ein Thyristor, eine Sicherung, ein Schalter und ein elektronisches Halbleiterbauteil sitzen. Wenn die an den Energiespeichern anliegende Spannung zu groß wird, zündet der Thyristor, was zu einem großen Stromfluss aus dem Energieerzeuger und zum Auslösen der Sicherung führt. Ein Thyristor ist ein elektronisches Bauteil, ein so genannter Mehrschichthalbleiter. Ein Thyristor hat drei Anschlüsse. Neben einem Anoden- und einem Kathodenanschluss weist ein Thyristor einen Gate-Anschluss auf. Im Grundzustand ist der Thyristor in beiden Richtungen sperrend. In Durchlassrichtung sperrt er bis zu einer Durchbruchspannung. In Durchlassrichtung kann er durch einen Stromimpuls am Gate-Anschluss in einen leitenden Zustand geschaltet werden. In Sperrrichtung sperrt er den Strom wie eine normale Diode. Die Diode ist ein elektronisches Bauelement mit zwei Polen, das eine unsymmetrische und nichtlineare Kennlinie besitzt. Eine Diode ist für Strom, der in eine Richtung fließt, durchlässig und für Strom, der entgegengesetzt durch den Leiter fließt, unterhalb der Durchbruchspannung ein Isolator. Der Thyristor wird als steuerbare Diode eingesetzt. Durch eine Strom injektion in die dritte Schicht, wobei die Ansteuerung am Gate-Anschluss erfolgt, kann der Thyristor gezündet, d.h. leitfähig geschaltet, werden. Voraussetzung dafür ist eine positive Spannung zwischen Anode und Kathode, sowie ein Mindeststrom durch die mittlere Sperrschicht. Gelöscht, d.h. in den Sperrzustand versetzt, wird der Thyristor durch Unterschreiten des Haltestroms, im Allgemeinen durch Abschalten oder Umpolen der Spannung im Laststromkreis.
Der Schalter ist zwischen dem elektronischen Halbleiterbauteil auf der einen Seite und der Sicherung sowie dem Thyristor auf der anderen Seite angeordnet. Wenn der Energieerzeuger die Vorrichtung zum Speichern von Energie aufladen soll, wird der Schalter geschlossen, so dass es zu einem Stromfluss von dem Energieerzeuger über das elektronische Halbleiterbauteil, über den Schalter, über die Sicherung und den Thyristor zu den Energiespeichern der Energiespeichereinheit kommt. Das elektronische Halbleiterbauteil verhindert, dass Strom von den Energiespeichern der Energiespeichereinheit zu dem Energieerzeuger fließt. Energieerzeuger, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, verträgt es nicht Energiesenke zu sein. Das elektronische Halbleiterbauteil kann beispielsweise als Diode ausgebildet sein. Da eine Diode jedoch verlustbehaftet sein kann, ist besonders bevorzugt, das dass elektronische Halbleiterbauteil ein Transistor, insbesondere ein MOSFET (MOSFET = Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ist. Durch einen MOSFET können Energieverluste an den Energiespeichern reduziert werden.
Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Leistungselektroniken zweier nebeneinander angeordneter Energiespeichereinheiten miteinander gekoppelt sind. Dies ermöglicht, dass die Leistungselektronik der einzelnen Energiespeichereinheiten nochmals vereinfacht werden können. Die Kopplung der Leistungselektroniken sorgt für eine Einsparung an benötigter Elektronik. So kann nur eine Verbindung zu dem Energieerzeuger vorgesehen sein, anstelle einer Verbindung von jeder Energiespeichereinheit zu dem Energieerzeuger. Durch die Kopplung der Leistungselektroniken können beispielsweise alle Thyristor einer jeden Leistungselektronik zünden, wenn eine Überlastung an einem Energiespeicher vorliegt.
Das Leitungselement dient der Weiterleitung der Energie, d.h. des Stroms, an den Energieverbraucher. Hierzu sollte das Leitungselement zumindest zwei
Leitungsschienen, einen Plusleiter und einen Minusleiter, aufweisen, um einen Stromfluss zu gewährleisten. Bevorzugt ist jedoch eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der das Leitungselement drei Leitungsschienen aufweist. Die dritte Leitungsschiene dient als Schutzleiter. Dieser Schutzleiter führt direkt auf Erde und dient dazu, gefährliche Berührungsspannungen an leitfähigen Gehäuse- oder Bedienteilen zu verhindern.
Ganz besonders vorteilhaft ist eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der zwei nebeneinander angeordnete Energiespeichereinheiten versetzt zueinander verlaufen. Hierdurch können die äußeren Abmaße der Vorrichtung zum Speichern von Energie reduziert werden. Die Energiespeichereinheiten können dabei ineinander verschachtelt angeordnet sein.
Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Energiespeicher einer Energiespeichereinheit an einer Leiterplatinenseite in zumindest einer Reihe angeordnet sind, ist besonders Platz sparend und konstruktiv einfach. Hierdurch lassen sich die Energiespeicher besonders einfach an der Leiterplatine befestigen.
Beispielsweise ist eine Energiespeichereinheit, die auf jeder Seite zwei Reihen mit je sechs Energiespeichern aufweist, gut als so genanntes Speichermodul geeignet. Die Energiespeichereinheit ist auf diese Weise kompakt ausgebildet und verfügt durch die Vielzahl der Energiespeicher, hier 24 Energiespeicher, über eine relativ hohe
Speicherkapazität.
Bevorzugt ist ferner eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der zwischen dem Leitungselement und dem Energieverbraucher eine Stromquelle mit einem elektronischen Halbleiterbauteil und eine Sicherung vorgesehen sind. Die Stromquelle erlaubt in Sperrrichtung des elektronischen Halbleiterbauteils, insbesondere eine Diode oder ein MOSFET, lediglich einen kleinen Stromfluss, während zum Energieverbraucher ein unbegrenzter Stromfluss möglich ist.
Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, bei der die Vorrichtung zum Speichern von Energie eine Steuereinrichtung aufweist, ist besonders zur Steuerung des Energiebedarfs des Energieverbrauchers geeignet. Die Steuereinrichtung steuert den Übergang der in der Vorrichtung zum Speichern von Energie gespeicherten Energie zu dem Energieverbraucher. Ferner kann die Steuereinrichtung den Ladevorgang der Vorrichtung zum Speichern von Energie steuern. Ist die Speicherkapazität der Energiespeichereinheiten nicht ausgeschöpft, so schließt die Steuereinheit den oder die Schalter der Leistungselektronik(en) der Energiespeichereinheit(en), so dass der oder die Energieerzeuger die Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Energie beladen kann bzw. können.
Die Vorrichtung zum Speichern von Energie kann aus dem Leitungselement, den Energiespeichereinheiten, dem Anschlusseinrichtung zum Anschluss an einen Energieverbraucher sowie der Leistungselektronik mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger bestehen. Bevorzugt ist aber eine Vorrichtung zum Speichern von Energie die ein Gehäuse aufweist. Hierdurch sind die zuvor genannten Bauteile vor äußeren Einflüssen geschützt. Die
Anschlusseinrichtung zum Anschluss an einen Energieverbraucher sowie das Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger können in das Gehäuse integriert sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Leitungselement an dem Gehäuse lösbar befestigt ist. Je nach benötigter Größe der Vorrichtung zum Speichern von Energie kann das Leitungselement kleiner oder größer ausgebildet sein. Je größer das Leitungselement ist, desto mehr Anschlussmöglichkeiten, insbesondere Steckverbindungen, zur Aufnahme von Energiespeichereinheiten weist dieses auf. Bei Bedarf kann ein Leitungselement einfach und schnell durch ein anderes, beispielsweise größeres, Leitungselement ersetzt werden.
Die Verwendung einer zuvor beschriebenen Vorrichtung zum Speichern von Energie zur Speicherung von Energie aus einem Brennstoffzellenstack stellt einen möglichen Einsatzbereich der Vorrichtung zum Speichern von Energie dar. So kann als Energieerzeuger ein Brennstoffzellenstack genutzt werden. Ferner ist die Verwendung einer zuvor beschriebenen Vorrichtung zum Speichern von Energie zur Abgabe der gespeicherten Energie an einen Brennstoffzellenstack, einen Hybridmotor oder einen Verbrennungsmotor vorteilhaft. Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von Energie können künftige Brennstoffzellenautos wirtschaftlicher gemacht und deren Fahrleistungen verbessert werden. Die Vorrichtung zum Speichern von Energie wird mit überschüssiger Energie oder mit der beim Abbremsen des Fahrzeugs freiwerdenden Energie aufgeladen. Beim Beschleunigen bringt der Energieschub aus der Vorrichtung zum Speichern von Energie zusätzliche Leistung, die der Brennstoffzelle des Autos fehlt.
Die Verbrennungsmotoren beispielsweise gewöhnlicher Kraftfahrzeuge sind häufig um den Faktor zwei überdimensioniert. Die maximale Motorleistung wird nur während eines Bruchteils der Betriebszeit benötigt, etwa beim Beschleunigen aus dem Stand oder bei einem Überholmanöver. Die meiste Zeit würde ein derartiger Verbrennungsmotor mit wesentlich geringerer Leistung völlig ausreichen. Überdimensionierte Verbrennungsmotoren sind jedoch nicht nur teurer und schwerer, sie verbrauchen insgesamt auch mehr Kraftstoff, da der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors im unteren Bereich seiner Leistungskurve deutlich geringer ist. Durch die Verwendung einer zuvor beschriebenen Vorrichtung zum Speichern von Energie kann durch den Zugriff auf die gespeicherte Energie kurzzeitig eine wesentlich höhere Leistung zur Verfügung gestellt werden, als der Verbrennungsmotor eigentlich liefern kann. So lassen sich die Fahrleistungen eines Kraftfahrzeuges extrem steigern.
Durch den modularen Aufbau der Vorrichtung zum Speichern von Energie kann diese schnell und kostengünstig auf den jeweiligen zusätzlichen Energiebedarf eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs angepasst werden.
Gleiches gilt für künftige Brennstoffzellenautos. Statt des Verbrennungsmotors mit Generator liefert eine Brennstoffzelle die elektrische Energie. Über die Vorrichtung zum Speichern von Energie kann die Leistung der Brennstoffzelle kurzfristig gesteigert werden, so dass die Dimensionierung der Brennstoffzelle effizient angebildet sein kann. Die einfache individuelle Anpassung der Vorrichtung zum Speichern von Energie durch deren modularen Aufbau der Energiespeichereinheiten schafft eine sehr einfache und vielfältige Verwendungsmöglichkeit der zum Speichern von Energie.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Speichern von Energie angeordnet zwischen einem Energieerzeuger und einem Energieverbraucher;
Figur 2 eine Vorrichtung zum Speichern von Energie mit einem Gehäuse; Figur 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils einer Vorrichtung zum Speichern von Energie; und
Figur 4 eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum Speichern von Energie;
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 angeordnet zwischen einem Energieerzeuger 9 und einem Energieverbraucher 3. Die Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 weist eine
Leistungselektronik 8 mit einem elektronischen Halbleiterbauteil 14, einem Thyristor 10 .einer Sicherung 11 und einem Schalter 13 in Richtung zum Energieerzeuger 9 auf. Der Energieerzeuger 9 kann eine Brennstoffzelle sein.
Der Thyristor 10, die Sicherung 11 , der Schalter 13 und das elektronische
Halbleiterbauteil 14 dienen zum Schutz der Energiespeichereinheit 4 bzw. der Energiespeicher 6 der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1. Wird die an den Energiespeichern 6 der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 anliegende Spannung zu groß, zündet der Thyristor 10, was zu einem großen Stromfluss aus dem Energieerzeuger 9 und zum Auslösen der Sicherung 11 führt. Der Thyristor 10 sperrt in Durchlassrichtung bis zu einer bestimmten Durchbruchspannung. In Durchlassrichtung kann er durch einen Stromimpuls am Gate-Anschluss in einen leitenden Zustand geschaltet werden. In Sperrrichtung sperrt er den Strom wie eine normale Diode.
Der Schalter 13 ist zwischen dem elektronischen Halbleiterbauteil 14 auf der einen Seite und der Sicherung 11 sowie dem Thyristor 10 auf der anderen Seite angeordnet. Wenn der Energieerzeuger 9 die Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 aufladen soll, wird der Schalter 13 geschlossen, so dass es zu einem Stromfluss von dem Energieerzeuger 9 über das elektronische Halbleiterbauteil 14, über den Schalter 13, über die Sicherung 11 und den Thyristor 10 zu den Energiespeichern 6 der Energiespeichereinheit 4 der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 kommt. Das elektronische Halbleiterbauteil 14 verhindert, dass Strom von den Energiespeichern 6 der Energiespeichereinheit 4 zu dem Energieerzeuger 9 fließt, da Energieerzeuger, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, es nicht vertragen Energiesenke zu sein. Das elektronische Halbleiterbauteil 14 ist bevorzugt als MOSFET ausgebildet.
Die Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 weist in Richtung des Energieverbrauchers 3 eine Stromquelle mit einem elektronischen Halbleiterbauteil 15 und einer Sicherung 12 auf. Die Stromquelle erlaubt in Sperrrichtung des elektronischen Halbleiterbauteils 15, insbesondere ein MOSFET, einen kleinen Stromfluss, während zum Energieverbraucher 3 hin ein unbegrenzter Stromfluss möglich ist.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zum Speichern von Energie 1. Die Vorrichtung zum Speichern von
Energie 1 weist ein Gehäuse 16 auf, in welchem ein Leitungselement 2 angeordnet ist. An dem Leitungselement 2 sind fünf Energiespeichereinheiten 4 lösbar elektrisch leitend befestigt. Jede Energiespeichereinheit 4 weist zwei Leiterplatinen 5 auf die parallel zueinander verlaufen. An jeder Leiterplatine 5 sind zwölf Energiespeicher 6 befestigt, wobei diese in zwei Reihen von je sechs Energiespeicher 6 ausgebildet sind. Die Energiespeicher 6 sind über elektrische Leitungen 7 untereinander elektrisch leitend verbunden. In den Fig. 3 und 4 sind Schnitte durch eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 dargestellt. Das Leitungselement 2 ist an dem Gehäuse 16 fest angeordnet. Die Energiespeichereinheiten 4 sind untereinander an dem Leitungselement 2 lösbar befestigt. Die Befestigung kann insbesondere eine formschlüssige Steckverbindung sein. Die Energiespeicher 6 sitzen direkt auf den Leiterplatinen 5 der Energiespeichereinheiten 4. Über die elektrischen Leitungen 7 sind die Energiespeicher 6 miteinander verbunden. In dieser Ausführungsform der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 weisen die Energiespeichereinheiten 4 jeweils zwei Leiterplatinen 5 auf. Zwischen den Leiterplatinen 5 ist die Leistungselektronik 8 der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 vorgesehen. Die Energiespeicher 6 sind insbesondere Doppelschichtkondensatoren, so genannte Ultrakondensatoren, Superkondensatoren, Ultracaps oder Supercaps. Die Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 weist ferner eine Steuereinrichtung 17 auf, die insbesondere zur Steuerung des Energiebedarfs des Energieverbrauchers 3 geeignet. D.h., die Steuereinrichtung 17 steuert den Übergang der in der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 gespeicherten Energie zu dem Energieverbraucher 3. Die Steuereinrichtung 17 kann ebenfalls den Ladevorgang der Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 steuern. Ist die Speicherkapazität der Energiespeichereinheiten 4 nicht ausgeschöpft, so schließt die Steuereinheit 17 den oder die Schalter 13 der Leistungselektronik(en) 8 der Energiespeichereinheit(en) 4, so dass der oder die Energieerzeuger 9 die Vorrichtung zum Speichern von Energie 1 mit Energie beladen kann bzw. können.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zum Speichern von Energie
2 Leitungselement
3 Energieverbraucher
4 Energiespeichereinheit(en)
5 Leiterplatine 6 Energiespeicher
7 elektrische Leitungen
8 Leistungselektronik
9 Energieerzeuger
10 Thyristor 11 Sicherung
12 Sicherung
13 Schalter
14 elektronisches Halbleiterbauteil
15 elektronisches Halbleiterbauteil 16 Gehäuse
17 Steuereinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Speichern von Energie, aufweisend zumindest ein Leitungselement (2) mit zumindest einer Anschlusseinrichtung zum Anschluss an einen Energieverbraucher (3), aufweisend zumindest zwei Energiespeichereinheiten (4), wobei jede der zumindest zwei Energiespeichereinheiten (4) elektrisch mit dem zumindest einen Leitungselement (2) lösbar verbunden ist, wobei eine Energiespeichereinheit (4) zumindest eine Leiterplatine (5) aufweist, an der an einer oder an beiden
Leiterplatinenseite(n) eine Vielzahl von Energiespeichem (6) sitzen, die über elektrische Leitungen (7) miteinander verbunden sind, und wobei zumindest eine Energiespeichereinheit (4) eine Leistungselektronik (8) mit einem Verbindungselement zum Anschluss an einen Energieerzeuger (9) aufweist.
2. Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (6) Doppelschichtkondensatoren sind.
3. Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiespeichereinheit (4) zwei parallel zueinander verlaufende Leiterplatinen (5) aufweist, wobei auf den der anderen Leiterplatine (5) abgewandten Seite einer Leiterplatine (5) jeweils eine Vielzahl von Energiespeichern (6) sitzen.
4. Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungselement (2) Befestigungselemente zur form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung zumindest zweier Energiespeichereinheiten (4) aufweist.
5. Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (8) zwischen den zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterplatinen (5) angeordnet ist.
6. Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (8) zumindest einen Thyristor (10), eine Sicherung (11 , 12), einen Schalter (13) und/oder zumindest ein elektronisches Halbleiterbauteil (14, 15) aufweist.
7. Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektroniken (8) zweier nebeneinander angeordneter Energiespeichereinheiten (4) miteinander gekoppelt sind.
8. Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungselement (2) zumindest eine Leitungsschiene aufweist.
9. Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei nebeneinander angeordnete Energiespeichereinheiten (4) versetzt zueinander verlaufen.
10. Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (6) einer
Energiespeichereinheit (4) an einer Leiterplatinenseite in zumindest einer Reihe angeordnet sind.
11.Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leitungselement (2) und dem
Energieverbraucher eine Stromquelle mit einem elektronischen Halbleiterbauteil (15) und eine Sicherung (12) vorgesehen sind.
12. Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Speichern von Energie (1) eine Steuereinrichtung (17) aufweist.
13. Verwendung einer Vorrichtung zum Speichern von Energie gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 12 zur Speicherung von Energie aus einem Brennstoffzellenstack, oder zur Abgabe der gespeicherten Energie an einen Brennstoffzellenstack, einen Hybridmotor oder einen Verbrennungsmotor.
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