WO2009109251A1 - Mains-independent electrical energy storage unit - Google Patents

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WO2009109251A1
WO2009109251A1 PCT/EP2008/066793 EP2008066793W WO2009109251A1 WO 2009109251 A1 WO2009109251 A1 WO 2009109251A1 EP 2008066793 W EP2008066793 W EP 2008066793W WO 2009109251 A1 WO2009109251 A1 WO 2009109251A1
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WO
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electrical energy
storage unit
energy storage
battery units
independent electrical
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PCT/EP2008/066793
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Hans Zogg
Herbert Naarmann
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Dilo Trading Ag
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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
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • 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
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering

Definitions

  • the present invention relates to a network-independent electrical energy storage unit, in particular a network-independent electrical energy storage unit based on lithium-ion batteries.
  • network-independent electrical energy storage units or supply units such as off-grid emergency generators
  • the present invention is based on the object, an improved grid-independent electrical energy storage unit, in particular a network-independent electrical energy storage unit based on lithium-ion batteries to provide.
  • the grid-independent electrical energy storage unit according to the invention comprises at least three
  • Battery units each having a plurality of parallel-connected Li-ion cells, a supply circuit for supplying a consumer with electrical energy from at least one of the battery units, an auxiliary supply circuit for supporting the supply of a consumer with electrical energy from at least one of the battery units, a charging circuit for charging at least one of the battery units by an external charging current and a controller for connecting and disconnecting respective battery units with / from the
  • Battery units are simultaneously switched to supply one (or more) consumer, reserve (auxiliary supply to the consumer) or charging.
  • an inverter may be provided to adjust the desired energy output or charging feed accordingly.
  • the rated voltage of the energy storage unit and the rated voltage of the Li-ion cells used are substantially the same.
  • the energy storage unit Due to the parallel connection of individual secondary cells having substantially the same rated voltage, the energy storage unit also has this rated voltage. As a result, expensive monitoring devices can be saved.
  • Each of the at least three battery units can be made up of 4-20 Li-ion cells connected in parallel, wherein each of the Li-ion cells, which each form a battery unit in parallel, has a nominal capacity of 6-500 Ah.
  • the Li-ion cells used can contain Liintercalatable heavy metal oxides and / or LiFe or LiV phosphates as the electrochemically active cathode layer and Li-scalable synthetic or natural graphite as the electrochemically active anode material.
  • porous polyolefin, polyfluorine or ceramic layers can be used in the Li-ion cells used.
  • the battery unit (s) connected to the consumer is / are galvanically decoupled from the consumer.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of the mains-independent electrical energy storage unit according to the invention according to the exemplary embodiment.
  • the embodiment shows special lithium-ion batteries, which are constructed according to the scheme shown in Fig. 1 and are used as a grid-independent energy storage unit.
  • the energy storage unit includes the battery units I, II and III, which are constructed of parallel lithium batteries or lithium cells.
  • a supply circuit is illustrated by a solid line which connects the battery unit I with a consumer 7 via a switch 1.
  • the embodiment includes three battery storage I-III, but the invention is not limited thereto.
  • a plurality of battery units can be connected to the supply line, the auxiliary supply circuit and / or the charging circuit.
  • the switches 1, 2 and 3 are contact switches with the respective switching levels a, b and c.
  • the invention is not limited to contact switches, but any control or switching elements are suitable, which are suitable to interconnect battery units with the supply line, the auxiliary supply circuit and / or the charging circuit.
  • FIG. 1 shows an auxiliary supply circuit with reference to a dashed line and a charging circuit with reference to a dotted line.
  • a consumer 7 is connected, which - depending on the switch positions - can be supplied by one or more of the battery units with electrical energy.
  • the consumer 7 can also on the
  • Auxiliary supply circuit are supplied, for example, when the switch 4 is closed, i. is in position d.
  • One or more battery units which are connected via the respective switch positions with the charging circuit, can be supplied via a charger connected to the charging device 8 with energy to be charged.
  • a switching rhythm of the controller 6, which includes the switches 1, 2, 3 and 4 can via the Contact switch 1, 2, 3 a discharge, charging and a reserve off and / or switched on.
  • inverters 5 are connected upstream, e.g. between I and Ia, II and 2b and III and 3c.
  • the diagram shows the battery units I, II, III, which are lithium-ion batteries based on e.g. 4 Li ion cells each (60 Ah, 3.6 V) connected in parallel with I, II and III and charged in parallel to charging, consumption and reserve.
  • Each battery unit I, II and III may consist of at least 4 lithium-ion cells (LiC), which in
  • LiC e.g. 6 Ah HP, 7.5 Ah UHP, 9 Ah HP, 10 Ah He, 20 Ah HP, 27 Ah HP, 33 Ah HP, 45 Ah HP, 60 Ah HP,
  • HP High Power
  • HE High Energy
  • UHP Ultra High Power
  • the above-mentioned cells are each connected in parallel, preferably in amounts of 4-10 LiC and then form the battery unit I, II and III.
  • the charging of the battery units, which are connected via the charging circuit with a charging device, is preferably carried out with alternative energy recovery systems (based on solar wind and / or hydropower). Due to the consistent parallel connection of all lithium-ion cells (LiC) used in the battery units I, II and III, the disadvantage of overcharging and also the possibility of short-circuit currents in the individual cells (LiC) can be minimized.
  • the nominal voltage of the respective battery unit I, II and III is identical to the rated voltage of the individual cell (LiC) used in each case.
  • the single cells are lithium ion cells (LiC) in which the cathode consists of the electrochemically active cathode layer based on LiCo oxide, LiNi oxide, LiFe phosphate, LiV phosphate, LiMnOxide, LiMoOxide, LiCrOxide (or mixtures thereof).
  • Kathodenableiter is an AI foil.
  • the electrochemically active anode layer (on the Cu foil as an anode conductor consists of Li intercalatable natural or synthetic graphite.
  • the separator is mounted between the anode and cathode as a porous separating layer and consists of polyolefins, polyfluropolymers or ceramic-based polymer gels.
  • the individual cells (LiC) used for the battery units are from a few Ah capacity up to about 500 Ah, with specific energies, e.g. from 64 Wh / kg up to 150 Wh / kg.
  • Table 1 below shows an overview of Li-ion cells used in a battery storage unit according to the present invention. It should be noted that the invention is not limited to the Li-ion cells listed in Table 1. The types shown in Table 1 are merely exemplary in nature.
  • Li-Ion Cell Overview is a random selection of different cell types that are suitable for use in the invention.
  • C is the C rate, a current (charge or discharge) current per unit of time.
  • buffer and storage systems in combination with alternative energy suppliers are a further field of application of the invention, such as e.g. also off-grid emergency generators.
  • a galvanic decoupling can be provided, which can be done for example by upstream electronic components, so that on the consumer side voltage level and voltage type are available as needed.
  • the battery unit I which is connected in parallel with 4 x 60 Ah Li-ion cells (3, 6 V), for example, for operation a feed pump, eg Ama-Drainer 301, a submersible pump from KSB (50 Hz, 230 V -, 7.5 KW) are used.
  • a feed pump eg Ama-Drainer 301
  • a submersible pump from KSB 50 Hz, 230 V -, 7.5 KW
  • the battery unit III also consisting of 4 x 60 Ah parallel Li-ion cells
  • the battery unit II which also consists of 4 x 60 Ah parallel-connected Li-ion cells, serves as a reserve and can be switched on as needed to the consumer side (battery unit I).
  • the feed pump is a converter that provides the required for pump operation three-phase current (400V).
  • the arrangement according to the invention can be used analogously to the operation of a vehicle with an electric motor.
  • a vehicle-type charger or a generator charges the battery unit III.
  • Charging units or charging device 8 come car chargers, wind power and / or photovoltaic generators od.ä. in question. Also possible is the upstream connection of an inverter 5, so that the battery system can also be effective as a buffer and memory.
  • a grid-independent electrical energy storage unit comprises at least three battery units, each having a plurality of parallel-connected Li-ion cells, a supply circuit for supplying a consumer with electrical energy from at least one of the battery units, an auxiliary supply circuit for supporting the supply of a consumer electrical energy from at least one of the battery units, a charging circuit for charging at least one of the battery units by an external charging current, and a controller for connecting and disconnecting respective battery units to / from the supply circuit, the auxiliary supply circuit or the charging circuit.

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Abstract

A mains-independent electrical energy storage unit comprises at least three battery units which each have a plurality of Li-ion cells connected in parallel, a supply circuit for supplying electrical energy from at least one of the battery units to a consumer, an auxiliary supply circuit for assisting the supply of electrical energy from at least one of the battery units to a consumer, a charging circuit for charging at least one of the battery units by an external charging current and a controller for connecting and isolating respective battery units to/from the supply circuit, the auxiliary supply circuit or the charging circuit.

Description

NETZUNABHANGIGE ELEKTRISCHE ENERGIESPEICHEREINHEIT NETWORK INDEPENDENT ELECTRICAL ENERGY STORAGE UNIT
Die vorliegende Erfindung betrifft eine netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit, insbesondere eine netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien.The present invention relates to a network-independent electrical energy storage unit, in particular a network-independent electrical energy storage unit based on lithium-ion batteries.
Sowohl im Stationär-Bereich als auch im portablen Sektor, wie etwa bei einer mobilen Verwendung von Handwerkmaschinen, sind netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheiten bzw. Versorgungseinheiten, wie beispielsweise netzunabhängige Notstromaggregate, bekanntBoth in the stationary area and in the portable sector, such as in a mobile use of craft machines, network-independent electrical energy storage units or supply units, such as off-grid emergency generators, known
Ebenso ist ein Verwenden von Batterien und/oder Sekundärzellen bei netzunabhängigen Anwendungen weit verbreitet .Similarly, using batteries and / or secondary cells is widely used in off-grid applications.
Jedoch kann bei einer solchen Anwendung ein bedarfsgerechtes zur Verfügung stehen von benötigter Energie, zum Beispiel aufgrund von Unterbrechungen zum Laden bzw. Betanken der Energiespeichereinheiten bzw. Versorgungseinheiten, nicht immer gewährleistet sein.However, in such an application, a need-based available of required energy, for example due to interruptions to charge or refuel the energy storage units or supply units, not always be guaranteed.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit, insbesondere eine netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit auf Basis von Lithium- Ionen-Batterien, bereitzustellen.The present invention is based on the object, an improved grid-independent electrical energy storage unit, in particular a network-independent electrical energy storage unit based on lithium-ion batteries to provide.
Diese Aufgabe wird durch eine gemäß Patentanspruch 1 definierte netzunabhängige elektrischeThis object is achieved by a defined according to claim 1 off-grid electrical
Energiespeichereinheit gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.Energy storage unit solved. Preferred embodiments and further developments are defined in the subclaims.
Die erfindungsgemäße netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit umfasst mindestens dreiThe grid-independent electrical energy storage unit according to the invention comprises at least three
Batterieeinheiten, die jeweils mehrere parallel geschaltete Li-Ionen-Zellen aufweisen, eine Versorgungsschaltung zum Versorgen eines Verbrauchers mit elektrischer Energie aus mindestens einer der Batterieeinheiten, eine Hilfsversorgungsschaltung zum Unterstützen der Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie aus mindestens einer der Batterieeinheiten, eine Ladeschaltung zum Laden von mindestens einer der Batterieeinheiten durch einen externen Ladestrom und eine Steuerung zum Verbinden und Abtrennen von jeweiligen Batterieeinheiten mit/von derBattery units, each having a plurality of parallel-connected Li-ion cells, a supply circuit for supplying a consumer with electrical energy from at least one of the battery units, an auxiliary supply circuit for supporting the supply of a consumer with electrical energy from at least one of the battery units, a charging circuit for charging at least one of the battery units by an external charging current and a controller for connecting and disconnecting respective battery units with / from the
Versorgungsschaltung, der Hilfsversorgungsschaltung oder der Ladeschaltung.Supply circuit, the auxiliary supply circuit or the charging circuit.
Durch einen entsprechenden Betrieb der Steuerung können die aus parallel verschalteten Sekundärzellen bestehendenBy a corresponding operation of the control can be made of parallel connected secondary cells
Batterieeinheiten gleichzeitig auf Versorgung eines (oder mehreren) Verbrauchers, Reserve (Hilfsversorgung des Verbrauchers) oder Aufladen geschaltet werden.Battery units are simultaneously switched to supply one (or more) consumer, reserve (auxiliary supply to the consumer) or charging.
Weiterhin kann in der Versorgungsschaltung, derFurthermore, in the supply circuit, the
Hilfsversorgungsschaltung und der Ladeschaltung ein Umrichter vorgesehen sein, um die gewünschte Energieausgabe bzw. Ladeeinspeisung entsprechend anzupassen. Ebenso stimmen die Nennspannung der Energiespeichereinheit und die Nennspannung der verwendeten Li-Ionen-Zellen im Wesentlichen überein.Auxiliary supply circuit and the charging circuit, an inverter may be provided to adjust the desired energy output or charging feed accordingly. Likewise, the rated voltage of the energy storage unit and the rated voltage of the Li-ion cells used are substantially the same.
Aufgrund der Parallelschaltung von einzelnen Sekundärzellen, die im Wesentlichen die gleiche Nennspannung aufweisen, weist die Energiespeichereinheit ebenso diese Nennspannung auf. Dadurch können aufwendige Überwachungseinrichtungen eingespart werden.Due to the parallel connection of individual secondary cells having substantially the same rated voltage, the energy storage unit also has this rated voltage. As a result, expensive monitoring devices can be saved.
Jede der mindestens drei Batterieeinheiten kann aus 4-20 parallel geschalteten Li-Ionen-Zellen aufgebaut sein, wobei jede der Li-Ionen-Zellen, die parallel geschaltet jeweils eine Batterieeinheit bilden, eine Nominalkapazität von 6- 500 Ah aufweist.Each of the at least three battery units can be made up of 4-20 Li-ion cells connected in parallel, wherein each of the Li-ion cells, which each form a battery unit in parallel, has a nominal capacity of 6-500 Ah.
Weiterhin können die verwendeten Li-Ionen-Zellen als elektrochemisch aktive Kathodenschicht Liinterkalierbare Schwermetalloxide und/oder LiFe- oder LiV phosphate und als elektrochemisch aktives Anodenmaterial Liinterkalierbaren synthetischen oder natürlichen Graphit enthalten.Furthermore, the Li-ion cells used can contain Liintercalatable heavy metal oxides and / or LiFe or LiV phosphates as the electrochemically active cathode layer and Li-scalable synthetic or natural graphite as the electrochemically active anode material.
Als Separator zwischen Kathode und Anode können in den verwendeten Li-Ionen-Zellen poröse Polyolefin-, Polyfluor- oder keramische Schichten verwendet werden.As a separator between the cathode and the anode, porous polyolefin, polyfluorine or ceramic layers can be used in the Li-ion cells used.
Weiterhin gilt, dass die mit dem Verbraucher verbundene/n Batterieeinheit/en von dem Verbraucher galvanisch entkoppelt ist/sind.Furthermore, the battery unit (s) connected to the consumer is / are galvanically decoupled from the consumer.
Dadurch können eventuell auftretende Störgrößen minimiert werden . Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf die anhängende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben .As a result, any possible disturbances can be minimized. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the attached drawings with reference to a preferred embodiment.
Fig. 1 zeigt ein Schaltschema der erfindungsgemäßen netzunabhängigen elektrischen Energiespeichereinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel.1 shows a circuit diagram of the mains-independent electrical energy storage unit according to the invention according to the exemplary embodiment.
Das Ausführungsbeispiel zeigt spezielle Lithum-Ionen- Batterien, die entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten Schema aufgebaut sind und als netzunabhängige Energiespeichereinheit genutzt werden.The embodiment shows special lithium-ion batteries, which are constructed according to the scheme shown in Fig. 1 and are used as a grid-independent energy storage unit.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel enthält die Energiespeichereinheit die Batterieeinheiten I, II und III, die aus miteinander parallel geschalteten Lithium-Batterien bzw. Lithium-Zellen aufgebaut sind.According to the embodiment, the energy storage unit includes the battery units I, II and III, which are constructed of parallel lithium batteries or lithium cells.
Weiterhin ist eine Versorgungsschaltung anhand einer durchgezogenen Linie dargestellt, die über einen Schalter 1 die Batterieeinheit I mit einem Verbraucher 7 verbindet.Furthermore, a supply circuit is illustrated by a solid line which connects the battery unit I with a consumer 7 via a switch 1.
In Fig. 1 gilt, dass die Schalterstellung der Schalter 1, 2 und 3 a eine Verbindung zu der Batterieeinheit I, b eine Verbindung zu der Batterieeinheit II und c eine Verbindung zu der Batterieeinheit III herstellen bzw. unterbrechen.In Fig. 1, that the switch position of the switches 1, 2 and 3 a connect to the battery unit I, b connect to the battery unit II and c connect to the battery unit III or interrupt.
Es sei Angemerkt, dass das Ausführungsbeispiel drei Batteriespeicher I-III umfasst, die Erfindung aber nicht darauf beschränkt ist. So können auch jeweils mehrere Batterieeinheiten mit der Versorgungsleitung, der Hilfsversorgungsschaltung und/oder der Ladeschaltung verbunden sein. In dem Ausführungsbeispiel sind die Schalter 1, 2 und 3 Kontaktschalter mit den jeweiligen Schaltebenen a, b und c. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Kontaktschalter beschränkt, sondern es können jegliche Steuerungs- bzw. Schaltelemente verwendet werden, die dazu geeignet sind, Batterieeinheiten mit der Versorgungsleitung, der Hilfsversorgungsschaltung und/oder der Ladeschaltung zu verschalten .It should be noted that the embodiment includes three battery storage I-III, but the invention is not limited thereto. Thus, in each case a plurality of battery units can be connected to the supply line, the auxiliary supply circuit and / or the charging circuit. In the exemplary embodiment, the switches 1, 2 and 3 are contact switches with the respective switching levels a, b and c. However, the invention is not limited to contact switches, but any control or switching elements are suitable, which are suitable to interconnect battery units with the supply line, the auxiliary supply circuit and / or the charging circuit.
Weiterhin ist in Fig. 1 eine Hilfsversorgungsschaltung anhand einer gestrichelten Linie und eine Ladeschaltung anhand einer gepunkteten Linie dargestellt.Furthermore, FIG. 1 shows an auxiliary supply circuit with reference to a dashed line and a charging circuit with reference to a dotted line.
An der Versorgungsschaltung ist ein Verbraucher 7 angeschlossen, der - je nach Schalterstellungen - von einer oder mehreren der Batterieeinheiten mit elektrischer Energie versorgt werden kann.At the supply circuit, a consumer 7 is connected, which - depending on the switch positions - can be supplied by one or more of the battery units with electrical energy.
Weiterhin kann der Verbraucher 7 ebenso über dieFurthermore, the consumer 7 can also on the
Hilfsversorgungsschaltung versorgt werden, beispielsweise wenn der Schalter 4 geschlossen ist, d.h. sich auf der Position d befindet.Auxiliary supply circuit are supplied, for example, when the switch 4 is closed, i. is in position d.
Eine oder mehrere Batterieeinheiten, die über die entsprechenden Schalterstellungen mit der Ladeschaltung verbunden sind, können über eine an der Ladeschaltung angeschlossene Ladeeinrichtung 8 mit Energie versorgt werden, um aufgeladen zu werden.One or more battery units, which are connected via the respective switch positions with the charging circuit, can be supplied via a charger connected to the charging device 8 with energy to be charged.
Durch einen Schaltrhythmus der Steuerung 6, die die Schalter 1, 2, 3 und 4 umfasst, kann über die Kontaktschalter 1, 2, 3 eine Entladung, ein Aufladen sowie eine Reserve ab- und/oder zugeschaltet werden.By a switching rhythm of the controller 6, which includes the switches 1, 2, 3 and 4, can via the Contact switch 1, 2, 3 a discharge, charging and a reserve off and / or switched on.
Ebenso sind in dem in Fig. 1 gezeigten Schema entsprechend ausgelegte Umrichter 5 vorgeschaltet, z.B. zwischen I und Ia, II und 2b und III und 3c.Similarly, in the scheme shown in Figure 1, appropriately configured inverters 5 are connected upstream, e.g. between I and Ia, II and 2b and III and 3c.
Das Schema zeigt die Batterie-Einheiten I, II, III, das sind Lithium-Ionen-Batterien, basierend auf z.B. je 4 Li- Ionen-Zellen (60 Ah, 3,6 V) die in Parallelschaltung zu I, II und III gekoppelt wurden und parallel zum Laden, Verbrauch und Reserve beladen werden.The diagram shows the battery units I, II, III, which are lithium-ion batteries based on e.g. 4 Li ion cells each (60 Ah, 3.6 V) connected in parallel with I, II and III and charged in parallel to charging, consumption and reserve.
Jede Batterieeinheit I, II und III kann aus mindestens 4 Lithium-Ionen-Zellen (LiC) bestehen, die inEach battery unit I, II and III may consist of at least 4 lithium-ion cells (LiC), which in
Parallelschaltung die Batterieeinheit I, II bzw. III bilden .Parallel connection, the battery unit I, II or III form.
Als LiC kommen in Frage z.B. 6 Ah HP, 7,5 Ah UHP, 9 Ah HP, 10 Ah He, 20 Ah HP, 27 Ah HP, 33 Ah HP, 45 Ah HP, 60 Ah HP,As LiC, e.g. 6 Ah HP, 7.5 Ah UHP, 9 Ah HP, 10 Ah He, 20 Ah HP, 27 Ah HP, 33 Ah HP, 45 Ah HP, 60 Ah HP,
6 Ah HE, 485 Ah HE (der Firma GAIA Akkumulatorenwerke GmbH,6 Ah HE, 485 Ah HE (the company GAIA Akkumulatorenwerke GmbH,
Nordhausen) oder ähnliche Li-Ionen-Zellen anderer Firmen.Nordhausen) or similar Li-ion cells from other companies.
HP = High Power, HE = High Energy, UHP = Ultra High Power.HP = High Power, HE = High Energy, UHP = Ultra High Power.
Die oben angeführten Zellen werden jeweils parallel geschaltet, vorzugsweise in Mengen von 4-10 LiC und bilden dann die Batterieeinheit I, II und III.The above-mentioned cells are each connected in parallel, preferably in amounts of 4-10 LiC and then form the battery unit I, II and III.
Das Laden der Batterieeinheiten, die über die Ladeschaltung mit einer Ladevorrichtung verbunden sind, erfolgt vorzugsweise mit alternativen Energiegewinnungsanlagen (basierend auf Solar- Wind und/oder Wasserkraft) . Durch die konsequente Parallelschaltung aller verwendeten Lithium-Ionen-Zellen (LiC) in den Batterieeinheiten I, II und III kann der Nachteil von Überladungen und auch die Möglichkeit von Kurzschlussströmen in den Einzelzellen (LiC) minimiert werden. Die Nennspannung der jeweiligen Baterieeinheit I, II und III ist mit der Nennspannung der jeweils verwendeten Einzelzelle (LiC) identisch.The charging of the battery units, which are connected via the charging circuit with a charging device, is preferably carried out with alternative energy recovery systems (based on solar wind and / or hydropower). Due to the consistent parallel connection of all lithium-ion cells (LiC) used in the battery units I, II and III, the disadvantage of overcharging and also the possibility of short-circuit currents in the individual cells (LiC) can be minimized. The nominal voltage of the respective battery unit I, II and III is identical to the rated voltage of the individual cell (LiC) used in each case.
Die Einzelzellen sind Lithium-Ionen-Zellen (LiC) , bei denen die Kathode aus der elektrochemisch aktiven Kathodenschicht basierend auf LiCo-Oxid, LiNi-Oxid, LiFephosphat, LiVphosphat, LiMnOxid, LiMoOxid, LiCrOxid (oder Gemischen hiervon) besteht. Kathodenableiter ist eine AI-Folie. Die elektrochemisch aktive Anodenschicht (auf der Cu-Folie als Anodenableiter besteht aus Li interkalierbarem natürlichem oder synthetischem Graphit.The single cells are lithium ion cells (LiC) in which the cathode consists of the electrochemically active cathode layer based on LiCo oxide, LiNi oxide, LiFe phosphate, LiV phosphate, LiMnOxide, LiMoOxide, LiCrOxide (or mixtures thereof). Kathodenableiter is an AI foil. The electrochemically active anode layer (on the Cu foil as an anode conductor consists of Li intercalatable natural or synthetic graphite.
Der Separator ist zwischen Anode und Kathode als poröse Trennschicht angebracht und besteht aus Polyolefinen, Polyflurpolymeren oder Polymergelen auf keramischer Basis. Die für die Batterieeinheiten verwendeten Einzelzellen (LiC) liegen von wenigen Ah Kapazität bis zu ca. 500 Ah, mit spezifischen Energien z.B. von 64 Wh/kg bis zu 150 Wh/kg.The separator is mounted between the anode and cathode as a porous separating layer and consists of polyolefins, polyfluropolymers or ceramic-based polymer gels. The individual cells (LiC) used for the battery units are from a few Ah capacity up to about 500 Ah, with specific energies, e.g. from 64 Wh / kg up to 150 Wh / kg.
Bei entsprechenden Leistungsdaten (vgl. nachstehende Tabelle 1) sind Anwendungen für einen Antrieb von Automobilen und anderen oder ähnlichen mobilen Systemen möglich .With corresponding performance data (see Table 1 below), applications are possible for driving automobiles and other or similar mobile systems.
Die nachstehende Tabelle 1 zeigt eine Übersicht von in einer Batteriespeichereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzten Li-Ionen-Zellen . Es ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf die in Tabelle 1 aufgelisteten Li-Ionen-Zellen beschränkt ist. Die in Tabelle 1 gezeigten Typen haben lediglich einen exemplarischen Charakter.Table 1 below shows an overview of Li-ion cells used in a battery storage unit according to the present invention. It should be noted that the invention is not limited to the Li-ion cells listed in Table 1. The types shown in Table 1 are merely exemplary in nature.
Tabellel :Table:
Übersicht von Li-Ionen-Zellen, die im Parallelverbund in den Batteriespeichereinheiten I, II und III eingesetzt werden*Overview of Li-Ion Cells Used in Parallel Connection in Battery Storage Units I, II and III *
Figure imgf000010_0001
* Die Li-Ionen-Zellen Übersicht ist eine zufällige Auswahl verschiedener Zeil-Typen, die für den erfindungsgemäßen Einsatz geeignet sind
Figure imgf000010_0001
* The Li-Ion Cell Overview is a random selection of different cell types that are suitable for use in the invention
** Die Zyklen werden bei 2O0C und 100% DOD, bis 80% Nominalkapazität gemessen. DOD = DEPTH OF DISCHARGE** Cycles are measured at 2O 0 C and 100% DOD, up to 80% nominal capacity. DOD = DEPTH OF DISCHARGE
*** Die Zyklenbestimmung erfolgt bei 0,2 C Entladung und 60% Nominalkapazität*** The cycle is determined at 0.2 C discharge and 60% nominal capacity
**** Q-j_e Bestimmung der Spez. Energie Wh/kg erfolgt hier bei 0,1 C in allen übrigen Fällen bei 0,2 C.**** Q-j_ e Determination of the specific energy Wh / kg takes place here at 0.1 C in all other cases at 0.2 C.
C ist die C Rate, ein pro Zeiteinheit fließender (Lade- oder Entlade) Strom.C is the C rate, a current (charge or discharge) current per unit of time.
Im Stationärbereich sind Puffer- und Speicheranlagen in Kombination mit Alternativenergie-Lieferanten ein weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung, wie z.B. auch netzunabhängige Notstromaggregate .In the stationary sector, buffer and storage systems in combination with alternative energy suppliers are a further field of application of the invention, such as e.g. also off-grid emergency generators.
Im portablen Sektor sind Antriebe für Geräte, Pumpen, Handwerk-Maschinen u.a. ein weites Anwendungsgebiet.In the portable sector, drives for equipment, pumps, craft machines, etc. are. a wide field of application.
Für eine Versorgung mit elektrischer Energie von den Batterieeinheiten zum Verbraucher kann eine galvanische Entkoppelung vorgesehen sein, die beispielsweise durch vorgeschaltete elektronische Bauelemente erfolgen kann, so dass bedarfsgerecht verbraucherseitig Spannungsebene und auch Spannungsart verfügbar sind.For a supply of electrical energy from the battery units to the consumer, a galvanic decoupling can be provided, which can be done for example by upstream electronic components, so that on the consumer side voltage level and voltage type are available as needed.
Die Batterieeinheit I, die mit 4 x 60 Ah Li-Ionenzellen parallel geschaltet (3, 6 V) ist, beispielsweise zum Betrieb einer Förderpumpe, z.B. Ama-Drainer 301, eine Tauchmotorpumpe der Firma KSB (50 Hz, 230 V -, 7,5 KW) dienen .The battery unit I, which is connected in parallel with 4 x 60 Ah Li-ion cells (3, 6 V), for example, for operation a feed pump, eg Ama-Drainer 301, a submersible pump from KSB (50 Hz, 230 V -, 7.5 KW) are used.
Gleichzeitig kann die Batterieeinheit III, ebenfalls bestehend aus 4 x 60 Ah parallel geschalteten Li-Ionen- Zellen, mit einem Solargenerator aufgeladen werden. Die Batterieeinheit II, die ebenfalls 4 x 60 Ah parallel geschaltete Li-Ionen-Zellen besteht, dient als Reserve und kann nach Bedarf zur Verbraucherseite (Batterieeinheit I) zugeschaltet werden. Zum Betrieb der Förderpumpe dient ein Umrichter, der den für den Pumpenbetrieb erforderlichen Drehstrom (400V) liefert.At the same time, the battery unit III, also consisting of 4 x 60 Ah parallel Li-ion cells, can be charged with a solar generator. The battery unit II, which also consists of 4 x 60 Ah parallel-connected Li-ion cells, serves as a reserve and can be switched on as needed to the consumer side (battery unit I). For operation of the feed pump is a converter that provides the required for pump operation three-phase current (400V).
Wie oben beschrieben kann die erfindungsgemäße Anordnung analog zum Betrieb eines Fahrzeugs mit Elektromotor genutzt werden. Statt des Solargenerators lädt in diesem Fall ein fahrzeugübliches Ladegerät bzw. ein Generator die Batterieeinheit III auf.As described above, the arrangement according to the invention can be used analogously to the operation of a vehicle with an electric motor. In this case, instead of the solar generator, a vehicle-type charger or a generator charges the battery unit III.
Als Ladungseinheiten bzw. Ladevorrichtung 8 kommen Autoladegeräte, Windkraft und/oder Photovoltaic-Generatoren od.ä. in Frage. Möglich ist auch das Vorschalten eines Umrichters 5, so dass das Batteriesystem auch als Puffer und Speicher wirksam sein kann.Charging units or charging device 8 come car chargers, wind power and / or photovoltaic generators od.ä. in question. Also possible is the upstream connection of an inverter 5, so that the battery system can also be effective as a buffer and memory.
Eine netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit umfasst mindestens drei Batterieeinheiten, die jeweils mehrere parallel geschaltete Li-Ionen-Zellen aufweisen, eine Versorgungsschaltung zum Versorgen eines Verbrauchers mit elektrischer Energie aus mindestens einer der Batterieeinheiten, eine Hilfsversorgungsschaltung zum Unterstützen der Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie aus mindestens einer der Batterieeinheiten, eine Ladeschaltung zum Laden von mindestens einer der Batterieeinheiten durch einen externen Ladestrom und eine Steuerung zum Verbinden und Abtrennen von jeweiligen Batterieeinheiten mit/von der Versorgungsschaltung, der Hilfsversorgungsschaltung oder der Ladeschaltung. A grid-independent electrical energy storage unit comprises at least three battery units, each having a plurality of parallel-connected Li-ion cells, a supply circuit for supplying a consumer with electrical energy from at least one of the battery units, an auxiliary supply circuit for supporting the supply of a consumer electrical energy from at least one of the battery units, a charging circuit for charging at least one of the battery units by an external charging current, and a controller for connecting and disconnecting respective battery units to / from the supply circuit, the auxiliary supply circuit or the charging circuit.

Claims

Patentansprüche claims
1. Netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit, mit : mindestens drei Batterieeinheiten (I, II, III), die jeweils mehrere parallel geschaltete Li-Ionen-Zellen aufweisen; einer Versorgungsschaltung zum Versorgen eines1. A grid-independent electrical energy storage unit, comprising: at least three battery units (I, II, III), each having a plurality of parallel-connected Li-ion cells; a supply circuit for supplying a
Verbrauchers (7) mit elektrischer Energie aus mindestens einer der Batterieeinheiten (I, II, III); einer Hilfsversorgungsschaltung zum Unterstützen derConsumer (7) with electrical energy from at least one of the battery units (I, II, III); an auxiliary supply circuit for supporting the
Versorgung des Verbrauchers (7) mit elektrischer Energie aus mindestens einer der Batterieeinheiten (I, II, III); einer Ladeschaltung zum Laden von mindestens einer derSupply of the consumer (7) with electrical energy from at least one of the battery units (I, II, III); a charging circuit for charging at least one of
Batterieeinheiten durch einen externen Ladestrom (8) ; und einer Steuerung (6) zum Verbinden und Abtrennen von jeweiligen Batterieeinheiten (I, II, III) mit/von derBattery units by an external charging current (8); and a controller (6) for connecting and disconnecting respective battery units (I, II, III) to / from the
Versorgungsschaltung, der Hilfsversorgungsschaltung oder der Ladeschaltung.Supply circuit, the auxiliary supply circuit or the charging circuit.
2. Netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 1, wobei in der Versorgungsschaltung, der Hilfsversorgungsschaltung und der Ladeschaltung ein Umrichter (5) vorgesehen ist.2. A grid-independent electrical energy storage unit according to claim 1, wherein in the supply circuit, the auxiliary supply circuit and the charging circuit, an inverter (5) is provided.
3. Netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Nennspannung der Energiespeichereinheit und die Nennspannung der Li-Ionen- Zellen im Wesentlichen übereinstimmen. 3. mains-independent electrical energy storage unit according to claim 1 or 2, wherein the rated voltage of the energy storage unit and the nominal voltage of the Li-ion cells substantially coincide.
4. Netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 1 bis 3, wobei jede der mindestens drei Batterieeinheiten (I, II, III) aus 4-20 parallel geschalteten Li-Ionen-Zellen aufgebaut ist.4. mains-independent electrical energy storage unit according to claim 1 to 3, wherein each of the at least three battery units (I, II, III) is composed of 4-20 parallel-connected Li-ion cells.
5. Netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 4, wobei jede der Li-Ionen-Zellen, die parallel geschaltet jeweils eine Batterieeinheit (I, II, III) bilden, eine Nominalkapazität von 6-500 Ah aufweist.5. A grid-independent electrical energy storage unit according to claim 4, wherein each of the Li-ion cells, each connected in parallel to form a battery unit (I, II, III) has a nominal capacity of 6-500 Ah.
6. Netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 1 bis 5, wobei die verwendeten Li-Ionen- Zellen als elektrochemisch aktive Kathodenschicht Liinterkalierbare Schwermetalloxide und/oder LiFe- oder LiV phosphate enthalten.6. grid-independent electrical energy storage unit according to claim 1 to 5, wherein the Li-ion cells used as electrochemically active cathode layer Liinterkalierbare heavy metal oxides and / or LiFe or LiV phosphate.
7. Netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 1 bis 6, wobei die verwendeten Li-Ionen- Zellen als elektrochemisch aktives Anodenmaterial Liinterkalierbaren synthetischen oder natürlichen Graphit enthalten .7. grid-independent electrical energy storage unit according to claim 1 to 6, wherein the Li-ion cells used as an electrochemically active anode material Liinterkalierbaren synthetic or natural graphite.
8. Netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 1 bis 7, wobei als Separator zwischen Kathode und Anode in den verwendeten Li-Ionen-Zellen poröse Polyolefin-, Polyfluor- oder keramische Schichten verwendet werden .8. mains-independent electrical energy storage unit according to claim 1 to 7, wherein as a separator between the cathode and anode in the Li-ion cells used porous polyolefin, polyfluorine or ceramic layers are used.
9. Netzunabhängige elektrische Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 1 bis 8, wobei die mit dem Verbraucher (7) verbundene/n Batterieeinheit/en (I, II, III) von dem Verbraucher (7) galvanisch entkoppelt ist/sind. 9. mains-independent electrical energy storage unit according to claim 1 to 8, wherein the connected to the consumer (7) / n battery unit (s) (I, II, III) is galvanically decoupled from the consumer (7) / are.
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