WO2012130467A1 - Elektrochemische energiespeichereinrichtung, und verfahren in deren betrieb - Google Patents

Elektrochemische energiespeichereinrichtung, und verfahren in deren betrieb Download PDF

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battery
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Li-Tec Battery Gmbh
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Definitions

  • Electrochemical energy storage device and method in the
  • the present invention relates to an electrochemical energy storage device, a power supply device having at least two
  • electrochemical energy storage devices a method of operating the electrochemical energy storage device and a method of operating the power supply device.
  • the invention will be described in the context of lithium-ion batteries for supplying AC consumers.
  • the invention can also be used independently of the chemistry of the electrochemical energy storage devices or regardless of the type of consumer supplied.
  • Energy storage devices or secondary cells for supplying at least one consumer, hereafter called utility, known. It is customary to designate the electric charge Q storable in a secondary cell as the nominal charge capacity Q ne nn and to indicate in the units amp hours [Ah], watt hours [Wh]. For loading the
  • Secondary cell energy or electric charge supplied and stored as chemical energy In supply mode, the stored chemical Energy converted into electrical energy and made available to the consumer. Secondary cells age both on a calendar basis and as a consequence of the cumulative throughput of energy, also called cyclic aging.
  • the invention is therefore based on the object to provide a secondary cell available, which can be removed as much of the energy supplied in the supply operation.
  • Claim 1 calls a secondary cell according to the invention.
  • Claim 7 mentions a power supply device with a plurality of secondary cells according to the invention.
  • Claim 1 1 calls an operating method for a
  • Claim 12 mentions an operating method for a secondary battery according to the invention. Preferred developments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • An electrochemical energy storage device also referred to below as the secondary cell, has a rechargeable battery
  • the electrode assembly is provided, at least temporarily provide electrical energy to a consumer available.
  • An enclosure of the secondary cell is provided, the At least partially surround the electrode assembly.
  • One, two or more current conductors, in particular of different polarity, of the secondary cell extend at least partially from the enclosure and are provided for exchanging electrons with the electrode assembly.
  • a measuring device of the secondary cell is provided, at least temporarily to provide a signal, wherein the signal is representative of an operating parameter, in particular of the electrode assembly.
  • a cell controller of the secondary cell is provided, the exchange of electrons with the
  • the cell control device is provided which
  • Electrode assembly temporarily supply a predetermined electrical charge and / or remove, hereinafter also called charge change.
  • the Invention is a device to understand, which serves in particular to temporarily provide electrical energy available.
  • the electrochemical energy storage device hereinafter also referred to as the secondary cell, in particular an electrode assembly.
  • an electrode assembly is understood to mean a device which serves, in particular, to convert recorded electrical energy into chemical energy, to store chemical energy, to convert chemical energy into electrical energy, and / or to provide electrical energy.
  • the electrode assembly has at least two
  • Electrodes of different polarity also called anode and cathode, a separator disposed between these electrodes, and an electrolyte.
  • the electrode assembly is formed with a prismatic or cylindrical base. This version offers the advantage of
  • An enclosure according to the invention means a device which serves in particular to separate the electrode assembly from the environment of the secondary cell:
  • the cover serves to substantially prevent an exchange of a fluid between the environment and the electrode assembly.
  • the enclosure preferably surrounds the electrode assembly in a form-fitting manner and is in particular around the electrode assembly
  • Electrode assembly i. whose electrodes and their separators, is improved.
  • the envelope is as
  • multilayer film in particular composite film, formed with at least one polymer and at least one metal, particularly preferably with aluminum.
  • a metallic layer is arranged between two layers with at least one polymer each. The execution of the envelope with a metallic layer is used in particular to reduce the humidity of the
  • the envelope is formed in several parts with at least one substantially dimensionally stable metal part.
  • the metal part is formed with a recess for receiving the electrode assembly.
  • the metal part serves to protect the electrode assembly by the metal part counteracts the penetration of a foreign body in the electrode assembly.
  • the metal part to the electrode assembly is coated electrically insulating and contacts the electrode assembly thermally conductive.
  • the metal part of the heat removal from the electrode assembly is a device to understand, which serves in particular as an electrical conductor in the current path between the electrode assembly and a consumer to be supplied.
  • a first current collector is electrically connected to a first polarity electrode
  • Electrode assembly connected and extends through the enclosure of the secondary cell in their environment.
  • the first current conductor is electrically insulated from the sheath.
  • the envelope has, at least temporarily, a different one from the first current collector
  • a second current collector is electrically connected to a second polarity electrode of the electrode assembly and extends through the envelope of the secondary cell formed in the vicinity thereof as a multilayer film.
  • the second current conductor is electrically insulated from the sheath.
  • a second current conductor is electrically connected to a second polarity electrode of the electrode assembly and is electrically connected to the envelope of the secondary cell formed as a metal part in particular cohesively, preferably integrally formed.
  • the envelope formed as a metal part serves as a second electrical connection of the secondary cell.
  • the metal part serves to protect the electrode assembly by the metal part counteracts the penetration of a foreign body in the electrode assembly.
  • This embodiment has the advantage that the secondary cell can be electrically contacted via the first current conductor and via the sheath.
  • a second current conductor is electrically connected to a second polarity electrode of the electrode assembly, is electrically insulated from the metal cell-formed envelope of the secondary cell and extends through the envelope formed as a metal part in the environment of the secondary cell.
  • a measuring device in the sense of the invention is to be understood as meaning a device which serves, in particular, to provide a signal at least temporarily, the signal being representative of a signal
  • the measuring device preferably has one or more measuring sensors for different operating parameters.
  • the measuring device has a temperature sensor, wherein the temperature sensor at least temporarily provides information about the temperature of the secondary cell, in particular the temperature of the
  • Electrode assembly Preferably, the temperature of the secondary cell and / or the electrode assembly processed by the cell control device, in particular for controlling the supply and / or the removal of a predetermined electrical charge.
  • the measuring device is at least temporarily information about the internal pressure of the secondary cell, hereinafter referred to as internal cell pressure.
  • the cell internal pressure is processed by the cell control device, in particular for controlling the supply and / or the removal of a predetermined electrical charge.
  • the measuring device is powered by electrode assembly energy.
  • This embodiment has the advantage that a supply of the measuring device by the battery control of the secondary battery can be omitted.
  • Electrode assembly exceeds a target temperature, then the predetermined electrical charge is reduced and / or the frequency of
  • the measuring device has a pressure sensor. If the cell internal pressure exceeds a target pressure, then the predetermined electrical charge is reduced and / or the frequency of the charge exchange is lowered.
  • An operating parameter within the meaning of the invention is a parameter of the following group, which includes cell internal pressure, ambient pressure, cell temperature, ambient temperature, electrical current, voltage, capacitance, inductance, electrical charge.
  • a cell control device in the sense of the invention is to be understood as meaning a device which serves in particular, at least temporarily: ⁇ the electrode assembly for a predetermined electrical charge
  • the cell controller is powered by the electrode assembly.
  • This embodiment has the advantage that a supply of the cell control device can be omitted by the battery control from the battery.
  • a predetermined electrical charge is to be understood as meaning, in particular, an electrical charge q [C] which amounts to only a fraction r [%] of the rated charging capacity Q nen of the secondary cell.
  • the predetermined electrical charge is such that its removal or supply causes a change in the rest voltage of the secondary cell by at least 0.1V, 0.2V, 0.3V, 0.4V, but at most 0.5V.
  • the measuring device has a current sensor, which in particular indicates a charging current and / or supply current or discharge current.
  • a current sensor which in particular indicates a charging current and / or supply current or discharge current.
  • the current sensor is as
  • Magnetic field sensor formed.
  • a “magnetic field sensor” is in this case
  • the at least one magnetic field sensor is preferably
  • magnetoresistive sensors selected from magnetoresistive sensors, magnetostrictive sensors, Hall sensors and Wiegand sensors.
  • magnetoresistive sensors for example, AMRS sensors (anisotropic magneto-resistive), GMR sensors (giant magnetoresistive), TMR (tunneling magneto-resistive), MTJ sensors (magnetic tunnel junction), CMR sensors (colossal magneto-resistive), EMR Sensors (extraordinary magneto-resistive), GMI sensors (giant magnetic-inductance) and the like sensors are used.
  • the magnetic field sensor detects a charging current and / or supply current or
  • Discharge current of the secondary cell substantially without generating additional waste heat.
  • the measuring device has a voltage sensor, which in particular indicates the voltage of the secondary cell, in particular the
  • the cell control device processes the voltage of the secondary cell to a statement about the
  • the cell control device transmits the voltage and / or the statement about the state of charge of the secondary cell to a higher-level battery control.
  • the battery controller After evaluation of the individual states of charge, the battery controller preferably initiates a charging process of the individual secondary cells and / or displays the latter
  • the measuring device has a current sensor and a
  • the cell control device preferably combines the measured values of current and voltage with the internal resistance of the secondary cell.
  • the cell control device combines the voltage and the internal resistance to a statement about the state of charge of
  • the measuring device is arranged in particular with its measuring sensors within the envelope, preferably printed or deposited on the electrode assembly.
  • the envelope preferably printed or deposited on the electrode assembly.
  • Printing methods such as gravure, offset, flexographic, inkjet, screen, pad, transfer, lithography, emboss lithography and the like for directly forming the magnetic field sensor on an electrode, a collector or a separator preferred.
  • This design offers the advantage of a compact secondary cell.
  • the secondary cell has a cell communication device.
  • the cell communication device is used in particular for sending a first signal to a higher-level control and / or a
  • the cell communication device is designed for radio transmission in particular to a battery controller.
  • This version offers the advantage of having electrical connections for the
  • Cell controller can be omitted and / or the sealing of the secondary cell is simplified.
  • a secondary cell which is added to the secondary battery in the supply operation, in particular take a first connection to the battery control via the cell communication device.
  • the cell communication device is also designed to receive signals, in particular at least one second signal from the battery controller.
  • the cell control device preferably has a converter circuit.
  • the power converter circuit is a rectifier circuit
  • the secondary cell with rectifier circuit for charging an alternating current can be supplied, in particular directly from an AC network.
  • the power converter circuit is designed as an inverter circuit.
  • Electrode assembly provided direct current from the
  • Secondary cell with inverter circuit in the supply operation are delivered directly as alternating current.
  • This embodiment offers the advantage that the secondary cell according to the invention without a separate inverter for supplying at least one AC consumer is suitable and / or directly from an AC mains loadable.
  • the cell control device has both a rectifier circuit and an inverter circuit.
  • This embodiment offers the advantage that the thus executed secondary cell is suitable for a secondary battery, the secondary battery exchanging alternating currents with its surroundings. When properly formed, the rated voltage of the secondary battery can be increased by adding more
  • Secondary cells are increased and / or secondary cells removed during operation or changed.
  • the secondary cells are increased and / or secondary cells removed during operation or changed.
  • the electrode assembly to lithium ions, whereby the cell voltage of the secondary cell or its energy density is increased over many other chemical education.
  • the nominal cell voltage is at least 1.5V, 2V, 2.5V, 3V 3.2V, 3.5V, 3.7V, 4V, 4.2V, 4.5V, 5V, 5.5V, 6V, 6.5V, 7V, 7.5V or 8V.
  • This embodiment has the advantage that the space required for a secondary battery having a plurality of secondary cells according to the invention is reduced.
  • the secondary cell is provided to deliver, at least temporarily, an electric current of at least 50A, 100A, 200A, 500A, 1000A or more.
  • This version has the advantage that the supply of a consumer with high power consumption is possible.
  • the secondary cell according to the invention is provided, at an ambient temperature between 10 ° C and 30 ° C, more preferably between 0 ° C and 40 ° C, more preferably between -20 ° C and 60 ° C, more preferably between -30 ° C and 80 ° C, more preferably between -40 ° C and 100 ° C to be operated.
  • This version has the advantage that the use is also possible in non-tempered rooms or outside of rooms.
  • the secondary cell according to the invention is intended to receive an electrical charge of at least 5Ah, 10Ah, 20Ah, 50Ah, 100Ah, 200Ah, 500Ah, 1000Ah or more.
  • This version has the advantage that the supply of consumers with high power consumption is possible.
  • the energy density of the secondary cell according to the invention is at least 10 Wh / kg, 20 Wh / kg, 50 Wh / kg, 100 Wh / kg, 200 Wh / kg or 500 Wh / kg.
  • a separator which is not or only poorly used is preferably used for the electrode assembly is electronically conductive, and which at least partially
  • the support is preferably coated on at least one side with an inorganic material.
  • an organic material is preferably used, which is preferably designed as a non-woven fabric.
  • the organic material which preferably comprises a polymer and more preferably a polyethylene terephthalate (PET), is with a
  • the coated inorganic, preferably ion-conducting material which is more preferably ion conducting in a temperature range of - 40 ° C to 200 ° C.
  • the inorganic material preferably comprises at least one compound from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosilicates with at least one of the elements Zr, Al, Li, particularly preferably zirconium oxide.
  • the inorganic, ion-conducting material preferably has particles with a largest diameter below 100 nm. Such a
  • This preferred embodiment has the advantage that the stability of the secondary cell is improved or the safety of the secondary cell is increased at temperatures above 80 ° C.
  • the at least one separator which is not or only poorly electron-conducting, but is conductive for ions, consists at least predominantly or completely of a ceramic, preferably of an oxide ceramic.
  • a ceramic preferably of an oxide ceramic.
  • the at least one electrode of the electrode assembly more preferably at least one cathode, comprises a compound having the formula LiMPO 4 , where M is at least one transition metal cation of the first row of the Periodic Table of the Elements.
  • the transition metal cation is preferably selected from the group consisting of Mn, Fe, Ni and Ti or a combination of these elements.
  • the compound preferably has one Olivine structure, preferably parent olivine, wherein Fe is particularly preferred.
  • at least one electrode of the electrode assembly comprises a lithium manganate, preferably spinel-type LiMn 2 O 4 , a lithium cobaltate, preferably LiCoO 2 , or a lithium nickelate, preferably LiNiO 2 , or a mixture two or three of these oxides, or one
  • the secondary cell according to the invention is temporary
  • Electrode assembly chemical energy converted into electrical energy and delivered via the current conductor in particular to a consumer for supply.
  • the secondary cell In the operating state "swinging" the secondary cell becomes
  • the secondary cell in particular its cell control device, provides a first signal, in particular to the higher-level battery control, in particular by means of a cell communication device, the first signal being particularly representative of the operating state of the secondary cell or an operating parameter
  • a transition between two operating states is initiated by the cell control device,
  • the cell control device performs the management of the Secondary cell in particular depending on at least one operating parameter and / or a second signal, wherein the second signal from the
  • a power supply device also referred to below as a secondary battery, is in particular uninterruptible
  • Power supply at least one consumer.
  • the battery Power supply at least one consumer.
  • Secondary battery at least two or more secondary cells.
  • Secondary cells are interconnected for a nominal battery voltage or
  • Batterieennladekapaztician interconnected, in particular to be able to accomplish the supply of at least one consumer.
  • the secondary battery has a battery control.
  • Battery control is provided, at least temporarily at least one of the cell control devices to provide a second signal.
  • the second signal is used in particular for the transmission of requests from the
  • the battery controller is powered from at least one secondary cell of the secondary battery.
  • This embodiment has the advantage that a separate power supply of the battery control can be omitted.
  • the secondary battery of the supply is at least one
  • Converter circuits of the secondary cells according to the invention in particular their inverter circuits together for inverting the output of the secondary battery alternating current.
  • This version offers the Advantage that when using inventive secondary cells with
  • Converter circuit in particular with inverter circuit, can be dispensed with a common inverter.
  • This version has the advantage that the secondary battery during the supply of a
  • Converter circuit can be extended without having to take into account the performance or dimensioning of a common inverter.
  • This embodiment provides increased reliability of the secondary battery by having each secondary cell having its own power converter circuit.
  • the battery control is provided for periodically sending a second signal, which serves to synchronize the AC voltage provided by the individual secondary cells.
  • this second signal is used for the in-phase delivery of alternating currents through a plurality of secondary cells.
  • the secondary cells of the secondary battery are each with a
  • the secondary cells can be charged from a AC mains without a common rectifier.
  • This version has the advantage that the secondary battery during charging for more secondary cells ever with
  • Converter circuit can be extended without having to take into account the performance or dimensioning of a common rectifier. This version offers increased reliability of the
  • the secondary battery in that each secondary cell has its own power converter circuit.
  • the secondary battery preferably has a battery communication device, in particular for exchanging signals with another controller and / or communication device.
  • the battery communication device preferably serves, in particular, for exchanging first and second signals with at least one cell communication device.
  • the battery communication device is composed of a plurality Secondary cells supplied with energy.
  • This design offers the advantage of increased operational safety.
  • the battery communication device is formed integrally with the battery controller.
  • the number of assemblies of the secondary battery is reduced.
  • the battery communication device is designed for radio transmission of signals. This embodiment has the advantage that on lines for the exchange of first and second signals with at least one
  • Cell communication device can be dispensed with.
  • the secondary battery according to the invention is part of a
  • UPS uninterruptible power supply
  • the UPS serving in particular the supply of at least one AC consumer.
  • the UPS has a mains input for alternating current, a control device and a connection for at least one AC consumer.
  • the secondary battery according to the invention serves as
  • Energy storage of a plant which absorbs energy in particular from sunlight, from a flow of a fluid, in particular an air flow or a water flow or from a temperature gradient and provides electrical energy.
  • This plant is particularly preferred as a solar thermal power plant, as a wind or hydroelectric power plant, as
  • Photovoltaic system or designed as a parabolic trough power plant.
  • the secondary battery according to the invention is provided, at an ambient temperature between 10 ° C and 30 ° C, more preferably between 0 ° C and 40 ° C, more preferably between -20 ° C and 60 ° C, more preferably between -30 ° C and 80 ° C, more preferably between -40 ° C and 100 ° C to be operated.
  • This version has the advantage that its use is also possible in non-tempered rooms or outside of rooms.
  • the secondary cells are connected in series with each other.
  • the sum voltage corresponds in particular to the series-connected Secondary cells at least the battery voltage.
  • the rated battery voltage is preferably at least 10 V, 12 V, 20 V, 24 V, 36 V, 48 V, 100 V, 1 10 V, 1 15 V, 200 V, 220 V, 380 V, 500 V, 1000 V.
  • the battery voltage is preferably at least 10 V, 12 V, 20 V, 24 V, 36 V, 48 V, 100 V, 1 10 V, 1 15 V, 200 V, 220 V, 380 V, 500 V, 1000 V.
  • the battery voltage is preferably at least 10 V, 12 V, 20 V, 24 V, 36 V, 48 V, 100 V, 1 10 V, 1 15 V, 200 V, 220 V, 380 V, 500 V, 1000 V.
  • the battery voltage is preferably at least 10 V, 12 V, 20 V, 24 V, 36 V, 48 V, 100 V, 1 10 V, 1 15 V, 200 V, 220 V, 380 V, 500
  • Secondary battery can be used in a vehicle in particular to drive.
  • the secondary battery can supply a commercial, in particular stationary consumer, in particular one
  • the secondary battery has more secondary cells than to provide the battery rated voltage or to supply the battery
  • Total voltage across the battery voltage at least 1, 01, 1, 02, 1, 05, 1, 1, 1, 1 1, 1, 12, 1, 15, 1, 2, 1, 5 or more.
  • An upper limit of the break is due to economic considerations or by available space for the
  • the secondary battery has at least temporarily a first group of secondary cells and a second group of secondary cells.
  • the first group is used in particular to provide the battery rated voltage or the supply operation.
  • the secondary cells of the first group are temporarily in the "Discharge” operating state, while the secondary cells of the second group are in the "Sleep" operating state.
  • the second group forms a reserve for the case in which at least one of the secondary cells of the first group assumes the operating state "fault" during the supply operation, in which case a corresponding number of secondary cells from the second group are transferred to the first group, this assignment
  • the battery controller provided a corresponding second signal to the respective secondary cells of the second group for the purpose of the assignment.
  • secondary cells of the second group are removable or exchangeable during the supply operation.
  • the secondary battery has an output device. This output device is used during the supply operation a
  • Battery voltage in particular to output the number of secondary cells of the second group.
  • this design provides a caregiver of the secondary battery or a service technician with an indication of the amount of available reserve, especially for rapid intervention.
  • the output device is formed integrally with the battery controller. This embodiment offers the advantage that a production of a secondary battery according to the invention with a reduced number of
  • the operation of a secondary cell according to the invention is characterized by different operating modes. Particularly preferred are the
  • unloading hereinafter referred to as B2
  • chemical energy is converted into electrical energy and delivered via the current conductors, in particular to a load for its supply
  • the order of supply and removal can also be reversed.
  • an electric charge q [C] which is only a fraction of r [%] of the nominal charge capacity Q nen "of the secondary cell.
  • the secondary cell in particular its cell control device, provides a first signal, in particular to the higher-level battery control, the first signal being representative, in particular for the
  • Operating state of the secondary cell or an operating parameter of Secondary cell is. Also a particular periodically sent first signal, hereinafter called life sign, which indicates a proper function of the secondary cell, is considered the first signal.
  • life sign a particular periodically sent first signal, hereinafter called life sign, which indicates a proper function of the secondary cell, is considered the first signal.
  • This count does not dictate a compulsory sequence of operating modes.
  • the cell controller performs the management of
  • the cell control device preferably transfers the secondary cell if the state of charge is too low, the internal pressure of the cell increased, and / or increased
  • Battery control sent, the signal provides information about the cause of the changed operating condition of the secondary cell.
  • the higher-level controller or battery controller may optionally initiate a stopping action, in particular assigning a secondary cell to the second group of the first group and / or in particular to request the output device to display a message with reference to the fault of a secondary cell.
  • the cell control device transfers the secondary cell from the charging mode into the operating mode rest or fault in the event of an excessively high charge state, increased cell internal pressure and / or increased cell temperature.
  • the design offers the advantage that further charging of the secondary cell is avoided.
  • Particularly preferred is a first signal to a
  • the higher-level controller or battery controller may optionally initiate a stopping action, in particular assigning a secondary cell to the second group of the first group and / or in particular to request the output device to display a message with reference to the fault of a secondary cell.
  • the cell control device transfers the secondary cell if the state of charge is too low, which results in particular from the chemistry of the secondary cell, more preferably less than about 30% of the nominal charge capacity, in particular at permissible cell temperature and
  • This version has the advantage that a minimum state of charge of the
  • a first signal is sent to a higher-level control, in particular the battery control, which names the changed operating mode of the secondary cell.
  • the higher-level controller or battery controller may optionally initiate a stopping action, in particular assigning a secondary cell from the second group to the first group.
  • the cell control device preferably transfers the secondary cell
  • the secondary cell provides energy to this consumer. If the state of charge of the secondary cell for
  • a first signal is sent to a higher-level control, in particular the battery control, which names the changed operating state of the secondary cell.
  • a higher-level control in particular the battery control, which names the changed operating state of the secondary cell.
  • transition to the operating state "swinging" is particularly preferably carried out for selected substances, in particular for the cathode:
  • Higher-level control in particular the battery control, sent, which calls the changed operating state of the secondary cell.
  • This embodiment has the advantage that a corrective action can be initiated by the higher-level control or battery control on the changed operating state.
  • the cell controller transfers the secondary cell to the malfunctioning state when its power converter circuit fails.
  • a first signal to a higher-level control is particularly preferred.
  • the higher-level controller or battery controller may optionally initiate an offsetting measure, in particular assign a secondary cell from the second group of the first group and / or in particular request the output device to display a message with reference to the disturbance of a secondary cell.
  • the cell controller with an integral of the electrical current, both a discharge current and a charging current, over time determines the cumulative energy flow through the secondary cell or through its electrode assembly. More preferably, the determined
  • the cell control device from the cumulative energy throughput cyclic aging of the secondary cell or its electrode assembly. As soon as the cyclical aging of the secondary cell exceeds a target value, the cell control device transmits a corresponding first signal to a higher-level control, in particular to the battery control. Preferably, the secondary cell is transferred to the operating state fault. This design offers the advantage that the aged secondary cell is sensitive to this signal
  • Secondary battery by receiving at least a first signal from at least one secondary cell, preferably from all the secondary cells of the secondary battery from.
  • S5 This step will be called S5.
  • the first signal is representative of an operating parameter and / or the
  • Secondary cell interpreted as an indication of their failure. Further, the battery controller determines the secondary cells, in particular their number, depending from the rated battery power or the expected power consumption of the consumers to be supplied. Hereinafter, this step will be called S6.
  • the battery controller sends second signals to the individual secondary cells, whereupon a sufficient number of secondary cells of a first group, in particular with the
  • the additional cell serves as a reserve that can be activated substantially immediately for a failure or malfunction of one of the secondary cells in the supply operation.
  • the battery nominal voltage is ensured by means of the additional cell in case of failure of one of the secondary cells of the first group.
  • This embodiment offers the advantage that the battery controller is given time to assign a secondary cell of the second group to the first group, preferably as a new additional cell.
  • Battery voltage determines, in particular the number of secondary cells in the operating state of rest, and the output device for
  • the advantage of the embodiment is that, in particular, a service technician becomes aware of reserves of the secondary battery as well as secondary cells to be replaced.
  • the secondary battery according to the invention during a charging operation with alternating current to at least one secondary cell with converter circuit, in particular designed as a rectifier circuit, expandable.
  • at least one further secondary cell is inserted into, in particular, a cell receptacle of the secondary battery.
  • This embodiment offers the advantage that no common rectifier of the secondary battery is required for charging the secondary cell.
  • an extension of the secondary battery to at least one secondary cell during the charging process without regard to the performance or dimensioning of a common rectifier of the secondary battery can take place.
  • This embodiment has the advantage that the reliability of the invention
  • the secondary battery according to the invention is during the
  • This embodiment offers the advantage of increased reliability, in that each secondary cell has its own converter and in particular the failure of a common rectifier without consequence for the
  • a method for operating the secondary battery according to the invention is characterized by the particular periodic sending of a second signal to a plurality of secondary cells, in particular a first group, hereinafter referred to as S8.
  • this second signal is used for the in-phase delivery of each alternating current through the secondary cells.
  • This version has the advantage that an AC voltage for
  • Supplying an AC consumer can be provided.
  • the number of secondary cells in the operating state of rest, assigned to the second group, is preferably output by means of the output device.
  • This embodiment offers the advantage that, in particular, a service technician gains knowledge of the reserves of the secondary battery, in particular the number of secondary cells of the second group, which can be used in utility mode to replace a secondary cell of the first group.
  • the battery controller arranges at least a first and a second secondary cell for common swinging.
  • the battery controller arranges at least a first and a second secondary cell for common swinging.
  • a predetermined electrical charge is taken from the first secondary cell and fed essentially to the second secondary cell and vice versa.
  • the discharge current of the first secondary cell and the charging current of the second secondary cell are substantially in phase.
  • FIG. 1 is a schematic view of a secondary cell according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of a secondary battery according to the invention
  • FIG. 3 the secondary battery of FIG. 2 with a second group of
  • Fig. 5 is an uninterruptible power supply with a
  • the secondary cell 1 shows a schematic view of a secondary cell 1 according to the invention.
  • the secondary cell 1 points to a rechargeable electrode assembly 2 in a sheath 3, formed as a composite foil, with two current conductors 4, 4a, which are connected to the electron assembly 2.
  • the secondary cell 1 has an electronic circuit which performs the functions of
  • the measuring device 5 has a current sensor 5a, a
  • the cell controller 6 is connected to the signal exchange (dashed line) with the current sensor 5a, the voltage sensor 5b and the thermocouple 5c. Further, the cell controller 6 controls an actuator 6a.
  • the adjusting device 6a simplified as a switch, in particular serves to limit an electric current between the electrode assembly 2 and the current conductors 4, 4a.
  • the current collector 4, 4a have as cell communication device 7 areas for contacting the electronic circuit. These regions are independent of the electrical potentials of the electrode assembly 2 and serve for signal exchange, in particular with the cell control device 6.
  • the power judge circuit 8 has both a rectifier circuit and an inverter circuit.
  • the secondary cell 2 can be charged with alternating current.
  • the secondary cell 2 can provide an AC voltage.
  • the illustrated secondary cell 2 has a rated charge capacity of 20 Ah, a rated voltage of 3.7 V and lithium ions.
  • the secondary battery 21 has a battery controller 22, an output device 23, two electrical terminals 24a, 24b outside the battery case and a number of secondary cells 1, 1a.
  • the secondary cells 1, 1 a and their current conductors 4, 4a are by means of
  • the battery controller 22 with the secondary cells 1, 1 a and the output device 23 is signal-connected. Via the data bus 26 First and second signals are exchanged between the battery controller 22 and the secondary cells 1, 1a.
  • Secondary battery 21 the exchange of signals between the battery controller 22 and the secondary cells 1, 1 a wirelessly within the battery case.
  • the battery controller is powered by at least one secondary cell.
  • the secondary cells 1, 1 a, 1 b are assigned by the battery controller 22 of a first group or a second group.
  • the secondary cells of the first group exemplified by
  • Secondary cells of the second group serve as a reserve, for example the
  • Secondary cell 1 b The secondary cell 1 a is assigned to the first group as an additional cell, whereby the sum voltage of the series circuit of
  • the secondary cells 1, 1 a, 1 b are with rectifier circuit and
  • the secondary battery 21 is suitable for supplying an AC consumer.
  • the secondary battery 21 or its secondary cells can be charged from an AC mains.
  • the secondary battery 21 is operated so that in particular the
  • Secondary cells of the second group are periodically transferred by the respective cell control device in the swing mode.
  • the exchange of predetermined electrical charges an aging of
  • the battery controller 22 respectively sends second signals to the cell control devices of the
  • the first secondary cell 1 a of the tent pair of the second secondary cell 1 b during a first clock a predetermined electrical charge available.
  • the second secondary cell 1 b receives the predetermined electric charge substantially.
  • the second secondary cell 1 b provides the predetermined electrical charge and the first secondary cell 1 a receives this charge substantially.
  • the battery controller 22 assigns two secondary cells 1 a, 1 b, previously belonging to the second group, to the first group.
  • the remaining secondary cell 1 a becomes the additional cell.
  • Battery control 22 causes the output device 23, the reserve, i. the number of secondary cells of the second group to indicate as used up.
  • the reserve i. the number of secondary cells of the second group to indicate as used up.
  • a service technician advantageously learns about the depleted reserve and can take defensive measures, in particular replace the faulty cells.
  • UPS 50 uninterruptible power supply 50, hereinafter referred to as UPS, with a secondary battery 21 according to the invention.
  • the UPS 50 has an AC input.
  • the UPS 50 is between the
  • AC input and the consumer connected and supplies an AC consumer 40, shown here as an electric motor.
  • AC consumer 40 shown here as an electric motor.
  • Output means 23 of the secondary battery 21 is led to the outside of the UPS 50.
  • the secondary battery 21 can advantageously be used for a space-saving UPS 50 for
  • Output device 23 is that which increases the security of the supply operation of an AC consumer, in particular a heart-lung machine in an OP.
  • the secondary battery 21 according to the invention serves as energy storage of a plant, which energy in particular
  • Sunlight from a flow of a fluid, in particular an air flow or a water flow or from a temperature gradient receives and provides electrical energy.
  • This plant is particularly preferred as a solar thermal power plant, as a wind or hydroelectric power plant, as
  • Photovoltaic system or designed as a parabolic trough power plant.
  • FIG. 6 shows time profiles of the electrical currents of two secondary cells according to the invention in the oscillating mode between rectifier circuit and electrode assembly
  • the upper and lower current-time course are phase-shifted, in particular clocked, so that a first secondary cell timely provides a predetermined electrical charge for recording by a second secondary cell and vice versa.
  • Differences in the surface areas of the individual current pulses are in particular due to the compensation of electrical losses in the conversion of chemical into electrical energy (and vice versa). These electrical losses are advantageously compensated by supplying energy from a power grid.

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Abstract

Eine erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichereinrichtung, nachfolgend auch Sekundärzelle genannt, weist eine wiederaufladbare Elektrodenbaugruppe auf. Die Elektrodenbaugruppe ist vorgesehen, zumindest zeitweise elektrische Energie insbesondere einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Eine Umhüllung der Sekundärzelle ist vorgesehen, die Elektrodenbaugruppe zumindest teilweise zu umgeben. Ein, zwei oder mehrere Stromableiter, insbesondere unterschiedlicher Polarität, der Sekundärzelle erstrecken sich zumindest teilweise aus der Umhüllung und sind zum Austausch von Elektronen mit der Elektrodenbaugruppe vorgesehen. Eine Messeinrichtung der Sekundärzelle ist vorgesehen, zumindest zeitweise ein Signal zur Verfügung zu stellen, wobei das Signal repräsentativ für einen Betriebsparameter insbesondere der Elektrodenbaugruppe ist. Eine Zellsteuereinrichtung der Sekundärzelle ist vorgesehen, den Austausch von Elektronen mit der Elektrodenbaugruppe zu steuern und das Signal des Messfühlers zu empfangen. Weiter ist die Zellsteuereinrichtung vorgesehen, der Elektrodenbaugruppe zeitweise eine vorbestimmte elektrische Ladung zuzuführen und/oder zu entnehmen.

Description

Elektrochemische Energiespeichereinrichtung, und Verfahren in deren
Betrieb
B e s c h r e i b u n g
Hiermit wird der gesamte Inhalt der Prioritätsanmeldung DE 10 201 1 015 554 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeicher- einrichtung, eine Energieversorgungsvorrichtung mit zumindest zwei
elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen, ein Verfahren zum Betrieb der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb der Energieversorgungsvorrichtung. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien zur Versorgung von Wechselstromverbrauchern beschrieben. Die Erfindung kann auch unabhängig von der Chemie der elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen oder unabhängig von der Art des versorgten Verbrauchers Verwendung finden.
Aus dem Stand der Technik sind wiederaufladbare Batterien, nachfolgend auch Energieversorgungsvorrichtungen oder Sekundärbatterien genannt, mit mehreren wiederaufladbaren Zellen, nachfolgend auch elektrochemische
Energiespeichereinrichtungen oder Sekundärzellen genannt, zur Versorgung von zumindest einem Verbraucher, nachfolgend Versorgungsbetrieb genannt, bekannt. Es ist üblich, die in einer Sekundärzelle speicherbare elektrische Ladung Q als Nennladekapazität Qnenn zu bezeichnen und in den Einheiten Amperestunden [Ah], Wattstunden [Wh] anzugeben. Zum Laden wird der
Sekundärzelle Energie bzw. elektrische Ladung zugeführt und als chemische Energie gespeichert. Im Versorgungsbetrieb wird die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie gewandelt und dem Verbraucher zur Verfügung gestellt. Sekundärzellen altern sowohl kalendarisch als auch als Folge des kumulierten Durchsatzes von Energie, auch zyklische Alterung genannt.
Es ist bekannt, dass eine Sekundärzelle nach längerer Ruhephase, in welcher die Sekundärzelle im Wesentlichen keine Ladung mit der Umgebung
austauscht, kalendarisch altert, wobei insbesondere der Innenwiderstand der Sekundärzelle ansteigt. Dabei werden Bereiche der Elektrodenbaugruppe passiviert. Diese passivierten Bereiche stehen zur Wandlung von elektrischer Energie in chemische Energie und umgekehrt nicht zur Verfügung. Einigen Bauarten von Sekundärzellen ist gemein, dass ihnen im
Versorgungsbetrieb merklich weniger als die Nennladekapazität entnommen werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sekundärzelle zur Verfügung zu stellen, welcher ein möglichst großer Teil der zugeführten Energie im Versorgungsbetrieb entnommen werden kann.
Das wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Anspruch 1 nennt eine erfindungsgemäße Sekundärzelle. Anspruch 7 nennt eine Energieversorgungsvorrichtung mit mehreren erfindungsgemäßen Sekundärzellen. Anspruch 1 1 nennt ein Betriebsverfahren für eine
erfindungsgemäße Sekundärzelle. Anspruch 12 nennt ein Betriebsverfahren für eine erfindungsgemäße Sekundärbatterie. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichereinrichtung, nachfolgend auch Sekundärzelle genannt, weist eine wiederaufladbare
Elektrodenbaugruppe auf. Die Elektrodenbaugruppe ist vorgesehen, zumindest zeitweise elektrische Energie insbesondere einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Eine Umhüllung der Sekundärzelle ist vorgesehen, die Elektrodenbaugruppe zumindest teilweise zu umgeben. Ein, zwei oder mehrere Stromableiter, insbesondere unterschiedlicher Polarität, der Sekundärzelle erstrecken sich zumindest teilweise aus der Umhüllung und sind zum Austausch von Elektronen mit der Elektrodenbaugruppe vorgesehen. Eine Messeinrichtung der Sekundärzelle ist vorgesehen, zumindest zeitweise ein Signal zur Verfügung zu stellen, wobei das Signal repräsentativ für einen Betriebsparameter insbesondere der Elektrodenbaugruppe ist. Eine Zellsteuereinrichtung der Sekundärzelle ist vorgesehen, den Austausch von Elektronen mit der
Elektrodenbaugruppe zu steuern und das Signal des Messfühlers zu
empfangen. Weiter ist die Zellsteuereinrichtung vorgesehen, der
Elektrodenbaugruppe zeitweise eine vorbestimmte elektrische Ladung zuzuführen und/oder zu entnehmen, nachfolgend auch Ladungswechsel genannt.
Wenn von der Sekundärzelle nach längerer Ruhephase Energie zur Verfügung gestellt werden soll, so bleiben der entnehmbare elektrische Strom und/oder die entnehmbare elektrische Ladung oftmals hinter den Nennwerten der
Sekundärzelle zurück. Ein Verbraucher könnte aus dieser Sekundärzelle nur unzureichend versorgt werden. Mit dem wiederholten Austausch von im Umfang begrenzter elektrischer Ladung mit der Elektrodenbaugruppe der Sekundärzelle, insbesondere zur zeitweisen Unterbrechung einer Ruhephase bzw. eines
Ruhezustands, finden in der Elektrodenbaugruppe Wandlungen von elektrischer Energie in chemische Energie und umgekehrt statt. So wird der Passivierung von Bereichen der Elektrodenbaugruppe begegnet und die zugrunde liegende Aufgabe gelöst. Unter einer elektrochemischen Energiespeichereinrichtung im Sinne der
Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere dazu dient, zeitweise elektrische Energie zur Verfügung zu stellen. Dazu weist die elektrochemische Energiespeichereinrichtung, nachfolgend auch Sekundärzelle genannt, insbesondere eine Elektrodenbaugruppe auf. Unter einer Elektrodenbaugruppe im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere dazu dient, aufgenommene elektrische Energie in chemische Energie zu wandeln, chemische Energie zu speichern, chemische Energie in elektrische Energie zu wandeln und/oder elektrische Energie zur Verfügung zu stellen. Dazu weist die Elektrodenbaugruppe zumindest zwei
Elektroden unterschiedlicher Polarität, auch Anode und Kathode genannt, einen Separator, angeordnet zwischen diesen Elektroden, und einen Elektrolyt auf. Vorzugsweise ist die Elektrodenbaugruppe mit prismatischer oder zylindrischer Grundfläche ausgebildet. Diese Ausführung bietet den Vorteil der
raumsparenden benachbarten Anordnung mehrerer elektrochemischer
Energiespeichereinrichtungen.
Unter einer Umhüllung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere dazu dient, die Elektrodenbaugruppe von der Umgebung der Sekundärzelle zu trennen: Vorzugsweise dient die Umhüllung dazu, einen Austausch eines Fluids zwischen Umgebung und Elektrodenbaugruppe im Wesentlichen zu unterbinden. So wird einem Austritt des Elektrolyts in die Umgebung und/oder dem Zutritt von Wasser insbesondere aus der Atmosphäre in die Elektrodenbaugruppe begegnet. Vorzugsweise umgibt die Umhüllung die Elektrodenbaugruppe formschlüssig und ist insbesondere um die
Elektrodenbaugruppe verspannt. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass der elektrochemische Kontakt zwischen den Bestandteilen der
Elektrodenbaugruppe, d.h. deren Elektroden und deren Separatoren, verbessert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umhüllung als
mehrschichtige Folie, insbesondere Verbundfolie, mit zumindest einem Polymer und zumindest einem Metall, besonders bevorzugt mit Aluminium, ausgebildet. Besonders bevorzugt ist eine metallische Schicht zwischen zwei Schichten mit zumindest je einem Polymer angeordnet. Die Ausführung der Umhüllung mit einer metallischen Schicht dient insbesondere dazu, Luftfeuchte von der
Elektrodenbaugruppe fernzuhalten und/oder dem Austritt von fluiden Teile der Elektrodenbaugruppe aus der Sekundärzelle entgegenzuwirken. Vorzugsweise schützen und/oder isolieren die Polymerschichten die metallische Schicht. Diese Ausführung bietet den Vorteil eines geringen thermischen Widerstands und des verbesserten Austausches von Wärmeenergie mit der Elektrodenbaugruppe. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Umhüllung mehrteilig mit zumindest einem im Wesentlichen formsteifen Metallteil ausgebildet.
Vorzugsweise dient das Metallteil der Wärmeabfuhr aus der
Elektrodenbaugruppe. Vorzugsweise ist das Metallteil mit einer Ausnehmung zur Aufnahme der Elektrodenbaugruppe ausgebildet. Vorzugsweise dient das Metallteil dem Schutz der Elektrodenbaugruppe, indem das Metallteil dem Eindringen eines Fremdkörpers in die Elektrodenbaugruppe entgegenwirkt. Vorzugsweise ist das Metallteil zur Elektrodenbaugruppe elektrisch isolierend beschichtet und berührt die Elektrodenbaugruppe wärmeleitend. Vorzugsweise dient das Metallteil der Wärmeabfuhr aus der Elektrodenbaugruppe. Unter einem Stromableiter im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere als elektrischer Leiter im Strompfad zwischen der Elektrodenbaugruppe und einem zu versorgenden Verbraucher dient. Ein erster Stromableiter ist elektrisch mit einer Elektrode erster Polarität der
Elektrodenbaugruppe verbunden und erstreckt sich durch die Umhüllung der Sekundärzelle in deren Umgebung. Vorzugsweise ist der erste Stromableiter gegenüber der Umhüllung elektrisch isoliert. Vorzugsweise weist die Umhüllung zumindest zeitweise ein von dem ersten Stromableiter verschiedenes
elektrisches Potential auf. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass nur ein Stromableiter hergestellt werden muss. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Stromableiter elektrisch mit einer Elektrode zweiter Polarität der Elektrodenbaugruppe verbunden und erstreckt sich durch die als mehrschichtige Folie ausgebildete Umhüllung der Sekundärzelle in deren Umgebung. Dabei ist der zweite Stromableiter gegenüber der Umhüllung elektrisch isoliert. Diese Ausführung bietet den Vorteil eines geringen thermischen Widerstands und fördert den Austausch von Wärmeenergie mit der Elektrodenbaugruppe.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Stromableiter elektrisch mit einer Elektrode zweiter Polarität der Elektrodenbaugruppe verbunden und ist elektrisch mit der als Metallteil ausgebildeten Umhüllung der Sekundärzelle insbesondere stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise einstückig ausgebildet. Vorzugsweise dient die als Metallteil ausgebildete Umhüllung als zweiter elektrischer Anschluss der Sekundärzelle. Vorzugsweise dient das Metallteil dem Schutz der Elektrodenbaugruppe, indem das Metallteil dem Eindringen eines Fremdkörpers in die Elektrodenbaugruppe entgegenwirkt.
Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Sekundärzelle über den ersten Stromableiter und über die Umhüllung elektrisch kontaktiert werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Stromableiter elektrisch mit einer Elektrode zweiter Polarität der Elektrodenbaugruppe verbunden, ist elektrisch gegenüber der als Metallteil ausgebildeten Umhüllung der Sekundärzelle isoliert und erstreckt sich durch die als Metallteil ausgebildete Umhüllung in die Umgebung der Sekundärzelle. Vorzugsweise ist die
Umhüllung potentialfrei und ist insbesondere ohne weitere elektrische Isolierung mit einer metallischen Kühleinrichtung verbindbar. Unter einer Messeinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere dazu dient, zumindest zeitweise ein Signal zur Verfügung zu stellen, wobei das Signal repräsentativ für einen
Betriebsparameter der Sekundärzelle, insbesondere einen Betriebsparameter der Elektrodenbaugruppe ist. Insbesondere weist die Messeinrichtung einen oder mehrere Messfühler vorzugsweise für verschiedene Betriebsparameter auf. Vorzugsweise weist die Messeinrichtung einen Temperaturfühler auf, wobei der Temperaturfühler zumindest zeitweise Aufschluss über die Temperatur der Sekundärzelle gibt, insbesondere über die Temperatur der
Elektrodenbaugruppe. Vorzugsweise wird die Temperatur der Sekundärzelle und/oder der Elektrodenbaugruppe von der Zellsteuereinrichtung verarbeitet, insbesondere zur Steuerung der Zufuhr und/oder der Entnahme einer vorbestimmten elektrischen Ladung. Vorzugsweise gibt die Messeinrichtung zumindest zeitweise Aufschluss über den Innendruck der Sekundärzelle, nachfolgend Zellinnendruck genannt. Vorzugsweise wird der Zellinnendruck von der Zellsteuereinrichtung verarbeitet, insbesondere zur Steuerung der Zufuhr und/oder der Entnahme einer vorbestimmten elektrischen Ladung.
Vorzugsweise ist die Messeinrichtung von Elektrodenbaugruppeenergie versorgt. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass eine Versorgung der Messeinrichtung durch die Batteriesteuerung der Sekundärbatterie entfallen kann.
Wenn die Temperatur der Sekundärzelle, insbesondere deren
Elektrodenbaugruppe eine Zieltemperatur überschreitet, dann wird die vorbestimmte elektrische Ladung vermindert und/oder die Frequenz des
Ladungswechsels wird gesenkt. Vorzugsweise weist die Messeinrichtung einen Druckfühler auf. Wenn der Zellinnendruck einen Zieldruck überschreitet, dann wird die vorbestimmte elektrische Ladung vermindert und/oder die Frequenz des Ladungswechsels wird gesenkt.
Ein Betriebsparameter im Sinne der Erfindung ist ein Parameter der folgenden Gruppe, welche beinhaltet Zellinnendruck, Umgebungsdruck, Zelltemperatur, Umgebungstemperatur, elektrische Stromstärke, elektrische Spannung, Kapazität, Induktivität, elektrische Ladung.
Unter einer Zellsteuereinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere dazu dient, zumindest zeitweise: · der Elektrodenbaugruppe eine vorbestimmte elektrische Ladung
zuzuführen und/oder zu entnehmen, d.h. einen Ladungswechsel durchzuführen, • der Elektrodenbaugruppe einen elektrischen Strom bzw.
Versorgungsstrom insbesondere abhängig vom Bedarf eines zu versorgenden Verbrauchers und/oder abhängig von einem gemessenen Betriebsparameter zu entnehmen,
• der Elektrodenbaugruppe einen Ladestrom zuzuführen,
• ein Signal von der Messeinrichtung zu empfangen
• ein Signal zu verarbeiten, und/oder
• ein erstes Signal zur Verfügung zu stellen, insbesondere für eine
übergeordnete Steuerung.
Vorzugsweise ist die Zellsteuereinrichtung von der Elektrodenbaugruppe energieversorgt. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass eine Versorgung der Zellsteuereinrichtung durch die Batteriesteuerung aus der Batterie entfallen kann.
Unter einer vorbestimmten elektrischen Ladung im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine elektrische Ladung q [C] zu verstehen, welche nur einen Bruchteil r [%] der Nennladekapazität Qnenn der Sekundärzelle beträgt.
Vorzugsweise beträgt der Bruchteil r = q / Qnenn zumindest 0,1 %, 0,2%, 0,5%, 1 %, 2%, 5%, höchstens aber 10 %. Vorzugsweise ist die vorbestimmte elektrische Ladung so bemessen, dass deren Entnahme oder Zufuhr eine Änderung der Ruhespannung der Sekundärzelle um mindestens 0,1V, 0,2V, 0,3V, 0,4V, höchstens aber 0,5V bewirkt.
Nachfolgend werden bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben. Vorzugsweise weist die Messeinrichtung einen Stromfühler auf, welcher insbesondere einen Ladestrom und/oder Versorgungsstrom bzw. Entladestrom angibt. Mit Kenntnis der Temperatur der Sekundärzelle kann die
Zellsteuereinrichtung insbesondere den Versorgungsstrom bzw. den
Entladestrom begrenzen, um einem weiteren Temperaturanstieg der
Sekundärzelle zu begegnen. Vorzugsweise ist der Stromfühler als
Magnetfeldsensor ausgebildet. Ein„Magnetfeldsensor" ist in diesem
Zusammenhang jede Art von Vorrichtung, die geeignet sind, die Größe und/oder die Richtung eines Magnetfeldes oder einer Magnetisierung direkt oder indirekt zu erfassen. Der wenigstens eine Magnetfeldsensor ist vorzugsweise
ausgewählt aus magnetoresistiven Sensoren, magnetostriktiven Sensoren, Hall- Sensoren und Wiegand-Sensoren. Als magnetoresistive Sensoren können zum Beispiel AMRSensoren (anisotropic magneto-resistive), GMR-Sensoren (giant magnetoresistive), TMR (tunneling magneto-resistive), MTJ-Sensoren (magnetic tunneljunction), CMR-Sensoren (colossale magneto-resistive), EMR-Sensoren (extraordinary magneto-resistive), GMI-Sensoren (giant magnetic-inductance) und dergleichen Sensoren eingesetzt werden. Vorzugsweise erfasst der Magnetfeldsensor einen Ladestrom und/oder Versorgungsstrom bzw.
Entladestrom der Sekundärzelle im Wesentlichen ohne Erzeugung zusätzlicher Abwärme.
Vorzugsweise weist die Messeinrichtung einen Spannungsfühler auf, welcher insbesondere die Spannung der Sekundärzelle angibt, insbesondere die
Spannung der Elektrodenbaugruppe. Vorzugsweise verarbeitet die Zellsteuereinrichtung die Spannung der Sekundärzelle zu einer Aussage über den
Ladezustand der Sekundärzelle. Vorzugsweise übermittelt die Zellsteuereinrichtung die Spannung und/oder die Aussage über den Ladezustand der Sekundärzelle an eine übergeordnete Batteriesteuerung. Vorzugsweise leitet die Batteriesteuerung nach Auswertung der einzelnen Ladezustände einen Ladevorgang der einzelnen Sekundärzellen ein und/oder zeigt der
übergeordneten Steuerung der Sekundärbatterie einen ungenügenden
Ladezustand an. Vorzugsweise weist die Messeinrichtung einen Stromfühler und einen
Spannungsfühler auf. Vorzugsweise verknüpft die Zellsteuereinrichtung die gemessenen Werte von Strom und Spannung zum Innenwiderstand der Sekundärzelle. Vorzugsweise verknüpft die Zellsteuereinrichtung die Spannung und den Innenwiderstand zu einer Aussage über den Ladezustand der
Sekundärzelle, insbesondere mittels einer hinterlegten Relation. Diese
Ausführung bietet den Vorteil der verbesserten Bestimmung des Ladezustands.
Vorzugsweise ist die Messeinrichtung insbesondere mit ihren Messfühlern innerhalb der Umhüllung angeordnet, bevorzugt auf der Elektrodenbaugruppe gedruckt oder abgeschieden. In diesem Zusammenhang sind verschiedene
Druckverfahren wie Tiefdruck, Offsetdruck, Flexodruck, Inkjetdruck, Siebdruck, Tampondruck, Transferdruck, Lithografie, Prägelithografie und dergleichen zum unmittelbaren Ausbilden des Magnetfeldsensors auf einer Elektrode, einem Kollektor oder einem Separator bevorzugt. Diese Ausführung bietet den Vorteil, einer kompakt ausgebildete Sekundärzelle. Vorzugsweise sind die
Zellsteuereinrichtung und die Messeinrichtung einstückig ausgebildet, insbesondere innerhalb der Umhüllung, insbesondere auf einem gemeinsamen Schaltungsträger, besonders bevorzugt auf eine Leiterplatte oder Trägerfolie. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Zahl der Baugruppen der
Sekundärzelle vermindert und/oder die Fertigung der Sekundärzelle vereinfacht ist.
Vorzugsweise weist die Sekundärzelle eine Zellkommunikationseinrichtung auf. Die Zellkommunikationseinrichtung dient insbesondere dem Senden eines ersten Signals an eine übergeordnete Steuerung und/oder eine
Batteriesteuerung. Vorzugsweise ist die Zellkommunikationseinrichtung zur Funkübertragung insbesondere an eine Batteriesteuerung ausgebildet. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass auf elektrische Anschlüsse für die
Zellsteuereinrichtung verzichtet werden kann und/oder die Abdichtung der Sekundärzelle vereinfacht ist. Vorzugsweise kann eine Sekundärzelle, welche der Sekundärbatterie im Versorgungsbetrieb hinzugefügt wird, insbesondere über die Zellkommunikationseinrichtung von sich aus eine erste Verbindung zu der Batteriesteuerung aufnehmen. Vorzugsweise ist die Zellkommunikationseinrichtung auch zum Empfang von Signalen ausgebildet, insbesondere von zumindest einem zweiten Signal von der Batteriesteuerung. Vorzugsweise weist die Zellsteuereinrichtung eine Stromrichterschaltung auf. Vorzugsweise ist die Stromrichterschaltung als Gleichrichterschaltung
ausgebildet. Vorzugsweise kann der Sekundärzelle mit Gleichrichterschaltung zum Laden ein Wechselstrom zugeführt werden, insbesondere unmittelbar aus einem Wechselstromnetz. Vorzugsweise ist die Stromrichterschaltung als Wechselrichterschaltung ausgebildet. Vorzugsweise kann der von der
Elektrodenbaugruppe zur Verfügung gestellte Gleichstrom von der
Sekundärzelle mit Wechselrichterschaltung im Versorgungsbetrieb unmittelbar als Wechselstrom abgegeben werden. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Sekundärzelle ohne einen separaten Wechselrichter zur Versorgung zumindest eines Wechselstromverbrauchers geeignet und/oder unmittelbar aus einem Wechselstromnetz ladbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Zellsteuereinrichtung sowohl eine Gleichrichterschaltung als auch eine Wechselrichterschaltung auf. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die derart ausgeführte Sekundärzelle für eine Sekundärbatterie geeignet ist, wobei die Sekundärbatterie mit ihrer Umgebung Wechselströme austauscht. Bei geeigneter Ausbildung kann die Nennspannung der Sekundärbatterie durch das Hinzufügen weiterer
Sekundärzellen erhöht werden und/oder Sekundärzellen im laufenden Betrieb entnommen bzw. gewechselt werden. Vorzugsweise sind die
Zellsteuereinrichtung mit Stromrichterschaltung und die Messeinrichtung einstückig ausgebildet, besonders bevorzugt auf die Elektrodenbaugruppe gedruckt oder abgeschieden. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Zahl der Baugruppen der Sekundärzelle vermindertund/oder die Fertigung der Sekundärzelle vereinfacht ist. Vorzugsweise weist die Elektrodenbaugruppe Lithium-Ionen auf, wodurch die Zellspannung der Sekundärzelle bzw. deren Energiedichte gegenüber zahlreichen anderen chemischen Ausbildungen erhöht ist. Vorzugsweise beträgt die Zellnennspannung mindestens 1 ,5V, 2V, 2,5V, 3V 3,2V, 3,5V, 3,7V, 4V, 4,2V, 4,5V, 5V, 5,5V, 6V, 6,5V, 7V, 7,5V oder 8V. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass der Platzbedarf für eine Sekundärbatterie mit mehreren erfindungsgemäßen Sekundärzellen vermindert ist.
Vorzugsweise ist die Sekundärzelle vorgesehen, zumindest zeitweise einen elektrischen Strom von mindestens 50A, 100A, 200A, 500A, 1000A oder mehr abzugeben. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Versorgung eines Verbrauchers mit hoher Stromaufnahme möglich ist.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Sekundärzelle vorgesehen, bei einer Umgebungstemperatur zwischen 10°C und 30°C, weiter bevorzugt zwischen 0°C und 40°C, weiter bevorzugt zwischen -20°C und 60°C, weiter bevorzugt zwischen -30°C und 80°C, besonders bevorzugt zwischen -40°C und 100°C betrieben zu werden. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass der Einsatz auch in nicht temperierten Räumen oder außerhalb von Räumen möglich ist.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Sekundärzelle vorgesehen, eine elektrische Ladung von mindestens 5Ah, 10Ah, 20Ah, 50Ah, 100Ah, 200Ah, 500Ah, 1000 Ah oder mehr aufzunehmen. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Versorgung von Verbrauchern mit hoher Leistungsaufnahme möglich ist.
Vorzugsweise beträgt die Energiedichte der erfindungsgemäßen Sekundärzelle mindestens 10 Wh/kg, 20 Wh/kg, 50 Wh/kg, 100 Wh/kg, 200 Wh/kg oder 500 Wh/kg.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird für die Elektrodenbaugruppe vorzugsweise ein Separator verwendet, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, und welcher aus einem zumindest teilweise
stoffdurchlässigen Träger besteht. Der Träger ist vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger wird vorzugsweise ein organisches Material verwendet, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist. Das organische Material, welches vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET) umfasst, ist mit einem
anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden Material beschichtet, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von - 40° C bis 200° C ionenleitend ist. Das anorganische Material umfasst bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zr, AI, Li, besonders bevorzugt Zirkonoxid. Bevorzugt weist das anorganische, ionenleitende Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf. Ein solcher
Separator wird beispielsweise unter dem Handelsnamen "Separion" von der
Evonik AG in Deutschland vertrieben. Diese bevorzugte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Stabilität der Sekundärzelle verbessert bzw. die Sicherheit der Sekundärzelle bei Temperaturen oberhalb 80°C erhöht ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der zumindest eine Separator, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend, für Ionen aber leitfähig ist, zumindest überwiegend bzw. vollständig aus einer Keramik, vorzugsweise aus einer Oxidkeramik. Diese bevorzugte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Beständigkeit der Elektrodenbaugruppe bei Temperaturen oberhalb 100°C verbessert ist. Vorzugsweise weist wenigstens eine Elektrode der Elektrodenbaugruppe, besonders bevorzugt wenigstens eine Kathode, eine Verbindung mit der Formel LiMPO4 auf, wobei M wenigstens ein Übergangsmetallkation der ersten Reihe des Periodensystems der Elemente ist. Das Übergangsmetallkation ist vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Ni und Ti oder einer Kombination dieser Elemente gewählt. Die Verbindung weist vorzugsweise eine Olivinstruktur auf, vorzugsweise übergeordnetes Olivin, wobei Fe besonders bevorzugt ist. In einer weiteren Ausführungsform weist vorzugsweise wenigstens eine Elektrode der Elektrodenbaugruppe, besonders bevorzugt wenigstens eine Kathode, ein Lithiummanganat, vorzugsweise LiMn2O4 vom Spinell-Typ, ein Lithiumkobaltat, vorzugsweise LiCoO2, oder ein Lithiumnickelat, vorzugsweise LiNiO2, oder ein Gemisch aus zwei oder drei dieser Oxide, oder ein
Lithiummischoxid, welches Mangan, Kobalt und Nickel enthält, auf.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Sekundärzelle zur zeitweiligen
Annahme verschiedener Betriebszustände, insbesondere zum Übergang zwischen diesen Betriebszuständen vorgesehen. Im Betriebszustand „Ruhe" tauscht die Sekundärzelle bzw. deren Elektrodenbaugruppe mit der Umgebung im Wesentlichen keine elektrische Ladung aus. Im Betriebszustand „Aufladen" wird der Sekundärzelle elektrische Energie bzw. elektrische Ladung zugeführt, wird elektrische Energie in der Elektrodenbaugruppe in chemische Energie gewandelt und gespeichert. Im Betriebszustand „Entladen" wird in der
Elektrodenbaugruppe chemische Energie in elektrische Energie gewandelt und über die Stromableiter insbesondere an einen Verbraucher zur Versorgung abgegeben. Im Betriebszustand„Schwingen" wird der Sekundärzelle
insbesondere wiederholt eine vorbestimmte elektrische Ladung zugeführt und anschließend entnommen, wobei die Reihenfolge von Zufuhr und Entnahme auch vertauscht sein kann. Im Betriebszustand „Störung" steht die
Sekundärzelle zum Ladungswechsel, zur Abgabe oder Aufnahme eines elektrischen Stroms nicht zur Verfügung. Im Betriebszustand „Senden" stellt die Sekundärzelle, insbesondere deren Zellsteuereinrichtung insbesondere der übergeordneten Batteriesteuerung ein erstes Signal insbesondere mittels einer Zellkommunikationseinrichtung zur Verfügung, wobei das erste Signal insbesondere repräsentativ für den Betriebszustand der Sekundärzelle oder einen Betriebsparameter ist. Auch ein Signal, welches auf eine einwandfreie Funktion der Sekundärzelle hinweist, gilt als erstes Signal. Vorzugsweise wird ein Übergang zwischen zwei Betriebszuständen durch die Zellsteuereinrichtung eingeleitet. Vorzugsweise leistet die Zellsteuereinrichtung das Management der Sekundärzelle insbesondere abhängig von zumindest einem Betriebsparameter und/oder einem zweiten Signal, wobei das zweite Signal von der
Batteriesteuerung bereitgestellt wird.
Erfindungsgemäß ist eine Energieversorgungsvorrichtung, nachfolgend auch Sekundärbatterie genannt, zur insbesondere unterbrechungsfreien
Stromversorgung zumindest eines Verbrauchers. Dazu weist die
Sekundärbatterie zumindest zwei oder mehr Sekundärzellen auf. Die
Sekundärzellen sind miteinander für eine Batterienennspannung bzw.
Batterienennladekapazität verschaltet, um insbesondere die Versorgung zumindest eines Verbrauchers bewerkstelligen zu können.
Weiter weist die Sekundärbatterie eine Batteriesteuerung auf. Die
Batteriesteuerung ist vorgesehen, zumindest zeitweise zumindest einer der Zellsteuereinrichtungen ein zweites Signal zur Verfügung zu stellen. Das zweite Signal dient insbesondere der Übermittlung von Anforderungen aus der
Versorgung zumindest eines Verbrauchers durch die Sekundärbatterie, dem Hinweis auf eine einwandfreie Funktion der Batteriesteuerung, der Vorgabe eines Taktsignals für das Zusammenwirken der Sekundärzellen, dem Einleiten eines Übergangs zwischen zwei Betriebszuständen zumindest einer
Sekundärzelle, dem Einleiten eines Ladevorgangs zumindest eine
Sekundärzelle, dem aufeinander abgestimmten Schwingen von zumindest zwei Sekundärzellen. Vorzugsweise ist die Batteriesteuerung aus zumindest einer Sekundärzelle der Sekundärbatterie versorgt. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass eine separate Energieversorgung der Batteriesteuerung entfallen kann. Vorzugsweise ist die Sekundärbatterie der Versorgung zumindest eines
Wechselstromverbrauchers geeignet. Vorzugsweise wirken die
Stromrichterschaltungen der erfindungsgemäßen Sekundärzellen, insbesondere deren Wechselrichterschaltungen zusammen zum Wechselrichten des von der Sekundärbatterie abgegebenen Wechselstroms. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass bei Verwendung erfindungsgemäßer Sekundärzellen mit
Stromrichterschaltung, insbesondere mit Wechselrichterschaltung, auf einen gemeinsamen Wechselrichter verzichtet werden kann. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Sekundärbatterie während der Versorgung eines
Wechselstromverbrauchers um weitere Sekundärzellen je mit
Stromrichterschaltung erweitert werden kann, ohne auf die Leistungsfähigkeit bzw. Dimensionierung eines gemeinsamen Wechselrichters Rücksicht nehmen zu müssen. Diese Ausführung bietet eine erhöhte Betriebssicherheit der Sekundärbatterie, indem jede Sekundärzelle ihre eigene Stromrichterschaltung aufweist. Vorzugsweise ist die Batteriesteuerung zum periodischen Versenden eines zweite Signal vorgesehen, welches der Synchronisierung der von den einzelnen Sekundärzellen zur Verfügung gestellten Wechselspannung dient. Vorzugsweise dient dieses zweite Signal der phasengleichen Abgabe von Wechselströmen durch mehrere Sekundärzellen. Vorzugsweise sind die Sekundärzellen der Sekundärbatterie je mit einer
Gleichrichterschaltung ausgebildet. Vorzugsweise können die Sekundärzellen ohne einen gemeinsamen Gleichrichter aus einem Wechselstromnetz geladen werden. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Sekundärbatterie während eines Ladevorgangs um weitere Sekundärzellen je mit
Stromrichterschaltung erweitert werden kann, ohne auf die Leistungsfähigkeit bzw. Dimensionierung eines gemeinsamen Gleichrichters Rücksicht nehmen zu müssen. Diese Ausführung bietet eine erhöhte Betriebssicherheit der
Sekundärbatterie, indem jede Sekundärzelle ihre eigene Stromrichterschaltung aufweist. Vorzugsweise weist die Sekundärbatterie eine Batteriekommunikationseinrichtung insbesondere zum Austausch von Signalen mit einer anderen Steuerung und/oder Kommunikationseinrichtung auf. Vorzugsweise dient die Batteriekommunikationseinrichtung insbesondere dem Austausch von ersten und zweiten Signalen mit zumindest einer Zellkommunikationseinrichtung.
Vorzugsweise ist die Batteriekommunikationseinrichtung aus mehreren Sekundärzellen energieversorgt. Diese Ausführung bietet den Vorteil einer erhöhten Betriebssicherheit. Vorzugsweise ist die Batteriekommunikationseinrichtung einstückig mit der Batteriesteuerung ausgebildet. Vorzugsweise ist die Zahl der Baugruppen der Sekundärbatterie vermindert. Vorzugsweise ist die Batteriekommunikationseinrichtung zur Funkübertragung von Signalen ausgebildet. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass auf Leitungen zum Austausch von ersten und zweiten Signalen mit zumindest einer
Zellkommunikationseinrichtung verzichtet werden kann.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Sekundärbatterie Teil einer
unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), wobei die USV insbesondere der Versorgung zumindest eines Wechselstromverbrauchers dient. Weiter weist die USV einen Netzeingang für Wechselstrom, eine Steuereinrichtung und einen Anschluss für zumindest einen Wechselstromverbraucher auf.
Vorzugsweise dient die erfindungsgemäße Sekundärbatterie als
Energiespeicher einer Anlage, welche Energie insbesondere aus Sonnenlicht, aus einer Strömung eines Fluids, insbesondere einer Luftströmung oder einer Wasserströmung oder aus einem Temperaturgradienten aufnimmt und elektrische Energie bereitstellt. Besonders bevorzugt ist diese Anlage als Sonnenwärmekraftwerk, als Wind- oder Wasserkraftwerk, als
Photovoltaikanlage oder als Parabolrinnenkraftwerk ausgebildet.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Sekundärbatterie vorgesehen, bei einer Umgebungstemperatur zwischen 10°C und 30°C, weiter bevorzugt zwischen 0°C und 40°C, weiter bevorzugt zwischen -20°C und 60°C, weiter bevorzugt zwischen -30°C und 80°C, besonders bevorzugt zwischen -40°C und 100°C betrieben zu werden. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass deren Einsatz auch in nicht temperierten Räumen oder außerhalb von Räumen möglich ist.
Vorzugsweise sind die Sekundärzellen untereinander in Reihe geschaltet. Dabei entspricht die Summenspannung insbesondere der in Reihe geschalteten Sekundärzellen zumindest der Batterienennspannung. Vorzugsweise beträgt die Batterienennspannung zumindest 10V, 12V, 20V, 24V, 36V, 48V, 100V, 1 10V, 1 15V, 200V, 220V, 380V, 500V, 1000V. Vorzugsweise kann die
Sekundärbatterie in einem Fahrzeug insbesondere zum Antrieb verwendet werden. Vorzugsweise kann die Sekundärbatterie einen handelsüblichen, insbesondere stationären Verbraucher versorgen, insbesondere einen
Elektromotor.
Besonders bevorzugt weist die Sekundärbatterie mehr Sekundärzellen auf, als zur Bereitstellung der Batterienennspannung oder zur Versorgung des
Verbrauchers erforderlich sind. Dabei beträgt der Bruch aus der
Summenspannung über der Batterienennspannung wenigstens 1 ,01 , 1 ,02, 1 ,05, 1 ,1 , 1 , 1 1 , 1 ,12, 1 ,15, 1 ,2, 1 ,5 oder mehr. Eine Obergrenze des Bruchs ist durch wirtschaftliche Erwägungen bzw. durch verfügbaren Raum für die
Sekundärbatterie gegeben. Vorzugsweise weist die Sekundärbatterie zumindest zeitweise eine erste Gruppe von Sekundärzellen und einer zweiten Gruppe von Sekundärzellen auf. Die erste Gruppe dient insbesondere zur Bereitstellung der Batterienennspannung bzw. dem Versorgungsbetrieb. Die Sekundärzellen der ersten Gruppe befinden sich zeitweise im Betriebszustand„Entladen". Die Sekundärzellen der zweiten Gruppe befinden sich im Betriebszustand „Ruhe". Die zweite Gruppe bildet eine Reserve für den Fall, dass zumindest eine der Sekundärzellen der ersten Gruppe während des Versorgungsbetriebs den Betriebszustand „Störung" annimmt. In diesem Fall geht eine entsprechende Anzahl von Sekundärzellen aus der zweiten Gruppe in die erste Gruppe über, wobei diese Zuordnung durch die Batteriesteuerung erfolgt. Zur Zuordnung stellte die Batteriesteuerung den betreffenden Sekundärzellen der zweiten Gruppe ein entsprechendes zweites Signal zur Verfügung. Vorzugsweise sind Sekundärzellen der zweiten Gruppe während des Versorgungsbetriebs entnehmbar bzw. austauschbar. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Sekundärbatterie während des
Versorgungsbetriebs wartbar ist. Vorzugsweise weist die Sekundärbatterie eine Ausgabeeinrichtung auf. Diese Ausgabeeinrichtung dient dazu, während des Versorgungsbetriebs einen
Hinweis auf das Verhältnis aus Summenspannung über der
Batterienennspannung, insbesondere auf die Anzahl der Sekundärzellen der zweiten Gruppe auszugeben. Diese Ausführung bietet insbesondere einem Betreuer der Sekundärbatterie oder einem Servicetechniker einen Aufschluss über den Umfang der verfügbaren Reserve insbesondere für rasches Eingreifen. Vorzugsweise ist die Ausgabeeinrichtung einstückig mit der Batteriesteuerung ausgebildet. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass eine Herstellung einer erfindungsgemäßen Sekundärbatterie mit einer verminderten Zahl von
Baugruppen möglich ist.
Vorzugsweise zeichnet sich der Betrieb einer erfindungsgemäßen Sekundärzelle durch verschiedene Betriebsarten aus. Bevorzugt sind insbesondere die
Betriebsarten„Ruhe",„Entladen",„Schwingen" und„Senden". In der Betriebsart „Ruhe", nachfolgend B1 genannt, tauscht die Sekundärzelle bzw. deren
Elektrodenbaugruppe mit der Umgebung im Wesentlichen keine elektrische Ladung aus. In der Betriebsart„Entladen", nachfolgend B2 genannt, wird chemische Energie in elektrische Energie gewandelt und über die Stromableiter insbesondere an einen Verbraucher zu dessen Versorgung abgegeben. In der Betriebsart„Schwingen", nachfolgend B3 genannt, wird der Sekundärzelle insbesondere wiederholt eine vorbestimmte elektrische Ladung zugeführt und anschließend entnommen, wobei die Reihenfolge von Zufuhr und Entnahme auch vertauscht sein kann. Dabei ist unter einer vorbestimmten elektrischen Ladung insbesondere eine elektrische Ladung q [C] zu verstehen, welche nur einen Bruchteil r [%] der Nennladekapazität Qnen„ der Sekundärzelle beträgt. Vorzugsweise beträgt der Bruchteil r = q / Qnenn zumindest 0,1 %, 0,2%, 0,5%, 1 %, 2%, 5%, höchstens aber 10%. In der Betriebsart„Senden", nachfolgend B4 genannt, stellt die Sekundärzelle, insbesondere deren Zellsteuereinrichtung insbesondere der übergeordneten Batteriesteuerung ein erstes Signal zur Verfügung, wobei das erste Signal repräsentativ, insbesondere für den
Betriebszustand der Sekundärzelle oder einen Betriebsparameter der Sekundärzelle ist. Auch ein insbesondere periodisch versendetes erstes Signal, nachfolgend Lebenszeichen genannt, welches auf eine einwandfreie Funktion der Sekundärzelle hinweist, gilt als erstes Signal. Diese Auszählung gibt keine zwingende Reihenfolge von Betriebsarten vor. Vorzugsweise wird ein Übergang zwischen zwei Betriebszuständen bzw.
Betriebsarten durch die Zellsteuereinrichtung insbesondere abhängig von zumindest einem Betriebsparameter und/oder einem zweiten Signal eingeleitet, wobei das zweite Signal von der Batteriesteuerung bereitgestellt wird.
Vorzugsweise leistet die Zellsteuereinrichtung das Management der
Sekundärzelle unabhängig von einer übergeordneten Steuerung bzw.
Batteriesteuerung.
Vorzugsweise überführt die Zellsteuereinrichtung die Sekundärzelle bei zu geringem Ladezustand, erhöhtem Zellinnendruck und/oder erhöhter
Zelltemperatur aus dem Betriebszustand Entladen in den Betriebszustand der Ruhe oder Störung. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass ein weiteres Entladen der Sekundärzelle vermieden wird. Besonders bevorzugt wird ein erstes Signal an eine übergeordnete Steuerung, insbesondere die
Batteriesteuerung, gesendet, wobei das Signal Aufschluss über die Ursache für den veränderten Betriebszustand der Sekundärzelle gibt. Vorzugsweise kann die übergeordnete Steuerung bzw. Batteriesteuerung ggf. eine Abstellmaßnahme einleiten, insbesondere eine Sekundärzelle der zweiten Gruppe der ersten Gruppe zuordnen und/oder insbesondere die Ausgabeeinrichtung zur Anzeige einer Meldung mit Hinweis auf die Störung einer Sekundärzelle auffordern.
Vorzugsweise überführt die Zellsteuereinrichtung die Sekundärzelle bei zu hohem Ladezustand, erhöhtem Zellinnendruck und/oder erhöhter Zelltemperatur aus der Betriebsart Laden in die Betriebsart Ruhe oder Störung. Diese
Ausführung bietet den Vorteil, dass ein weiteres Laden der Sekundärzelle vermieden wird. Besonders bevorzugt wird ein erstes Signal an eine
übergeordnete Steuerung, insbesondere die Batteriesteuerung, gesendet, welches Aufschluss über die Ursache für die veränderte Betriebsart der Sekundärzelle gibt. Vorzugsweise kann die übergeordnete Steuerung bzw. Batteriesteuerung ggf. eine Abstellmaßnahme einleiten, insbesondere eine Sekundärzelle der zweiten Gruppe der ersten Gruppe zuordnen und/oder insbesondere die Ausgabeeinrichtung zur Anzeige einer Meldung mit Hinweis auf die Störung einer Sekundärzelle auffordern.
Vorzugsweise überführt die Zellsteuereinrichtung die Sekundärzelle bei zu geringem Ladezustand, welcher sich insbesondere aus der Chemie der Sekundärzelle ergibt, besonders bevorzugt bei weniger als etwa 30% der Nennladekapazität, insbesondere bei zulässiger Zelltemperatur und
insbesondere bei zulässigem Zellinnendruck in die Betriebsart Laden. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass ein mindester Ladezustand der
Sekundärzelle erreicht und insbesondere die Versorgungssicherheit bzw.
Versorgungsfähigkeit erhöht wird. Besonders bevorzugt wird ein erstes Signal an eine übergeordnete Steuerung, insbesondere die Batteriesteuerung, gesendet, welches die veränderte Betriebsart der Sekundärzelle nennt.
Vorzugsweise kann die übergeordnete Steuerung bzw. Batteriesteuerung ggf. eine Abstellmaßnahme einleiten, insbesondere eine Sekundärzelle aus der zweiten Gruppe nun der ersten Gruppe zuordnen. Vorzugsweise überführt die Zellsteuereinrichtung die Sekundärzelle auf
Aufforderung insbesondere durch einen Verbraucher oder die Batteriesteuerung in die Betriebsart Entladen. Dabei stellt die Sekundärzelle diesem Verbraucher Energie bereit. Sofern der Ladezustand der Sekundärzelle zum
Versorgungsbetrieb aber nicht ausreicht, dann übermittelt die
Zellsteuereinrichtung ein erstes Signal an die Batteriesteuerung, welches Aufschluss über den unzureichenden Ladezustand der Sekundärzelle gibt. Darauf übermittelt die Batteriesteuerung ein zweites Signal an die
Zellsteuereinrichtung einer anderen Sekundärzelle und fordert diese andere Sekundärzelle zum Versorgungsbetrieb auf. Vorzugsweise wird die
Ausgabeeinrichtung aufgefordert, eine verringerte Reserve anzuzeigen. . Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass der Versorgungsbetrieb verbessert ist und/oder auf eine schwindende Reserve hingewiesen wird.
Besonders bevorzugt wird ein erstes Signal an eine übergeordnete Steuerung, insbesondere die Batteriesteuerung, gesendet, welches den veränderten Betriebszustand der Sekundärzelle nennt. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass durch die übergeordnete Steuerung bzw. Batteriesteuerung auf den veränderten Betriebszustand eine Abstellmaßnahme eingeleitet werden kann.
Vorzugsweise wiederholt, besonders bevorzugt periodisch, wird die
Sekundärzelle insbesondere mittels der Zellsteuereinrichtung aus dem
Betriebszustand„Ruhe" in den Betriebszustand„Schwingen" überführt.
Besonders bevorzugt erfolgt der Übergang in den Betriebszustand„Schwingen" erfahrungsgemäß bei ausgewählten Stoffen insbesondere für die Kathode:
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Die wiederholte Überführung der Sekundärzelle in den Betriebszustand „Schwingen" bietet den Vorteil, einer Passivierung bzw. einer kalendarischen Alterung der Elektrodenbaugruppe entgegenzuwirken. Indem lediglich geringe elektrische Ladungen ausgetauscht werden, geht mit dem Schwingen eine nur geringfügige Alterung infolge des kumulierten Durchsatzes von Energie
(zyklische Alterung) einher. An das Schwingen schließt sich ein Betriebszustand der Ruhe an. Besonders bevorzugt wird ein erstes Signal an eine
übergeordnete Steuerung, insbesondere die Batteriesteuerung, gesendet, welches den veränderten Betriebszustand der Sekundärzelle nennt. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass durch die übergeordnete Steuerung bzw. Batteriesteuerung auf den veränderten Betriebszustand eine Abstellmaßnahme eingeleitet werden kann. Vorzugsweise überführt die Zellsteuereinrichtung die Sekundärzelle in den Betriebszustand Störung, wenn deren Stromrichterschaltung versagt. Besonders bevorzugt wird ein erstes Signal an eine übergeordnete Steuerung,
insbesondere die Batteriesteuerung, gesendet, welches die veränderte
Betriebsart der Sekundärzelle nennt. Vorzugsweise kann die übergeordnete Steuerung bzw. Batteriesteuerung ggf. eine Abstellmaßnahme einleiten, insbesondere eine Sekundärzelle aus der zweiten Gruppe der ersten Gruppe zuordnen und/oder insbesondere die Ausgabeeinrichtung zur Anzeige einer Meldung mit Hinweis auf die Störung einer Sekundärzelle auffordern. Vorzugsweise bestimmt die Zellsteuereinrichtung mit einem Integral des elektrischen Stroms, sowohl eines Entladestroms als auch eines Ladestroms, über der Zeit den kumulierten Energiedurchsatz durch die Sekundärzelle bzw. durch deren Elektrodenbaugruppe. Weiter bevorzugt bestimmt die
Zellsteuereinrichtung aus dem kumulierten Energiedurchsatz die zyklische Alterung der Sekundärzelle bzw. deren Elektrodenbaugruppe. Sobald die zyklische Alterung der Sekundärzelle einen Zielwert überschreitet, übermittelt die Zellsteuereinrichtung ein entsprechendes erstes Signal an eine übergeordnete Steuerung, insbesondere an die Batteriesteuerung. Vorzugsweise wird die Sekundärzelle in den Betriebszustand Störung überführt. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die gealterte Sekundärzelle auf dieses Signal
ausgetauscht werden kann.
Vorzugsweise zeichnet sich der Betrieb einer erfindungsgemäßen
Sekundärbatterie durch das Empfangen zumindest eines ersten Signals von zumindest einer Sekundärzelle, vorzugsweise von sämtlichen Sekundärzellen der Sekundärbatterie, aus. Nachfolgend wird dieser Schritt S5 genannt. Das erste Signal ist repräsentativ für einen Betriebsparameter und/oder den
Betriebszustand der jeweiligen Sekundärzelle. Für erhöhte Betriebssicherheit der Sekundärbatterie wird das Ausbleiben des Lebenszeichens einer
Sekundärzelle als Hinweis auf deren Störung gedeutet. Weiter bestimmt die Batteriesteuerung die Sekundärzellen, insbesondere deren Anzahl, abhängig von der Batterienennleistung oder der erwarteten Leistungsaufnahme der zu versorgenden Verbraucher. Nachfolgend wird dieser Schritt S6 genannt.
Abhängig von den Betriebszuständen der einzelnen Sekundärzellen (S5) und der bereitzustellenden Batterienennleistung (S6) sendet die Batteriesteuerung zweite Signale an die einzelnen Sekundärzellen, worauf eine ausreichende Anzahl von Sekundärzellen einer ersten Gruppe, insbesondere mit dem
Betriebszustand Entladen zugeordnet werden. Nachfolgend wird dieser Schritt S7 genannt. Die übrigen Sekundärzellen, welche sich nicht im Betriebszustand Störung befinden, werden der zweiten Gruppe zugeordnet. Vorzugsweise wird zumindest eine weitere Sekundärzelle, nachfolgend
Zusatzzelle genannt, der ersten Gruppe zugeordnet, wobei die
Summenspannung der Sekundärzellen der ersten Gruppe die
Batterienennspannung überschreitet. Vorzugsweise dient die Zusatzzelle als im Wesentlichen sofort aktivierbare Reserve für einen Ausfall bzw. Störung einer der Sekundärzellen im Versorgungsbetrieb. Diese Ausführung bietet den
Vorteil, dass die Batterienennspannung mittels der Zusatzzelle auch bei Ausfall einer der Sekundärzellen der ersten Gruppe gewährleistet ist. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Batteriesteuerung Zeit erhält, eine Sekundärzelle der zweiten Gruppe nun der ersten Gruppe zuzuordnen, vorzugsweise als neue Zusatzzelle.
Vorzugsweise wird das Verhältnis aus Summenspannung über der
Batterienennspannung bestimmt, insbesondere die Zahl der im Betriebszustand der Ruhe befindlichen Sekundärzellen, und der Ausgabeeinrichtung zur
Verfügung gestellt. Vorzugsweise wird auf Sekundärzellen im Betriebszustand „Störung" hingewiesen, insbesondere mittels der Ausgabeeinrichtung. Diese
Ausführung bietet den Vorteil, dass insbesondere ein Servicetechniker Kenntnis zu Reserven der Sekundärbatterie sowie über auszuwechselnde Sekundärzellen erhält. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Sekundärbatterie während eines Ladevorgangs mit Wechselstrom um zumindest eine Sekundärzelle mit Stromrichterschaltung, insbesondere ausgebildet als Gleichrichterschaltung, erweiterbar. Dazu wird zumindest eine weitere Sekundärzelle in insbesondere eine Zellaufnahme der Sekundärbatterie gesteckt. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass zum Laden der Sekundärzelle kein gemeinsamer Gleichrichter der Sekundärbatterie erfordert ist. Vorzugsweise kann eine Erweiterung der Sekundärbatterie um zumindest eine Sekundärzelle während des Ladevorgangs ohne Rücksicht auf die Leistungsfähigkeit bzw. Dimensionierung eines gemeinsamen Gleichrichters der Sekundärbatterie erfolgen. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen
Sekundärbatterie erhöht ist, indem jede Sekundärzelle einen eigenen
Stromrichter aufweist und insbesondere der Ausfall eines gemeinsamen Gleichrichters ohne Folge für den Ladevorgang der Sekundärzellen bleibt. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Sekundärbatterie während der
Versorgung eines Wechselstromverbrauchers um zumindest eine Sekundärzelle mit Stromrichterschaltung, insbesondere als Wechselrichterschaltung ausgebildet, erweiterbar bzw. reduzierbar. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass zum Versorgen eines Wechselstromverbrauchers kein gemeinsamer Wechselrichter der Sekundärbatterie erfordert ist. Vorzugsweise kann eine Erweiterung der Sekundärbatterie um zumindest eine Sekundärzelle während des Versorgungsbetriebs ohne Rücksicht auf die Leistungsfähigkeit bzw.
Dimensionierung eines gemeinsamen Wechselrichters der Sekundärbatterie erfolgen. Diese Ausführung bietet den Vorteil erhöhter Betriebssicherheit, indem jede Sekundärzelle einen eigenen Stromrichter aufweist und insbesondere der Ausfall eines gemeinsamen Gleichrichters ohne Folge für den
Versorgungsbetrieb bleibt.
Vorzugsweise erfolgt durch die Batteriesteuerung während des
Versorgungsbetriebs die Zuordnung einer Sekundärzelle aus der zweiten Gruppe zu der ersten Gruppe, wenn sich eine Sekundärzelle der ersten Gruppe in der Betriebsart Störung übergegangen ist, einen zu hohen Ladezustand oder einen zu geringen Ladezustand aufweist. Diese Ausführung bietet den Vorteil erhöhter Sicherheit während des Versorgungsbetriebs.
Vorzugweise zeichnet sich ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Sekundärbatterie durch das insbesondere periodische Versenden eines zweiten Signals an mehrere Sekundärzellen insbesondere einer ersten Gruppe aus, nachfolgend S8 genannt. Vorzugsweise dient dieses zweite Signal der phasengleichen Abgabe je eines Wechselstroms durch die Sekundärzellen. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass eine Wechselspannung zum
Versorgen eines Wechselstromverbrauchers bereitgestellt werden kann.
Vorzugsweise wird die Zahl der im Betriebszustand der Ruhe befindlichen Sekundärzellen, der zweiten Gruppe zugeordnet, mittels der Ausgabeeinrichtung ausgegeben. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass insbesondere ein Servicetechniker Kenntnis über die Reserven der Sekundärbatterie erhält, insbesondere die Anzahl der Sekundärzellen der zweiten Gruppe, welche im Versorgungsbetrieb zum Ersatz einer Sekundärzelle der ersten Gruppe herangezogen werden können.
Vorzugsweise ordnet die Batteriesteuerung zumindest eine erste und eine zweite Sekundärzelle zum gemeinsamen Schwingen zusammen. In dieser
Zusammenordnung wird eine vorbestimmte elektrische Ladung die ersten Sekundärzelle entnommen und im Wesentlichen der zweiten Sekundärzelle zugeführt und umgekehrt. Dabei sind Entladestrom der ersten Sekundärzelle und Ladestrom der zweiten Sekundärzelle im Wesentlichen phasengleich.
Etwaige Verluste werden mit Energiezufuhr aus dem Stromnetz ausgeglichen. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass das gemeinsame Schwingen einen geringen Energieaustausch mit der Umgebung und somit der geringen
Belastung des Stromnetzes ermöglicht. Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Sekundärzelle,
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Sekundärbatterie,
Fig. 3 die Sekundärbatterie gemäß Fig. 2 mit einer zweiten Gruppe von
Sekundärzellen und einer Zusatzzelle,
Fig. 4 die Sekundärbatterie gemäß Fig. 3 mit zwei Sekundärzellen in der
Betriebsart Störung,
Fig. 5 eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit einer
erfindungsgemäßen Sekundärbatterie,
Fig. 6 zeitliche Verläufe der elektrischen Ströme zweier erfindungsgemäßer
Sekundärzellen.
Fig.1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Sekundärzelle 1. Die Sekundärzelle 1 weist auf eine wiederaufladbare Elektrodenbaugruppe 2 in einer Umhüllung 3, ausgebildet als Verbundfolie, mit zwei Stromableitern 4, 4a, welche mit der Elektronenbaugruppe 2 verbunden sind. Die Sekundärzelle 1 weist eine elektronische Schaltung auf, welche die Funktionen der
Messeinrichtung 5, der Zellsteuereinrichtung 6 und der Stromrichterschaltung 8 beinhaltet. Die Messeinrichtung 5 weist auf einen Stromfühler 5a, einen
Spannungsfühler 5b und ein Thermoelement 5c zum Erfassen der Temperatur der Elektrodenbaugruppe 2. Die Zellsteuereinrichtung 6 ist zum Signalaustausch verbunden (gestrichelte Linie) mit dem Stromfühler 5a, dem Spannungsfühler 5b und dem Thermoelement 5c. Weiter steuert die Zellsteuereinrichtung 6 eine Stelleinrichtung 6a. Die Stelleinrichtung 6a, vereinfacht als Schalter dargestellt, dient insbesondere der Begrenzung eines elektrischen Stroms zwischen der Elektrodenbaugruppe 2 und den Stromableitern 4, 4a.
Die Stromableiter 4, 4a weisen als Zellkommunikationseinrichtung 7 Bereiche zum Kontaktieren der elektronischen Schaltung auf. Diese Bereiche sind unabhängig von den elektrischen Potenzialen der Elektrodenbaugruppe 2 und dienen dem Signalaustausch insbesondere mit der Zellsteuereinrichtung 6.
Gemäß einer nicht dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist die
Zellkommunikationseinrichtung 7 für den Signalaustausch mittels Funk ausgebildet. Die Strom richterschaltung 8 weist sowohl eine Gleichrichterschaltung als auch eine Wechselrichterschaltung auf. Vorteilhaft kann die Sekundärzelle 2 mit Wechselstrom geladen werden. Vorteilhaft kann die Sekundärzelle 2 eine Wechselspannung zur Verfügung stellen.
Die dargestellte Sekundärzelle 2 weist eine Nennladekapazität von 20 Ah, eine Nennspannung von 3,7 V sowie Lithiumionen auf.
Fig.2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Sekundärbatterie 21 . Die Sekundärbatterie 21 weist auf eine Batteriesteuerung 22, eine Ausgabeeinrichtung 23, zwei elektrische Anschlüsse 24a, 24b außerhalb Batteriegehäuses sowie eine Anzahl von Sekundärzellen 1 , 1 a auf. Die Sekundärzellen 1 , 1 a bzw. deren Stromableiter 4, 4a sind mittels der
Stromführungseinrichtungen 25a, 25b mit den elektrischen Anschlüssen 24a, 24b verbunden.
Über den Datenbus 26 ist die Batteriesteuerung 22 mit den Sekundärzellen 1 , 1 a und mit der Ausgabeeinrichtung 23 signalverbunden. Über den Datenbus 26 werden erste und zweite Signale zwischen der Batteriesteuerung 22 und den Sekundärzellen 1 , 1 a ausgetauscht.
Gemäß einer nicht dargestellten bevorzugten Ausführungsform der
Sekundärbatterie 21 erfolgt der Austausch von Signalen zwischen der zwischen der Batteriesteuerung 22 und den Sekundärzellen 1 , 1 a drahtlos innerhalb des Batteriegehäuses. Die Batteriesteuerung ist aus mindestens einer Sekundärzelle versorgt.
Fig.3 zeigt die vorgenannte Sekundärbatterie 21 , deren Sekundärzellen 1 , 1 a, 1 b von der Batteriesteuerung 22 einer ersten Gruppe oder einer zweiten Gruppe zugeordnet sind. Die Sekundärzellen der ersten Gruppe, beispielhaft die
Sekundärzelle 1 , sind für den Versorgungsbetrieb vorgesehen. Die
Sekundärzellen der zweiten Gruppe dienen als Reserve, beispielhaft die
Sekundärzelle 1 b. Die Sekundärzelle 1 a ist der ersten Gruppe als Zusatzzelle zugeordnet, wodurch die Summenspannung der Reihenschaltung der
Sekundärzellen die Batterienennspannung überschreitet.
Die Sekundärzellen 1 , 1 a, 1 b sind mit Gleichrichterschaltung und
Wechselrichterschaltung ausgebildet. Vorteilhaft ist die Sekundärbatterie 21 zur Versorgung eines Wechselstromverbrauchers geeignet. Vorteilhaft kann die Sekundärbatterie 21 bzw. deren Sekundärzellen aus einem Wechselstromnetz geladen werden.
Die Sekundärbatterie 21 wird so betrieben, dass insbesondere die
Sekundärzellen der zweiten Gruppe von der jeweiligen Zellsteuereinrichtung periodisch in die Betriebsart Schwingen überführt werden. Vorteilhaft wird der Austausch vorbestimmter elektrischer Ladungen eine Alterung der
Sekundärzellen der zweiten Gruppe entgegen.
Bevorzugt sind je zwei Sekundärzellen der zweiten Gruppe, beispielhaft die Sekundärzellen 1 a und 1 b, nachfolgend Zellpaar genannt, von der Batteriesteuerung 22 zum Schwingen, d.h. zum gegenseitigen Austausch vorbestimmter elektrischer Ladung gepaart. Dazu versendet die Batteriesteuerung 22 jeweils zweite Signale an die Zellsteuereinrichtungen des
Zellpaares, worauf die getakteten elektrischen Ströme um 180° phasen- verschoben sind. Dabei stellt die erste Sekundärzelle 1 a des Zeltpaares der zweiten Sekundärzelle 1 b während eines ersten Takts eine vorbestimmte elektrische Ladung zur Verfügung. Die zweite Sekundärzelle 1 b nimmt die vorbestimmte elektrische Ladung im Wesentlichen auf. Während eines anderen Takts stellt die zweite Sekundärzelle 1 b die vorbestimmte elektrische Ladung zur Verfügung und die erste Sekundärzelle 1 a nimmt diese Ladung im Wesentlichen auf.
Fig.4 zeigt die vorgenannte Sekundärbatterie 21 mit zwei Sekundärzellen 1 c, 1 d in der Betriebsart Störung. Deren Zeltsteuereinrichtungen sendeten erste
Signale an die Batteriesteuerung 22. Darauf ordnet die Batteriesteuerung 22 zwei Sekundärzellen 1 a, 1 b, zuvor der zweiten Gruppe zugehörig, der ersten Gruppe zu. Die verbleibende Sekundärzelle 1 a wird zur Zusatzzelle. Die
Batteriesteuerung 22 veranlasst die Ausgabeeinrichtung 23, die Reserve, d.h. die Zahl der Sekundärzellen der zweiten Gruppe, als aufgebraucht anzugeben. Vorteilhaft erfährt insbesondere ein Servicetechniker von der aufgebrauchten Reserve und kann Abwehrmaßnahmen ergreifen, insbesondere die gestörten Zellen auswechseln.
Fig.5 zeigt eine unterbrechungsfreie Stromversorgung 50, nachfolgend USV genannt, mit einer erfindungsgemäßen Sekundärbatterie 21 . Die USV 50 weist einen Wechselstromeingang auf. Die USV 50 ist zwischen dem
Wechselstromeingang und dem Verbraucher geschaltet und versorgt einen Wechselstromverbraucher 40, hier als Elektromotor dargestellt. Die
Ausgabeeinrichtung 23 der Sekundärbatterie 21 ist zur Außenseite der USV 50 geführt. Mit Ausbildung der Sekundärzellen jeweils mit Stromrichterschaltung kann die Sekundärbatterie 21 vorteilhaft zu einer platzsparenden USV 50 für
Wechselstromverbraucher erhelfen. Mit dem erfindungsgemäßen Betrieb der erfindungsgemäßen Sekundärzellen bzw. der Sekundärbatterie 21 , der
Einführung der zweiten Gruppe von Sekundärzellen bzw. Reserve und der
Ausgabeeinrichtung 23 ist die ist die Sicherheit des Versorgungsbetriebs eines Wechselstromverbrauchers, insbesondere einer Herz-Lungen-Maschine in einem OP erhöht.
Nicht dargestellt ist, dass die erfindungsgemäße Sekundärbatterie 21 als Energiespeicher einer Anlage dient, welche Energie insbesondere aus
Sonnenlicht, aus einer Strömung eines Fluids, insbesondere einer Luftströmung oder einer Wasserströmung oder aus einem Temperaturgradienten aufnimmt und elektrische Energie bereitstellt. Besonders bevorzugt ist diese Anlage als Sonnenwärmekraftwerk, als Wind- oder Wasserkraftwerk, als
Photovoltaikanlage oder als Parabolrinnenkraftwerk ausgebildet.
Fig.6 zeigt zeitliche Verläufe der elektrischen Ströme zweier erfindungsgemäßer Sekundärzellen in der Betriebsart„Schwingen" zwischen Gleichrichterschaltung und Elektrodenbaugruppe. Die Strom-Zeit-Verläufe zeichnen sich durch
Intervalle der Stromzufuhr und der Stromentnahme aus. Der obere und untere Strom-Zeit- Verlauf sind phasenverschoben, insbesondere getaktet, so dass eine erste Sekundärzelle zeitgenau eine vorbestimmte elektrische Ladung zur Aufnahme durch eine zweite Sekundärzelle zur Verfügung stellt und umgekehrt. Unterschiede der Flächeninhalte der einzelnen Strompulse sind insbesondere zum Ausgleich von elektrischen Verlusten bei der Wandlung von chemischer in elektrische Energie (und umgekehrt) begründet. Diese elektrischen Verluste werden vorteilhaft durch Energiezufuhr aus einem Stromnetz ausgeglichen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Elektrochemische Energiespeichereinrichtung (1), nachfolgend
Sekundärzelle genannt, zumindest aufweisend:
• eine wiederaufladbare Elektrodenbaugruppe (2), welche vorgesehen ist, zumindest zeitweise elektrische Energie insbesondere einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen,
• eine Umhüllung (3), welche vorgesehen ist, die Elektrodenbaugruppe (2) zumindest teilweise zu umgeben,
• einen oder mehrere Stromableiter (4, 4a) insbesondere
unterschiedlicher Polarität, welche sich zumindest teilweise aus der Umhüllung (3) erstrecken und welche zum Austausch von Elektronen mit der Elektrodenbaugruppe (2) vorgesehen sind,
• eine Messeinrichtung (5), welche vorgesehen ist, zumindest zeitweise ein Signal zur Verfügung zu stellen, wobei das Signal repräsentativ für einen Betriebsparameter der Sekundärzelle (1 ) ist, insbesondere für einen Betriebsparameter der Elektrodenbaugruppe (2),
• eine Zellsteuereinrichtung (6), welche vorgesehen ist, den Austausch von Elektronen mit der Elektrodenbaugruppe (2) zu steuern, ein Signal der Messeinrichtung (5) zu empfangen und/oder der
Elektrodenbaugruppe (2) zeitweise eine vorbestimmte elektrische Ladung zuzuführen und/oder zu entnehmen.
Sekundärzelle gemäß dem vorherigen Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass
• die Messeinrichtung (5) einen Stromfühler (5a) aufweist,
insbesondere zum Erfassen eines Stroms in die Elektrodenbaugruppe (2) oder aus der Elektrodenbaugruppe (2) heraus, wobei der
Stromfühler (5a) vorzugsweise als Magnetfeldsensor ausgebildet ist,
• die Messeinrichtung (5) einen Spannungsfühler (5b) aufweist,
insbesondere zum Erfassen der elektrischen Spannung der
Elektrodenbaugruppe (2),
• die Messeinrichtung (5) auf der Elektrodenbaugruppe (2) gedruckt oder abgeschieden ist,
• eine Zellkommunikationseinrichtung (7) insbesondere zur
Informationsübertragung zwischen der Zellsteuereinrichtung (6)und einer übergeordneten Steuerung, insbesondere einer
Batteriesteuerung (22) vorgesehen ist,
• die Zellsteuereinrichtung (6) vorgesehen ist, zumindest zeitweise den Innenwiderstand der Elektrodenbaugruppe (2) zu bestimmen, und/oder
• die Zellsteuereinrichtung (6) innerhalb der Umhüllung (3) angeordnet ist.
Sekundärzelle (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellsteuereinrichtung (6) eine Stromrichterschaltung (8) aufweist, wobei die Stromrichterschaltung (8) vorzugsweise als Gleichrichterschaltung (8a) und/oder als Wechselrichterschaltung (8b) ausgebildet ist.
Sekundärzelle (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Elektrodenbaugruppe (2) Lithium-Ionen aufweist, insbesondere für eine mindeste Energiedichte der Sekundärzelle (1 ), die Sekundärzelle (1 ) zumindest zeitweise eine elektrische Spannung, nachfolgend Zellspannung genannt, von zumindest 3,2 V aufweist, die Sekundärzelle (1 ) vorgesehen ist, zumindest zeitweise einen elektrischen Strom von mindestens 50 A abzugeben, die Sekundärzelle (1 ) vorgesehen ist, bei einer
Umgebungstemperatur zwischen 10°C und 30°C betrieben zu werden, und/oder die Sekundärzelle (1 ) vorgesehen ist, eine Mindestladung von zumindest 5 Ah aufzunehmen.
Sekundärzelle (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenbaugruppe (2) zumindest einen zwischen zwei Elektroden verschiedener Polarität angeordneten
Separator aufweist, wobei der Separator nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, und welcher aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger besteht, wobei der Träger vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist, wobei als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger vorzugsweise ein organisches Material verwendet wird, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist, wobei das organische Material vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein
Polyethylenterephthalat (PET) umfasst, wobei das organische Material mit einem anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden Material beschichtet ist, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von - 40° C bis 200° C ionenleitend ist, wobei das anorganische Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate wenigstens eines der Elemente Zr, AI, Li umfasst, besonders bevorzugt Zirkonoxid, und wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm aufweist. Sekundärzelle (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
gekennzeichnet durch die Betriebszustände:
• Aufladen, wobei der Sekundärzelle (1 ) elektrische Energie zugeführt wird,
• Ruhe, wobei mit der Sekundärzelle (1) keine elektrische Energie
ausgetauscht wird,
• Entladen, wobei der Sekundärzelle (1 ) elektrische Energie
entnommen wird, insbesondere zum Versorgen eines Verbrauchers (40),
• Schwingen, wobei der Sekundärzelle (1 ) insbesondere wiederholt eine vorbestimmte elektrische Ladung zugeführt wird und anschließend entnommen wird,
• Störung, wobei die Sekundärzelle (1) für einen Austausch von Energie nicht verfügbar ist,
• vorzugsweise Senden, wobei ein erstes Signal zur Verfügung gestellt, insbesondere gesendet wird, welches repräsentativ für einen
Betriebsparameter und/oder den Betriebszustand der Sekundärzelle (1 ) ist.
Energieversorgungsvorrichtung (21 ), nachfolgend Sekundärbatterie genannt, zur insbesondere unterbrechungsfreien Stromversorgung zumindest eines Verbrauchers (40),
mit zwei oder mehr Sekundärzellen (1 , 1a) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sekundärzellen (1 , 1a) miteinander verschaltet sind,
mit einer Batteriesteuerung (22), welche vorgesehen ist, zumindest zeitweise ein zweites Signal mit zumindest einer der
Zellsteuereinrichtungen (6, 6a) auszutauschen. Sekundärbatterie (21 ) gemäß dem vorherigen Anspruch, gekennzeichnet durch
eine Batterienennspannung von zumindest 100 V, insbesondere zumindest 100 V Wechselspannung,
eine Vielzahl von Sekundärzellen (1 , 1a), wobei zumindest einige der Sekundärzellen (1 , 1a) insbesondere in Reihe geschaltet sind, wobei die Summe der Zellspannungen, nachfolgend Summenspannung genannt, insbesondere der in Reihe geschalteten Sekundärzellen (1 , 1a) zumindest so groß ist, wie die Batterienennspannung, wobei
vorzugsweise der Bruch aus Summenspannung über der
Batterienennspannung wenigstens 1 ,01 beträgt.
Sekundärbatterie (21 ) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise eine erste Gruppe der Sekundärzellen (1 , 1 a) den Betriebszustand Entladen und eine zweite Gruppe der Sekundärzellen (1 , 1a) den Betriebszustand Ruhe aufweist.
Sekundärbatterie (21 ) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9,
gekennzeichnet durch eine Ausgabeeinrichtung (23), welche vorgesehen ist, zumindest zeitweise einen Hinweis auf das Verhältnis aus
Summenspannung über der Batterienennspannung, insbesondere auf die Zahl der im Betriebszustand der Ruhe befindlichen Sekundärzellen (1 , 1a) auszugeben, wobei vorzugsweise die Ausgabeeinrichtung (23) einstückig mit der Batteriesteuerung (22) ausgebildet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Sekundärzelle (1 , 1a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die folgenden Betriebsarten, welche insbesondere mittels der Zellsteuereinrichtung (6) gesteuert sind:
(B1 ) Ruhen, wobei die Sekundärzelle (1 , 1 a) mit der Umgebung keine elektrische Ladung austauscht, (B2) Entladen, wobei der Sekundärzelle (1 , 1a) elektrische Ladung entnommen wird, insbesondere zum Versorgen eines
Verbrauchers (40),
(B3) Schwingen, wobei der Sekundärzelle (1 , 1 a) wiederholt eine
vorbestimmte elektrische Ladung zugeführt und entnommen wird,
(B4) Senden eines ersten Signals, insbesondere an die
Batteriesteuerung (22), wobei das erste Signal repräsentativ für einen Betriebsparameter und/oder den Betriebszustand der Sekundärzelle (1 , 1 a) ist.
Verfahren zum Betrieb einer Sekundärbatterie (21) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch die Schritte:
(55) Empfangen zumindest eines ersten Signals von zumindest einer Sekundärzelle (1 , 1 a), wobei das erste Signal repräsentativ für einen Betriebsparameter und/oder den Betriebszustand der Sekundärzelle (1 , 1a) ist,
(56) Bestimmen insbesondere der Anzahl der Sekundärzellen (1 , 1a), insbesondere abhängig S5, welche zum Bereitstellen der
Batterienennspannung erforderlich sind,
(57) Senden eines zweiten Signals, insbesondere abhängig von S6, an zumindest eine Sekundärzelle (1 , 1a), wobei diese Sekundärzelle (1 , 1a) auf das zweite Signal von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand übergeht.
Verfahren gemäß Anspruch 12, gekennzeichnet durch die Schritte:
(58) Senden eines zweiten Signals an zumindest eine Sekundärzelle (1 , 1a), wobei die Sekundärzelle (1 , 1a) insbesondere eine Wechselspannung zur Verfügung stellt, (S9) Ausgeben der Zahl der im Betriebszustand Ruhe befindlichen Sekundärzellen (1 , 1a), und/oder
(S10) Schwingen einer ersten Sekundärzelle (1) und einer zweiten
Sekundärzelle (1 a), wobei eine vorbestimmte elektrische Ladung einer der ersten (1 ) oder zweiten Sekundärzelle (1a) entnommen und der anderen der ersten (1) oder zweiten Sekundärzelle (1a) zumindest teilweise zugeführt wird.
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