WO2023041551A1 - Fahrzeug mit einem elektrischen energiespeicher - Google Patents

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WO2023041551A1
WO2023041551A1 PCT/EP2022/075474 EP2022075474W WO2023041551A1 WO 2023041551 A1 WO2023041551 A1 WO 2023041551A1 EP 2022075474 W EP2022075474 W EP 2022075474W WO 2023041551 A1 WO2023041551 A1 WO 2023041551A1
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electrical energy
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Robert Alig
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a vehicle with an electrical energy store.
  • An electrical energy store is an electrochemical-based energy store that is rechargeable and adapted to store electrical energy and make it available to consumers, in particular consumers in a vehicle, for example an electric motor of the vehicle.
  • Electrical energy stores usually include a plurality of electrochemical storage cells which are electrically connected to one another in series and/or in parallel.
  • Vehicles with at least partially electrically operated drives that use electrical energy stores to supply an electric motor are known in the prior art.
  • the performance characteristics of such vehicles are essentially determined by the cell chemistry used in the electrical energy storage device.
  • cell chemistry refers to the selected combination of materials within an electrochemical storage cell, in particular the type of materials used in the cathode and the anode and, if applicable, an electrolyte of the electrochemical storage cell.
  • a crucial parameter when choosing a suitable cell chemistry is the achievable energy density, i. H. the achievable capacity of the electrochemical store in relation to the volume or the weight of the electrical energy store.
  • SoC state of charge
  • DE 10 2014 018 445 A1 discloses a battery which comprises at least two cell groups which are electrically connected to one another and which have different types of cell chemistry, as well as a method for operating this battery.
  • the cell groups have different voltage levels and are switched on or off depending on the temperature profile that occurs and/or the power requirement. Thus, only an optimization of the properties of the battery takes place with regard to thermal loads that occur.
  • the object of the invention is to provide a vehicle with a powerful electrical energy store that can be used flexibly.
  • the object is achieved by a vehicle with an electrical energy storage device comprising a first partial storage device for electrical energy and a second partial storage device for electrical energy, the first partial storage device and the second partial storage device being electrically connected to one another by means of a switching arrangement.
  • the first partial memory and the second partial memory each comprise at least one electrochemical storage cell, the at least one electrochemical storage cell of the first partial memory having a stability-optimized cell chemistry and the at least one electrochemical storage cell of the second partial memory having a performance-optimized cell chemistry.
  • the vehicle according to the invention thus has an electrical energy store which is adapted to various applications and situations during operation of the vehicle through the combination of a stability-optimized and a performance-optimized cell chemistry.
  • stable-optimized cell chemistry refers here and in the following to a cell chemistry that is characterized by high cycle stability and high intrinsic safety.
  • an electrochemical storage cell with a stability-optimized cell chemistry there is at least a reduced risk of thermal runaway, even in the event of mechanical damage to such an electrochemical storage cell.
  • a thermal runaway of an electrochemical storage cell with stability-optimized cell chemistry is preferably excluded.
  • Whether a cell chemistry is a stability-optimized cell chemistry can be checked using the so-called nail penetration test.
  • a nail with a diameter of, for example, 3 mm is moved at a speed of, for example, 8 cm per second along the Z direction through the memory cell to be tested, the memory cell being completely penetrated in the Z direction.
  • performance-optimized cell chemistry refers to a cell chemistry that is characterized by a high energy density and/or the possibility of being able to provide large amounts of energy in a short time, in particular by a high energy density.
  • the electrical energy store is in particular a lithium-ion battery.
  • lithium ion battery is used here and in the following as a synonym for all terms commonly used in the prior art for lithium-containing galvanic elements and cells, such as lithium battery, lithium cell, lithium ion cell, lithium polymer cell and lithium ion cell. Accumulator. Specifically, rechargeable batteries (secondary batteries) are included.
  • the first partial memory and the second partial memory can be distributed in the vehicle.
  • the first partial memory and the second partial memory do not have to have a common battery housing.
  • Each of the sub-storage devices can also include sub-units, each of which has at least one electrochemical storage cell of the respective cell chemistry.
  • the sub-units of the partial memories can also be distributed in the vehicle. In this way, the space available in the vehicle can be optimally utilized so that the overall capacity of the electrical energy storage can be further increased with the same design of the vehicle.
  • the switching arrangement is set up to electrically interconnect the subunits of the sub-memories.
  • the switching arrangement enables the first and second partial memories to be connected in series and/or in parallel.
  • the switching arrangement is used to determine which electrochemical storage cells of the electrical energy storage device make electrical energy available and how these interact.
  • the at least one electrochemical storage cell of the first partial storage device can be arranged in an impact arrangement of the vehicle.
  • impact arrangement means a component of the vehicle which is arranged in such a way that in the event of an accident deformation of this component is to be expected. Such a component is also referred to as a crash-relevant component.
  • the use of a stability-optimized cell chemistry enables the use of electrochemical storage cells in such components without increasing the risk of thermal runaway in the event of an accident. In this way, the total capacity of the electrical energy store can be increased further than would be possible if only the second partial store were used. In other words, additional capacity is developed by means of the first partial store in installation spaces of the vehicle that were previously unusable for the arrangement of electrochemical storage cells.
  • Such components can be, for example, a roof, wheel wells, a component on the underside of the rear and/or a component in the vicinity of a bulkhead of the vehicle.
  • the impact arrangement has a cavity or intermediate space in which the at least one electrochemical storage cell of the first partial store is arranged.
  • the impact arrangement is a side sill of a battery housing of the second partial accumulator.
  • Side skirts of this type also referred to as crash frames, are on the outside of the battery housing arranged and are designed, for example, as a hollow profile or honeycomb structure.
  • side skirts of this type are intended to deform instead of the actual battery housing, so that at most a reduced, in particular no, mechanical load acts on the electrochemical storage cells inside the battery housing.
  • the cavities present in the side sill can be filled with electrochemical storage cells of the first partial storage unit, since these do not cause any thermal runaway even if a deformation occurs. The achievable total capacity of the electrical energy store can thus be increased.
  • the stability-optimized cell chemistry is at the same time a cost-optimized cell chemistry.
  • the electrochemical storage cells of the first partial storage are cheaper than the electrochemical storage cells of the second partial storage. In this way it is possible that in the event of an accident only cheaper storage cells are affected by their arrangement in the impact arrangement, while at the same time the more expensive, performance-optimized cell chemistry can be protected and is not subject to any or at least only a lower mechanical load.
  • the at least one electrochemical storage cell of the first partial storage device preferably has an electrode with a cathode active material which comprises a compound with an olivine structure.
  • Such olivine compounds have rapid and reversible kinetics for the incorporation of lithium ions, resulting in high current carrying capacity and advantageous low-temperature behavior of the electrical energy store. It is of particular advantage that compounds with an olivine structure are very stable, have a high cycle stability and enable a high intrinsic safety of the electrical energy store.
  • the compound with olivine structure is, for example, iron phosphate, iron manganese phosphate, iron cobalt phosphate, iron manganese cobalt phosphate, manganese cobalt phosphate, cobalt phosphate, nickel phosphate, cobalt nickel phosphate, Iron nickel phosphate, iron manganese nickel phosphate, manganese nickel phosphate, nickel phosphate, or combinations thereof.
  • the connection with Olivine structure can also be any of the substances mentioned in connection with lithium.
  • the olivine structure compound is lithium iron phosphate (also referred to as “LFP”).
  • LFP has excellent cycle stability and stability.
  • electrochemical storage cells using LFP as cathode active material do not suffer from thermal runaway when mechanically damaged.
  • the at least one electrochemical storage cell of the second partial storage device preferably has an electrode with a cathode active material that includes a layered oxide.
  • the layered oxide can contain nickel and cobalt, in particular the layered oxide is a nickel-manganese-cobalt compound and/or a nickel-cobalt-aluminum compound.
  • the layered oxide can also contain other metals, as is known in the prior art.
  • the layer oxide can contain doping metals, for example magnesium, aluminum, tungsten, chromium, titanium or combinations thereof.
  • NMC Lithium-nickel-manganese-cobalt compounds are also known under the abbreviation NMC, occasionally also under the technical abbreviation NCM.
  • NMC has an advantageous combination of desirable properties, for example a high specific capacity, a reduced cobalt content and a high current capability.
  • Certain stoichiometries are given in the literature as triples of numbers, for example NMC 811, NMC 622, NMC 532 and NMC 111.
  • the triple of numbers indicates the relative nickel:manganese:cobalt content in each case.
  • lithium- and manganese-rich NMCs with the general formula unit Lii + £ (NixMn y Coz) i- £ O2 can be used, where £ is in particular between 0.1 and 0.6, preferably between 0.2 and 0, 4.
  • These lithium-rich layered oxides are also known as Overlithitated (Layered) Oxides (OLO).
  • the ratio of the capacity of the first partial memory to the capacity of the second partial memory can be in the range from 1:1.5 to 1:15.
  • the second partial memory which has a performance-optimized cell chemistry
  • the first partial memory which has a stability-optimized cell chemistry.
  • the volume or weight-related capacity losses can be reduced by using a stability-optimized cell chemistry, while the overall capacity of the electrical energy store remains high.
  • known vehicles which only have an electrical energy store in accordance with the second part store can be supplemented by a first part store.
  • the capacity of the first partial memory is designed such that the vehicle can cover the average distance that a user of the vehicle travels in one day purely by using the first partial memory, for example a distance in the range from 20 to 60 km.
  • the capacity of the first partial storage device is in particular in the range from 10 to 50 kWh.
  • the second partial memory can be a range extender of the first partial memory when the switching arrangement is in a first operating mode.
  • the second partial memory does not make its power directly available to a consumer of the vehicle in the first operating mode of the switching arrangement. Instead, the second partial memory is only used to load the first partial memory. In this way, the number of complete charging and discharging cycles through which the second partial memory runs can be reduced since the first partial memory is preferably used.
  • the electrical energy storage device can be set up such that the power provided by the electrical energy storage device is provided exclusively by the first partial storage device or by the second partial storage device when the switching arrangement is in a second operating mode.
  • the second sub-memory is used when there is a high power requirement, for example during an acceleration process of the vehicle, while the first sub-memory is otherwise used in order to utilize its high cycle stability.
  • the electrical energy store can have a composite charge-discharge curve when the switching arrangement is in a third operating mode, the composite charge-discharge curve having a first charge range, in which the power of the electrical energy store is specified by the first partial store, and a second charge range , In which the performance of the electrical energy storage device is specified by the second partial storage device.
  • FIG. 1 is a perspective view of a schematic representation of a vehicle according to the invention with an electrical energy store;
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through a second partial store of the electrical energy store from FIG. 1 ;
  • FIG. 3 shows a basic circuit diagram of a switching arrangement of the electrical energy store from FIG. 1 , which describes a first operating mode of the switching arrangement;
  • FIG. 4 shows a basic circuit diagram of the switching arrangement of the electrical energy store from FIG. 1, which describes a second operating mode of the switching arrangement;
  • FIG. 5 shows a charging curve of the electrical energy store when the switching arrangement is operated in the second operating mode
  • FIG. 6 shows a basic circuit diagram of the switching arrangement of the electrical energy store from FIG. 1, which describes a third operating mode of the switching arrangement
  • FIG. 7 shows a charging curve of the electrical energy store when the switching arrangement is operated in the third operating mode.
  • FIG. 1 shows a vehicle 10 according to the invention, which is an electric vehicle, also referred to as “BEV” (for “Battery Electric Vehicle”).
  • BEV Battery Electric Vehicle
  • the vehicle 10 can also be a vehicle that is only partially or temporarily electrically operated.
  • the vehicle 10 has an electrical energy storage device 12, which includes a first partial storage device 14 for electrical energy and a second partial storage device 16 for electrical energy.
  • Both the first partial memory 14 and the second partial memory 16 have at least one electrochemical storage cell 18 or 20 (cf. FIG. 3).
  • the first partial store 14 and/or the second partial store 16 usually comprises a large number of Memory cells 18 and 20 (cf. FIG. 6), which are connected in series and/or in parallel with one another.
  • the memory cells 18 of the first partial memory 14 have a stability-optimized cell chemistry, ie a cell chemistry that is characterized by high cycle stability and high intrinsic security.
  • the storage cells 18 have an electrode with lithium iron phosphate (LiFePCU, also referred to as “LFP”) as the cathode active material.
  • LFP is characterized in particular by its intrinsic safety, so that no so-called “thermal runaway” is to be expected even in the event of mechanical damage to a storage cell 18 with LFP as the active cathode material.
  • the storage cell 18 of the first partial storage 14 can also have a different stability-optimized cell chemistry, for example the cathode active material can be a different compound with an olivine structure.
  • the memory cells 20 of the second partial memory 16 have a performance-optimized cell chemistry, that is to say a cell chemistry that is characterized by a high energy density.
  • the memory cells 20 have a nickel manganese cobalt oxide (also referred to as “NMC”) electrode.
  • NMC nickel manganese cobalt oxide
  • the memory cells 20 of the second partial memory 16 can also have a different performance-optimized cell chemistry, for example using a different layer oxide as the cathode active material, such as nickel-cobalt aluminum oxide (also referred to as “NCA”).
  • a different layer oxide as the cathode active material, such as nickel-cobalt aluminum oxide (also referred to as “NCA”).
  • NCA nickel-cobalt aluminum oxide
  • the first sub-memory 14 comprises a plurality of sub-units 22.
  • the sub-units 22 are spatially distributed within the vehicle 10. It goes without saying that the sub-units 22 can alternatively also be arranged spatially close to one another inside the vehicle, for example in a common housing.
  • Two of the sub-units 22 of the first sub-reservoir 14 shown in FIG. 1 are arranged in impact arrangements 24 of the vehicle 10, with a first sub-unit 22 being provided near a front 26 of the vehicle 10 and a second sub-unit 22 being provided near a rear 28 of the vehicle 10.
  • the sub-units 22 of the first partial memory 14 are accommodated in components of the vehicle 10 which, in the event of an accident, can be expected to undergo mechanical deformation. Such components are therefore also referred to as crash-relevant components.
  • the second partial memory 16 is arranged near a vehicle underbody 30 in a section 32 which should not suffer any mechanical deformation even in the event of an accident.
  • FIG. 2 shows a cross section through the second partial memory 16 along a transverse direction Q of the vehicle.
  • the second partial memory 16 has a plurality of sub-units 34 which each have a large number of memory cells 20 of the second partial memory 16 and are designed as cell modules.
  • the sub-units 34 are arranged inside a battery housing 36 of the second partial memory 16 .
  • the battery housing 36 also has side sills 38 which are designed as a hollow profile and extend on opposite side faces of the battery housing 36 parallel to a longitudinal direction L of the vehicle over essentially the entire length of the battery housing 36 .
  • the side skirts 38 serve as an additional impact arrangement 24, which can suffer mechanical deformation in the event of an accident without that a mechanical load acts on the memory cells 20 of the second partial memory 16 .
  • sub-units 22 of the first partial storage unit 14 are provided inside the side sill 38, i.e. several storage cells 18 of the first partial storage unit 14 are arranged in the hollow profile of the side sill 38.
  • the storage cells 18 of the first partial storage device 14 can be arranged in different cavities or intermediate spaces of impact systems 24 of the vehicle 10 .
  • the vehicle 10 according to the invention can thus achieve optimum utilization of the available installation space with regard to the achievable total capacity of the electrical energy store 12 without negatively influencing its intrinsic safety.
  • the first partial memory and the second partial memory are electrically interconnected by means of a switching arrangement 40, a basic circuit diagram of the switching arrangement 40 being shown in FIG. 3, which describes a first operating mode of the switching arrangement 40.
  • the switching arrangement 40 comprises a first switching device 42, a second switching device 44 and a DC/DC converter 46.
  • the first switching device 42 serves to connect and disconnect the memory cells 18 of the first partial memory 14 (cf. Fig. 1) and the second switching device 44 to connect and disconnect the memory cells 20 of the second partial memory 16.
  • FIG. 3 only a single memory cell 18 or 20 is shown in each case for the sake of simplicity. It goes without saying that there can also be a plurality of memory cells 18 or 20 which are connected to one another in series and/or in parallel.
  • a consumer 48 in FIG. 3 an electric motor M, which is set up to drive the vehicle 10, and a charge source 50, in FIG. 3 a charging connection shown schematically. If the first switching device 42 is switched on, either current is discharged from the storage cells 18 to the electric motor M, i.e. the storage cells 18 are discharged, or current is supplied to the storage cells 18 via the charge source 50, i.e. the storage cells 18 are charged.
  • the memory cell 20 of the second partial memory 16 is connected using the second switching device 44 , its voltage level is converted to the voltage level of the first memory cell 18 using the DC/DC converter 46 . This makes it possible for the second partial memory 16 to be used as a range extender for the first partial memory 14 .
  • the memory cell 18 of the first partial memory 14 is switched off via the first switching device 42 and the memory cell 20 of the second partial memory 16 is switched on via the second switching device 44 .
  • FIG. 4 shows a basic circuit diagram of the switching arrangement 40 which describes a second operating mode of the switching arrangement 40 .
  • first switching device 42 and second switching device 44 are connected to load 48 or charge source 50 via a third switching device 47, with either memory cell 18 of first partial memory 14 or memory cell 20 of second partial memory 16 being connected to consumer 48 or the charge source 50 is connected.
  • the power provided by the electrical energy store 12 is provided exclusively by the first part store 14 or by the second part store 16 in the second operating mode of the switching arrangement 40 .
  • FIG. 5 shows an exemplary charging curve that can be achieved with the configuration of the switching arrangement 40 according to FIG.
  • the charging curve shows the course of the open circuit voltage OCV as a function of the state of charge (SoC).
  • SoC state of charge
  • the flat course of the charging curve makes it difficult to reliably determine the current SoC.
  • the combination of stability-optimized and performance-optimized cell chemistry makes it possible to calibrate an estimator (not shown) used to determine the state of charge in the transition between the first and second charge area Li or L2 or in the second charge area L2.
  • FIG. 6 A basic circuit diagram of the switching arrangement 40 is shown in FIG. 6, which describes a third operating mode of the switching arrangement 40.
  • first partial memory 14 and the second partial memory 16 are connected to one another in parallel. Furthermore, the first partial memory 14 and the second partial memory 16 have a plurality of memory cells 18 or 20 connected to one another in series, the respective number of memory cells 18 or 20 being selected such that the charge-discharge curves of the two partial memories 14 and 16 intersect.
  • FIG. 7 shows the profile of a charging curve of six memory cells 18 based on LFP that are connected to one another in series, and a charging curve of five memory cells 20 based on NMC that are connected to one another.
  • the voltage difference between the charging curves initially decreases up to a crossing point and then increases again, as illustrated by arrows in FIG. 7 .
  • the crossing point is at an SoC of around 89%.
  • the electrical energy storage 12 can be operated based on a composite charge-discharge curve, wherein the resulting charge-discharge curve in the charge area Li is specified by the memory cells 18 of the first partial memory 14 and in the charge area L2 by the memory cells 20 of the second partial memory 16.
  • the course of the charging curves shown in FIG. 7 shows that the first partial memory 14 only specifies the beginning, but not the end, of the resulting charging curve and the second partial memory 16 only specifies the end, but not the beginning of the resulting charging curve.
  • the number of phase transitions to which the respective cell chemistry of the first partial memory 14 or of the second partial memory 16 is subject during repeated charging and discharging processes can be reduced, since at most one phase transition per cell chemistry is to be expected per charging/discharging cycle.
  • the switching arrangement 40 shown in Fig. 6 also has a fourth switching device 52, which can connect or disconnect the series circuit of the memory cells 18 of the first partial memory 14 with the load 48 or the charge source 50 and with the parallel-connected second partial memory 16.
  • only a single storage cell 18 can also be connected by means of the first switching device 42 .

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Abstract

Ein Fahrzeug (10) mit einem elektrischen Energiespeicher (12) umfasst einen ersten Teilspeicher (14) für elektrische Energie und einen zweiten Teilspeicher (16) für elektrische Energie, wobei der erste Teilspeicher (14) und der zweite Teilspeicher (16) mittels einer Schaltanordnung elektrisch miteinander verschaltet sind. Der erste Teilspeicher (14) und der zweite Teilspeicher (16) umfassen jeweils zumindest eine elektrochemische Speicherzelle, wobei die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle des ersten Teilspeichers (14) eine stabilitätsoptimierte Zellchemie und die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle des zweiten Teilspeichers (16) eine leistungsoptimierte Zellchemie aufweist, und wobei die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle (18) des ersten Teilspeichers (14) in einer Aufprallanordnung (24) des Fahrzeugs (10) angeordnet ist.

Description

Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher.
Ein elektrischer Energiespeicher ist ein Energiespeicher auf elektrochemischer Basis, der wiederaufladbar ist und angepasst ist, elektrische Energie zu speichern und Verbrauchern bereitzustellen, insbesondere Verbrauchern in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Elektromotor des Fahrzeugs.
Elektrische Energiespeicher umfassen üblicherweise mehrere elektrochemische Speicherzellen, welche seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind.
Fahrzeuge mit wenigstens teilweise elektrisch betriebenen Antrieben, die elektrische Energiespeicher für die Versorgung eines Elektromotors verwenden, sind im Stand der Technik bekannt. Die Leistungsmerkmale derartiger Fahrzeuge sind wesentlich über die im elektrischen Energiespeicher eingesetzte Zellchemie bestimmt.
Der Begriff „Zellchemie“ bezeichnet die gewählte Kombination von Materialien innerhalb einer elektrochemischen Speicherzelle, insbesondere die Art der eingesetzten Materialien in der Kathode und der Anode sowie gegebenenfalls eines Elektrolyten der elektrochemischen Speicherzelle.
Ein entscheidender Parameter in der Wahl einer geeigneten Zellchemie ist die erzielbare Energiedichte, d. h. die erzielbare Kapazität des elektrochemischen Speichers bezogen auf das Volumen bzw. auf das Gewicht des elektrischen Energiespeichers.
Zunehmend werden jedoch weitere Parameter sowie Anforderungen in die Auslegung von elektrischen Energiespeichern einbezogen, um einen für den jeweils angedachten Anwendungsfall optimierten elektrischen Energiespeicher bereitstellen zu können.
Von besonderer Bedeutung in diesem Zusammenhang sind die Zuverlässigkeit, Zyklenfestigkeit, Lebensdauer und Betriebssicherheit des elektrischen Energiespeichers sowie die Beschränkung auf chemische Elemente, welche ressourcenschonend und mit einem geringen ökologischen Fußabdruck gewonnen werden können.
Oftmals geht jedoch eine Verbesserung hinsichtlich dieser weiteren Parameter mit einer Reduktion der erzielbaren Energiedichte einher. Zudem zeigen sich bei einigen Arten von Zellchemie Probleme hinsichtlich der Bestimmung betriebsrelevanter Parameter, beispielsweise dem Ladezustand, auch als SoC (engl. „State of Charge“) bezeichnet.
Aus der DE 10 2014 018 445 A1 ist eine Batterie bekannt, welche zumindest zwei elektrisch miteinander verschaltete Zellgruppen umfasst, die unterschiedliche Arten von Zellchemie aufweisen sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Batterie. Die Zellgruppen weisen insbesondere unterschiedliche Spannungsniveaus auf und werden je nach auftretendem Temperaturprofil und/oder Leistungsbedarf zu- bzw. abgeschaltet. Somit findet lediglich eine Optimierung der Eigenschaften der Batterie im Hinblick auf auftretende thermische Belastungen statt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einem leistungsfähigen und flexibel einsetzbaren elektrischen Energiespeicher bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, umfassend einen ersten Teilspeicher für elektrische Energie und einen zweiten Teilspeicher für elektrische Energie, wobei der erste Teilspeicher und der zweite Teilspeicher mittels einer Schaltanordnung elektrisch miteinander verschaltet sind. Der erste Teilspeicher und der zweite Teilspeicher umfassen jeweils zumindest eine elektrochemische Speicherzelle, wobei die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle des ersten Teilspeichers eine stabilitätsoptimierte Zellchemie und die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle des zweiten Teilspeichers eine leistungsoptimierte Zellchemie aufweist.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug verfügt somit über einen elektrischen Energiespeicher, der durch die Kombination einer stabilitätsoptimierten und einer leistungsoptimierten Zellchemie für verschiedene Anwendungsfälle und Situationen im Betrieb des Fahrzeugs angepasst ist.
Der Begriff „stabilitätsoptimierte Zellchemie“ bezeichnet hier und im Folgendem eine Zellchemie, welche sich durch hohe Zyklenfestigkeit und hohe intrinsische Sicherheit auszeichnet. Insbesondere weist eine elektrochemische Speicherzelle mit einer stabihtätsoptimierten Zellchemie em zumindest reduziertes Risiko eines thermischen Durchgehens (engl. „thermal run-away“) auf, selbst bei einer mechanischen Beschädigung einer solchen elektrochemischen Speicherzelle. Bevorzugt ist ein thermisches Durchgehen einer elektrochemischen Speicherzelle mit stabilitätsoptimierter Zellchemie ausgeschlossen.
Ob eine Zellchemie eine stabilitätsoptimierte Zellchemie ist, kann mittels des sogenannten Nageldurchdringungstests (engl. „nail penetration test“) überprüft werden. Bei diesem wird ein Nagel mit einem Durchmesser von beispielsweise 3 mm mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 8 cm pro Sekunde entlang der Z-Richtung durch die zu testende Speicherzelle bewegt, wobei die Speicherzelle vollständig in Z-Richtung penetriert wird.
Der Begriff „leistungsoptimierte Zellchemie“ bezeichnet hier und im Folgenden eine Zellchemie, welche sich durch eine hohe Energiedichte und/oder die Möglichkeit auszeichnet, in kurzer Zeit hohe Energiemengen bereitstellen zu können, insbesondere durch eine hohe Energiedichte.
Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere eine Lithiumionenbatterie. Der Begriff „Lithiumionenbatterie“ wird hier und im Folgenden synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle und Lithiumionen- Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen.
Der erste T eilspeicher und der zweite T eilspeicher können im Fahrzeug verteilt angeordnet sein. Mit anderen Worten müssen der erste Teilspeicher und der zweite Teilspeicher kein gemeinsames Batteriegehäuse aufweisen.
Jeder der Teilspeicher kann zudem Untereinheiten umfassen, die jeweils mindestens eine elektrochemische Speicherzelle der jeweiligen Zellchemie aufweisen.
Die Untereinheiten der Teilspeicher können ebenfalls im Fahrzeug verteilt angeordnet sein. Auf diese Weise ist eine optimale Ausnutzung von im Fahrzeug zur Verfügung stehendem Bauraum möglich, sodass die Gesamtkapazität des elektrischen Energiespeichers bei gleichbleibender Auslegung des Fahrzeugs weiter erhöht werden kann.
Die Schaltanordnung ist in diesem Fall dazu eingerichtet, die Untereinheiten der Teilspeicher elektrisch miteinander zu verschalten.
Die Schaltanordnung ermöglicht insbesondere eine serielle und/oder parallele Verschaltung des ersten und zweiten Teilspeichers. Mit anderen Worten wird mittels der Schaltanordnung festgelegt, welche elektrochemischen Speicherzellen des elektrischen Energiespeichers elektrische Energie zur Verfügung stellen und wie diese Zusammenwirken.
Die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle des ersten Teilspeichers kann in einer Aufprallanordnung des Fahrzeugs angeordnet sein.
Der Begriff „Aufprallanordnung“ bezeichnet ein Bauteil des Fahrzeugs, das so angeordnet ist, dass im Fall eines Unfalls eine Deformation dieses Bauteils zu erwarten ist. Ein solches Bauteil wird auch als crashrelevantes Bauteil bezeichnet.
Durch den Einsatz einer stabilitätsoptimierten Zellchemie wird der Einsatz von elektrochemischen Speicherzellen in derartigen Bauteilen ermöglicht, ohne dass im Fall eines Unfalls die Gefahr eines thermischen Durchgehens gesteigert wird. Auf diese Weise kann die Gesamtkapazität des elektrischen Energiespeichers weiter erhöht werden als es bei ausschließlicher Verwendung des zweiten Teilspeichers möglich wäre. Mit anderen Worten wird zusätzliche Kapazität mittels des ersten Teilspeichers in zuvor für die Anordnung von elektrochemischen Speicherzellen nicht verwendbaren Bauräumen des Fahrzeugs erschlossen.
Derartige Bauteile können beispielsweise ein Dach, Radkästen, ein Bauteil an der Unterseite des Hecks und/oder ein Bauteil in der Nähe einer Spritzwand des Fahrzeugs sein.
Beispielsweise weist die Aufprallanordnung einen Hohl- oder Zwischenraum auf, in welchen die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle des ersten Teilspeichers angeordnet ist.
In einer Variante ist die Aufprallanordnung ein Seitenschweller eines Batteriegehäuses des zweiten Teilspeichers. Derartige Seitenschweller, auch als Crashrahmen bezeichnet, sind an einer Außenseite des Batteriegehäuses angeordnet und sind beispielsweise als Hohlprofil oder Wabenstruktur ausgestaltet. Derartige Seitenschweller sollen sich bei einem Unfall anstelle des eigentlichen Batteriegehäuses deformieren, sodass höchstens eine reduzierte, insbesondere keine, mechanische Belastung auf die elektrochemischen Speicherzellen im Inneren des Batteriegehäuses einwirkt. Die im Seitenschweller vorhandenen Hohlräume können erfindungsgemäß mit elektrochemischen Speicherzellen des ersten Teilspeichers aufgefüllt werden, da diese selbst bei einer auftretenden Deformation kein thermisches Durchgehen verursachen. Somit kann die erzielbare Gesamtkapazität des elektrischen Energiespeichers gesteigert werden.
In einer Variante ist die stabilitätsoptimierte Zellchemie zugleich eine kostenoptimierte Zellchemie. Mit anderen Worten sind in dieser Variante die elektrochemischen Speicherzellen des ersten Teilspeichers kostengünstiger als die elektrochemischen Speicherzellen des zweiten Teilspeichers. Auf diese Weise ist es möglich, dass im Fall eines Unfalls lediglich kostengünstigere Speicherzellen durch ihre Anordnung in der Aufprallanordnung beeinträchtigt werden, während zugleich die teurere leistungsoptimierte Zellchemie geschützt werden kann und keiner oder wenigstens lediglich einer geringeren mechanischen Belastung unterliegt.
Bevorzugt weist die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle des ersten Teilspeichers eine Elektrode mit einem Kathodenaktivmaterial auf, welches eine Verbindung mit Olivinstruktur umfasst.
Derartige Olivinverbindungen weisen eine schnelle und reversible Kinetik zur Einlagerung von Lithiumionen auf, wodurch eine hohe Strom belastbarkeit und ein vorteilhaftes Tieftemperaturverhalten des elektrischen Energiespeichers resultiert. Von besonderem Vorteil ist, dass Verbindungen mit Olivinstruktur sehr stabil sind, eine hohe Zyklenfestigkeit besitzen und eine hohe intrinsische Sicherheit des elektrischen Energiespeichers ermöglichen.
Die Verbindung mit Olivinstruktur ist beispielsweise Eisen-Phosphat, Eisen- Mangan-Phosphat, Eisen-Cobalt-Phosphat, Eisen-Mangan-Cobalt-Phosphat, Mangan-Cobalt-Phosphat, Cobalt-Phosphat, Nickel-Phosphat, Cobalt-Nickel- Phosphat, Eisen-Nickel-Phosphat, Eisen-Mangan-Nickel-Phosphat, Mangan- Nickel-Phosphat, Nickel-Phosphat oder Kombinationen davon. Die Verbindung mit Olivinstruktur kann auch jede der genannten Substanzen in Verbindung mit Lithium sein.
Insbesondere ist die Verbindung mit Olivinstruktur Lithium-Eisen-Phosphat (auch als „LFP“ bezeichnet). LFP weist eine hervorragende Zyklenfestigkeit und Stabilität auf. Insbesondere erleiden elektrochemische Speicherzellen, welche LFP als Kathodenaktivmaterial nutzen, kein thermisches Durchgehen bei mechanischer Beschädigung.
Die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle des zweiten Teilspeichers weist bevorzugt eine Elektrode mit einem Kathodenaktivmaterial auf, welches ein Schichtoxid umfasst.
Das Schichtoxid kann Nickel und Cobalt enthalten, insbesondere ist das Schichtoxid eine Nickel-Mangan-Cobalt-Verbindung und/oder eine Nickel-Cobalt- Aluminium-Verbindung.
Das Schichtoxid kann auch weitere Metalle enthalten wie im Stand der Technik bekannt. Insbesondere kann das Schichtoxid Dopingmetalle enthalten, beispielsweise Magnesium, Aluminium, Wolfram, Chrom, Titan oder Kombinationen davon.
Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Verbindungen sind auch unter der Abkürzung NMC bekannt, vereinzelt auch alternativ unter der technischen Abkürzung NCM. NMC als Kathodenaktivmaterial weist eine vorteilhafte Kombination wünschenswerter Eigenschaften auf, beispielsweise eine hohe spezifische Kapazität, einen reduzierten Cobalt-Anteil und eine hohe Hochstromfähigkeit.
NMC können mit der allgemeinen Formeleinheit LiaNixMnyCozO2 mit x+y+z = 1 beschrieben werden, wobei a die Angabe des stöchiometrischen Anteils an Lithium bezeichnet und üblicherweise zwischen 0,8 und 1 ,15 liegt. Bestimmte Stöchiometrien werden in der Literatur als Zahlentripel angegeben, beispielsweise NMC 811 , NMC 622, NMC 532 und NMC 111. Das Zahlentripel gibt jeweils den relativen Gehalt Nickel:Mangan:Cobalt an. Mit anderen Worten ist beispielsweise NMC 811 ein Kathodenaktivmaterial, mit der allgemeinen Formeleinheit LiNio,8Mno,iCoo,iC>2, also mit a = 1 . Weiterhin können auch die sogenannten lithium- und manganreichen NMCs mit der allgemeinen Formeleinheit Lii+£(NixMnyCoz)i-£O2 verwendet werden, wobei £ insbesondere zwischen 0,1 und 0,6 liegt, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,4. Diese lithiumreichen Schichtoxide sind auch als Overlithitated (Layered) Oxides (OLO) bekannt.
Für die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle des zweiten Teilspeichers können Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Verbindungen verwendet werden, die unter der Abkürzung NCA bekannt sind und über die allgemeine Formeleinheit LiaNixCoyAlzO2 mit x+y+z = 1 beschrieben werden können, wobei a die Angabe des stöchiometrischen Anteils an Lithium bezeichnet und üblicherweise zwischen 0,80 und 1 ,15 liegt.
Das Verhältnis der Kapazität des ersten Teilspeichers zur Kapazität des zweiten Teilspeichers kann im Bereich von 1 :1 ,5 bis 1 :15 liegen. Mit anderen Worten kann der zweite Teilspeicher, der eine leistungsoptimierte Zellchemie aufweist, eine höhere Kapazität haben als der erste Teilspeicher, der eine stabilitätsoptimierte Zellchemie aufweist. Auf diese Weise können die auf das Volumen bzw. das Gewicht bezogenen Verluste an Kapazität durch die Verwendung einer stabilitätsoptimierten Zellchemie reduziert werden, während die Gesamtkapazität des elektrischen Energiespeichers hoch bleibt.
Zudem können bekannte Fahrzeuge, welche lediglich über einen elektrischen Energiespeicher gemäß des zweiten Teilspeichers aufweisen, um einen ersten Teilspeicher ergänzt werden.
Insbesondere wird die Kapazität des ersten Teilspeichers so ausgelegt, dass das Fahrzeug die durchschnittliche Distanz, welche ein Benutzer des Fahrzeugs an einem Tag zurückgelegt, rein durch Nutzung des ersten Teilspeichers zurücklegen kann, beispielsweise eine Distanz im Bereich von 20 bis 60 km.
Um derartige Reichweiten zu erzielen, liegt die Kapazität des ersten Teilspeichers insbesondere im Bereich von 10 bis 50 kWh.
Je höher das Gesamtgewicht des Fahrzeugs ist, desto höher kann die Kapazität des ersten Teilspeichers gewählt werden, um eine ausreichende Reichweite zu erzielen. Um die Zyklenstabihtät der stabihtätsoptimierten Zellchemie auszunutzen, kann der zweite Teilspeicher ein Reichweitenverlängerer des ersten Teilspeichers sein, wenn sich die Schaltanordnung in einem ersten Betriebsmodus befindet.
Als Reichweitenverlängerer, auch als „Range Extender“ bezeichnet, stellt der zweite Teilspeicher im ersten Betriebsmodus der Schaltanordnung einem Verbraucher des Fahrzeugs nicht direkt seine Leistung zur Verfügung. Stattdessen wird der zweite Teilspeicher lediglich dazu benutzt, den ersten Teilspeicher zu laden. Auf diese Weise kann die Anzahl der vollständigen Lade- und Entladezyklen, die der zweite Teilspeicher durchläuft, reduziert werden, da bevorzugt der erste Teilspeicher genutzt wird.
Der elektrische Energiespeicher kann dazu eingerichtet sein, dass die vom elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Leistung ausschließlich vom ersten Teilspeicher oder vom zweiten Teilspeicher bereitgestellt wird, wenn sich die Schaltanordnung in einem zweiten Betriebsmodus befindet.
Mit anderen Worten kann im zweiten Betriebsmodus zwischen den Leistungseigenschaften des ersten Teilspeichers und des zweiten Teilspeichers unabhängig voneinander ausgewählt werden. Beispielsweise wird der zweite Teilspeicher genutzt, sofern ein hoher Leistungsbedarf besteht, beispielsweise während eines Beschleunigungsvorgangs des Fahrzeugs, während ansonsten auf den ersten Teilspeicher zurückgegriffen wird, um dessen hohe Zyklenstabilität auszunutzen.
Ferner kann der elektrische Energiespeicher eine zusammengesetzte Ladungs-Entladungskurve aufweisen, wenn sich die Schaltanordnung in einem dritten Betriebsmodus befindet, wobei die zusammengesetzte Ladungs- Entladungskurve einen ersten Ladungsbereich aufweist, in welcher die Leistung des elektrischen Energiespeichers vom ersten Teilspeicher vorgegeben ist, und einen zweiten Ladungsbereich, in welchem die Leistung des elektrischen Energiespeichers vom zweiten Teilspeicher vorgegeben ist.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen, sowie den Figuren. In diesen zeigen: - Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher;
- Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch einen zweiten Teilspeicher des elektrischen Energiespeichers aus Fig. 1 ;
- Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Schaltanordnung des elektrischen Energiespeichers aus Fig. 1 , welches einen ersten Betriebsmodus der Schaltanordnung beschreibt;
- Fig. 4 ein Prinzipschaltbild der Schaltanordnung des elektrischen Energiespeichers aus Fig. 1 , welches einen zweiten Betriebsmodus der Schaltanordnung beschreibt;
- Fig. 5 eine Ladekurve des elektrischen Energiespeichers bei Betrieb der Schaltanordnung im zweiten Betriebsmodus;
- Fig. 6 ein Prinzipschaltbild der Schaltanordnung des elektrischen Energiespeichers aus Fig. 1 , welches einen dritten Betriebsmodus der Schaltanordnung beschreibt; und
- Fig. 7 eine Ladekurve des elektrischen Energiespeichers bei Betrieb der Schaltanordnung im dritten Betriebsmodus.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 dargestellt, welches ein Elektrofahrzeug ist, auch als „BEV“ bezeichnet (für engl. „Battery Electric Vehicle“). Grundsätzlich kann es sich beim Fahrzeug 10 aber auch um ein lediglich teilweise bzw. zeitweise elektrisch betriebenes Fahrzeug handeln.
Das Fahrzeug 10 verfügt über einen elektrischen Energiespeicher 12, der einen ersten Teilspeicher 14 für elektrische Energie und einen zweiten Teilspeicher 16 für elektrische Energie umfasst.
Sowohl der erste Teilspeicher 14 als auch der zweite Teilspeicher 16 verfügen über wenigstens eine elektrochemische Speicherzelle 18 bzw. 20 (vgl. Fig. 3). Um eine gewünschte Gesamtkapazität sowie eine gewünschte Spannung des elektrischen Energiespeichers 12 zu erreichen, umfasst der erste Teilspeicher 14 und/oder der zweite Teilspeicher 16 üblicherweise jedoch eine Vielzahl von Speicherzellen 18 bzw. 20 (vgl. Fig. 6), die seriell und/oder parallel zueinander geschaltet sind.
Die Zellchemie in den Speicherzellen 18 bzw. 20, also die chemische Zusammensetzung der in den Speicherzellen 18 bzw. 20 eingesetzten Komponenten, unterscheidet sich.
Die Speicherzellen 18 des ersten Teilspeichers 14 weisen eine stabilitätsoptimierte Zellchemie auf, das heißt eine Zellchemie, die sich durch hohe Zyklenfestigkeit und hohe intrinsische Sicherheit auszeichnet.
In der dargestellten Ausführungsform verfügen die Speicherzellen 18 über eine Elektrode mit Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePCU, auch als „LFP“ bezeichnet) als Kathodenaktivmaterial. LFP zeichnet sich in besonderem Maße durch seine intrinsische Sicherheit aus, sodass selbst bei mechanischer Beschädigung einer Speicherzelle 18 mit LFP als Kathodenaktivmaterial kein sogenanntes „thermisches Durchgehen“ zu erwarten ist.
Grundlegend kann die Speicherzelle 18 des ersten Teilspeichers 14 auch eine andere stabilitätsoptimierte Zellchemie aufweisen, beispielsweise kann das Kathodenaktivmaterial eine andere Verbindung mit Olivinstruktur sein.
Die Speicherzellen 20 des zweiten Teilspeichers 16 weisen hingegen eine leistungsoptimierte Zellchemie auf, das heißt eine Zellchemie, die sich durch eine hohe Energiedichte auszeichnet.
In der gezeigten Ausführungsform verfügen die Speicherzellen 20 über eine Elektrode mit Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (auch als „NMC“ bezeichnet). NMC weist eine besonders hohe Energiedichte auf und ist für den Einsatz in elektrischen Energiespeichern für Fahrzeuge verbreitet sowie weltweit verfügbar.
Die Speicherzellen 20 des zweiten Teilspeichers 16 können jedoch auch eine andere leistungsoptimierte Zellchemie aufweisen, beispielsweise ein anderes Schichtoxid als Kathodenaktivmaterial verwenden wie Nickel-Cobalt-Aluminium- Oxid (auch als „NCA“ bezeichnet).
In der gezeigten Ausführungsform umfasst der erste Teilspeicher 14 mehrere Untereinheiten 22. Die Untereinheiten 22 sind räumlich innerhalb des Fahrzeugs 10 verteilt angeordnet. Es versteht sich, dass die Untereinheiten 22 alternativ auch räumlich nah beieinander innerhalb des Fahrzeugs angeordnet sein können, beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse vorliegen können.
Zwei der in Fig. 1 dargestellten Untereinheiten 22 des ersten Teilspeichers 14 sind in Aufprallanordnungen 24 des Fahrzeugs 10 angeordnet, wobei eine erste Untereinheit 22 nahe einer Front 26 des Fahrzeugs 10 und eine zweite Untereinheit 22 nahe eines Hecks 28 des Fahrzeugs 10 vorgesehen ist.
Mit anderen Worten sind die Untereinheiten 22 des ersten Teilspeichers 14 in Bauteilen des Fahrzeugs 10 untergebracht, welche im Fall eines Unfalls eine mechanische Deformation erwarten lassen. Derartige Bauteile werden daher auch als crashrelevante Bauteile bezeichnet.
Aufgrund der in den Speicherzellen 18 des ersten Teilspeichers 14 eingesetzten stabilitätsoptimierten Zellchemie ist jedoch auch in einem solchen Fall kein thermisches Durchgehen der Speicherzellen 18 zu erwarten.
Der zweite Teilspeicher 16 ist hingegen nahe eines Fahrzeugunterbodens 30 in einem Abschnitt 32 angeordnet, welcher auch im Fall eines Unfalls keine mechanische Deformation erleiden soll.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den zweiten Teilspeicher 16 entlang einer Fahrzeugquerrichtung Q dargestellt.
Der zweite Teilspeicher 16 verfügt über mehrere Untereinheiten 34, die jeweils über eine Vielzahl von Speicherzellen 20 des zweiten Teilspeichers 16 verfügen und als Zellmodule ausgestaltet sind.
Die Untereinheiten 34 sind innerhalb eines Batteriegehäuses 36 des zweiten Teilspeichers 16 angeordnet.
Das Batteriegehäuse 36 verfügt zudem über Seitenschweller 38, welche als Hohlprofil ausgebildet sind und sich an gegenüberliegenden Seitenflächen des Batteriegehäuses 36 parallel zu einer Fahrzeuglängsrichtung L über im Wesentlichen die gesamte Länge des Batteriegehäuses 36 erstrecken.
Die Seitenschweller 38 dienen als zusätzliche Aufprallanordnung 24, welche bei Auftreten eines Unfalls eine mechanische Deformation erleiden kann, ohne dass eine mechanische Belastung auf die Speicherzellen 20 des zweiten Teilspeichers 16 einwirkt.
Innerhalb des Seitenschwellers 38 sind weitere Untereinheiten 22 des ersten Teilspeichers 14 vorgesehen, d.h. mehrere Speicherzellen 18 des ersten Teilspeichers 14 sind im Hohlprofil des Seitenschwellers 38 angeordnet.
Grundsätzlich können die Speicherzellen 18 des ersten Teilspeichers 14 in verschiedenen Hohl- oder Zwischenräumen von Aufprallanordnungen 24 des Fahrzeugs 10 angeordnet sein.
Somit kann das erfindungsgemäße Fahrzeug 10 eine optimale Ausnutzung von vorhandenem Bauraum hinsichtlich der erzielbaren Gesamtkapazität des elektrischen Energiespeichers 12 erreichen, ohne dessen intrinsische Sicherheit negativ zu beeinflussen.
Der erste Teilspeicher und der zweite Teilspeicher sind mittels einer Schaltanordnung 40 elektrisch miteinander verschaltet, wobei in Fig. 3 ein Prinzipschaltbild der Schaltanordnung 40 dargestellt ist, welches einen ersten Betriebsmodus der Schaltanordnung 40 beschreibt.
Die Schaltanordnung 40 umfasst eine erste Schaltvorrichtung 42, eine zweite Schaltvorrichtung 44 sowie einen DC/DC-Wandler 46.
Die erste Schaltvorrichtung 42 dient zum Zu- und Abschalten der Speicherzellen 18 des ersten Teilspeichers 14 (vgl. Fig. 1) und die zweite Schaltvorrichtung 44 zum Zu- und Abschalten der Speicherzellen 20 des zweiten Teilspeichers 16.
In Fig. 3 ist zur vereinfachten Darstellung jeweils nur eine einzelne Speicherzelle 18 bzw. 20 dargestellt. Es versteht sich, dass jeweils auch mehrere Speicherzellen 18 bzw. 20 vorliegen können, die seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind.
Ferner ist ein Verbraucher 48, in Fig. 3 ein Elektromotor M, der dazu eingerichtet ist, das Fahrzeug 10 anzutreiben, und eine Ladungsquelle 50, in Fig. 3 ein schematisch dargestellter Ladeanschluss, vorgesehen. Sofern die erste Schaltvorrichtung 42 zugeschaltet ist, wird entweder Strom aus den Speicherzellen 18 zum Elektromotor M abgeführt, das heißt die Speicherzellen 18 werden entladen, oder Strom über die Ladungsquelle 50 den Speicherzellen 18 zugeführt, das heißt die Speicherzellen 18 werden geladen.
Wird die Speicherzelle 20 des zweiten Teilspeichers 16 mittels der zweiten Schaltvorrichtung 44 zugeschaltet, wird dessen Spannungsniveau mittels des DC/DC-Wandlers 46 auf das Spannungsniveau der ersten Speicherzelle 18 konvertiert. Dadurch wird es möglich, dass der zweite Teilspeicher 16 als Reichweitenverlängerer des ersten Teilspeichers 14 eingesetzt wird.
Grundsätzlich ist es in dieser Variante jedoch auch denkbar, dass die Speicherzelle 18 des ersten Teilspeichers 14 über die erste Schaltvorrichtung 42 abgeschaltet und die Speicherzelle 20 des zweiten Teilspeichers 16 über die zweite Schaltvorrichtung 44 zugeschaltet wird.
In Fig. 4 ist ein Prinzipschaltbild der Schaltanordnung 40 dargestellt, welches einen zweiten Betriebsmodus der Schaltanordnung 40 beschreibt.
In dieser Variante sind die erste Schaltvorrichtung 42 und die zweite Schaltvorrichtung 44 über eine dritte Schaltvorrichtung 47 mit dem Verbraucher 48 bzw. der Ladungsquelle 50 verbunden, wobei entweder die Speicherzelle 18 des ersten Teilspeichers 14 oder die Speicherzelle 20 des zweiten Teilspeichers 16 mit dem Verbraucher 48 bzw. der Ladungsquelle 50 verbunden ist.
Mit anderen Worten wird die vom elektrischen Energiespeicher 12 bereitgestellte Leistung im zweiten Betriebsmodus der Schaltanordnung 40 ausschließlich vom ersten Teilspeicher 14 oder vom zweiten Teilspeicher 16 bereitgestellt.
In Fig. 5 ist eine beispielhafte Ladekurve dargestellt, wie sie mit der Ausgestaltung der Schaltanordnung 40 gemäß Fig. 4 erreicht werden kann.
Die Ladekurve stellt den Verlauf der Leerlaufspannung OCV in Abhängigkeit des Ladezustands (SoC) dar. Wie zu erkennen ist, wird in einem ersten Ladungsbereich Li ausschließlich die Speicherzelle 18 des ersten Teilspeichers 14 geladen, während in einem zweiten Ladungsbereich L2 ausschließlich die Speicherzelle 20 des zweiten Teilspeichers 16 geladen wird. Der Unterschied der Ladungsbereiche Li und L2 ist in Fig. 5 zusätzlich dadurch verdeutlicht, dass der SoC im Bereich von 0 bis 200 % dargestellt ist, wobei bei einem SoC von 100 % lediglich die Speicherzelle 18 vollständig geladen ist und erst bei einem SoC von 200 % die Speicherzelle 20 vollständig geladen ist.
Aus Fig. 5 wird zudem deutlich, dass sich bei Einsatz von LFP im ersten Ladungsbereich Li eine flache Ladekurve ergibt, das heißt über weite Teile des Ladungsbereich Li lediglich geringe Änderungen der Spannung in Abhängigkeit des SoC zu beobachten sind, wie besonders im Vergleich zum steileren Verlauf der Ladekurve im zweiten Ladungsbereich L2 zu sehen ist.
Durch den flachen Verlauf der Ladekurve wird die zuverlässige Bestimmung des aktuellen SoC erschwert. Die Kombination aus stabilitätsoptimierter und leistungsoptimierter Zellchemie erlaubt es, eine Kalibrierung eines zur Ladestandsbestimmung eingesetzten (nicht dargestellten) Schätzers im Übergang zwischen erstem und zweitem Ladungsbereich Li bzw. L2 oder im zweiten Ladungsbereich L2 vorzunehmen.
In Fig. 6 ist ein Prinzipschaltbild der Schaltanordnung 40 dargestellt, welches einen dritten Betriebsmodus der Schaltanordnung 40 beschreibt.
In dieser Variante sind der erste Teilspeicher 14 und der zweite Teilspeicher 16 parallel miteinander verschaltet. Ferner weisen der erste Teilspeicher 14 und der zweite Teilspeicher 16 mehrere seriell miteinander verschaltete Speicherzellen 18 bzw. 20 auf, wobei die jeweilige Anzahl an Speicherzellen 18 bzw. 20 so gewählt ist, dass sich die Ladungs-Entladungskurven der beiden Teilspeicher 14 und 16 kreuzen.
Dies wird in Fig. 7 beispielhaft gezeigt, welche den Verlauf einer Ladekurve von sechs seriell miteinander verschalteten Speicherzellen 18 auf Basis von LFP und einer Ladekurve von fünf miteinander verschalteten Speicherzellen 20 auf Basis von NMC zeigt. Der Spannungsunterschied zwischen den Ladekurven nimmt mit zunehmendem SoC zunächst bis zu einem Kreuzungspunkt ab und anschließend wieder zu, wie durch Pfeile in Fig. 7 verdeutlicht. Der Kreuzungspunkt liegt bei einem SoC von etwa 89 %.
Somit kann der elektrische Energiespeicher 12 anhand einer zusammengesetzten Ladungs-Entladungskurve betrieben werden, wobei die resultierende Ladungs-Entladungskurve im Ladungsbereich Li von den Speicherzellen 18 des ersten Teilspeichers 14 vorgegeben ist und im Ladungsbereich L2 von den Speicherzellen 20 des zweiten Teilspeichers 16.
Durch den in Fig. 7 gezeigten Verlauf der Ladekurven wird ersichtlich, dass der erste Teilspeicher 14 lediglich den Beginn, nicht jedoch das Ende der resultierenden Ladekurve vorgibt und der zweite Teilspeicher 16 lediglich das Ende, nicht jedoch den Beginn der resultierenden Ladekurve vorgibt. Auf diese Weise kann die Anzahl an Phasenübergängen, denen die jeweilige Zellchemie des ersten Teilspeichers 14 bzw. des zweiten Teilspeichers 16 bei wiederholten Lade- und Entladevorgängen unterliegt, reduziert werden, da pro Lade-/Entladezyklus höchstens ein Phasenübergang pro Zellchemie zu erwarten ist.
Die in Fig. 6 dargestellte Schaltanordnung 40 verfügt zusätzlich über eine vierte Schaltvorrichtung 52, welche die Serienschaltung der Speicherzellen 18 des ersten Teilspeichers 14 mit dem Verbraucher 48 bzw. der Ladungsquelle 50 sowie mit dem parallel geschalteten zweiten Teilspeicher 16 verbinden oder von diesen trennen kann.
Alternativ kann mittels der ersten Schaltvorrichtung 42 auch lediglich eine einzelne Speicherzelle 18 zugeschaltet werden.
Es versteht sich, dass die Anzahl an seriell miteinander verbundenen Speicherzellen 18, die mittels der ersten Schaltvorrichtung 42 zugeschaltet werden können, auch höher liegen kann als in Fig. 6 gezeigt.

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher (12), umfassend einen ersten Teilspeicher (14) für elektrische Energie und einen zweiten Teilspeicher (16) für elektrische Energie, wobei der erste Teilspeicher (14) und der zweite Teilspeicher (16) mittels einer Schaltanordnung (40) elektrisch miteinander verschaltet sind, wobei der erste Teilspeicher (14) und der zweite Teilspeicher (16) jeweils zumindest eine elektrochemische Speicherzelle (18, 20) umfassen, wobei die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle (18) des ersten Teilspeichers (14) eine stabilitätsoptimierte Zellchemie und die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle (20) des zweiten Teilspeichers (16) eine leistungsoptimierte Zellchemie aufweist, und wobei die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle (18) des ersten Teilspeichers (14) in einer Aufprallanordnung (24) des Fahrzeugs (10) angeordnet ist.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1 , wobei die Aufprallanordnung (24) einen Hohloder Zwischenraum aufweist, in welchem die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle (18) des ersten Teilspeichers (14) angeordnet ist.
3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Aufprallanordnung (24) ein Seitenschweller (38) eines Batteriegehäuses (36) des zweiten Teilspeichers (16) ist.
4. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle (18) des ersten Teilspeichers (14) eine Elektrode mit einem Kathodenaktivmaterial aufweist, welches eine Verbindung mit Olivinstruktur umfasst, insbesondere Lithium-Eisen-Phosphat.
5. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine elektrochemische Speicherzelle (20) des zweiten Teilspeichers (16) eine Elektrode mit einem Kathodenaktivmaterial aufweist, welches eine Verbindung mit Schichtstruktur umfasst, insbesondere Nickel-Mangan-Cobalt- Oxid und/oder Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid.
6. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der Kapazität des ersten Teilspeichers (14) zur Kapazität des zweiten Teilspeichers (16) im Bereich von 1 :1 ,5 bis 1 :15 liegt.
7. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Teilspeicher (16) ein Reichweitenverlängerer des ersten Teilspeichers (14) ist, wenn sich die Schaltanordnung (40) in einem ersten Betriebsmodus befindet.
8. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Energiespeicher (12) dazu eingerichtet ist, dass die vom elektrischen Energiespeicher (12) bereitgestellte Leistung ausschließlich vom ersten Teilspeicher (14) oder vom zweiten Teilspeicher (16) bereitgestellt wird, wenn sich die Schaltanordnung (40) in einem zweiten Betriebsmodus befindet.
9. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Energiespeicher (12) eine zusammengesetzte Ladungs- Entladungskurve aufweist, wenn sich die Schaltanordnung (40) in einem dritten Betriebsmodus befindet, wobei die zusammengesetzte Ladungs-Entladungskurve einen ersten Ladungsbereich Li aufweist, in welchem die Leistung des elektrischen
Energiespeichers (12) vom ersten Teilspeicher (14) vorgegeben ist, und einen zweiten Ladungsbereich L2, in welchem die Leistung des elektrischen
Energiespeichers (12) vom zweiten Teilspeicher (16) vorgegeben ist.
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