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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Speicher mit einer Mehrzahl an Teilspeichern.
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Es besteht ein verstärkter Bedarf daran, elektrische Energie zu speichern, um sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. Dies ist zum einen erforderlich für mobile Anwendungen, wie z. B. in Mobiltelefonen oder in Fahrzeugen, zum anderen, um in stationären Anlagen Schwankungen bei der Erzeugung von elektrischer Energie auszugleichen, insbesondere bei der Erzeugung von elektrischer Energie durch regenerative Energiequellen. Für eine Speicherung von elektrischer Energie kommt u. a. ein elektrochemischer Speicher in Frage, bei dem in einer wieder aufladbaren elektrochemischen Zelle mittels einer reversiblen chemischen Reaktion elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird. Dabei ist die elektrische Klemmenspannung der elektrochemischen Zelle durch die in der Zelle ablaufenden chemischen Prozesse gegeben. Um die für die Anwendung gewünschte Spannung zu erhalten, werden in der Regel eine Mehrzahl an Zellen in einer Batterie in Reihe geschaltet.
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Die Batterie ist dabei diversen Alterungsprozessen ausgesetzt, die die Speicherkapazität der Batterie verringern und ihren Innenwiderstand erhöhen. Wird die Batterie oft geladen bzw. entladen, so reduziert das die Speicherkapazität der Batterie. Des Weiteren reduziert es die Speicherkapazität, wenn sie überladen, oder bei diversen Lithium-Ionen Zellen, bei einem hohen Ladezustand betrieben wird, oder wenn sie mit einer hohen Leistung entladen wird. Weiterhin können hohe Ströme und eine hohe Temperatur einen Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie haben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Speicher zu schaffen, wobei der elektrische Speicher bei einer hohen, anspruchsvollen oder speziellen Belastung über einen langen Zeitraum eine hohe Speicherkapazität behält und sein Innenwiderstand möglichst wenig ansteigt.
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Der erfindungsgemäße elektrische Speicher weist ein Steuersystem und ein Speichersystem auf, das eine Mehrzahl an parallel geschalteten Teilspeichern aufweist, welche eine im Wesentlichen gleiche elektrische Klemmenspannung haben, wobei mit dem Steuersystem die anteilige Entnahme von elektrischer Energie von jedem der Teilspeicher und die anteilige Einspeisung von elektrischer Energie in jeden der Teilspeicher derart steuerbar ist, dass ein vorherbestimmter Betriebsparameter des elektrischen Speichers aufgrund der Entnahme und der Einspeisung optimierbar ist. Für Teilspeicher mit verschiedener Nominalspannung sind bevorzugt Gleichspannungswandler einzusetzen, um die Klemmenspannung anzugleichen.
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Bevorzugt haben die Teilspeicher eine gleiche Bauart, alternativ bevorzugt ist die Bauart der Teilspeicher verschieden. Weil jeder der Teilspeicher im Wesentlichen die gleiche elektrische Klemmenspannung hat, hat das Speichersystem eine vorteilhaft hohe Flexibilität. Fällt beispielsweise einer der Teilspeicher aus, so kann die für die Anwendung erforderliche Spannung dadurch aufrecht erhalten werden, dass der ausgefallene Teilspeicher von einem der funktionierenden Teilspeichern ersetzt wird, wodurch der Speicher insgesamt funktionsfähig bleibt. Durch das Steuersystem ist es möglich, einen der Teilspeicher als Opferspeicher vorzusehen, der in einem größeren Ausmaß als die anderen Teilspeicher belastet ist. Durch das Vorsehen des Opferspeichers ist es möglich, die anderen Teilspeicher geringer zu belasten und dadurch ihre Lebensdauer vorteilhaft zu verlängern. Der Opferspeicher wird dann in kürzeren Intervallen als die anderen Teilspeicher ausgetauscht. Die verschiedenen Teilspeicher können vorteilhaft mit verschiedenen Eigenschaften bezüglich ihrer Leistungsdichte, Energiedichte, Zyklenlebensdauer, Pulsstromfestigkeit und Temperaturfestigkeit ausgelegt sein.
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Bevorzugt ist der Betriebsparameter die Alterung, die Leistung, das dynamische Verhalten und/oder der Innenwiderstand. Durch das Steuersystem kann jeder der Teilspeicher vorteilhaft derart belastet werden, dass seine Lebensdauer optimiert ist.
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Mindestens einer der Teilspeicher weist bevorzugt eine Mehrzahl an in Reihe geschalteten Einzelspeichern auf. Durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Einzelspeicher kann die Klemmenspannung des Teilspeichers vorteilhaft vorherbestimmt werden.
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Bevorzugtermaßen weist mindestens einer der Teilspeicher einen einzelnen Speicherblock oder eine Mehrzahl an Speicherblöcken mit einer Anzahl an parallel und/oder in Reihe geschalteten Einzelspeichern auf, wobei die Mehrzahl an Speicherblöcken in Reihe geschaltet ist. Durch die Anzahl der parallel geschalteten Einzelspeicher in den Speicherblöcken kann die maximal verfügbare Stromstärke des Teilspeichers vorteilhaft vorherbestimmt werden. Des Weiteren kann die maximal speicherbare Energie des Teilspeichers vorherbestimmt werden. Das Steuersystem basiert bevorzugt auf einem Batteriemodell. Alternativ basiert das Steuersystem bevorzugt auf einem Alterungs- und/oder Kostenmodell.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, dass einer der Teilspeicher bei einer geringen Last ausschließlich mit dieser geringen Last und bei einer hohen Last mit einer höheren Teillast als die Teillasten der anderen Teilspeicher belastet ist. Dieser Speicher wirkt vorteilhaft als Opferspeicher, d. h. er altert schneller als die anderen Teilspeicher. Fällt der Opferspeicher aus, so ist das Speichersystem vorteilhaft weiterhin funktionsfähig, weil die anderen Teilspeicher die gleiche elektrische Klemmenspannung haben. Ferner kann der Opferspeicher vorteilhaft derart ausgelegt sein, dass er eine hohe Leistungsdichte, eine hohe Energiedichte sowie eine hohe Zyklenlebensdauer hat. Eine hohe Zyklenlebensdauer bedeutet, dass der Teilspeicher oft geladen bzw. entladen werden kann, ohne dass die Speicherkapazität stark abnimmt. Weiterhin kann der Teilspeicher öfters getauscht werden, was einen geringeren Anschaffungsaufwand für den Tausch bedeutet, als es durch den Tausch des kompletten Speichers nötig wäre.
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Einer der Teilspeicher ist bevorzugt zur Pufferung von stark schwankenden Strömen mit hoher Frequenz und/oder hoher Amplitude vorgesehen. Damit sind insbesondere Wechselströme mit beliebiger Frequenz, insbesondere 50 Hz, ungeradzahlige Vielfache der Netzfrequenz und/oder Frequenzen im kHz-Bereich, welche durch ein Umrichtern oder in einer Leistungselektronik entstehen, und Kurvenform gemeint, die einen Gleichstrom überlagern (engl. „ripple”). Der Teilspeicher wirkt dabei vorteilhaft als Opferspeicher und altert schneller als die anderen Teilspeicher. Der Opferspeicher kann vorteilhaft zur Verlängerung seiner Lebensdauer mit einer hohen Pulsstromfestigkeit ausgelegt sein.
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Bevorzugtermaßen ist einer der Teilspeicher mit mehr Lade- bzw. Entladezyklen pro Zeiteinheit als die anderen Teilspeicher belastet. Der Teilspeicher wirkt dabei vorteilhaft als Opferspeicher und kann vorteilhaft mit einer hohen Zyklenlebensdauer und/oder einer hohen Energiedichte ausgelegt sein.
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Die obigen Fälle können auf einen einzigen Opferspeicher kombiniert angewendet werden, aber auch auf mehrere Teilspeicher verteilt angewendet werden. Ebenso können verschiedene Lithium-Ionen Zellen für verschiedene Anwendungsfälle bevorzugt werden. So ist zum Beispiel bekannt, dass LiFePO4 als Kathodenmaterial eine flache Entladekurve besitzt und über seine Lebensdauer und Zyklenzahl einen geringen Innenwiderstandsanstieg aufweist. Somit sind Zellen mit diesem Kathodenmaterial für eine hohe Leistung besonders geeignet, oder wenn die Anwendung nur einen geringen Spannungsabfall über den Ladezustand (Spannungsfenster) erlaubt. Ebenso bietet sich diese Zellchemie für Zyklenanwendungen an, da sich das Betriebsverhalten hier wenig ändert. Im Gegensatz dazu kann z. B. eine Lithium-Ionen Zelle mit einer Oxidchemie wegen einer höheren Energiedichte gut für Kapazitätsanwendungen eingesetzt werden, in denen die Zyklenzahl oder die Leistungsanforderung geringer ist.
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Einer der Teilspeicher wird bevorzugt in einem vorherbestimmten Ladezustand und/oder einem vorherbestimmten Ladezustandsfenster betrieben. Der Ladezustand kann vorteilhaft so gewählt sein, dass der Teilspeicher mit hohen Strompulsen geladen oder entladen werden kann. Bevorzugt ist es, dass mindestens einer der Teilspeicher wieder aufladbare Batterien, insbesondere Lithium-Ionen Batterien, Bleiakkumulatoren, Natrium-Schwefel Batterien und/oder Zebra Batterien, aufweist. Mindestens einer der Teilspeicher weist bevorzugt eine Brennstoffzelle und/oder eine Redox-Flow Batterie auf. Die Brennstoffzelle kann durch Umsetzen eines Kraftstoffs, z. B. Wasserstoff, eine dauerhafte Grundlast liefern, mit der auch die anderen Teilspeicher geladen werden können.
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Insbesondere in einer Ausführungsform für Leistungsanwendungen weist bevorzugtermaßen mindestens einer der Teilspeicher elektrische Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren (engl. „supercapacitor”), auf. Doppelschichtkondensatoren eignen sich vorteilhaft für hohe Strompulse, d. h. sie haben eine hohe Leistungsfähigkeit und Pulsstromfestigkeit bei gleichzeitig einer sehr hohen Zyklenzahl.
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Mindestens einer der Teilspeicher weist bevorzugt einen Gleichspannungswandler auf. Durch den Gleichspannungswandler kann vorteilhaft die Klemmenspannung des Teilspeichers an die Klemmenspannung der anderen Teilspeicher angeglichen werden. Des Weiteren kann mit Hilfe des Gleichspannungswandlers die Klemmenspannung des Teilspeichers vorteilhaft flexibel an die von der Anwendung benötigte Spannung angepasst werden. Es können bevorzugt alle Teilspeicher mit einem Gleichspannungswandler ausgestattet sein, so dass die Spannung des elektrischen Speichers an die Spannung der Anwendung anpassbar ist.
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Bevorzugt ist es, dass die Teilspeicher so angeordnet sind, dass sie gegen gleiche oder verschiedene Teilspeicher austauschbar sind. Dadurch können gealterte Teilspeicher, insbesondere die Opferspeicher, vorteilhaft gegen neue Teilspeicher ausgetauscht werden. Ist der elektrische Speicher in einem Fahrzeug vorgesehen, so können die Teilspeicher außerhalb des Fahrzeugs geladen werden und entladene Teilspeicher können vorteilhaft schnell gegen geladene Teilspeicher getauscht werden. Es können nicht nur gleiche Teilspeicher getauscht werden, sondern die Teilspeicher können vorteilhaft gegen verschiedene Teilspeicher getauscht werden, um den elektrischen Speicher an wechselnde Anforderungen anzupassen.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Speichers anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Schaltskizze der Ausführungsform des elektrischen Speichers.
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Wie aus der Figur ersichtlich ist, weist ein elektrischer Speicher ein Speichersystem 1 und ein Steuersystem 7 auf. Des Weiteren ist in der Figur ein Verbraucher 9 dargestellt, der über elektrische Leiter 2 mit dem Speichersystem 1 verbunden ist. Das Speichersystem 1 weist drei mittels elektrischer Leiter 2 parallel geschaltete Teilspeicher 3 auf. Der erste und der zweite Teilspeicher 3 weisen eine Mehrzahl an in Reihe geschaltete Einzelspeicher 4 auf, wobei die Anzahl der Einzelspeicher 4 in den beiden Teilspeichern 3 verschieden ist. Denkbar ist, dass die Einzelspeicher 4 im ersten Teilspeicher 3 verschieden mit einer unterschiedlichen Klemmenklemmenspannung von den Einzelspeichern 4 im zweiten Teilspeicher 3 sind. Die Anzahl der Einzelspeicher 4 in den beiden Teilspeichern 3 könnte so gewählt sein, dass beide Teilspeicher 3 eine im Wesentlichen gleiche Klemmenspannung haben. Der dritte Teilspeicher 3 weist eine Mehrzahl an Speicherblöcken 5 auf, wobei jeder der Speicherblöcke 5 eine gleiche Anzahl an parallel geschalteten Einzelspeichern 4 aufweist. Für die Anzahl der Speicherblöcke 5 des dritten Teilspeichers 3 gilt das für die ersten beiden Teilspeicher 3 beschriebene analog.
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In der Figur ist des Weiteren ein Steuersystem 7 gezeigt. Das Steuersystem 7 weist drei Potentiometer 6, drei Steuersignalleitungen 8 und eine Steuerung 10 auf. Jedes der Potentiometer 6 ist in jeweils einem der Teilspeicher 3 mit den Einzelspeichern 4 in Reihe geschaltet. Jedes der Potentiometer 6 ist via jeweils einer der Steuersignalleitungen 8 mit der Steuerung 10 verbunden. Die Steuerung 10 steuert die Potentiometer 6 derart, dass die anteilige Entnahme von elektrischer Energie von jedem der Teilspeicher 3 und die anteilige Einspeisung von elektrischer Energie in jeden der Teilspeicher 3 gesteuert wird. Denkbar ist, dass anstelle der Potentiometer 6 andere elektrische Bauteile, wie z. B. Relais und/oder Gleichstromwandler verwendet werden.
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Anhand von Beispielen wird im Folgenden die Erfindung näher erläutert.
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Ein erster beispielhafter Speicher, welcher drei Teilspeicher und ein Steuersystem aufweist, ist in ein Fahrzeug eingebaut. Der erste Teilspeicher ist zu Beginn zu ca. 80% geladen, während der zweite und dritte Teilspeicher voll geladen sind. Dadurch, dass der erste Teilspeicher nicht voll geladen ist, kann er elektrische Energie, welche in einem Bremsvorgang freigesetzt wird, aufnehmen. Anschließend regelt das Steuersystem die Entnahme der elektrischen Energie aus den Teilspeichern so, dass die benötigte elektrische Energie vollständig oder zu einem größeren Anteil als einem Drittel aus dem ersten Teilspeicher entnommen wird, bis der erste Teilspeicher zu einem vorher als ideal bestimmten Wert, wie z. B. 50%, geladen ist. Dadurch kann der erste Teilspeicher in der Folge immer noch jederzeit mit hohen Strompulsen geladen oder entladen werden. Dazu wird der erste Teilspeicher so ausgelegt, dass er eine hohe Pulsstromfestigkeit hat. Den weiteren Betrieb regelt das Steuersystem so, dass der erste Teilspeicher zu den beispielhaften 50 ± 5% bzw. in einem anderen vorherbestimmten Ladezustandsband vollgeladen ist. Wird weitere elektrische Energie benötigt, so wird sie aus dem zweiten Teilspeicher entnommen. Der zweite Teilspeicher wird so betrieben, dass er öfters als die anderen beiden Teilspeicher geladen und entladen wird, d. h. er weist im Betrieb des Speichers die höchste Zyklenbelastung aller Teilspeicher auf. Der zweite Teilspeicher ist so ausgelegt, dass er eine hohe Zyklenlebensdauer hat. Zusätzlich kann der zweite Teilspeicher öfters als die anderen beiden Teilspeicher getauscht werden. Der zweite Teilspeicher wird bis zu einem unteren, vorherbestimmten Entladeniveau entladen, bevor der dritte Teilspeicher entladen wird. Bei einem hohen Leistungsbedarf wird die Entnahme von elektrischer Energie auf alle drei Teilspeicher aufgeteilt, so dass der Leistungsbedarf an jedem der Teilspeicher gering ist. Eventuell kann hierbei der Teilspeicher 1 überproportional zu der Gesamtleistung beitragen.
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Ein zweiter beispielhafter Speicher weist ein Steuersystem und eine Mehrzahl an Teilspeichern auf, wobei einer der Teilspeicher eine Brennstoffzelle ist. Die Brennstoffzelle stellt eine dauerhafte und niedrige elektrische Leistung zur Verfügung. Mit dieser Leistung kann zum einen die Anwendung (zumindest teilweise) betrieben werden, zum anderen können mit einem eventuellen Energieüberschuss die verbliebenen Teilspeicher geladen werden. Indem einer der Teilspeicher eine Brennstoffzelle aufweist, kann die Anwendung ohne Schadstoffemissionen betrieben werden.
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Ein dritter beispielhafter Speicher weist ein Steuersystem und eine Mehrzahl an Teilspeichern auf, wobei jeder der Teilspeicher einen Gleichspannungswandler aufweist. Damit kann die Spannung des Speichers flexibel an die erforderte Spannung der Anwendung angepasst werden.
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Ein vierter beispielhafter Speicher, welcher eine Mehrzahl an Teilspeichern und ein Steuersystem aufweist, ist in ein elektrisch betriebenes Fahrzeug eingebaut. Damit das Fahrzeug lange Strecken fahren kann, wie z. B. eine Straßenbahn, die zeitweise ohne Oberleitung fahren soll, ist mindestens einer der Teilspeicher mit einer hohen Speicherkapazität ausgelegt. Dieser Teilspeicher kann eine Brennstoffzelle sein.
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Ein fünfter beispielhafter Speicher, welcher eine Mehrzahl an Teilspeichern und ein Steuersystem aufweist, ist in ein Fahrzeug eingebaut, welches einen Verbrennungsmotor aufweist. Damit elektrische Energie auch dann zur Verfügung steht, wenn der Verbrennungsmotor ausgeschaltet ist, wie z. B. bei einem Regionalzug, bei dem Standzeiten ohne Emissionen des Verbrennungsmotors überbrückt werden sollen, ist mindestens einer der Teilspeicher mit einer hohen Speicherkapazität ausgelegt. Dieser Teilspeicher kann eine Brennstoffzelle sein.
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Ein sechster beispielhafter Speicher, welcher eine Mehrzahl an Teilspeichern und ein Steuersystem aufweist, ist in einem Fahrzeug eingebracht. Die Teilspeicher sind dabei so angeordnet, dass sie schnell gewechselt werden können. Zum einen können leere Teilspeicher gegen vollgeladene Teilspeicher ersetzt werden, wobei die vollgeladenen Teilspeicher außerhalb des Fahrzeugs geladen werden. Ebenso können die Teilspeicher so gewechselt werden, dass die Teilspeicher an den Bedarf des Fahrzeugs angepasst werden. So können z. B. Teilspeicher mit einer hohen Energiedichte gegen Teilspeicher mit einer hohen Leistungsdichte getauscht werden. Dies kann z. B. erforderlich sein, wenn ein Müllfahrzeug während des Beladens und Entladens eine hohe Leistungsanforderung hat und bei langen Fahrten ohne Beladen und Entladen eine hohe Energiedichte benötigt.
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Ein siebter beispielhafter Speicher ist für ein stationäres System ausgelegt. Hier werden verschiedene Speichermedien gekoppelt, wobei ein Teilspeicher für die Leistungsanforderung (z. B. Doppelschichtkondensatoren, oder Lithium-Ionen Zellen mit Titanatanode oder LiFePO4-Kathode), ein Teilspeicher für die Kapazität (Zellen mit einer hoher Energiedichte, wie z. B. eine Lithium-Ionen Zelle mit einer Oxidkathode, LiMnxCoyNizO2 und/oder LiNisCotAluO2) und eventuell ein weiterer Speicher, der sich wegen seinem geringen Anschaffungsaufwand eignet (wie z. B. ein Bleiakkumulator), bei dem aber andere Randbedingungen beachtet werden müssen (wie z. B. ein häufiger Vollladezustand). Ebenso können hier stationäre Speichersysteme wie Natrium-Schwefel, Zebra, Redox-Flow Systeme oder Ähnliches mit eingesetzt werden. So wird ein Hybridsystem aufgebaut, bei dem jeder der verschiedenen Teilspeicher seine Stärken ideal in das Gesamtsystem einbringen kann.
