DE102012016438A1 - Energiespeicheranordnung und Kraftfahrzeug - Google Patents

Energiespeicheranordnung und Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung (3) umfassend wenigstens einen wenigstens ein auf Lithium basierendes Speicherelement (10) aufweisenden, wiederaufladbaren ersten Energiespeicher (8) und einen zu dem ersten Energiespeicher (8) parallel geschalteten wiederaufladbaren zweiten Energiespeicher (9) in Form wenigstens eines Doppelschichtkondensators (11), wobei der erste Energiespeicher (8) eine Nennladung zwischen 30 Ah und 50 Ah aufweist und der Innenwiderstand des zweiten Energiespeichers (9) bei einer Temperatur von –10°C kleiner als 5 mΩ ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug (2) mit einer derartigen Energiespeicheranordnung (3).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung, umfassend wenigstens einen wenigstens ein auf Lithium basierendes Speicherelement aufweisenden, wiederaufladbaren ersten Energiespeicher und einen wiederaufladbaren zweiten Energiespeicher in Form wenigstens eines Doppelschichtkondensators. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer Energiespeicheranordnung.
  • Heutige Kraftfahrzeuge weisen zum überwiegenden Teil Bleibatterien als Bordnetzbatterien, beispielsweise als 12 V- oder 14 V-Bordnetzbatterien in Form mehrerer auf Blei basierender, auch als Zellen zu bezeichnender Speicherelemente auf. Die Bleibatterie hat unter anderem die Aufgaben die Startfähigkeit der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs auch nach längerer Standzeit des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten, die Startfähigkeit der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs auch bei tiefen Temperaturen zu gewährleisten, bei Fahrzeugstillstand den Ruhestrom für die Steuergeräte des Kraftfahrzeugs zur Verfügung zu stellen, bei dynamischen Bordnetzbelastungen die elektrische Energie bereitzustellen sowie durch Rekuperation gewonnene elektrische Energie zwischen zu speichern.
  • Bleibatterien sollen dabei zur Verlängerung deren Betriebsdauer nicht unter 50% SOC („State Of Charge”) entladen werden. In der Regel steht von der Nennladung einer Bleibatterie nur ein Bruchteil, z. B. ca. 40% zur Verfügung, um beispielsweise die vorstehend erwähnten Aufgaben zu erfüllen. So stellt eine Bleibatterie mit einer Nennladung von beispielsweise 80 Ah nur eine Ladung von ca. 30 Ah zur Verfügung. Bleibatterien müssen daher zumeist verhältnismäßig groß dimensioniert werden, was in unerwünschter Weise zu einem großen Gewicht der Bleibatterie führt.
  • Es wurde bereits in der CN 102 044 902 vorgeschlagen, an Stelle einer Bleibatterie eine Lithiumbatterie mit mehreren Lithiumzellen als Speicherelemente zu verwenden und der Lithiumbatterie einen Superkondensator parallel zu schalten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiespeicheranordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Energiespeicheranordnung der eingangs genannten Art anzugeben, welche Energiespeicheranordnung ein vollwertiger Ersatz für eine Bleibatterie in einem Kraftfahrzeug ist.
  • Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Energiespeicheranordnung, umfassend wenigstens einen wenigstens ein auf Lithium basierendes Speicherelement aufweisenden, wiederaufladbaren ersten Energiespeicher und einen zu dem ersten Energiespeicher parallel geschalteten wiederaufladbaren zweiten Energiespeicher in Form wenigstens eines Doppelschichtkondensators, wobei der erste Energiespeicher eine Nennladung zwischen 30 Ah und 50 Ah aufweist und der Innenwiderstand des zweiten Energiespeichers bei einer Temperatur von –10°C kleiner als 5 mΩ ist.
  • Der auf Lithium basierende Speicherelemente aufweisende erste Energiespeicher darf in einem SOC-Bereich von ca. 10% bis 90% betrieben werden, so dass bis zu 90% der Nennladung des ersten Energiespeichers für Batteriefunktionen, wie sie in einem Kraftfahrzeug benötigt werden, zur Verfügung steht. Allerdings steigt der Innenwiderstand der Lithium aufweisenden Speicherelemente des ersten Energiespeichers bei Minustemperaturen gemessen in C° stark an, was sich insbesondere negativ auf die Kaltstartfähigkeit des ersten Energiespeichers auswirkt. Dem könnte durch eine Steigerung der Anzahl der Lithium aufweisenden Speicherelemente entgegengewirkt werden, womit allerdings ein größeres Gewicht des ersten Energiespeichers einhergeht. Nach der vorliegenden Erfindung wird daher dem ersten Energiespeicher stattdessen ein zweiter Energiespeicher in Form wenigstens eines Doppelschichtkondensators elektrisch parallel geschaltet, der einen Innenwiderstand bei einer Temperatur von –10°C kleiner als 5 mΩ aufweist.
  • Der Doppelschichtkondensator übernimmt dabei unter anderem die Funktion, die Startfähigkeit der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs, insbesondere auch bei tiefen Temperaturen zu gewährleisten, da der Innenwiderstand des Doppelschichtkondensators auch bei niedrigen Temperaturen gering ist. Dies wiederum ermöglicht es, den ersten Energiespeicher mit einer Nennladung von nur 30 Ah bis 50 Ah auszuführen, wodurch nur wenige auf Lithium basierende Speicherelemente für den ersten Energiespeicher benötigt werden und die Energiespeicheranordnung an sich verhältnismäßig leicht ausgeführt werden kann. Dieser Nennladungsbereich ist in Anhängigkeit vom Typ und von der Leistung der Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs normalerweise nicht ausreichend, um die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere unter ungünstigen Bedingungen, wie Temperaturen bis –25 C°, zu starten. Beispielsweise benötigt man zum Starten eines sechs Zylinder aufweisenden Dieselmotors bei –25 C° mit derzeit verfügbaren Lithiumzellen eine Nennladung des Lithiumzellen umfassenden ersten Energiespeichers von ca. 70 Ah, wodurch der erste Energiespeicher verhältnismäßig schwer würde. Durch den erwähnten Doppelschichtkondensator mit dem niedrigen Innenwiderstand, kann auch für den in Rede stehenden Dieselmotor die Nennladung des Lithiumzellen aufweisenden ersten Energiespeichers zwischen 30 Ah und 50 Ah begrenzt werden. Während der erste Energiespeicher unter anderem die Ruhestromversorgung des Kraftfahrzeugs sichert, gewährleistet der zweite Energiespeicher unter anderem die Kaltstartfähigkeit der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs.
  • Auf diese Weise kann die Energiespeicheranordnung insgesamt verhältnismäßig leicht ausgeführt werden, wobei diese ein vollwertiger Ersatz für herkömmliche Bleibatterien, insbesondere als Starter- oder Bordnetzbatterien ist.
  • Unter der Nennladung wird im Übrigen die werksseitig für den Energiespeicher, insbesondere den ersten Energiespeicher angegebene Ladung verstanden.
  • Nach einer Variante der Erfindung weist erste Energiespeicher eine Nennladung von 40 Ah auf.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass erste Energiespeicher der Energiespeicheranordnung entweder drei Speicherelemente basierend auf Lithium und ein Speicherelement basierend auf Lithium-Titanat oder drei Speicherelemente basierend auf Lithium und zwei Speicherelemente basierend auf einer Nickelmetallhydrid-Verbindung oder drei Speicherelemente basierend auf Lithium-Titanat und zwei Speicherelemente basierend auf einer Lithium-Eisen-Phosphat-Verbindung oder vier Speicherelemente basierend auf Lithium-Eisen-Phosphat oder vier Speicherelemente basierend auf Lithium-Titanat und ein Speicherelement basierend auf Lithium oder sechs Speicherelemente basierend auf Lithium-Titanat umfasst.
  • Der erste Energiespeicher kann sonach als Lithiumbatterie (vgl. insbesondere die Ausführungsform des ersten Energiespeichers mit drei Speicherelementen basierend auf Lithium und einem Speicherelement basierend auf Lithium-Titanat) oder als Lithium-Mischbatterie (vgl. insbesondere die Ausführungsform des ersten Energiespeichers mit drei Speicherelementen basierend auf Lithium und zwei Speicherelementen basierend auf einer Nickelmetallhydrid-Verbindung) ausgebildet sein.
  • Bei den vorstehend genannten Konfigurationen wird von einem die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung aufnehmenden 12 V bzw. 14 V Bordnetz ausgegangen. Im Falle einer Auslegung der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung bzw. des ersten Energiespeichers beispielsweise für ein 24 Volt-Bordnetz erhöht sich die jeweilige Anzahl der oben angegebenen Speicherelemente, wobei die Kombinationsmöglichkeiten der verschiedenen Speicherelementtypen gleich bleiben.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die den ersten Energiespeicher der Energiespeicheranordnung bildenden Speicherelemente in Serie geschaltet.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz, umfassend wenigstens eine Energiespeicheranordnung, wobei die wenigstens eine Energiespeicheranordnung eine vorstehend beschriebene Energiespeicheranordnung ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten schematischen Zeichnung dargestellt, die eine prinzipielle Darstellung eines Bordnetzes 1 eines Kraftfahrzeugs 2 zeigt.
  • Bei dem Bordnetz 1 kann es sich beispielsweise um ein 12 V- oder 14 V-Bordnetz 1 eines Kraftfahrzeugs 2 handeln. Das Kraftfahrzeug 2 umfasst eine nicht näher gezeigte, als Antriebsaggregat dienende Verbrennungskraftmaschine bzw. einen Verbrennungsmotor. Das Kraftfahrzeug 2 kann aber auch noch wenigstens ein weiteres Antriebsaggregat, sei es eine Elektromaschine oder sei es eine Brennstoffzelle, umfassen.
  • Dem Bordnetz 1 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung eine Energiespeicheranordnung 3, ein Generator 4, ein Starter 5 zum Starten des Verbrennungsmotors und wenigstens ein im Betrieb elektrischen Strom verbrauchender Verbraucher zugehörig. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung sind zwei Verbraucher 6 und 7 schematisch angedeutet, bei denen es sich beispielsweise um Fahrerassistenzsysteme, wie ein Bremsassistenzsystem oder ein Lenkassistenzsystem handeln kann.
  • Die Energiespeicheranordnung 3 umfasst zwei parallel geschaltete wiederaufladbare Energiespeicher 8, 9. Der erste Energiespeicher 8 weist wenigstens ein auf Lithium basierendes Speicherelement 10 auf, welches auch als Zelle bezeichnet werden kann. Neben dem wenigstens einen auf Lithium basierenden Speicherelement, kann der erste Energiespeicher auch andere Speicherelemente bzw. Speicherzellen aufweisen.
  • Konkret kann der erste Energiespeicher 8 drei Speicherelemente basierend auf Lithium und ein Speicherelement basierend auf Lithium-Titanat oder drei Speicherelemente basierend auf Lithium und zwei Speicherelemente basierend auf einer Nickelmetallhydrid-Verbindung oder drei Speicherelemente basierend auf Lithium-Titanat und zwei Speicherelemente basierend auf einer Lithium-Eisen-Phosphat-Verbindung oder vier Speicherelemente basierend auf Lithium-Eisen-Phosphat oder vier Speicherelemente basierend auf Lithium-Titanat und ein Speicherelement basierend auf Lithium oder sechs Speicherelemente basierend auf Lithium-Titanat aufweisen. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung umfasst der erste Energiespeicher 8 vier Speicherelemente 10 basierend auf Lithium-Eisen-Phosphat.
  • Die Speicherelemente 10 des ersten Energiespeichers 8 sind dabei jeweils in Serie geschaltet. Die Auslegung bzw. Bestückung des ersten Energiespeichers 8 mit Speicherelementen 10 erfolgt dabei derart, dass der erste Energiespeicher 8 eine Nennladung zwischen 30 Ah und 50 Ah aufweist, welcher Wert der Nennladung unter anderem in Abhängigkeit von der Konfiguration des mit der Energiespeicheranordnung 3 zu versehenden Kraftahrzeugs mit elektrischen Verbrauchern zu wählen ist. Vorzugsweise weist der erste Energiespeicher 8 eine Nennladung von 40 Ah auf. Diese Nennladung kann mit einer verhältnismäßig geringen Anzahl von verfügbaren, d. h. bereits kommerziell erwerbbaren Speicherelementen 10 zur Verfügung gestellt werden, was sich positiv auf das Gesamtgewicht bzw. die Gesamtmasse der Energiespeicheranordnung 3 und somit auch auf das gesamte zu bewegende Gewicht bzw. die gesamte zu bewegende Masse des mit der Energiespeicheranordnung 3 bestückten Kraftfahrzeugs 2 auswirkt. Diese Nennladung von 40 Ah ist in der Regel nicht ausreichend, um eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor mit mehr als vier Zylindern unter ungünstigen Bedingungen, wie tiefen Temperaturen von –25°C zu starten. Die Nennladung ist jedoch ausreichend, um den Ruhestrombedarf für das Kraftfahrzeug 2 auch bei längerem Stillstand des Kraftfahrzeugs 2 von mehreren Tagen, z. B. 50 Tagen, zu decken.
  • Der zweite Energiespeicher 9 umfasst wenigstens einen Doppelschichtkondensator 11, der sich dadurch auszeichnet, dass sein Innenwiderstand bei einer Temperatur von –10°C kleiner 5 mΩ ist. Der zweite Energiespeicher 9 stellt unter anderem die Energie zum Starten der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs 2 zur Verfügung. Aufgrund des niedrigen Innenwiderstandes des zweiten Energiespeichers 9 stellt dieser auch bei niedrigen Temperaturen, wie –10 C° und weniger, die Energie zum Starten der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs 2 zur Verfügung.
  • Die Energiespeicheranordnung 3 ist demnach ein vollwertiger Ersatz einer Bleibatterie als Starter- bzw. Bordnetzbatterie und wird bevorzugt als einzige Starter- bzw. Bordnetzbatterie in einem Kraftfahrzeug eingesetzt.
  • Wie in der Figur dargestellt kann die Energiespeicheranordnung 3 eines oder mehrere Schaltelemente S1 bis S3 aufweisen, um den Energiefluss innerhalb der Energiespeicheranordnung 3 und aus der Energiespeicheranordnung 3 heraus zu steuern. Die Schaltelemente S1 bis S3 können jedoch zum Teil oder auch vollständig entfallen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • CN 102044902 [0004]

Claims (5)

  1. Energiespeicheranordnung (3), umfassend wenigstens einen wenigstens ein auf Lithium basierendes Speicherelement (10) aufweisenden, wiederaufladbaren ersten Energiespeicher (8) und einen zu dem ersten Energiespeicher (8) parallel geschalteten wiederaufladbaren zweiten Energiespeicher (9) in Form wenigstens eines Doppelschichtkondensators (11), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (8) eine Nennladung zwischen 30 Ah und 50 Ah aufweist und der Innenwiderstand des zweiten Energiespeichers (9) bei einer Temperatur von –10°C kleiner als 5 mΩ ist.
  2. Energiespeicheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (8) eine Nennladung von 40 Ah aufweist.
  3. Energiespeicheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (8) umfasst: drei Speicherelemente basierend auf Lithium und ein Speicherelement basierend auf Lithium-Titanat oder drei Speicherelemente basierend auf Lithium und zwei Speicherelemente basierend auf einer Nickelmetallhydrid-Verbindung oder drei Speicherelemente basierend auf Lithium-Titanat und zwei Speicherelemente basierend auf einer Lithium-Eisen-Phosphat-Verbindung oder vier Speicherelemente (10) basierend auf Lithium-Eisen-Phosphat oder vier Speicherelemente basierend auf Lithium-Titanat und ein Speicherelement basierend auf Lithium oder sechs Speicherelemente basierend auf Lithium-Titanat.
  4. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den ersten Energiespeicher (8) bildenden Speicherelemente (10) in Serie geschaltet sind.
  5. Kraftfahrzeug (2) mit einem Bordnetz (1), umfassend wenigstens eine Energiespeicheranordnung dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Energiespeicheranordnung eine Energiespeicheranordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.
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