DE102015206193A1 - Energiespeicher - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher (2) für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem (6), wobei dieser zwei Akkumulatoren umfasst, nämlich einen Tieftemperatur-Akkumulator (8) und einen Hochtemperatur-Akkumulator (10), wobei die beiden Akkumulatoren für unterschiedliche Betriebstemperaturen oder Betriebstemperaturbereiche ausgebildet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem.
  • Natrium-Nickelchlorid-Zellen bilden die Basis einer sogenannten ZEBRA-Batterie, die als wiederaufladbarer Akkumulator im Kraftfahrzeugbereich zum Einsatz kommt und hier beispielsweise als Energiespeicher für Elektro- oder Hybridfahrzeuge dient.
  • Sie gehört zu den sogenannten Feststoff-Batterien, die sich durch eine hohe Betriebssicherheit, eine hohe Zuverlässigkeit und auch durch eine hohe Energiedichte auszeichnen. Charakteristisch für die Zellen von Feststoff-Batterien sind feste Elektrolyte, die durch einen ionenleitenden Festkörper ausgebildet sind, dessen elektrische Leitfähigkeit durch Ionenwanderung bestimmt wird. Die elektrische Leitfähigkeit dieser ionenleitenden Festkörper, auch Superionenleiter genannt, ist dabei stark temperaturabhängig und tritt typischerweise sprunghaft beispielsweise ab einer Temperatur von 150°Grad auf.
  • Dementsprechend werden relativ hohe Temperaturen benötigt, damit sich entsprechende Feststoff-Batterien nutzen lassen. Um nun entsprechende Feststoff-Batterien auch im Kraftfahrzeugbereich nutzen zu können, müssen diese für den Betrieb auf eine Betriebstemperatur gebracht werden, bei der eine ausreichend hohe Ionenleitfähigkeit gegeben ist. Im Falle der zuvor erwähnten ZEBRA-Batterie liegt diese Betriebstemperatur oberhalb von 270°C und dementsprechend weit oberhalb der typischerweise vorherrschenden Umgebungstemperatur, so dass entsprechende Batterien zum Erreichen der Betriebstemperatur aktiv aufgeheizt werden müssen.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen vorteilhaft ausgestalteten Energiespeicher anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Energiespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen enthalten.
  • Ein entsprechender Energiespeicher ist hierbei für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem ausgebildet und dementsprechend für ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug ausgelegt. Er umfasst zwei Akkumulatoren, nämlich einen Niedertemperatur-Akkumulator und einen Hochtemperatur-Akkumulator, die für unterschiedliche Betriebstemperaturen oder Betriebstemperaturbereiche ausgebildet sind.
  • Die beiden Akkumulatoren des Energiespeichers sind infolge dessen für unterschiedliche Betriebsbedingungen ausgelegt und werden daher bevorzugt bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen eingesetzt. Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel ein Energiespeicher realisieren, bei dem der Niedertemperatur-Akkumulator genutzt wird, um mit dessen Hilfe den Hochtemperatur-Akkumulator auf Betriebstemperatur aufzuheizen und auf Betriebstemperatur zu halten, so dass dieser dann für das elektrische Antriebssystem des Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht.
  • Das hierbei zugrunde liegende Konzept lässt sich dabei ohne weiteres auch auf eine größere Anzahl Akkumulatoren übertragen und auf diese Weise an unterschiedliche Anforderungen oder Anwendungszwecke anpassen, wobei nicht zwingend jeder weitere Akkumulator für eine weitere, abweichende, eigene Betriebstemperatur bzw. für einen weiteren, abweichenden, eigenen Betriebstemperaturbereich vorgesehen und ausgelegt ist. Der Einfachheit halber wird dennoch nachfolgend lediglich von zwei Akkumulatoren ausgegangen.
  • Bevorzugt weisen die beiden Akkumulatoren des Energiespeichers dabei unterschiedliche Zell-Chemien und insbesondere unterschiedliche Elektrolyte in den Zellen auf, welche beispielsweise in unterschiedlichen Temperaturbereichen eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen und/oder bei unterschiedlichen Temperaturen ihre maximale elektrische Leitfähigkeit erreichen. Dabei zeigt die temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit eines Elektrolytmaterials häufig ein sprunghaftes Verhalten, so dass für das Elektrolytmaterial eine Sprungtemperatur definierbar ist, oberhalb derer eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit vorliegt und oberhalb derer die entsprechenden Zellen als Akkumulator-Zellen nutzbar oder betriebsbereit sind. Als Betriebstemperatur oder als Betriebstemperaturbereich wird in diesen Fällen daher die Sprungtemperatur bzw. eine Temperaturbereich oberhalb der Sprungtemperatur festgelegt.
  • Gemäß einer Ausgestaltungsvariante ist der Niedertemperatur-Akkumulator weiter als sogenannter Lithium-Akkumulator oder klassischer Lithium-Ionen-Akkumulator mit einem flüssigen Elektrolyt ausgebildet, insbesondere einem flüssigen Elektrolyt aus einem aprotischen Lösungsmittel und einem Lithiumsalz. Entsprechende Lithium-Akkumulatoren, also Akkumulatoren, in deren Zellen Lithium als elektrochemisch aktives Element fungiert, sind weitverbreitet und kommen auch im Kraftfahrzeugbereich zum Einsatz. Sie lassen sich je nach Ausführungsvariante in einem Temperaturbereich von –30°C bis +60°C betreiben und dementsprechend müssen diese beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug typischerweise weder aktiv gekühlt noch aktiv geheizt werden, um diese in einen Betriebstemperaturbereich zu bringen oder in einem Betriebstemperaturbereich zu halten. Alternativ kommen Zellen mit einer anderen Zellchemie zu Einsatz, wobei die Betriebstemperatur vorzugsweise unterhalb 100°C liegt.
  • Unter anderem auch aufgrund der eingangs genannten Vorteile ist es weiter günstig, wenn der Hochtemperatur-Akkumulator als Feststoff-Akkumulator mit einem Betriebstemperaturbereich oberhalb von +60°C und insbesondere als sogenannter Lithium-Feststoff-Akkumulator ausgebildet ist, wobei dessen Betriebstemperaturbereich typischerweise oberhalb von +150°C liegt. Alternativ wird als Hochtemperatur-Akkumulator eine Batterie aus der Gruppe der sogenannten Thermalbatterien eingesetzt, also zum Beispiel ein Natrium-Schwefel-Akkumulator.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Hochtemperatur-Akkumulator als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgestaltet. Hierbei handelt es sich um eine Weiterentwicklung des klassischen Lithium-Ionen-Akkumulators, bei dem ein gelartiger oder fester Elektrolyt auf Polymerbasis zum Einsatz kommt. Dieser liegt als im Wesentlichen feste Folie vor und erreicht typischerweise eine hinreichend hohe Ionenleitfähigkeit ab einer Temperatur von etwa +60°C. Derartige Lithium-Polymer-Akkumulatoren weisen somit einen typischen Betriebstemperaturbereich von +60°C bis +100°C auf. Alternativ lassen sich auch andere elektrochemisch aktive Elemente für einen Polymer-Akkumulator nutzen.
  • Insbesondere auch zugunsten einer hohen Effektivität des Energiespeichers ist desweiteren zwischen den beiden Akkumulatoren bevorzugt eine thermische Kopplung ausgebildet. Dabei gilt es zu bedenken, dass beim Laden und Entladen eines Akkumulators in der Regel Abwärme generiert wird. Diese Abwärme geht zumindest im Falle des Niedertemperatur-Akkumulators typischerweise ungenutzt verloren und wirkt sich mitunter ungünstig auf den Betrieb des Niedertemperatur-Akkumulators aus, zumindest sofern der Niedertemperatur-Akkumulator durch die Abwärme in einen ungünstigeren Temperaturbereich oder Betriebstemperaturbereich getrieben wird. Erfindungsgemäß wird nun diese bisher ungenutzte und in einigen Fällen auch ungünstig wirkende Abwärme durch die thermische Kopplung gezielt genutzt, um den Hochtemperatur-Akkumulator zu heizen. Je nach Ausgestaltung des Energiespeichers sowie je nach Umgebungsbedingungen genügt die im Niedertemperatur-Akkumulator generierte Abwärme dann, um den Hochtemperatur-Akkumulator auf Betriebstemperatur aufzuheizen und/oder auf Betriebstemperatur zu halten, so dass in diesem Fall dann auf eine zusätzliche Heizung des Hochtemperatur-Akkumulators mithilfe von Heizelementen, insbesondere mithilfe von elektrischen Heizelementen, verzichtet werden kann und dementsprechend dann auch verzichtet wird. Ist weiterhin eine zusätzliche Heizung des Hochtemperatur-Akkumulators notwendig, so reduziert sich zumindest der Energiebedarf für die entsprechenden Heizelemente. In einigen Fällen wird die zusätzliche Heizung dann mittels einer einfacheren und schwächeren Heizvorrichtung bewerkstelligt, die insbesondere auch ein geringeres Gewicht aufweist.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist die thermische Koppelung zwischen den beiden Akkumulatoren als gerichtete thermische Koppelung ausgebildet, so dass der Niedertemperatur-Akkumulator als Wärmequelle und der Hochtemperatur-Akkumulator als Wärmesenke genutzt wird. In diesem Fall findet dann nicht nur ein Temperaturausgleich infolge der thermischen Koppelung statt, stattdessen erfolgt durch die gerichtete thermische Koppelung eine aktive Kühlung des Niedertemperatur-Akkumulators und gleichzeitig eine aktive Erwärmung oder Aufheizung des Hochtemperatur-Akkumulators. Die gerichtete thermische Koppelung ist somit vorzugsweise nach Art einer Wärmepumpe ausgestaltet.
  • Da die beiden Akkumulatoren für unterschiedliche Betriebsbedingungen ausgelegt sind, werden diese bevorzugt auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen genutzt und dementsprechend weist der Energiespeicher bevorzugt eine Steuereinheit auf, die den Betrieb oder die Nutzung der beiden Akkumulatoren steuert, so dass insbesondere auch eine intelligente Nutzung der Rekuperationsenergie im Kraftfahrzeug ermöglicht wird. Hierzu umfasst der Energiespeicher vorteilhafter Weise eine Schnittstelle mit einem Leistungseingang und einem Leistungsausgang, wobei der Leistungseingang und der Leistungsausgang nicht zwingend voneinander getrennt sind, und die Steuereinheit ist derart eingerichtet, dass diese die über die Schnittstelle fließenden Leistungsströme auf die beiden Akkumulatoren in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen verteilt. D. h. also insbesondere, dass die Steuereinheit vorgibt, welcher Akkumulator unter welchen Betriebsbedingungen zur Energieversorgung von Verbrauchern im Kraftfahrzeug und insbesondere zur Versorgung des elektrischen Antriebssystems entladen und/oder im Zuge einer Energierückgewinnung geladen wird. Da die beiden Akkumulatoren für unterschiedliche Betriebstemperaturen ausgelegt sind, erfolgt die Verteilung der Leistungsströme zweckdienlicher Weise temperaturabhängig und zwar bevorzugt zumindest in Abhängigkeit der in den Akkumulatoren vorherrschenden Temperaturen. Alternativ wird zudem die Umgebungstemperatur berücksichtigt, unter anderem, da diese den aktuellen Leistungsbedarf des Kraftfahrzeuges mitbestimmt.
  • Zudem erfolgt die Verteilung vorteilhafterweise in Abhängigkeit der aktuell durch Rekuperation generierten Leistung. Da die beiden Akkumulatoren typischerweise unterschiedliche Zellchemien aufweisen und unterschiedlich aufgebaut sind, weisen diese in der Regel auch unterschiedliche elektrische Eigenschaften auf. Sie sind also zum Beispiel für unterschiedliche maximale Ladeströme oder Leistungsaufnahmen ausgelegt.
  • Die Koppelung und Entkoppelung der Akkumulatoren mit bzw. von der Schnittstelle erfolgt dabei z. B. mit Hilfe von Halbleiterschaltern und gemäß einer Ausführungsvariante ist die Steuereinheit derart eingerichtet, dass stets maximal ein Akkumulator mit der Schnittstelle gekoppelt ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante, bei der die beiden Akkumulatoren über eine gerichtete thermische Koppelung miteinander verbunden sind, wird zumindest zeitweise zumindest ein Teil der Rekuperationsenergie direkt, also ohne den Umweg über die Akkumulatoren, zur Versorgung der gerichteten thermischen Koppelung herangezogen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
  • 1 in einem Blockschaltbild ein Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher.
  • Ein nachfolgend exemplarisch beschriebener und in 1 dargestellter Energiespeicher 2 ist in einem Elektrofahrzeug 4 verbaut und dient hier zur Versorgung eines elektrischen Antriebssystems 6.
  • Er umfasst einen Tieftemperatur-Akkumulator 8, sowie einen Hochtemperatur-Akkumulator 10, die beide jeweils an eine Wandler-Schalteinheit 12 angebunden sind. Mithilfe der Wandler-Schalteinheit 12 wird je nach Betriebsweise entweder elektrische Leistung über eine Schnittstelle 14 an das elektrische Antriebssystem 6 zu dessen Versorgung ausgegeben oder aber es wird mittels des elektrischen Antriebssystems 6 generierte elektrische Leistung in den Energiespeicher 2 eingespeist und auf die Akkumulatoren 8, 10 verteilt.
  • Die Steuerung und Verteilung der Lade- und Entladeströme auf die Akkumulatoren 8, 10 erfolgt hierbei mittels einer Steuereinheit 16, die zur Ansteuerung der Wandler-Schalteinheit 12 ausgebildet ist und durch eine entsprechende Ansteuerung von Halbleiterschaltern in der Wandler-Schalteinheit 12 den Tieftemperatur-Akkumulator 8 einerseits und den Hochtemperatur-Akkumulator 10 andererseits bedarfsweise mit der Schnittstelle 14 koppelt oder von der Schnittstelle 14 entkoppelt. Die Steuerung erfolgt hierbei in Abhängigkeit der in den Akkumulatoren 8, 10 vorherrschenden Temperaturen, welche mithilfe von Temperatursensoren 20 ermittelt und überwacht werden.
  • Wird nun das Elektrofahrzeug 4 in Betrieb genommen, so entspricht die Temperatur in den Akkumulatoren 8, 10 in etwa der Temperatur in der Umgebung des Elektrofahrzeugs 4 und liegt dementsprechend typischerweise im Bereich zwischen –30°C und +50°C. Bei diesen Bedingungen wird zunächst lediglich der Tieftemperatur-Akkumulator 8 als Energiequelle oder Energieaufnehmer für elektrische Energie genutzt und mit der Schnittstelle 14 gekoppelt. Jener Tieftemperatur-Akkumulator 8 ist als Lithium-Ionen-Akkumulator mit einem flüssigen Elektrolyt ausgestaltet und dementsprechend für einen Betrieb im genannten Temperaturbereich ausgelegt.
  • Durch das Laden und Entladen des Tieftemperatur-Akkumulators 8 wird in diesem Abwärme generiert, die mittels einer Wärmepumpe 22 hin zum Hochtemperatur-Akkumulator 10 transportiert wird, so dass dieser durch die Abwärme aus dem Tieftemperatur-Akkumulator 8 aufgeheizt wird. Dabei wird die Wärmepumpe 22 durch die Steuereinheit 16 derart angesteuert, dass im Tieftemperatur-Akkumulator 8 eine Temperatur von etwa +10°C als Betriebstemperatur gehalten wird und dass die im Tieftemperatur-Akkumulator 8 nicht benötigte oder nicht gewünschte Wärme in den Hochtemperatur-Akkumulator 10 gepumpt wird.
  • Sobald im Hochtemperatur-Akkumulator 10, der als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgestaltet ist, eine Temperatur von +60°C erreicht ist, wird der Hochtemperatur-Akkumulator 10 in Betrieb genommen und nachfolgend als zusätzliche Energiequelle oder zusätzlicher Energieaufnehmer genutzt und hierfür an die Schnittstelle 14 angekoppelt. Sobald die Temperatur im Hochtemperatur-Akkumulator 10 wieder unter +60°C fällt, wird der Hochtemperatur-Akkumulator 10 von der Schnittstelle 14 entkoppelt und somit quasi wieder stillgelegt, bis erneut eine Temperatur von +60°C überschritten wird.
  • Solange der Hochtemperatur-Akkumulator 10 in Betrieb ist, wird dieser bevorzugt zur Versorgung des elektrischen Antriebssystems 6 herangezogen und zudem wird in den Energiespeicher 2 zurückgespeiste elektrische Energie bevorzugt in den Tieftemperatur-Akkumulator 8 eingespeist, so dass dieser einen möglichst hohen Ladezustand aufweist, solange der Hochtemperatur-Akkumulator 10 aktiv ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Tieftemperatur-Akkumulator 8 als Energiequelle auch längerfristig zur Verfügung steht, sobald der Hochtemperatur-Akkumulator 10 aus dem Betriebstemperaturbereich fällt und infolge dessen von der Schnittstelle 14 abgekoppelt wird.
  • Ist der Tieftemperatur-Akkumulator 8 vollständig aufgeladen und der Hochtemperatur-Akkumulator 10 an die Schnittstelle 14 angekoppelt, so wird der Tieftemperatur-Akkumulator 8, sofern die Versorgung mit elektrischer Energie durch den Hochtemperatur-Akkumulator 10 ausreichend abgedeckt wird, von der Schnittstelle 14 abgekoppelt und dementsprechend zeitweise stillgelegt oder außer Betrieb gesetzt.
  • Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Energiespeicher
    4
    Elektrofahrzeug
    6
    Elektrisches Antriebssystem
    8
    Tieftemperatur-Akkumulator
    10
    Hochtemperatur-Akkumulator
    12
    Wandler-Schalteinheit
    14
    Schnittstelle
    16
    Steuereinheit
    20
    Temperatursensor
    22
    Wärmepumpe

Claims (13)

  1. Energiespeicher (2) für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem (6), dadurch gekennzeichnet, dass dieser zwei Akkumulatoren umfasst, nämlich einen Tieftemperatur-Akkumulator (8) und einen Hochtemperatur-Akkumulator (10), wobei die beiden Akkumulatoren für unterschiedliche Betriebstemperaturen oder Betriebstemperaturbereiche ausgebildet sind.
  2. Energiespeicher (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Akkumulatoren unterschiedliche Elektrolyte aufweisen, welche bei unterschiedlichen Temperaturen ihre maximale elektrische Leitfähigkeit erreichen.
  3. Energiespeicher (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tieftemperatur-Akkumulator (8) als Lithium-Akkumulator mit flüssigem Elektrolyt ausgebildet ist.
  4. Energiespeicher (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Akkumulator (10) als Thermalbatterie ausgebildet ist.
  5. Energiespeicher (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Akkumulator (10) als Lithium-Feststoff-Akkumulator ausgebildet ist.
  6. Energiespeicher (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Akkumulator (10) als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgebildet ist.
  7. Energiespeicher (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Akkumulatoren eine thermische Koppelung ausgebildet ist.
  8. Energiespeicher (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Akkumulatoren eine gerichtete thermische Koppelung ausgebildet ist, so dass der Tieftemperatur-Akkumulator (8) als Wärmequelle und der Hochtemperatur-Akkumulator (10) als Wärmesenke genutzt wird.
  9. Energiespeicher (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Schnittstelle (14) mit einem Leistungseingang und einem Leistungsausgang sowie eine Steuereinheit (16) umfasst, welche eingerichtet ist zur Verteilung der über die Schnittstelle (14) fließenden Leistungsströme auf die beiden Akkumulatoren.
  10. Energiespeicher (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung Leistungsströme auf die beiden Akkumulatoren temperaturabhängig erfolgt.
  11. Energiespeicher (2) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung Leistungsströme auf die beiden Akkumulatoren durch Koppelung und Entkoppelung der Akkumulatoren mit bzw. von der Schnittstelle (14) erfolgt.
  12. Energiespeicher (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) derart eingerichtet ist, dass stets maximal ein Akkumulator mit der Schnittstelle (14) gekoppelt ist.
  13. Energiespeicher (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieser derart eingerichtet ist, dass stets genau ein Akkumulator geladen oder entladen wird.
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