DE102021205281A1 - Elektrisches Energiespeichersystem - Google Patents
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Abstract
Es wird ein elektrisches Energiespeichersystem (10), insbesondere Batteriesystem, umfassend mehrere elektrochemische Energiespeichereinheiten (11, 12), insbesondere Batteriezellen, welche in Reihenschaltung elektrisch leitend miteinander verbunden sind, sowie ein elektronisches Bauteil (14), wobei mindestens eine erste elektrochemische Energiespeichereinheit (11) eine Lithium-Metallphosphat-Chemie aufweist und das elektronische Bauteil (14) benachbart zu mindestens einer der mindestens einen ersten elektrochemischen Energiespeichereinheit (11) angeordnet ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung geht aus von einem elektrischen Energiespeichersystem gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
- Stand der Technik
- In Folge der zunehmenden Elektrifizierung, insbesondere im Fahrzeug- bzw. Automobilbereich, werden zunehmend mobile elektrische Energiespeichersysteme eingesetzt. Insbesondere bei der vermehrt eingesetzten Lithiumionentechnologie ist eine Einhaltung von vorgegebenen Grenzwerten, beispielsweise Spannungs- und Ladezustandsgrenzwerten, erforderlich, um die Sicherheit und Lebensdauer des elektrischen Energiespeichersystems zu gewährleisten. Weiterhin werden genaue Ladezustandswerte benötigt, um beispielsweise eine genaue Prädiktion der verfügbaren elektrischen Leistung zu gewährleisten.
- Die Versorgung von Komponenten im Fahrzeug mit elektrischer Energie wird heutzutage meist durch eine 12V / 24V Blei-Säure-Batterie sichergestellt. Um den Einsatz von Blei zu vermeiden, müssen diese elektrischen Energiespeichersysteme zukünftig durch Lithiumionenbatterien ersetzt. Dieses neue elektrische Energiespeichersystem muss ebenso die an Blei-Säure-Batterien gestellten Anforderungen erfüllen, beispielsweise hinsichtlich Spannungslage unter Last. Hierbei muss die Spannungslage zwischen 10 V und 15 V liegen. Die Spannungslage der Batterie ist eine Funktion der jeweiligen Zellchemie, insbesondere der Ruhespannung, auch Leerlaufspannung genannt, und der Anzahl an Zellen in Reihenschaltung. Unter Last hat außerdem noch der angelegte Strom und der Innenwiderstand der Batterie beziehungsweise der Zellen einen Einfluss. In der Regel sind in einer Batterie identische Zellen, das heißt Batteriezelle gleicher elektrochemischer Art, beispielsweise ausschließlich Batteriezellen auf Lithium-Eisenphosphat-Basis, in Reihe und/oder parallelgeschaltet. Dabei ist nicht immer sichergestellt, dass die Verwendung von Zellen der gleichen Chemie in Reihe geschaltet das optimale Spannungsfenster trifft. Gleiches gilt beispielsweise bei dem Entwurf von 48V Systemen, da auch diese einen fest definierten Spannungsbereich treffen müssen.
- In der Druckschrift
DE 10 2014 204 211 A1 wird ein Batteriesystem zum Betreiben eines Fahrzeuges bereitgestellt. Das System kann einen ersten Lithium-Ionen-Batteriesatz mit einer ersten Gesamt-Energiekapazität und einem ersten Leistung/Energie-Verhältnis und einen zweiten Lithium-Ionen-Batteriesatz enthalten, der parallel mit dem ersten Lithium-Ionen-Batteriesatz verbunden ist und eine zweite Gesamt-Energiekapazität hat, die höher als die erste Gesamt-Energiekapazität ist, und ein zweites L/E-Verhältnis hat, das niedriger ist als das erste L/E-Verhältnis. - Die Druckschrift
DE 10 2017 217 643 A1 bezieht sich auf einen elektrochemischen Energiespeicher sowie ein damit ausgestattetes Fahrzeug. Bei dem elektrochemischen Energiespeicher handelt es sich insbesondere um eine Lithiumionenzelle. Die Lithiumionenzelle umfasst eine erste Elektrodengesamtheit, die wenigstens eine Elektrode einer ersten Polarität enthält, sowie eine zweite Elektrodengesamtheit, die wenigstens eine Elektrode einer der ersten entgegengesetzten zweiten Polarität enthält. Zwei voneinander separate Bereiche einer ersten Elektrodengesamtheit sind derart angeordnet, dass wenigstens ein Bereich der ersten Elektrodengesamtheit, der eine Schicht mit einem Elektrodenaktivmaterial enthält, zwischen einem anderen Bereich der ersten Elektrodengesamtheit, der eine Schicht mit einem anderen Elektrodenmaterial enthält, und der Kollektorfolie angeordnet ist. - Offenbarung der Erfindung
- Vorteile der Erfindung
- Offenbart wird ein elektrisches Energiespeichersystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Dabei umfasst das elektrische Energiespeichersystem mehrere elektrochemische Energiespeichereinheiten, welche in Reihenschaltung elektrische leitend miteinander verbunden sind, und ein elektronisches Bauteil. Dabei weist die erste elektrochemische Energiespeichereinheit eine Lithium-Metallphosphat-Chemie auf und das elektronische Bauteil ist benachbart zu mindestens einer der mindestens einen ersten elektrochemische Energiespeichereinheit angeordnet. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das elektronische Bauteil in wärmeleitendem Kontakt mit zumindest einer der ersten elektrochemischen Energiespeichereinheiten steht. Dies ist vorteilhaft, da somit der zusätzliche Wärmeeintrag durch das elektronische Bauteil sich hauptsächlich auf eine erste elektrochemische Energiespeichereinheit auswirkt, welche durch ihre Lithium-Metallphosphat-Chemie deutlich unempfindlicher gegenüber hohen Temperaturen ab beispielsweise 150° C ist und kein sogenanntes thermisches Durchgehen, auch „Thermal Runaway“ genannt, verursacht. Somit kann die Sicherheit des elektrischen Energiespeichersystems erhöht werden.
- Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Zweckmäßigerweise weist mindestens eine zweite elektrochemische Energiespeichereinheit des elektrischen Energiespeichersystems eine sich von der Lithium-Metallphosphat-Chemie unterscheidende Zellchemie auf. Dies ist vorteilhaft, da mittels der unterschiedlichen Zellchemien der Verlauf der Leerlaufspannungskennlinie des elektrischen Energiespeichersystems in vorteilhafter Weise beeinflusst werden kann.
- Zweckmäßigerweise weist die Lithium-Metallphosphat-Chemie eine Lithium-Eisenphosphat-Chemie auf. Dies ist vorteilhaft, da bei Lithium-Eisenphosphat die genannten Vorteile in besonders starker Weise ausgeprägt sind und weiterhin diese Zellchemie im Vergleich mit anderen Zellchemien günstiger ist.
- Zweckmäßigerweise weist die sich von der Lithium-Metallphosphat-Chemie unterscheidende Zellchemie Lithium-Titanatoxid, Lithium-Metall und/oder Lithium-Metall-Oxid auf. Dies ist vorteilhaft, da sich damit der Verlauf der Leerlaufspannungskennlinie des elektrischen Energiespeichersystems in gewünschter Weise je nach Anwendungsfall anpassen lässt.
- Zweckmäßigerweise ist die mindestens eine erste elektrochemische Energiespeichereinheit in einem Außenbereich des elektrischen Energiespeichersystems angeordnet. Dies bedeutet, dass zur Umgebung des elektrischen Energiespeichersystems beispielsweise nur noch ein Gehäuse vorhanden ist und somit bei Eindringen eines Fremdkörpers oder bei einem Unfall beziehungsweise ganz allgemein einem Ereignis von außen auf das elektrische Energiespeichersystem in erster Linie die mindestens eine erste elektrochemische Energiespeichereinheit mit der unempfindlichen Zellchemie getroffen wird, was schwerwiegende Folgen durch beispielsweise ein thermisches Durchgehen verhindert.
- Zweckmäßigerweise weist das elektrische Energiespeichersystem mehr elektrische Energiespeichereinheiten mit Lithium-Eisenphosphat-Chemie als mit einer anderen Zellchemie auf. Dies ist vorteilhaft, da somit jede Zelle mit einer anderen Zellchemie von zwei Zellen mit Lithium-Eisenphosphat-Chemie eingerahmt sein kann, was eine Kettenreaktion zwischen den elektrochemischen Energiespeichereinheiten im Fehlerfall, beispielsweise bei Überhitzen einer Energiespeichereinheit, verhindert und somit die Sicherheit des elektrischen Energiespeichersystems erhöht.
- Zweckmäßigerweise umfasst das elektronische Bauteil ein elektrisches Schaltelement, wobei das elektrische Schaltelement insbesondere ein Relais, eine Sicherung oder einen Mosfet umfasst. Das ist vorteilhaft, da in diesen Bauteilen typischerweise im Betrieb des elektrischen Energiespeichersystems viel Wärme entsteht, welche somit zuerst die unempfindlichere Energiespeichereinheit mit Lithium-Metallphosphat-Chemie erwärmt, wobei ein Erwärmen der anderen Energiespeichereinheiten vermieden wird.
- Zweckmäßigerweise wird das elektronische Bauteil zwischen zwei ersten elektrochemischen Energiespeichereinheiten angeordnet. Dies ist vorteilhaft, da somit die Wärme von dem elektronischen Bauteil besser abgeführt wird und gleichzeitig der Wärmeeintrag auf die einzelnen elektrochemischen Energiespeichereinheiten reduziert wird.
- Zweckmäßigerweise ist das elektrische Energiespeichersystem derart aufgebaut, dass bei definierten Betriebsbedingungen des elektrischen Energiespeichersystems an seinem wärmsten Punkt eine erste elektrochemische Energiespeichereinheit mit Lithium-Eisenphosphat-Chemie angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, da diese Zellchemie unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen, insbesondere über 100° C ist.
- Figurenliste
- Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
- Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems gemäß einer ersten Ausführungsform; und -
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform. - Ausführungsformen der Erfindung
- Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Dabei umfasst das elektrische Energiespeichersystem 10 mehrere erste elektrochemische Energiespeichereinheiten 11 mit Lithium-Metallphosphat-Chemie, welche eine Lithium-Metallphosphat-Chemie aufweisen und in Reihenschaltung elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ein elektronische Bauteil 14, hier in1 eine elektronische Steuereinheit, ist dabei benachbart zu einer der ersten elektrochemischen Energiespeichereinheiten 11 angeordnet, um das vorteilhafte Temperaturverhalten der Lithium-Eisenphosphat-Chemie so gut wie möglich zu nutzen. Weiterhin sind die elektrochemischen Energiespeichereinheiten 11, 12 innerhalb eines Gehäuses 13 angeordnet. Dabei sind zumindest zwei erste elektrochemische Energiespeichereinheiten 11 in einem Außenbereich des elektrischen Energiespeichersystems 10 angeordnet. Dies trägt zur besseren Sicherheit des elektrischen Energiespeichersystems 10 beispielsweise bei Unfällen bei. -
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Dabei umfasst das Energiespeichersystem 20 die gleichen Komponenten wie bei1 aufgeführt. Das elektronische Bauteil 14 ist dabei zwischen zwei ersten elektrochemischen Energiespeichereinheiten 11 mit Lithium-Metallphosphat-Chemie angeordnet. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102014204211 A1 [0004]
- DE 102017217643 A1 [0005]
Claims (9)
- Elektrisches Energiespeichersystem (10, 20), insbesondere Batteriesystem, umfassend mehrere elektrochemische Energiespeichereinheiten (11, 12), insbesondere Batteriezellen, welche in Reihenschaltung elektrisch leitend miteinander verbunden sind, sowie ein elektronisches Bauteil (14), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste elektrochemische Energiespeichereinheit (11) eine Lithium-Metallphosphat-Chemie aufweist und das elektronische Bauteil (14) benachbart zu mindestens einer der mindestens einen ersten elektrochemischen Energiespeichereinheit (11) angeordnet ist.
- Elektrisches Energiespeichersystem (10, 20) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eine zweite elektrochemische Energiespeichereinheit (12) eine sich von der Lithium-Metallphosphat-Chemie unterscheidende Zellchemie aufweist.
- Elektrisches Energiespeichersystem (10, 20) gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Lithium-Metallphosphat-Chemie eine Lithium-Eisenphosphat-Chemie aufweist.
- Elektrisches Energiespeichersystem (10, 20) gemäß
Anspruch 2 , wobei die sich von der Lithium-Metallphosphat-Chemie unterscheidende Zellchemie Lithium-Titanatoxid, Lithium-Metall, und/oder Lithium-Metall-Oxid aufweist. - Elektrisches Energiespeichersystem (10, 20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste elektrochemische Energiespeichereinheit (11) in einem Außenbereich des elektrischen Energiespeichersystems (10, 20) angeordnet ist.
- Elektrisches Energiespeichersystem (10, 20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrische Energiespeichersystem (10, 20) mehr elektrochemische Energiespeichereinheiten (11, 12) mit Lithium-Eisenphosphat-Chemie als mit einer anderen Zellchemie aufweist.
- Elektrisches Energiespeichersystem (10, 20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektronische Bauteil (14) ein elektrisches Schaltelement umfasst, insbesondere ein Relais, eine Sicherung oder einen Mosfet.
- Elektrisches Energiespeichersystem (10, 20), wobei das elektronische Bauteil (14) zwischen zwei ersten elektrochemischen Energiespeichereinheiten (11) angeordnet ist.
- Elektrisches Energiespeichersystem (10, 20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrische Energiespeichersystem (10, 20) derart aufgebaut ist, dass bei definierten Betriebsbedingungen des elektrischen Energiespeichersystems (10, 20) an seinem wärmsten Punkt eine erste elektrochemische Energiespeichereinheit (11) mit Lithium-Eisenphosphat-Chemie verbaut ist.
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