Elektrisches Energiespeichersystem

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem elektrischen Energiespeichersys tem gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.

Stand der Technik

In Folge der zunehmenden Elektrifizierung, insbesondere im Fahrzeug- bzw. Au tomobilbereich, 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 Energiespeicher systeme zukünftig durch Lithiumionenbatterien ersetzt. Dieses neue elektrische Energiespeichersystem muss ebenso die an Blei-Säure-Batterien gestellten An forderungen erfüllen, beispielsweise hinsichtlich Spannungslage unter Last. Hier bei muss die Spannungslage zwischen 10 V und 15 V liegen. Die Spannungs lage 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 ge schaltet das optimale Spannungsfenster trifft. Gleiches gilt beispielsweise bei dem Entwurf von 48V Systemen, da auch diese einen fest definierten Span nungsbereich treffen müssen.

In der Druckschrift DE 102014204211 Al wird ein Batteriesystem zum Betrei ben eines Fahrzeuges bereitgestellt. Das System kann einen ersten Lithium-Io nen- Batteriesatz mit einer ersten Gesamt- Energiekapazität und einem ersten Leistung/Energie-Verhältnis und einen zweiten Lithium-Ionen-Batteriesatz enthal ten, der parallel mit dem ersten Lithium-Ionen-Batteriesatz verbunden ist und eine zweite Gesamt- Energiekapazität hat, die höher als die erste Gesamt- Ener giekapazität ist, und ein zweites L/E-Verhältnis hat, das niedriger ist als das erste L/E-Verhältnis.

Die Druckschrift DE 102017217 643 Al bezieht sich auf einen elektrochemi schen Energiespeicher sowie ein damit ausgestattetes Fahrzeug. Bei dem elekt rochemischen Energiespeicher handelt es sich insbesondere um eine Lithiumio nenzelle. Die Lithiumionenzelle umfasst eine erste Elektrodengesamtheit, die we nigstens eine Elektrode einer ersten Polarität enthält, sowie eine zweite Elektro dengesamtheit, die wenigstens eine Elektrode einer der ersten entgegengesetz ten 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 Energiespeicher- System mehrere elektrochemische Energiespeichereinheiten, welche in Reihen schaltung elektrische leitend miteinander verbunden sind, und ein elektronisches Bauteil. Dabei weist die erste elektrochemische Energiespeichereinheit eine Li- thium-Metallphosphat-Chemie auf und das elektronische Bauteil ist benachbart zu mindestens einer der mindestens einen ersten elektrochemische Energiespei chereinheit angeordnet. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das elektroni sche Bauteil in wärmeleitendem Kontakt mit zumindest einer der ersten elektro chemischen Energiespeichereinheiten steht. Dies ist vorteilhaft, da somit der zu sätzliche Wärmeeintrag durch das elektronische Bauteil sich hauptsächlich auf eine erste elektrochemische Energiespeichereinheit auswirkt, welche durch ihre Lithium-Metallphosphat-Chemie deutlich unempfindlicher gegenüber hohen Tem peraturen ab beispielsweise 150° C ist und kein sogenanntes thermisches Durch gehen, auch „Thermal Runaway“ genannt, verursacht. Somit kann die Sicherheit des elektrischen Energiespeichersystems erhöht werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegen stand der Unteransprüche.

Zweckmäßigerweise weist mindestens eine zweite elektrochemische Energie speichereinheit des elektrischen Energiespeichersystems eine sich von der Li- thium-Metallphosphat-Chemie unterscheidende Zellchemie auf. Dies ist vorteil haft, da mittels der unterschiedlichen Zellchemien der Verlauf der Leerlaufspan nungskennlinie des elektrischen Energiespeichersystems in vorteilhafter Weise beeinflusst werden kann.

Zweckmäßigerweise weist die Lithium-Metallphosphat-Chemie eine Lithium- Ei senphosphat-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 un terscheidende Zellchemie Lithium-Titanatoxid, Lithium-Metall und/oder Lithium- Metall-Oxid auf. Dies ist vorteilhaft, da sich damit der Verlauf der Leerlaufspan nungskennlinie des elektrischen Energiespeichersystems in gewünschter Weise je nach Anwendungsfall anpassen lässt. Zweckmäßigerweise ist die mindestens eine erste elektrochemische Energiespei chereinheit in einem Außenbereich des elektrischen Energiespeichersystems an geordnet. Dies bedeutet, dass zur Umgebung des elektrischen Energiespeicher systems beispielsweise nur noch ein Gehäuse vorhanden ist und somit bei Ein dringen eines Fremdkörpers oder bei einem Unfall beziehungsweise ganz allge mein 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 elektri sche 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 Energiespei chereinheiten im Fehlerfall, beispielsweise bei Überhitzen einer Energiespeicher einheit, verhindert und somit die Sicherheit des elektrischen Energiespeichersys tems erhöht.

Zweckmäßigerweise umfasst das elektronische Bauteil ein elektrisches Schalt element, wobei das elektrische Schaltelement insbesondere ein Relais, eine Si cherung oder einen Mosfet umfasst. Das ist vorteilhaft, da in diesen Bauteilen ty pischerweise im Betrieb des elektrischen Energiespeichersystems viel Wärme entsteht, welche somit zuerst die unempfindlichere Energiespeichereinheit mit Lithium-Metallphosphat-Chemie erwärmt, wobei ein Erwärmen der anderen Ener giespeichereinheiten vermieden wird.

Zweckmäßigerweise wird das elektronische Bauteil zwischen zwei ersten elektro chemischen Energiespeichereinheiten angeordnet. Dies ist vorteilhaft, da somit die Wärme von dem elektronischen Bauteil besser abgeführt wird und gleichzei tig der Wärmeeintrag auf die einzelnen elektrochemischen Energiespeicherein heiten reduziert wird. Zweckmäßigerweise ist das elektrische Energiespeichersystem derart aufgebaut, dass bei definierten Betriebsbedingungen des elektrischen Energiespeichersys tems an seinem wärmsten Punkt eine erste elektrochemische Energiespeicher einheit mit Lithium- Eisenphosphat-Chemie angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, da diese Zellchemie unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen, insbesondere über 100° C ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsge mäßen elektrischen Energiespeichersystems gemäß einer ersten Aus führungsform; und

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsge mäßen elektrischen Energiespeichersystems gemäß einer zweiten Aus führungsform.

Ausführungsformen der Erfindung

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskompo nenten oder gleiche Verfahrensschritte.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungs gemäßen elektrischen Energiespeichersystems 10 gemäß einer ersten Ausfüh rungsform. Dabei umfasst das elektrische Energiespeichersystem 10 mehrere erste elektrochemische Energiespeichereinheiten 11 mit Lithium-Metallphosphat- Chemie, welche eine Lithium-Metallphosphat-Chemie aufweisen und in Reihen- Schaltung elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ein elektronische Bau teil 14, hier in Figur 1 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 Energiespeicher einheiten 11, 12 innerhalb eines Gehäuses 13 angeordnet. Dabei sind zumindest zwei erste elektrochemische Energiespeichereinheiten 11 in einem Außenbe reich des elektrischen Energiespeichersystems 10 angeordnet. Dies trägt zur besseren Sicherheit des elektrischen Energiespeichersystems 10 beispielsweise bei Unfällen bei.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungs gemäßen elektrischen Energiespeichersystems 20 gemäß einer zweiten Ausfüh- rungsform. Dabei umfasst das Energiespeichersystem 20 die gleichen Kompo nenten wie bei Figur 1 aufgeführt. Das elektronische Bauteil 14 ist dabei zwi schen zwei ersten elektrochemischen Energiespeichereinheiten 11 mit Lithium- Metallphosphat-Chemie angeordnet.