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DE102012204962A1 - Fahrzeug mit Lithium-Ionen-Batterie - Google Patents

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DE102012204962A1
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Sebastian Scharner
Andreas Störmer
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Abstract

Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz, in welches elektrische Komponenten und zumindest eine Lithium-Ionen-Batterie integriert sind, wobei die die Lithium-Ionen-Batterie mehrere Lithium-Ionen-Zellen umfasst, jede Lithium-Ionen-Zelle auf einer Zelltechnologie basiert, und die Zelltechnologie von zumindest zwei Lithium-Ionen-Zellen unterschiedlich ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz, in welches elektrische Komponenten und zumindest eine Lithium-Ionen-Batterie integriert sind.
  • Aufgrund der Energiedichte und Leistungsdichte von elektrochemischen Lithium-Ionen-Systemen eignen sich Lithium-Ionen-Batterien für die Anwendung in Fahrzeugbordnetzen.
  • Nach dem Stand der Technik, siehe etwa EP 1 222 708 A1 , sind moderne Lithium-Ionen-Batterien aus einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut.
  • Dabei kommen Lithium-Ionen-Zellen zum Einsatz, die geometrisch verschiedenartig ausgestaltet sein können. Ein Beispiel sind Beutelzellen wie in EP 1 222 708 A1 beschrieben.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz, in welches elektrische Komponenten und zumindest eine Lithium-Ionen-Batterie integriert sind, zu beschreiben.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Lithium-Ionen-Batterie mehrere Lithium-Ionen-Zellen, jede Lithium-Ionen-Zelle basiert auf einer Zelltechnologie, wobei die Zelltechnologie von zumindest zwei Lithium-Ionen-Zellen unterschiedlich ist.
  • Die Zelltechnologie einer Lithium-Ionen-Zelle basiert auf einem bestimmten elektrochemischen System. Gängige, jeweils eine Zelltechnologie begründende und das Redoxpaar Li/Li+ der elektrochemischen Spannungsreihe einschließende elektrochemische Systeme für Lithium-Ionen-Zellen sind beispielsweise die Lithium-Eisenphosphat-Technologie, die Lithium-Titanat-Technologie und die Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Technologie.
  • Die Erfindung umfasst mit anderen Worten eine Batterie, die Zellen umfasst, die sich in Bezug auf deren Zelltechnologie unterscheiden.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Fahrzeug eine erste Auswahl der elektrischen Komponenten im Wesentlichen von der Lithium-Ionen-Batterie mit elektrischer Leistung versorgbar, wobei diese erste Auswahl von elektrischen Komponenten durch einen ersten typischen Spannungsarbeitsbereich zwischen einem ersten Spannungsobergrenzwert und einem ersten Spannungsuntergrenzwert charakterisiert ist, und es ist nach dieser Ausführungsform die Lithium-Ionen-Batterie im Wesentlichen von einer zweiten Auswahl der elektrischen Komponenten mit elektrischer Leistung versorgbar, wobei die zweite Auswahl durch einen zweiten typischen Spannungsarbeitsbereich zwischen einem zweiten Spannungsobergrenzwert und einem zweiten Spannungsunergrenzwert charakterisiert ist.
  • Dies bedeutet, dass die Lithium-Ionen-Batterie im Fahrzeug im bestimmungsgemäßen Betrieb eine bestimmte Gruppe von elektrischen Komponenten des Fahrzeugbordnetzes mit elektrischer Leistung und Energie als Leistungs- und Energiequelle speist. Diese Gruppe von elektrischen Komponenten wird als Verbraucher bezeichnet. In entsprechender Weise kann die Lithium-Ionen-Batterie als sekundärer Energiespeicher die Funktion einer Energie- und Leistungssenke übernehmen. Dabei wird die Lithium-Ionen-Batterie im bestimmungsgemäßen Betrieb von einer bestimmten Gruppe von elektrischen Komponenten des Fahrzeugbordnetzes mit elektrischer Leistung gespeist. Diese Gruppe von elektrischen Komponenten wird als Generatoren bezeichnet.
  • Die Verbraucher und die Generatoren weisen im bestimmungsgemäßen Betrieb jeweils einen typischen Spannungsarbeitsbereich auf.
  • Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn ein Batteriespannungsarbeitsbereich zwischen einem Batterieobergrenzwert und einen Batterieuntergrenzwert gegeben ist, der Batterieobergrenzwert durch den größeren Wert der beiden Spannungsobergrenzwerte gegeben ist, der Batterieuntergrenzwert durch den kleineren Wert der beiden Spannungsuntergrenzwerte gegeben ist, und die Lithium-Ionen-Batterie durch einen typischen Batteriespannungsbereich charakterisiert ist.
  • Gleichbedeutend ist dies damit, dass der Batteriespannungsarbeitsbereich bezüglich des Parameters Spannung als Vereinigungsmenge des typischen Spannungsarbeitsbereichs der Verbraucher und des typischen Spannungsarbeitsbereichs der Generatoren gegeben ist.
  • Ferner ist die Lithium-Ionen-Batterie durch einen Batteriespannungsbereich charakterisiert, welcher im Wesentlichen die Abhängigkeit der Ruhespannung der Batterie in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie beschreibt.
  • Nach besonders bevorzugter Art und Weise der Erfindung entspricht der Batteriespannungsbereich dem Batteriespannungsarbeitsbereich oder es umfasst Batteriespannungsbereich den Batteriespannungsarbeitsbereich.
  • Darin liegen besondere Vorteile im Fahrzeugbordnetz begründet: Durch Einstellen des Batteriespannungsbereichs auf den Batteriespannungsarbeitsbereich ist die vollständige Batteriekapazität im Fahrzeug nutzbar. Um eine vorgegebene Energiemenge nutzbar zu machen, ist also keine Überdimensionierung der Batterie notwendig. Ferner ermöglicht das Einstellen des Batteriespannungsbereichs einen Betrieb der Batterie bei einem vorgebbaren mittleren Ladezustand. Dieser ist in derartigen Grenzen vorgebbar, dass der Betrieb der Batterie im Vergleich zu anderen mittleren Ladezuständen in einer die Batterielebensdauer begünstigenden Weise erfolgt.
  • Vorteilhaft ist es wenn, der Batteriespannungsbereich durch die jeweilige Anzahl von Lithium-Ionen-Zellen mit zumindest zwei unterschiedlichen Zelltechnologien einstellbar ist.
  • Die Entsprechung des Batteriespannungsbereichs dem Batteriespannungsarbeitsbereich oder die Umfassung des Batteriespannungsarbeitsbereich durch den Batteriespannungsbereich ist durch die Maßnahme erreichbar, dass die Lithium-Ionen-Batterie von einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Zellen gebildet wird, die je Zelle eine unterschiedliche Zelltechnologie aufweisen können. Somit ist eine ladezustandsabhängige Ruhespannungskennlinie der Lithium-Ionen-Batterie realisierbar, die in ihren Extrema bei 0% Ladezustand und 100% Ladezustand nahezu kongruent mit dem Batteriespannungsarbeitsbereich ist oder diesen umfasst. Zusätzlich kann eine Betriebsstrategie der Lithium-Ionen-Batterie vorsehen, dass der Batteriespannungsbereich bevorzugt zwischen vorgebbaren Ladezuständen entsprechenden Spannungsgrenzen nutzbar ist, z. B. zwischen 20% Ladezustand und 90% Ladezustand. Eine zeitliche Minimierung extremer Ladezustände maximiert im Allgemeinen die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie.
  • Nach einer weiteren Variante der Erfindung ist weiterhin eine Bleibatterie in das Fahrzeugbordnetz integriert und die Lithium-Ionen-Batterie zu der Bleibatterie parallel geschaltet.
  • Dies erlaubt beispielsweise im Bordnetz sowohl die spezifischen Vorteile einer Bleibatterie als Energiespeicher als auch die spezifischen Vorteile der Lithium-Ionen-Batterie als Energiespeicher zu nutzen. Dies ist möglich, wenn die Lithium-Ionen-Batterie als Kurzzeitspeicher bei einem hohen Zyklisierungsmaß und die Bleibatterie als Langzeitspeicher bei niedrigem Zyklisierungsmaß genutzt wird.
  • Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
    Parallel zu einer 12 Volt Blei-Säure-Batterie wird ein Li-Ionen-Zusatzspeicher eingesetzt. Die Nutzung des verfügbaren Speicherinhalts der Li-Ionen-Batterie aufgrund deren Spannungslage wird verbessert, indem Lithium-Ionen-Zellen mit verschiedenen Lithium-Ionen-Zellchemien innerhalb der Li-Ionen-Batterie eingesetzt werden, um die Spannungslage des Li-Ionen-Speichers genauer an die Bedürfnisse im Bordnetz anpassen zu können. Dann kann der Li-Ionen-Speicher bezüglich Leistung und Kapazität ideal ausgenutzt werden.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
  • 1 Batteriespannungsbereich und Batteriespannungsarbeitsbereich
  • In das physische Bordnetz eines Fahrzeugs mit einer Nennspannung von 14 Volt sind zahlreiche elektrische Verbraucher integriert. Dies reicht von Sicherheitssystemen wie der Lichtanlage oder elektrischen Fahrwerksregelsystemen über Steuergeräte des Datenbordnetzes bis zu Komfortverbrauchern wie einer Sitzheizung.
  • Ferner weist das physische Bordnetz einen elektrischen Generator als Energiequelle auf. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist dies ein Klauenpolgenerator. Ein weiterer Generator kann beispielsweise ein thermoelektrischer Generator sein. Auch Energiekonverter nehmen die Funktion eines Generators im Bordnetz ein. Hier ist beispielsweise ein Solardach zu nennen.
  • Die Verbraucher und Generatoren werden ausgehend von der Nennspannungslage des Bordnetzes von 14 Volt jeweils in einem typischen Spannungsbereich betrieben. Zum Beispiel sind bestimmte Steuergeräte in der Automobilindustrie üblicherweise in einem typischen Spannungsbereich von 9–16 Volt spezifiziert.
  • Das typische Spannungsband der Leistungsabgabe eines Klauenpolgenerators liegt, implementiert durch eine Generatorregelung, im Bereich von 10,6–15,5 Volt
  • Der ideale spannungsbezogene Arbeitsbereich eines in das Bordnetz integrierten elektrischen Energiespeichers steht in einer bestimmten Relation zu dem typischen Spannungsbereich der Verbraucher und der Generatoren, wobei der Arbeitsbereich des Energiespeichers durch seine Ruhespannung in Abhängigkeit seines Ladezustandes und innerhalb eines durch die Zelltechnologien vorgegebenen Spannungsbereichs gegeben ist. Bevorzugt umfasst gemäß 1 der spannungsbezogene Arbeitsbereich des Energiespeichers (2) vollständig den spannungsbezogenen Bordnetzarbeitsbereich (1) der Verbraucher bzw. Generatoren und liegt beispielsweise bei 9–16 Volt. Nach weiteren Ausführungsformen überlappt der spannungsbezogene Arbeitsbereich des Energiespeichers den spannungsbezogenen Bordnetzarbeitsbereich zumindest teilweise und reicht über diesen in Richtung höherer Spannungen (3) oder in Richtung niedrigerer Spannungen (4) hinaus.
  • Im Fall des teilweisen Überlapps in Richtung höherer Spannung (3) ergibt sich der spezifische Vorteil, dass ein nahezu vollständig entladener Energiespeicher eine Spannung aufweist, die innerhalb des Bordnetzarbeitsbereichs (1) liegt. Somit kann selbst ein fast vollständig entladener Energiespeicher zu einer spannungsbezogenen Spannungsstabilisierung des Bordnetzes beitragen. Zusätzlich muss ein Energiespeicher der Konfiguration (3) in 1 nicht vor Überladung geschützt werden, da bei der spannungsbezogenen oberen Grenze des Bordnetzarbeitsbereichs der Energiespeicher in einem teilentladenen Zustand befindlich ist.
  • Das elektrochemische Potential einer Bleibatteriezelle ist durch das Redoxpaar Pb/PbSO4 bei ca. 2 Volt je geladener Zelle gegeben. Eine geladene 6-zellige Bleibatterie weist somit eine Nennspannung von ca. 12 Volt auf.
  • Eine moderne Blei-Säure-Batterie in AGM-Technologie deckt mit einem Spannungsbereich zwischen 10,5 V bei 0% Ladezustand und ca. 12,8 V bei 100% Ladezustand den Bordnetzarbeitsbereich mithin recht gut ab.
  • Bei einer Lithium-Ionen-Batterie können bei einer mehrzelligen Batterie Zellen mit verschiedener Zelltechnologie eingesetzt werden. System. Gängige Zelltechnologien des Redoxpaars Li/Li+ sind beispielsweise die Lithium-Eisenphosphat-Technologie (LiFePO4), die Lithium-Titanat-Technologie (Li4Ti5O12) und die Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Technologie (LiNi0,33Co0,33Mn0,33O2). Dies bedeutet exemplarisch, dass bei der Lithium-Eisenphosphat-Technologie das Aktivmaterial des positiven Elektrode der Lithium-Ionen-Zelle durch LiFePO4 gebildet wird, bei der Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Technologie durch LiNi0,33Co0,33Mn0,33O2. Die negative Elektrode der Zelle ist jeweils aus dem Aktivmaterial Graphit aufgebaut, das als Wirtsgitter für die Li+-Ionen agiert. In Abhängigkeit von dem in der Zelle eingesetzten positiven Aktivmaterial weist die Zelle einen charakteristischen Spannungsverlauf zwischen 0% Ladezustand und 100% Ladezustand auf. Dieser ist bei der Lithium-Eisenphosphat-Technologie 2,0 V–3,6 V, bei der Lithium-Titanat-Technologie 1,5 V–2,8 V und bei der Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Technologie 2,0 V–4,2 V.
  • Während Lithium-Ionen-Batterie nach dem Stand der Technik – wie etwa die Bleibatterie – nur Zellen einer Zelltechnologie beinhalten, wird in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Batterie mit Zellen unterschiedlicher Zelltechnologie beschrieben.
  • Wird etwa eine Batterie aus vier Zellen Lithium-Titanat-Technologie und aus einer Zelle der Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Technologie aufgebaut, ergibt sich ein Arbeitsbereich der Batterie zwischen 8 Volt und 14,8 Volt. Daran ist vorteilhaft, dass der dieser Betriebsbereich sehr änhlich zu dem einer Blei-Säure Batterie in AGM-Technologie ist. Dadurch ist eine vereinfachte Parallelschaltung möglich.
  • Alternativ kann die Lithium-Ionen-Batterie aus drei Zellen Lithium Eisenphospaht und zwei Zellen Lithium-Titanat gebildet werden. Daraus ergibt sich ein Arbeitsbereich der Batterie zwischen 9 V und 16,4 V. Dies ist optimal, weil der gesamte Spannungsbereich des 14 V Bordnetzes ausgenutzt werden kann.
  • Die Ausführungsbeispiele zeigen einen fundamentalen technischen Vorteil:
    Die Lithium-Ionen-Batterie ist hinsichtlich ihres spannungsbezogenen Betriebsbereichs an durch das Bordnetz gestellte Anforderungen anpassbar. Dies kann als „voltage engineering” bezeichnet werden. Dadurch ist die Auslegung von Fahrzeugbordnetz deutlich flexibler. Da das elektrochemische System der Bleibatterie einen Spannungsbetriebsbereich der Batterie festlegt, war in der bisherigen Fahrzeugentwicklung dadurch eine Randbedingung an die Auslegung des Bordnetzes gestellt. Die Arbeitsbereiche der Generatoren und Verbraucher waren an den vorgegebenen Arbeitsbereich der Batterie anzupassen.
  • Eine Lithium-Ionen-Batterie mit unterschiedlichen Zelltechnologien ermöglicht einen umgekehrten Ansatz: Einer Auslegung des Bordnetzes ohne von einer Batterie gestellte Randbedingungen folgt die Designauslegung der Lithium-Ionen-Batterie in einem zweiten Schritt.
  • Dies bedeutet künftig für die Auslegung von Fahrzeugbordnetzen, dass Größe und Gewicht einer Li-Ionen Batterie durch die optimale Anpassbarkeit an das Energiebordnetz minimal ausgelegt werden können. Dies kann trotz des Einsatzes von standardisierten und etablierten 14 V-Komponenten im Bordnetz geschehen und optimiert damit ebenso die Systemkosten.
  • 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
    • EP 1222708 A1 [0003, 0004]

Claims (6)

  1. Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz, in welches elektrische Komponenten und zumindest eine Lithium-Ionen-Batterie integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Lithium-Ionen-Batterie mehrere Lithium-Ionen-Zellen umfasst, – jede Lithium-Ionen-Zelle auf einer Zelltechnologie basiert, und – die Zelltechnologie von zumindest zwei Lithium-Ionen-Zellen unterschiedlich ist.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – im Wesentlichen eine erste Auswahl der elektrischen Komponenten von der Lithium-Ionen-Batterie mit elektrischer Leistung versorgbar ist, – die erste Auswahl durch einen ersten typischen Spannungsarbeitsbereich zwischen einem ersten Spannungsobergrenzwert und einem ersten Spannungsuntergrenzwert charakterisiert ist, – die Lithium-Ionen-Batterie im Wesentlichen von einer zweiten Auswahl der elektrischen Komponenten mit elektrischer Leistung versorgbar ist, und – die zweite Auswahl durch einen zweiten typischen Spannungsarbeitsbereich zwischen einem zweiten Spannungsobergrenzwert und einem zweiten Spannungsuntergrenzwert charakterisiert ist.
  3. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Batteriespannungsarbeitsbereich zwischen einem Batterieobergrenzwert und einem Batterieuntergrenzwert gegeben ist, – der Batterieobergrenzwert durch den größeren Wert der beiden Spannungsobergrenzwerte gegeben ist, – der Batterieuntergrenzwert durch den kleineren Wert der beiden Spannungsuntergrenzwerte gegeben ist, und – die Lithium-Ionen-Batterie durch einen typischen Batteriespannungsbereich charakterisiert ist.
  4. Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der Batteriespannungsbereich dem Batteriespannungsarbeitsbereich entspricht.
  5. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – der Batteriespannungsbereich durch die jeweilige Anzahl von Lithium-Ionen-Zellen mit zumindest zwei unterschiedlichen Zelltechnologien einstellbar ist.
  6. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Bleibatterie in das Fahrzeug integriert ist, und – die Lithium-Ionen-Batterie zu der Bleibatterie parallel geschaltet ist.
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