Stromversorgung für ein Elektroboot

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein Boot, mit einem Elektromotor und einer Gleichspannungsquelle. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Außenbordantrieb mit einem Elektromotor für ein Wasserfahrzeug, insbesondere für ein Boot. Weiter ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Versorgung eines Elektromotors eines Wasserfahrzeuges, insbesondere eines Bootes, mit Strom gerichtet.

[0002] Außenbordantriebe gehören zu den am weitesten verbreiteten Antriebssystemen für kleinere Boote. Ein Außenbordantrieb ist eine komplette Antriebseinheit mit Motor, Propeller und unterstützenden Systemen, wie zum Beispiel einem Getriebe oder einer elektronischen Steuereinheit. Der Außenbordantrieb wird üblicherweise am Heck des Bootes angebracht.

[0003] Außenbordantriebe werden entweder mit Benzin- oder mit Elektromotoren angeboten. Die Akzeptanz eines Bootes mit Elektroantrieb hängt wesentlich von der Art der Stromversorgung ab, da beispielsweise die Reichweite eines elektrisch angetriebenen Bootes durch die Kapazität der Batterie begrenzt wird.

[0004] Traditionell erfolgt bei Außenbordantrieben mit Elektromotor die Stromversorgung über Batterien, insbesondere über wiederaufladbare Batterien (Akkus), beispielsweise Blei-Säure-Akkumulatoren. Blei-Säure-Akkus sind allerdings vergleichsweise groß und schwer, so dass auf dem Boot nur eine begrenzte Anzahl Akkumulatoren untergebracht werden kann. Insbesondere ist eine Anbringung der Akkus aufgrund deren hohen Gewichts direkt am Außenbordantrieb nicht möglich.

[0005] Aus anderen Anwendungsbereichen sind auch Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren bekannt. Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren besitzen zwar eine bessere Hochstromfähigkeit (spezifische Leistung) und höhere Energiedichte (spezifische Kapazität) als Blei-Akkumulatoren, deren Energiedichte ist jedoch für Hochleistungselektromotoren oft zu gering.

[0006] So werden Hochleistungs-Bootselektromotoren mit hohen Strömen von bis zu 100 A und teilweise noch darüber betrieben, wofür sich Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren als Stromversorgung nicht eignen.

[0007] Für Handys und Notebooks werden auch Lithium-lonen-Akkumulatoren angeboten. Lithium-lonen-Akkumulatoren sind in der Regel als Lithium-Kobalt-Akkumulatoren (Li-Co-Akkus) ausgeführt, bei denen Kobalt als positive Elektrode verwendet wird. Li-Co-Akkus besitzen eine hohe spezifische Energiedichte, sind jedoch nicht hochstromfest. Das heißt, die Spannung bricht bei hohen Strömen zusammen.

[0008] Li-Co-Akkus weisen zudem Sicherheitsdefizite bei der Handhabung auf. Li-Co-Akkus reagieren sehr empfindlich auf Störungen oder Fehlfunktionen. Bei einem Kurzschluss treten beispielsweise sehr schnell hohe Temperaturen auf, die zu einer Entzündung des Lithium führen können. Insbesondere bei hohen Strömen werden bei Fehlfunktionen große Energiemengen frei, die zu einem Brand und im schlimmsten Fall sogar zu einer Explosion des Akkus führen können. Aus diesem Grund werden Li-Co-Akkus bisher nur für Niederstromanwendungen, wie beispielsweise Handys und ähnliches, verwendet.

[0009] Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Elektromotorboot und einen Elektroaußenbordmotor mit einer Gleichspannungsquelle zu entwickeln, wobei die oben genannten Probleme vermieden werden und wobei ein hoher Sicherheitsstandard erfüllt wird.

[0010] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein Boot, mit einem Elektromotor und einer Gleichspannungsquelle gelöst, wobei die Gleichspannungsquelle als Lithium-Mangan-Akkumulator ausgeführt ist.

[0011] Der erfindungsgemäße Boots-Außenbordantrieb mit einem Elektromotor zeichnet sich dadurch aus, dass dieser einen Lithium-Mangan-Akkumulator als Gleichspannungsquelle umfasst.

[0012] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Versorgung eines Elektromotors eines Wasserfahrzeuges, insbesondere eines Bootes, mit Strom, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Lithium-Mangan-Akkumulator als Gleichspannungsquelle dient.

[0013] Im Rahmen der Erfindung wird ein Lithium-Mangan-Akku (Li-Mn-Akku) als Gleichspannungsquelle zur Stromversorgung des Elektromotors eines Wasserfahrzeuges, insbesondere eines Bootes, eingesetzt. Im Unterschied zu einem Li-Co-Akku wird bei einem Li-Mn-Akku Mangan oder Spinell als positive Elektrode verwendet. Li-Mn-Akkus besitzen zwar eine etwas geringere Energiedichte als Li-Co-Akkus, sind aber hochstromfest, das heißt können Leistungen von bis zu 1000 W/kg abgeben.

[0014] Bisher wurden Lithium-lonen-Akkus, zu denen auch Li-Mn-Akkus gezählt werden, für Hochstromanwendungen als nicht sicher beurteilt. Zur Stromversorgung von Elektrobooten, wobei Ströme von mehr als 50 A, teilweise mehr als 100 A, fließen können, wurden Lithium-lonen-Akkus daher nicht eingesetzt. Die auf Booten herrschenden Bedingungen, wie Nässe, Feuchtigkeit, Spritzwasser und vor allem Salzwasser, verstärkten diese Sicherheitsbedenken noch.

[0015] Zudem sind auf Booten besondere Anforderungen an die Sicherheitstechnik zu stellen. Auf einem Boot stellt ein Brand unmittelbar ein existentielles Risiko dar. Ein Motorenbrand kann nämlich schnell dazu führen, dass das Boot sinkt und damit Menschenleben gefährdet werden.

[0016] Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Lithium-tonen-Akkus allgemein entgegengebrachten Bedenken bezüglich deren Sicherheit bei Li-Mn-Akkus ungerechtfertigt sind. In umfangreichen Untersuchungen wurden Li-Mn-Akkus als Gleichspannungsquelle für den Elektroantrieb auf Booten getestet. Es hat sich gezeigt, dass Li-Mn-Akkus elektrochemisch deutlich träger als Li-Co-Akkus reagieren, so dass keine kritischen Temperaturerhöhungen auftreten, die zu einer Entzündung des Lithiums führen. Selbst bei Fehlfunktionen, beispielsweise einem Defekt am Ladegerät, konnten keinerlei die Sicherheit beeinträchtigenden Situationen festgestellt werden.

[0017] Vorzugsweise werden die die Li-Mn-Akkus mit einer Sicherheitselektronik ausgerüstet, die sie gegen Kurzschluss, Überspannung und Tiefentladung schützt. Besonders bevorzugt verfügt jede einzelne Li-Mn-Zelle über eine eigene Sicherheitselektronik.

[0018] Li-Mn-Akkus bestehen aber auch bei abgeschalteter Sicherheitselektronik alle gebotenen Sicherheitstests, wie zum Beispiel Crashtests, Kurzschlusstests, bei denen eine maximale Zahl von Batteriezellen kurzgeschlossen wird, Überladungstests oder Hochtemperaturtests, bei denen die vorgenannten Tests an einer vorgewärmten Batterie durchgeführt werden.

[0019] Li-Mn-Akkus haben neben der Hochstromfestigkeit und der sicheren Betriebsweise noch den Vorteil, dass sie leicht und aufgrund ihrer hohen Energiedichte relativ klein sind. Pro Kilogramm Batteriegewicht kann eine große Menge Energie gespeichert werden. Zudem sind Li-Mn-Batterien hochstromfest, können also ihre Kapazität auch bei Entnahme hoher Leistung zur Verfügung stellen. Diese beiden Eigenschaften sind für die Verwendung in Bootsantrieben von großer Bedeutung: Zum einen verringern sich so Batteriegewicht und -volumen an Bord und eignen sich daher insbesondere als Stromversorgung für einen Außenbordantrieb, zum anderen sorgen die Li-Mn-Batterien dafür, dass die Versorgungsspannung nicht zusammenbricht, obwohl Elektrobootsmotoren zeitweise hohe Ströme aus den Batterien ziehen.

[0020] Bisher war die Stromversorgung für einen Elektro-Außenbordantrieb aus Platz- und Gewichtsgründen immer im Boot untergebracht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nun ein Li-Mn-Akku als Gleichspannungsquelle in den Außenbordantrieb integriert, so dass der Außenbordantrieb alle für den Betrieb relevanten Komponenten, insbesondere die Energieversorgung, beinhaltet.

[0021] Der Außenbordantrieb ist mit einem entsprechenden Platz zur Aufnahme des Li-Mn-Akkus versehen. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist der Außenbordantrieb ein Gehäuse auf, welches zumindest einen Teil des Außenbordantriebs einhaust. Innerhalb des Gehäuses ist dabei Platz zur Aufnahme des Li-Mn-Akkus als Energiequelle für den Elektromotor vorgesehen. Die Gleichspannungsquelle ist in den Außenbordantrieb integriert und durch das Gehäuse gegen äußere Einflüsse, insbesondere gegen Spritzwasser, geschützt.

[0022] Vorzugsweise besitzt der Außenbordantrieb ein Oberteil, ein Unterwasserteil (Pylon) und einen das Oberteil und das Unterwasserteil verbindenden Schaft. Der Li-Mn-Akku ist in diesem Fall in dem Oberteil untergebracht und besonders bevorzugt in einem Teil des Oberteils, der mit einem Gehäuse versehen ist.

[0023] In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird der Schaft zur Aufnahme des Li-Mn-Akkus genutzt. Der Li-Mn-Akku findet in dem das Oberteil und das Unterwasserteil verbindenden Schaft Platz. Es ist ebenso möglich, dass der Li-Mn-Akku in dem Schaft und in dem Oberteil angeordnet ist. Zum Beispiel kann der Li-Mn-Akku aus mehreren einzelnen Zellen bestehen, wobei ein Teil der Zellen im Schaft und ein anderer Teil der Zellen im Oberteil untergebracht werden. Grundsätzlich ist auch die Aufnahme des Li-Mn-Akkus oder eines Teils davon im Unterwasserteil denkbar, wobei eine derartige Konstellation jedoch aus Platzgründen häufig nur schwer realisierbar ist.

[0024] Das Gehäuse kann sich über den gesamten Außenbordantrieb erstrecken oder nur einen Teil des Außenbordantriebs umschließen. Ebenso können mehrere Gehäuse vorgesehen sein, beispielsweise ein das Oberteil einhausendes Gehäuse und ein separates Gehäuse für den Schaft.

[0025] Für den erfindungsgemäßen Einsatz als Energieversorgung für einen Bootsantrieb hat sich besonders ein Lithium-Mangan-Nickel-Akkumulator (Li-Mn-Ni-Akku) bewährt. Li-Mn-Ni-Akkus zeichnen sich durch eine hohe spezifische Leistung bezogen auf das Gewicht aus und sind daher für die Anforderungen, die an die Stromversorgung eines Elektrobootsmotors gestellt werden, nämlich hohe Stromfestigkeit bei möglichst geringem Gewicht, bestens geeignet. So wiegt eine Li-Mn-Ni-Zelle mit einer Kapazität von 1,6 Ah bei 3,7 V Nennspannung beispielsweise nur etwa 44 g.

[0026] Bevorzugt werden mehrere Li-Mn-Zellen zu einem Li-Mn-Akku-Block zusammengefasst, der eine Kapazität zwischen 200 Wh und 2000 Wh besitzt.

[0027] In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Li-Mn-Zellen in einen ElektroAußenbordmotor integriert. Durch die Integration der Batterien in den Außenborder kommt dieser ohne einen Batterieanschluss aus. Die Li-Mn-Zellen werden in dem Oberteil des Außenbordmotors untergebracht. Aufgrund der hohen Energiedichte kann bereits mit 48 Li-Mn-Zellen eine für kleine Elektrobootsmotoren ausreichende Batteriekapazität zur Verfügung gestellt werden. So ergibt sich ein äußerst leichter, kompakter Außenborder, der sich besonders als Antrieb für Kleinst- und Schlauchboote, Dinghies, Jollen, H-Boote oder Daysailor eignet.

[0028] Wie bereits ausgeführt, sind Li-Mn-Batterien eine sehr sichere Energiequelle, so dass diese auch in großer Anzahl parallel geschaltet werden können, wenn eine größere Batteriekapazität gefordert ist. Zur Energieversorgung von Elektro-Bootsantrieben hat sich das Zusammenschalten von 48 bis 350 Li-Mn-Zellen als sinnvoll erwiesen.

[0029] Es hat sich als besonders günstig erwiesen, einen elektronisch kommutierten Synchronmotor mit einer Energieversorgung durch Li-Mn-Batterien als Bootsmotor einzusetzen. Permanentmagnet erregte, elektronisch kommutierte Synchronmotoren, insbesondere als Außenläufer ausgeführte Motoren, besitzen ein hohes Drehmoment und eignen sich daher besonders um große Propeller anzutreiben. Dabei ziehen die Synchronmotoren jedoch zeitweise sehr hohe Ströme aus der Batterie. Da Li-Mn-Batterien hochstromfest sind, das heißt, auch bei großer Stromentnahme die Versorgungsspannung halten, sind diese hierfür die erste Wahl.

[0030] Li-Mn-Batterien erfüllen genau die Anforderungen, die an die Energieversorgung eines elektronisch kommutierten Synchronmotors gestellt werden. Aufgrund seines hohen Drehmoments erweist sich Letzterer wiederum als optimales Antriebssystem für Boote, insbesondere für Schlauchboote sowie Segel- und Motorboote mit bis zu drei Tonnen Verdrängung, Die Kombination aus elektronisch kommutiertem Synchronmotor mit einer Li-Mn-Batterie stellt somit ein besonders bevorzugtes Antriebskonzept für Boote dar.

Ansprüche

1. Wasserfahrzeug, insbesondere Boot, mit einem Elektromotor und einer Gleichspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle als Lithium-Mangan-Akkumulator ausgeführt ist.

2. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle als Lithium-Mangan-Nickel-Akkumulator ausgeführt ist.

3. Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor Teil eines Außenbordantriebs ist, wobei der Lithium-Mangan-Akkumulator in dem Außenbordantrieb integriert ist.

4. Wasserfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenbordantrieb ein Oberteil, ein Unterwasserteil und einen das Oberteil und das Unterwasserteil verbindenden Schaft aufweist, wobei der Lithium-Mangan-Akkumulator in dem Oberteil untergebracht ist.

5. Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lithium-Mangan-Akkumulator eine Kapazität zwischen 200 Wh und 2000 Wh besitzt.

6. Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor als elektronisch kommutierter Synchronmotor ausgeführt ist.

7. Außenbordantrieb mit einem Elektromotor für ein Wasserfahrzeug, insbesondere für ein Boot, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenbordantrieb einen Lithium-Mangan-Akkumulator als Gleichspannungsquelle umfasst.

8. Verfahren zur Versorgung eines Elektromotors eines Wasserfahrzeuges, insbesondere eines Bootes, mit Strom, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lithium-Mangan-Akkumulator als Gleichspannungsquelle dient.