[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.
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.