DE102007041526A1

DE102007041526A1 - Energiespeicher, insbesondere Akkumulator

Info

Publication number: DE102007041526A1
Application number: DE102007041526A
Authority: DE
Inventors: Volker Doege
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-02-12
Also published as: EP2179470A1; CN101779322A; US20110206950A1; WO2009021762A1

Abstract

Es ist bekannt, Energiespeicher, insbesondere Akkumulatoren, die mehrere Speicherelemente, wie elektrochemische Zellen, Kondensatoren, BatCaps und dergleichen, aufweisen, stets aus miteinander verschalteten, gleichartigen Elementen aufzubauen. Nachteilig ist, dass die Speicherelemente zumeist entweder ausgeprägte Hochenergieeigenschaften oder Hochleistungseigenschaften aufweisen. Ein Verbesserungspotenzial ist bei der Gesamtperformance der Energiespeicher sowie bei der otimalen Anpassung von Energiegehalt zu Abgabeleistung gegeben. Es wird ein Energiespeicher (1), insbesondere Akkumulator, enthaltend mehrere Speicherelemente vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens zwei Stränge (A, B) von Speicherelementen (10, 11, 12, 13 bzw. 20, 21, 22, 23) vorliegen, die parallel verschaltet sind, wobei ein jeder Strang (A; B) zumindest ein Speicherelement eines bestimmten Typs aufweist, der sich vom Typ des anderen Strangs unterscheidet. Der erfindungsgemäße Energiespeicher ist für akkumulatorbetriebene bzw. batteriebetriebene Elektrowerkzeuge und Fahrzeugbatterien, insbesondere für Elektroantriebe, vorgesehen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher, insbesondere Akkumulator, enthaltend mehrere Speicherelemente.
Es ist bekannt, Energiespeicher, insbesondere Akkumulatoren, die mehrere Speicherelemente, wie elektrochemische Zellen, Kondensatoren, BatCaps und dergleichen, aufweisen, stets aus miteinander verschalteten gleichartigen Elementen aufzubauen. Nachteilig ist, dass die Speicherelemente zumeist entweder ausgeprägte Hochenergieeigenschaften oder Hochleistungseigenschaften aufweisen. Beispielhaft werden Zellpacks, Kondensatorenbänke und dergleichen genannt. Die Verschaltung erfolgt gemäß der zu realisierenden Betriebsspannung durch Serienschaltung der Elemente. Außerdem sind dabei der benötigte Energiegehalt und die benötigten Leistungsdaten in der jeweiligen Anwendung zu berücksichtigen. Weiterhin werden diese Art von Energiespeicher, wie Akkumulatoren oder Batterien, je nach Typ der verschalteten Einzelelemente, für die benötigten Lade- und Endladevorgänge zumeist durch elektrische und/oder mechanische Regel- und Steuerkreise überwacht, um so den sicheren und langlebigen Betrieb dieser Energiespeicher zu gewährleisten. Ein Verbesserungspotenzial ist bei der Gesamtperformance der Energiespeicher sowie bei der optimalen Anpassung von Energiegehalt zu Abgabeleistung für die jeweilige Applikation gegeben.
Der erfindungsgemäße Energiespeicher, insbesondere Akkumulator hat demgegenüber den Vorteil, einer deutlichen Verbesserung der Gesamtperformance des Energiespeichers, welche mit einfachen Mitteln realisierbar ist. Außerdem kann eine optimale Anpassung von Energiegehalt zu Abgabeleistung des Energiespeichers erzielt werden. Besonders vorteilhaft ist, dass der Energiegehalt des gesamten Energiespeichers wesentlich erhöht werden kann, wodurch sich eine Laufzeitverlängerung ergibt, ohne dabei wesentliche Hochleistungseinbußen in der Anwendung hinnehmen zu müssen. Die Laufzeitverlängerung aufgrund des höheren Energieinhaltes bezieht sich auf die Anwendungszeit (Entladezyklus) des geladenen Energiespeichers bis zur völligen Entleerung, nicht jedoch auf die Anzahl der realisierbaren Lade-Entladezyklen. Vorteilhaft ist, dass durch die Erfindung eine Kombination unterschiedlicher Speicherzelltechnologien bereitgestellt wird, die sich schnell und effektiv modular zu einem Gesamtenergiespeicher zusammenfügen lässt und dabei die in den Modulen enthaltenen spezifischen Vorteile vereint. Dadurch können zum Beispiel hochstromfähige elektrochemische Speicherzellen mit Speicherzellen hoher Energieinhalte verknüpft werden. In vorteilhafter Weise erfüllt die Gesamtanordnung dann die für eine spezielle Applikation benötigten Leistungsmerkmale, wie Gesamtenergieinhalt und elektrische Leistungsabgabe. Von Vorteil ist, dass unterschiedliche Speicherelemente bzw. Speicherzellen in dem Energiespeicher bzw. in der Batterieanordnung einsetzbar sind, die zum Beispiel auf Spitzenleistung oder Hochenergieinhalt optimiert sind.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Vorteilhaft ist, je Strang A, B mehrere in Reihe geschaltete Speicherelemente desselben Typs zu verwenden. Je Strang A, B können z. B. zwei, drei oder mehrere in Reihe geschaltete Speicherelemente verwendet werden, wobei die Anzahl der Speicherelemente in den Strängen A, B gleich oder verschieden sein kann. Sind je Strang A, B mehrere in Reihe geschaltete Speicherelemente desselben Typs vorgesehen, ist vorzugsweise der Typ des Speicherelements des einen Strangs eine Hochleistungszelle und der andere Typ des Speicherelements des anderen Strangs eine Hochenergiezelle. Damit ergibt sich eine gute Gesamtperformance des Energiespeichers, der an die Anforderungen an ausreichender Kapazität und maximalem Entladestrom erfüllt.
Von Vorteil ist, dass die Speicherzellen des einen Strangs A eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung gegenüber den Speicherzellen des anderen Strangs B aufweisen. Dabei ist die Speicherkapazität der einzelnen Stränge A, B unterschiedlich. Damit lässt sich in einfacher Art und Weise ein Energiespeicher modular aufbauen, der dann sehr unterschiedlichen Anforderungen gerecht wird.
Sehr vorteilhaft ist, dass die Parallelverschaltung an mehreren Stellen der Stränge A, B vorliegt, wobei zur Parallelverschaltung der Stränge A, B zumindest ein aktives oder passives Bauelement vorzusehen ist. Insbesondere ist eine jede Speicherzelle des einen Strangs A mit der Speicherzelle des anderen Strangs B über das Bauelement verbunden. Damit ergibt sich durch die Bauelemente in vorteilhafter Weise ein guter Ladungsausgleich zwischen den Strängen, insbesondere bei der Entladung, wobei in den Ruhepausen dann ein Ladungsausgleich in Richtung der Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts der Gesamtanordnung stattfindet. Vorzugsweise ist das Bauelement ein Widerstand, dessen Widerstandswert in einem Bereich von etwa 50 mOhm bis etwa 500 Ohm liegt.
Als sehr einfach bereitzustellen hat sich eine Anordnung herausgestellt, bei welcher der eine Strang A als Speicherelemente vier Li-Zellen als Hochleistungszellen HL und der andere Strang B als Speicherelemente vier Li-Zellen als Hochenergiezellen HE aufweist. Insbesondere kann es sich bei den vier Li-Zellen des Strangs A um Graphit/Li(NMC)O₂ 1,3 Ah/18650 HL und bei den vier Li-Zellen des Strangs B um Graphit/Li(NMC)O₂ 2,6 Ah/18650 HE handeln. Über drei parallel geschaltete Widerstände wird eine jede Speicherzelle des einen Strangs A mit der Speicherzelle des anderen Strangs B verbunden. Anstelle von vier Li-Zellen pro Strang können auch mehr oder weniger Zellen eingesetzt werden.
Von Vorteil ist, eine Kombination von Li-Zellen verschiedener Charakteristik und/oder verschiedener chemischer Zusammensetzung je Strang einzusetzen. Dabei ist die Speicherkapazität der einzelnen Stränge A, B durch die chemische Zusammensetzung und insbesondere durch den mechanisch physikalischen Zellaufbau unterschiedlich. Damit lässt sich in einfacher Art und Weise ein Energiespeicher modular aufbauen, der sehr unterschiedlichen Anforderungen gerecht wird.
In vorteilhafter Ausführung kann der eine Strang A als Speicherelemente sechs Hochleistungszellen HL und der andere Strang B als Speicherelemente fünf Hochenergiezellen HE aufweisen.
Insbesondere kann es sich bei den sechs Li-Zellen des Strangs A um Graphit/LiFePO₄ HL 1,2 Ah/18650 HL-Zellen und bei den fünf Li-Zellen des Strangs B um Graphit/Li(NMC)O₂ 2,6 Ah/18650 HE-Zellen handeln.
Von Vorteil ist, eine Kombination von Li-Zellen verschiedener Bauart vorzunehmen. So kann es sich bei den vier Zellen des Strangs A um Graphit/Li(NMC)O₂ Pouch Cell 1,55 Ah HL und bei den vier Zellen des Strangs B um Graphit/Li(NMC)O₂ 2,6 Ah/18650 HE-Zellen handeln. Der Vorteil besteht prinzipiell darin, auch unterschiedlichste Zellbauformen herausragender Performance kombinieren zu können. Ein Freiheitsgrad, der bisher nicht ausgenutzt wird.
Sehr einfach und wirksam ist, wenn eine Kombination von Hochleistungszellen HL und Hochenergiezellen HE unterschiedlicher Technologie vorliegt. Insbesondere kann der eine Strang A drei Hochleistungszellen HL und der andere Strang B eine einzige Hochenergiezelle HE aufweisen. Eine wirksame Ausführung ist gegeben, wenn es sich bei den drei Hochleistungszellen des Strangs A um NiMH HL 2,6 Ah/Sub-C und bei der einzigen Hochenergiezelle des anderen Strangs B um C/LiFePO₄HE 2 Ah/18650 handelt. Hier ist die Möglichkeit gegeben, total unterschiedliche Zellsysteme miteinander zu verknüpfen, wie Nickelzellen mit Lithiumzellen. Insbesondere ist ein Volumenvorteil gegenüber der Verwendung von nur Nickelzellen gegeben. Auch vom realisierbaren Ladealgorithmus her ist diese Kombination sehr interessant. Genau so könnten auch HE-Nickelzellen mit HL-Lithiumzellen kombiniert werden.
Als erfolgreich hat sich herausgestellt, bei den Speicherelementen bzw. dem Typ für den jeweiligen Strang A, B eine Kombination folgender Speicherelementtypen zu verwenden:

– Sekundäre Lithium-Hochleistungszellen, wie sie z. B. für den Einsatz in Elektrowerkzeugen bekannt sind
– Sekundäre Lithium-Hochenergiezellen, wie sie z. B. für den Einsatz in tragbaren Personalcomputern bekannt sind, wobei als Lithium-Hochenergie- bzw. Hochleistungszellen insbesondere sogenannte Lithiumionenzellen und Lithium-Polymerzellen, auch in Kombination mit Lithium-Metall- oder Legierungsanoden und ggf. anorganischen Elektrolytlösungen, Verwendung finden
– Nickel-Metallhydrid Zellen,
– Nickel-Cadmium Zellen,
– Nickel/Zink Sekundärzellen, wobei im Falle der Nickel-Zellen auch hochenergie- und hochleistungsoptimierte Bauformen von Zellen zum Einsatz kommen können.

Ferner können als Speicherelemente für den jeweiligen Strang A, B auch die folgenden Speicherelementtypen verwendet werden:

– Doppelschichtkondensatoren
– BatCaps.

In einfacher und vorteilhafter Weise zu bewerkstelligen ist es außerdem, handelsübliche Bauformen für die Speicherelemente zu verwenden, wie 18650, 26650, Sub-C oder auch alle anderen genormten Rundzellgehäuse, Pouch-Zellen oder allgemein prismatische Geometrien.
Von Vorteil ist, mehr als zwei Parallelstränge vorzusehen. So können zwei Hochleistungsstränge und ein Hochenergiestrang kombiniert werden. Möglich ist auch, zwei Hochenergiestränge und ein Hochleistungsstrang zu kombinieren. Dies kann je nach Anforderungsprofil an den Energiespeicher erfolgen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert und anhand der Zeichnung weiter verdeutlicht.
Es zeigen:
1 ein erstes und zweites Ausführungsbeispiel des Energiespeichers mit je Strang vier Speicherzellen,
2 ein drittes Ausführungsbeispiel des Energiespeichers mit einem Strang mit sechs Speicherzellen und mit einem Strang mit fünf Speicherzellen,
3 ein viertes Ausführungsbeispiel des Energiespeichers mit je Strang vier Speicherzellen sowie drei parallel geschalteten Widerständen zwischen den Strängen und
4 ein fünftes Ausführungsbeispiel des Energiespeichers mit einem Strang mit drei Speicherzellen und mit einem Strang mit einer einzigen Speicherzelle.
Ausführungsformen der Erfindung
Aktuelle elektrische Energiespeicher, wie Akkumulatoren oder Speicherbatterien, sind durch die Verwendung eines einzigen Speicherelements eines bestimmten Typs gekennzeichnet.
Das Speicherelement hat zumeist entweder ausgeprägte Hochenergieeigenschaften oder Hochleistungseigenschaften. Eine Kombination beider Eigenschaften ist noch nicht betrachtet worden. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, diesen Nachteil zu überwinden und die spezifischen positiven Eigenschaften einzelner Speicherelemente zu vereinen. Als Speicherelemente kommen Zellen oder auch Kondensatoren in Frage. Es sollen erfindungsgemäß wenigstens zwei Parallelstränge vorliegen, wobei zwei oder mehr verschiedene Zell-(und/oder Kondensator-)Technologien verknüpft vorliegen und eine bis beliebig viele Zellen in Serie verschaltet sind.
Heutzutage werden beispielsweise spezielle Lithium-Ionen Hochleistungszellen HL hergestellt, die insbesondere bei elektrisch angetriebenen Werkzeugen, sogenannten Power Tools, zum Einsatz kommen. Ferner sind spezielle Hochenergiezellen HE bekannt, wie sie bei Laptops im Einsatz sind. Diese Zellen kommen nur in einer Ausprägung, quasi „sortenrein", in den Anwendungen zum Einsatz. Die Hochenergiezellen HE haben den Nachteil, nur kleine Ströme zu ermöglichen. Hingegen haben die Hochleistungszellen HL den Nachteil, dass sie nur eine relativ kleine Nennkapazität aufweisen.
Erfindungsgemäß ist eine Verknüpfung unterschiedlicher elektrochemischer und/oder elektrischer Speicherelemente zu einem einzigen Energiespeicher, einem Akkumulator bzw. zu einer Gesamtbatterie, vorgesehen. Die sich ergebende Gesamtanordnung soll dann die für eine spezielle Applikation benötigten Leistungsmerkmale, wie Gesamtenergieinhalt (Wh) und elektrische Leistungsabgabe (Kapazität Ah) erfüllen. Der Vorteil besteht nun darin, unterschiedliche Speicherelemente in einer gemeinsamen Anordnung bzw. im Energiespeicher einzusetzen, welche für sich jeweils auf Spitzenleistung oder Hochenergiegehalt optimiert worden sind. Ggf. sind gewisse konstruktive Anpassungen der Zelle an den Einsatzfall im „Hybridpack" vorzunehmen.
Bisher ist es nur mit hohem Entwicklungsaufwand oder auch überhaupt nicht möglich, für eine spezifische Speichertechnologie, wie dem Akkumulator oder dem Kondensator, sowohl eine hohe spezifische Leistungsabgabe als auch einen hohen spezifischen Energieinhalt zu ermöglichen. Durch die Erfindung wird eine Kombination unterschiedlicher Speicherzelltechnologien bereitgestellt, die sich schnell und effektiv modular zu einem Gesamtenergiespeicher zusammenfügen lässt und dabei die in den Modulen enthaltenen spezifischen Vorteile vereint.
Die Erfindung zielt auf den Aufbau eines Energiespeichers 1 ab, der in Form eines Akkumulators bzw. Akkumulatorpacks oder eines Moduls vorliegt, wie sie für die Energieversorgung insbesondere von netzunabhängigen Elektrowerkzeugen, sogenannten cordless power tools oder auch bei elektrischen Fahrzeugantrieben benötigt werden. Weiterhin lässt sich die Erfindung auch prinzipiell auf die Kombination mehrerer Elementklassen, wie Akkumulatoren, (Super-)Kondensatoren, BatCaps oder auch Solar- und Brennstoffzellen, erweitern.
Der Aufbau des Energiespeichers bzw. Speicher- oder Akkupacks erfolgt durch eine Parallelverschaltung einzelner oder seriell verknüpfter Speicherelemente, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Akkus. Im Folgenden wird Lithium mit Li abgekürzt. Je nach Typ der zu verschaltenden Speicherelemente sind unterschiedliche Verschaltungsvarianten zulässig oder notwendig. Es ist zu beachten, dass die Speicherelemente bzw. Speicherelementtypen nicht beliebig miteinander verschaltet werden dürfen. Der Energiespeicher bzw. die Gesamtbatterie muss so entworfen werden, dass keines der Speicherelemente außerhalb seiner Produktspezifikationen betrieben wird, um einerseits die maximale Energie- und Leistungsausbeute zu ermöglichen und andererseits die Sicherheit im Betrieb zu gewährleisten. Bei der Art der Parallelverschaltung sind daher die charakteristischen Lade- und Endladekennlinien der Speicherelemente zu berücksichtigen und außerdem die erlaubten Spannungsfenster für den Betrieb zu beachten.
In der 1 ist exemplarisch ein möglicher Aufbau des erfindungsgemäßen Energiespeichers 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Es liegen zwei Stränge A, B von Speicherelementen 10, 11, 12, 13 und 20, 21, 22, 23 vor, die parallel verschaltet sind. Ein jeder Strang A; B weist zumindest ein Speicherelement 10, 11, 12, 13 bzw. 20, 21, 22, 23 eines bestimmten Typs auf, der sich vom Typ des anderen Strangs unterscheidet.
Es liegen für den Strang A vier Speicherelemente 10, 11, 12, 13 eines Typs vor, die in Reihe geschaltet sind. Für den Strang B liegen ebenfalls vier Speicherelemente 20, 21, 22, 23 eines (anderen) Typs vor, die in Reihe geschaltet sind. Je Strang liegen somit mehrere in Reihe geschaltete Speicherelemente desselben Typs vor. Im Einzelnen sind für die Speicherelemente 10, 11, 12, 13 des Strangs A der Typ: Graphit/Li(NMC)O₂ 1,3 Ah/18650 als Hochleistungszellen HL und für die Speicherelemente 20, 21, 22, 23 des Strangs B der Typ: Graphit/Li(NMC)O₂ 2,6 Ah/18650 als Hochenergiezellen HE vorgesehen. Es liegt somit eine Kombination von Hochenergiezellen HE und Hochleistungszellen HE vor, wie sie für Power Tool Anwendungen verwendet wird.
Prinzipiell möglich ist auch eine Kombination von Lithium (Li) Zellen verschiedener Bauart. Beispielsweise gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ebenfalls in der Schaltungsanordnung nach 1, wobei es sich bei den vier Li-Zellen des Strangs A um Graphit/Li(NMC)O₂ HL Pouch-Cell 1,55 Ah und bei den vier Li-Zellen des Strangs B um Graphit/Li(NMC)O₂ HE 2,6 Ah/18650 handelt.
Prinzipiell möglich ist auch eine Kombination von Li-Zellen verschiedener chemischer Zusammensetzung. Wie in der 2, einem dritten Ausführungsbeispiel, gezeigt ist, liegen für den Strang A zum Beispiel sechs Speicherelemente 10, 11, 12, 13, 14, 15 und für den Strang B zum Beispiel fünf Speicherelemente 20, 21, 22, 23, 24 vor. Die Speicherelemente des Strangs A bzw. B sind untereinander in Reihe geschaltet. Je Strang A; B liegen somit mehrere in Reihe geschaltete Speicherelemente desselben Typs vor. Der eine Strang A weist als Speicherelemente sechs Hochleistungszellen HL und der andere Strang B als Speicherelemente fünf Hochenergiezellen HE auf. Im Einzelnen handelt es sich bei den sechs Li-Zellen des Strangs A um Graphit/LiFePO₄ HL 1,2 Ah/18650-Zellen und bei den fünf Li-Zellen des Strangs B um Graphit/Li(NMC)O₂ 2,6 Ah/18650 HE. Eine jede Speicherzelle 10, 11, 12, 13, 14, 15 des Strangs A hat zum Beispiel 3,2 Volt/Zelle im Mittel. Eine jede Speicherzelle 20, 21, 22, 23, 24 des Strangs B hat entsprechend 3,8 Volt/Zelle im Mittel. Dieses Beispiel steht für die parallele Verwendung von Zellen unterschiedlicher Spannungslage, daraus folgt eine unterschiedliche Anzahl an Zellen pro Strang. Eine Parallelverknüpfung dieser Stränge ist an den Stellen möglich, an denen sich die Einzel-Zellspannungen zu etwa gleichen Summen addieren. Im Beispiel nach 2 ist auch 6 × 3,8 Volt der HL-Zelle etwa gleich 5 × 4,3 Volt Ladeschlussspannung der HE-Zelle. In dieser Packeinheit ist dann keine Parallelverknüpfung innerhalb der sechs bzw. fünf Zellen in Serie möglich. Es sei erwähnt, dass der spezifische Chemiemix der Zelle durch Graphit/Li(NMC)O₂ nur sehr grob und beispielhaft umrissen ist bzw. lediglich die Hauptkomponenten wiedergibt. Die genauen Materialzusammensetzungen sind im Detail sehr mannigfaltig.
Neben der spannungsbezogenen Balancierung der parallelisierten Strangabschnitten A, B ist auch auf eine möglichst homogene Temperaturverteilung in der Energiespeicheranordnung zu achten, um die Betriebsbedingungen der einzelnen Speicherelemente nicht auseinander laufen zu lassen. Unterschiedliche Temperaturniveaus können unterschiedlich starke Alterungsprozesse hervorrufen und verändern zudem die Impedanz- und Kapazitätsbeiträge der verschalteten Speicherelemente. Eine thermische Homogenisierung verringert damit auch den ggf. additiv benötigten elektronischen Mess- und Regelungsaufwand.
Erfindungsgemäß sind parallel verschaltete Stränge A, B vorgesehen, bei denen je Strang Speicherelemente eines bestimmten Typs vorliegen. Die Stränge sind aus einem oder mehreren Elementen an zwei oder mehreren Punkten elektrisch parallel verknüpft. Die Parallelisierung innerhalb der Stränge kann niederohmig oder über verschiedene passive und allgemein auch aktive Bauelemente erfolgen. Als elektrisches passives Bauelement sind jene zu verstehen, die keine Verstärkerwirkung zeigen, wie zum Beispiel Widerstände. Als aktive Bauelemente sind diejenigen zu verstehen, die in irgendeiner Form eine Verstärkerwirkung des Nutzsignals zeigen, wie zum Beispiel Transistoren. Die Speicherkapazität der einzelnen Stränge A, B darf unterschiedliche Werte aufweisen. Die Chemie von Hochleistungszellen und Hochenergiezellen kann, muss sich aber nicht unterscheiden. Wohl aber lässt die Erfindung ganz bewusst die Verknüpfung von Zellen verschiedener Chemie zu. Dadurch lassen sich dann gezielt die elektrischen und sicherheitstechnischen Eigenschaften der Module steuern. So sind Graphit/NMC-Oxid Zellen erhältlich, die hauptsächlich im mechanischen Aufbau unterschiedlich sind und dadurch am Ende Hochleistungs- oder Hochenergieeigenschaften besitzen. Zum Beispiel werden bei Hochleistungszellen dickere Ableiter verwendet und dünnere Aktivmassen-Beschichtungsdicken realisiert, um unter anderem die elektronische Anbindung der Aktivmassen zu verbessern und Diffusionsstrecken zu verkleinern. Die eigentliche Zellreaktion, d. h. die Chemie der Zelle ist aber ggf. die gleiche.
Bei Start eines Endladevorgangs wird zunächst der niederohmige Hochleistungsstrang bzw. werden zunächst die niederohmigen Hochleistungsstränge als Ladungsquelle belastet. In den Ruhepausen zwischen den einzelnen Endladevorgängen wird ein Ladungsausgleich in Richtung der Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts der Gesamtanordnung stattfinden. Dadurch wird der Hochleistungsstrang durch Ladungsträger des Hochenergiestrangs aufgeladen und kann bei Folgeentladungen wieder niederohmig elektrische Leistung zur Verfügung stellen. Die Dimensionierung der Hochleistungsstränge und Hochenergiestränge der Gesamtanordnung erfolgt anhand der jeweils benötigten Lastprofile und Gesamtenergiemengen. Die Auswahl der Speicherelementtypen und die Anzahl und Art von Strängen orientiert sich weiterhin an dem für die spezifische Anwendung benötigten Impedanzbeitrag in dem abzudeckenden Parameterfeld von Ladezustand und Temperatur. Bei der Entladung muss zwischen den Strängen nicht zwangsläufig ein Ladungsausgleich und/oder Spannungsausgleich stattfinden. Theoretisch ist auch eine komplette Trennung der Stränge während der Entladung denkbar. Eine hinreichende Trennung der Stränge während der Entladung ist je nach Typ der verschalteten Elemente sogar sinnvoll. Wichtig ist, dass das koppelnde Bauelement innerhalb typischer Pausenzeiten (Größenordnung Sekunden bis Minuten) der jeweiligen Applikation einen Zellspannungsausgleich bzw. ein thermodynamisches Gleichgewicht ermöglicht. In dieser Zeit lädt die Hochenergiezelle die Hochleistungszelle auf, bis beide Zellen die gleiche Spannung besitzen. Ein Widerstand muss dann zum Beispiel gemäß der gewünschten Zeitkonstante für den Ladungsaustausch ausgewählt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die zwei Stränge A, B begrenzt, so dass auch drei oder mehr Stränge eingesetzt werden können. Benötigte Energieinhalte und Stromstärken bestimmen bei der jeweiligen Gesamtspannung die Anzahl der Parallelstränge. Bei den erwähnten Li-Akkus sind dies zumeist nicht mehr als zwei Stränge. Es können zum Beispiel zwei Hochleistungsstränge mit einem Hochenergiestrang kombiniert werden oder umgekehrt. Auch drei oder mehr verschiedene Stränge sind prinzipiell denkbar und ggf. sinnvoll. Beispielsweise ein Hochleistungsakkustrang und ein Hochenergieakkustrang und ein Höchstleistungskondensatorstrang usw. In den Ausführungsbeispielen ist der Strang A beispielsweise als Hochleistungsstrang und der Strang B als Hochenergiestrang ausgeführt.
Für den Fall, dass die Selbstentladung verschiedener verwendeter Speicherelemente unterschiedlich ist und ein kritischer Unterspannungszustand eintreten kann, ist die Spannungslage ständig zu überwachen und ggf. regelnd einzugreifen, beispielsweise durch Entkopplung einzelner Strangabschnitte. Der Aufwand an elektronischer Überwachung von Einzel- und Gesamtspannungen des Ladungszustands (State of charge SOC), des Gesundheitszustands (State of health SOH) und einer etwaigen aktiven Balancierung orientiert sich an den notwendigen Performance- und Sicherheitsanforderungen. Je nach Speicherzelltyp und Gesamtkonzept des Energiespeichers bzw. Akkumulators oder Batteriepacks fällt dieser Aufwand unterschiedlich aus. Sicherheitstests müssen den sicheren Betriebszustand aller Konzepte bestätigen.
Ein Beispiel einer Parallelisierung innerhalb der Stränge A, B ist in 3, einem vierten Ausführungsbeispiel, gezeigt. Es liegen für den Hochleistungsstrang A zum Beispiel vier Speicherelemente 10, 11, 12, 13 und für den Hochenergie-Strang B ebenfalls vier Speicherelemente 20, 21, 22, 23 vor. Zwischen den Speicherelementen 10 und 11 des Strangs A ist ein Widerstand 40 parallel zu dem Strang B zwischen den Speicherelementen 20 und 21 geschaltet. In gleicher Weise ist zwischen den Speicherelementen 11 und 12 des Strangs A ein Widerstand 41 parallel zu dem Strang B zwischen den Speicherelementen 21 und 22 geschaltet. Zwischen den Speicherelementen 12 und 13 des Strangs A ist ein Widerstand 42 parallel zu dem Strang B zwischen den Speicherelementen 22 und 23 geschaltet.
Es liegt somit eine Parallelverschaltung an mehreren Stellen der Stränge A, B vor, wobei zur Parallelverschaltung der Stränge A, B zumindest ein aktives oder passives Bauelement vorgesehen ist. Es ist somit eine jede Speicherzelle des einen Strangs mit der Speicherzelle des anderen Strangs über das Bauelement verbunden. Bei dem zumindest einen Bauelement kann es sich um ein aktives oder passives Bauelement, wie einem Transistor oder einem Widerstand handeln. Der Widerstand kann niederohmig ausgeführt sein, in jedem Fall in etwa größer als der Zell-Innenwiderstand und kleiner/gleich wie aus der Berechnung der Zeitkonstante für den Ladungsausgleich ermittelt. Es ergibt sich ein Bereich von etwa 50 mOhm bis etwa 500 Ohm. Für handelsübliche 18650 Li-Ionen Zellen ergibt sich z. B. eine Größenordnung von 10^–2 Ohm bis 10³ Ohm. Genaue Abschätzungen können zum Beispiel aus batteriepackspezifischen Simulationen ermittelt werden, abhängig auch von der jeweiligen Applikation. Wie die 3 zeigt, weist der eine Strang A als Speicherelemente vier Li-Zellen als Hochleistungszellen HL und der andere Strang B als Speicherelemente vier Li-Zellen als Hochenergiezellen HE auf. Dabei kann es sich bei den vier Li-Zellen des Strangs A um Graphit/Li(NMC)O₂ 1,3 Ah/18650 HL und bei den vier Li-Zellen des Strangs B um Graphit/Li(NMC)O₂ 2,6 Ah/18650 HE handeln. Über die drei Widerstände 40, 41, 42 sind additive Parallelverknüpfungen der Stränge A, B gegeben. Die dadurch möglichen Ausgleichsströme bewirken eine additive Parallelisierung mit positiver Auswirkung auf die Lebensdauer des Akkupacks 1. Die Widerstandswerte sollten merklich oberhalb der Innenwiderstände der einzelnen Speicherelemente liegen, um eine asymmetrische Entladung der Speicherzellen eines Stranges zu verhindern.
Prinzipiell möglich ist auch eine Kombination von Hochenergie- und Hochleistungszellen, insbesondere für eine Power Tool Anwendung, bei der die Speicherzellen eine unterschiedliche Technologie aufweisen. Beispielsweise gemäß einem weiteren fünften Ausführungsbeispiel nach 4, bei dem der Energiespeicher in einen Strang A drei Hochleistungszellen HL 10, 11, 12 und in einem anderen Strang B mit nur einer einzigen Hochenergiezelle HE 30 ausgestattet ist. Im Einzelnen kann es sich bei den drei Hochleistungszellen 10, 11, 12 des Strangs A um NiMH HL 2,6 Ah/Sub-C und bei der einzigen Hochenergiezelle 30 des anderen Strangs B um C/LiFePO₄ HE 2 Ah/18650 handeln. Eine jede Speicherzelle 10, 11, 12 des Strangs A hat zum Beispiel 1,2 Volt/Zelle. Die einzige Speicherzelle 30 des Strangs B hat entsprechend 3,6 Volt.
Prinzipiell gibt es keinerlei ausgeschlossene Speicherelementtypen in dem beschriebenen Spektrum. Allein der elektronische Schaltungs- und Regelungsaufwand und natürlich der finanzielle Gesamtaufwand entscheidet über den Nutzen einzelner Energiespeicheraufbauten.
Insbesondere miteinander kombiniert werden können Stränge, bestehend aus folgenden Speicherelementtypen, wie:

a) Sekundäre Lithium-Hochleistungszellen verschiedenster Bauart und zugrunde liegender chemischer Speicherverbindungen. Als Bauformen kommen unter anderem folgende Typen in Frage: 18650, 26650, Sub-C oder auch alle anderen genormten Rundzellgehäuse, Pouch-Zellen und prismatische Geometrien. Als Zelltypen können sowohl Lithium-Ionen, Lithium-Polymer und auch Speicherzellen mit Lithiummetall und anorganische Elektrolytlösungen zum Einsatz kommen. Elektrochemisch aktive Substanzen können zum Beispiel Graphite, Legierungen, lithiierbare Metalloxide, Phosphate und Sulfide sein,
b) Sekundäre Lithium-Hochenergie-Zellen verschiedenster Bauart, wie unter a) beschrieben,
c) Nickel-Metallhydrid Speicherzellen aller Bauarten und Formen,
d) Nickel-Cadmium Speicherzellen aller Bauart und Formen,
e) Nickel/Zink Sekundärzellen,
f) Doppelschichtkondensatoren und
g) BatCaps, die in einer Zelle kombinierte Beiträge aus faradayschen Prozessen, von Doppelschichtkapazitäten und/oder von kapazitiven dielektrischen Beiträgen, aufweisen.

Die Beispiele auf Basis von sekundären Lithiumzellen für einfache Energiespeicheraufbauten bzw. Akkumulatoraufbauten oder Batterieaufbauten gemäß der Erfindung sind in den Ausführungsbeispielen beschrieben.
Der erfindungsgemäße Energiespeicher ist für akkumulatorbetriebene bzw. batteriebetriebene Elektrowerkzeuge und Fahrzeugbatterien, insbesondere für Elektroantriebe, vorgesehen.

Claims

Energiespeicher (1), insbesondere Akkumulator, enthaltend mehrere Speicherelemente, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Stränge (A, B) von Speicherelementen (10, 11, 12, 13 bzw. 20, 21, 22, 23) vorliegen, die parallel verschaltet sind, wobei ein jeder Strang (A; B) zumindest ein Speicherelement eines bestimmten Typs aufweist, der sich vom Typ des anderen Strangs unterscheidet.
Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je Strang (A, B) mehrere in Reihe geschaltete Speicherelemente desselben Typs vorliegen.
Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Typ des Speicherelements des einen Strangs eine Hochleistungszelle und der andere Typ des Speicherelements des anderen Strangs eine Hochenergiezelle ist.
Energiespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (10, 11, 12, 13) des einen Strangs (A) eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung gegenüber den Speicherzellen (20, 21, 22, 23) des anderen Strangs (B) aufweisen.
Energiespeicher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkapazität der einzelnen Stränge (A, B) unterschiedlich ist.
Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelverschaltung an mehreren Stellen der Stränge (A, B) vorliegt, wobei zur Parallelverschaltung der Stränge (A, B) zumindest ein aktives oder passives Bauelement (40, 41, 42) vorgesehen ist.
Energiespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine jede Speicherzelle (10, 11 bzw. 11, 12 bzw. 12, 13) des einen Strangs (A) mit der Speicherzelle (20, 21 bzw. 21, 22 bzw. 23, 24) des anderen Strangs (B) über das Bauelement (40; 41; 42) verbunden ist.
Energiespeicher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (40, 41, 42) ein Widerstand ist, der insbesondere im Bereich von etwa 50 mOhm bis etwa 500 Ohm liegt.
Energiespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Strang (A) als Speicherelemente (10) mindestens eine Li-Zelle als Hochleistungszellen (HL) und der andere Strang (B) als Speicherelemente (20) mindestens eine Li-Zelle als Hochenergiezellen (HE) aufweist.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über drei parallel geschaltete Widerstände (40, 41, 42) eine jede Speicherzelle (10, 11 bzw. 11, 12 bzw. 12, 13) des einen Strangs (A) mit der Speicherzelle (20, 21 bzw. 21, 22 bzw. 23, 24) des anderen Strangs (B) verbunden ist.
Energiespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination von Li-Zellen verschiedener chemischer Zusammensetzung je Strang (A; B) vorliegt.
Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei den Speicherelementen bzw. dem Typ für den jeweiligen Strang (A; B) um eine Kombination folgender Speicherelementtypen handelt, wie: – Sekundäre Lithium-Hochleistungszellen – Sekundäre Lithium-Hochenergiezellen, wobei als sekundäre Lithium-Hochleistungszellen und sekundäre Lithium-Hochenergiezellen insbesondere Lithium-Ionenzellen, Lithium-Polymerzellen, auch in Kombination mit Lithium-Metall- oder Legierungsanoden und anorganischen Elektrolytlösungen, verwendbar sind, – Nickel-Metallhydrid Zellen – Nickel-Cadmium Zellen – Nickel/Zink Sekundärzellen – Doppelschichtkondensatoren und – BatCaps.
Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Hochleistungsstränge und ein Hochenergiestrang vorliegt.
Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Hochenergiestränge und ein Hochleistungsstrang vorliegt.