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WO2011157618A1 - Akkumulatorzelle und batterie - Google Patents

Akkumulatorzelle und batterie Download PDF

Info

Publication number
WO2011157618A1
WO2011157618A1 PCT/EP2011/059559 EP2011059559W WO2011157618A1 WO 2011157618 A1 WO2011157618 A1 WO 2011157618A1 EP 2011059559 W EP2011059559 W EP 2011059559W WO 2011157618 A1 WO2011157618 A1 WO 2011157618A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optimized
cell
energy
battery
power
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/059559
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Schiemann
Peter Birke
Carsten Patzelt
Hans-Georg Schweiger
Björn RIPP
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Gmbh filed Critical Continental Automotive Gmbh
Priority to US13/805,100 priority Critical patent/US8993140B2/en
Priority to EP11724217.2A priority patent/EP2583330A1/de
Publication of WO2011157618A1 publication Critical patent/WO2011157618A1/de

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0413—Large-sized flat cells or batteries for motive or stationary systems with plate-like electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0445—Multimode batteries, e.g. containing auxiliary cells or electrodes switchable in parallel or series connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
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    • H01M10/06—Lead-acid accumulators
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    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/112—Monobloc comprising multiple compartments
    • H01M50/114—Monobloc comprising multiple compartments specially adapted for lead-acid cells
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery cell with at least one energy-optimized cell unit and at least one power-optimized cell unit, which makes it possible to provide high Leis ⁇ devices are available in motor vehicles for proportionate short time and also capacity high nominal and a high energy content available to deliver.
  • the invention further relates to a battery which meets these requirements.
  • Each motor vehicle needs for its operation a readily available electrical energy source. This has the task, for example, to supply the starter, the ignition system, the headlights ⁇ throwers and other power consumers with electrical energy. As long as the combustion engine is running at a sufficiently high speed, the electrical energy supplied by the electrical generator is available. When the engine is stopped, eg when parking, or when starting, however, an independent of the engine power source or an energy storage is required.
  • the lead-acid battery has a long experience with the Technology (invented since 1860, used since about 1915 as a starter battery) enforced as a starter battery for motor vehicles. Also in many other areas of small traction, such as lifts, wheelchairs wheelchairs, caravans, cleaning machines, etc., the lead-acid battery is widely used. With the development of new battery mulator technologies, in particular lithium-ion technology, there are more and more technologically better alternatives available to replace the established lead-acid battery.
  • the requirements for the starter battery are qusei ⁇ term .
  • the battery should have as good a starting power as possible, even at temperatures of -30 ° C, but on the other hand also have enough energy / capacity to allow the vehicle safely even after a longer service life of more than 6 weeks. In addition, a high cyclic or calendar life is required.
  • lithium-ion cells are manufactured in standardized housings, mostly 18650 or 26650 (in cylindrical housing) and have the advantage of high availability and low cost.
  • the high current capability in ⁇ sbesondere limited at low temperatures to -25 ° C and the typical rated capacities are only about 2 to 3 Ah.
  • To build a starter battery with about 60 Ah depending on Cell type thus up to 120 cells (30 parallel x 4 serial interconnection) needed, in order to reach also according to Hochstroman testen at temperatures only approximately to -25 ° C.
  • a correspondingly high number of cells is increasingly causing problems in the mechanical structure, such as in the contacting and in the monitoring of all cells.
  • the goals of a low volume and weight of the battery block ⁇ a major advantage of lithium-ion technology, are difficult to achieve when using consumer cells over the lead-acid technology.
  • This cell type is the optimum for starter batteries in terms of high starting currents and a high starting power.
  • the design of this cell is optimized in such a way over the number of Elekt ⁇ roden, the electrode strength and Ableitimplantation that the cells can deliver maximum currents up to 50 C (50 times the rated capacity).
  • the size C also called C value or C rate
  • this cell type is lower volumetric ⁇ cal and gravimetric energy densities than an energy- ⁇ optimized cell capacity per unit mass or volume is so low. In addition to higher weight and higher volume per ampere hour, this leads to oversizing of the power in continuous operation.
  • Energy-optimized cells represent the optimum for batteries with a need for high rated capacity or energy content.
  • the design of this cell is the layer thickness of the electric ⁇ denlagen to high gravimetric and volumetric energy density optimized. However, this optimization leads to rela ⁇ tively higher resistances per ampere hour rated capacity.
  • For continuous operation in the electric vehicle discharge currents of 1 C to 3 C are typical, for a starter battery, however, significantly higher discharge currents are required per cell during startup. This means that the requirements for the starting currents of a 60 Ah lead-acid battery only reaches the who, when an extremely large number in parallel of energy-optimized ⁇ cells. The result is an oversizing in terms of nominal capacity and therefore in terms of weight, volume and costs.
  • the cell or even the galvanic cell converts chemical into electrical energy.
  • the galvanic cell has at least one positive and one negative electrode, at least one separator and the electrolyte.
  • the cells are subdivided into primary and secondary cells (derived from the Anglo-Saxon primary and secondary batteries). In primary cells, the chemical energy is converted into electrical energy and only in that direction. For secondary elements, the process is reversible.
  • the capacity of the cell is essentially determined by its size (that is, by the size of the electrodes and the number of parallel connections of the electrodes in the cell), but the cell voltage is always a function of the fundamental electrochemistry of the element.
  • the cell is the basic element for connecting the individual cells to a battery.
  • Individual cells are connected to batteries (sometimes called battery packs) in order to increase the voltage (through series connection) or the capacitance (through parallel connection).
  • the cells are electrically connected together to form a unit.
  • the interconnection is made via the cell poles (outer diverting elements).
  • the cells can first be connected in series to form small battery units (in series) in order to correspondingly minimize the interconnection effort for large battery voltages.
  • small battery units are also called battery blocks.
  • one pole of the respective first and last cell is led out of the block housing.
  • the connection between the cells of the block is usually carried out according to the interior (very often through the housing wall of the individual cells).
  • block units of 6V and 12V are used in the area of lead-acid accumulators.
  • the most well-known representative is the starter battery for motor vehicles, where today 12V block batteries are to be found (in former times also 6 V block batteries were installed).
  • Object of the present invention is therefore to provide a battery cell and a battery that is inexpensive, can provide high currents for short times and at the same time has a high capacity.
  • Preference ⁇ way the battery cell or the battery is also as easy as possible, small and cheap.
  • An accumulator cell according to the invention has at least one energy-optimized cell unit and at least one power-optimized cell unit.
  • a cell unit is understood as meaning a pair of an anode and a cathode as well as the possible other components assigned to this pair, such as a separator.
  • a cell unit is therefore an electrode assembly of a respective cathode and an anode and preferably a separator.
  • the power-optimized cell unit is designed such that a higher power can be generated with it than with the energy-optimized cell unit.
  • the energy-optimized cell unit is designed in such a way that it allows a higher amount of energy per volume of the energy-optimizing the cell unit and / or per mass of the energy-optimized cell unit can be stored than with the power-optimized cell unit.
  • the mass of the cell unit is determined here above all by the electrodes belonging to the cell unit.
  • the volume of the cell unit is primarily determined by the dimensions (area and thickness) and the distance between the electrodes belonging to the cell unit.
  • the energy-optimized cell unit or the power-optimized cell unit it is not necessary for the energy-optimized cell unit or the power-optimized cell unit to be optimized for specific values of the amount of energy or power.
  • the performance-optimized Zellenein ⁇ integrated delivers a higher power than the power-optimized cell unit and with the energy-optimized cell unit, a larger amount of energy is stored as the performance-optimized cell unit.
  • the Zellenein ⁇ units lithium-ion cell units are preferred. According to the invention, these are at least one energy-optimized
  • each cell unit has an at least two electrodes with ak ⁇ tive materials, and particularly preferably an interim see arranged the electrode separator.
  • a cell unit has in each case at least one cathode and at least one anode, which in the preferred case are separated by at least one separator.
  • each pair of a cathode and an anode to be understood as a cell unit, so that in the case that a plurality of energy opti ⁇ -optimized electrodes and a plurality of power-optimized electrodes are present in a storage cell, each having a pair of anode and cathode as a unit cell is considered.
  • the battery cell has several energieop ⁇ -optimized cell units and / or more power-optimized cell units in this case.
  • all electrodes or all cell units ie the at least one energy-optimized cell units and the at least one power-optimized cell units, are in the same
  • Electrolyte disposed so the electrolyte surrounds all cell units len and can flow between different cell units.
  • ⁇ units and performance-optimized cell units differ in the strength of its electrodes.
  • the electrodes are in this case designed surface, wherein particularly preferably its surface is right ⁇ one piece.
  • the thickness of the electrode is that extent of the electrode perpendicular to its areal extent.
  • the electrodes of the energy-optimized cell units has a greater thickness than the electrodes of the quietest ⁇ tung optimized cell units.
  • the power-optimized cell units have a smaller thickness than the electrodes of the energy-optimized cell units. According to the invention, therefore, electrodes with optimized electrode strengths in a common cell housing are preferably combined in each case at the level of the accumulator cells.
  • the cell units are arranged one above the other with parallel planes of their electrodes.
  • the plane of the electrode is in this case the plane in which the electrode expands flat.
  • the battery cell according to the invention has a plurality of energy-optimized cell units and a plurality of power-optimized cell units, which means that the battery cell has a plurality of energy-optimized cathodes and corresponding anodes and a plurality of cathodes and anodes adosop ⁇ -optimized.
  • a pair of anode and Cathode is here in each case as a unit cell angese ⁇ hen.
  • At least one of the energy-optimized cell units is then arranged between two of the power-optimized cell units and / or at least one of the power-optimized cell units is arranged between two of the energy-optimized cell units.
  • power-optimized and energy-optimized cell units can be arranged alternately next to one another.
  • the performance-optimized Zelleneinhei ⁇ th are connected in parallel and / or the energy ⁇ optimized cell units are connected in parallel to each other.
  • all positive electrodes of the energy-optimized cell units are in electrical contact with a common first positive Abieiter and all positive electrodes of the power-optimized cell units are in contact with a common second positive Abieiter.
  • the first positive Abieiter which connects the energy-optimized cell units with each other, with the second positive Abieiter connecting the power-optimized cell len units together via at least one resistor, preferably only via a resistor in electrical ⁇ schem Contact stands.
  • all of the negative electrodes of the energy optimized cell units may be in electrical contact with a common first negative drain and all the negative electrodes of the power optimized cell units may be in electrical contact with a common second negative drain.
  • the negative Abieiter can also be in direct contact.
  • equalization currents between energy- ⁇ optimized and performance-optimized cell units can be limited. Due to the differences in the discharge depth occurring in the discharge with respect to the nominal capacity between the individual cell units due to the different current loads, there would be compensation currents between the cell units with very high current peaks during the quiescent phase. By means of the resistors described, these equalizing currents can be limited.
  • the battery cell according to the invention may be configured as Baukastensys ⁇ system wherein different types of electrodes are combined in a common cell housing and are optimized in the cell housing with respect to the application requirements.
  • the invention also provides a battery in which different battery cells (in particular power-optimized and energy-optimized) are interconnected in a housing, which also enables configuration and optimization of the battery with respect to the requirements of the application becomes.
  • a possible application of the battery cell according to the invention and the battery according to the invention are, for example, starter batteries and small traction batteries based on lithium-ion technology.
  • the electrodes are preferably plate-shaped.
  • the electrodes of the performance-optimized cell units preferably have a thickness of> 10 ⁇ m, preferably 50 ⁇ m, particularly preferably 100 ⁇ m, and / or -S 200 ym, preferably -S-150 ym, more preferably -S 120 ym.
  • the electrodes of the energy-optimized cell units preferably have a thickness of> 1 ⁇ m, preferably 10 ⁇ m, more preferably 15 ⁇ m and / or 30 ⁇ m, preferably 25 ⁇ m, particularly preferably 20 ⁇ m.
  • the electrodes of the energy-optimized and / or power-optimized cell units preferably have rectangular plate surfaces. In this case, the length and / or width of the plate area before ⁇ preferably in the range of> 2 cm, preferably ⁇ 10 cm, more preferably ⁇ 20 cm and / or ⁇ 40 cm, preferably ⁇ 30 cm, be ⁇ Sonders preferably ⁇ 25 cm.
  • a flow rate is preferably based on a Nominalkapa- capacity C of> 20 C, preferably ⁇ 30 C, particularly preferably> 40 C and / or ⁇ 80 C, preferably ⁇ 70 C, particularly before ⁇ Trains t ⁇ 60 C can be generated.
  • the at least one energy opti mized ⁇ cell unit is preferably a power of 1 ⁇ C, preferably ⁇ 3 C, more preferably 5 C and / or C ⁇ 10, preferably C ⁇ 8, particularly preferably 6 C erzeug ⁇ bar.
  • the capacity of a battery is the amount of charge which can be taken under the respective conditions in the unit amp hours [Ah].
  • the energy content of a battery is the amount of energy that can be drawn under the respective conditions in the unit watt-hours
  • the values of the capacity and the energy content may still be dependent on other conditions and environmental factors.
  • Such conditions may include: temperature, discharge current, discharge voltage, battery state of charge, and aging progress of the battery.
  • the rated capacity indicates how much charge of the fully charged battery (state of charge 100%) at a defined discharge duration (t N ) of eg one hour with a defined current (I N ) at a defined temperature (T N ) up to a final voltage / EntladeBankschreib (U s or U f ) (state of charge of almost 0%) can be removed.
  • C-rate or also the C-value indicates the amount of load current / discharge current or charging current / discharge current in amperes relative to (divided by) the nominal total capacity.
  • the indication of a C-rate or a C-value is getting more and more, because it allows the purpose of the accumulator to be defined very well.
  • a battery for hybrid applications may be a - 3.6 V lithium-ion cell at 5.5 Ah rated capacity and discharge rate C / l, d. H. 5.5 ampere discharge current over a period of 1 hour up to a final discharge voltage of 2.5V.
  • the invention further relates to a battery having at least two different battery cells. At least two different accumulator cells are selected from at least one power-optimized accumulator cell, at least one energy-optimized accumulator cell and at least one consumer accumulator cell. At the battery level, therefore, different types of cells are accommodated in a common battery housing.
  • the requirements of the battery in terms of power output and stored energy can be examined and a customized solution can be created at each cell or battery level that optimally meets the requirements. It is the performance-optimized accumulator a higher power he ⁇ zeugbar, as with the energy-optimized battery cell, and as with the consumer battery cell.
  • the energy accumulator opti mized ⁇ a higher amount of energy per Vo ⁇ lumen of the energy optimized battery cell and / or per Mass of the energy-optimized battery cell storable as with the power-optimized battery cell and as with the consumer battery cell. Again, it does not depend on the absolute outputs and amounts of energy, but rather on their relationship to each other in the different accumulator cells that make up the battery.
  • Consumer battery cells are understood to be battery cells which are produced in standardized housings, usually 18650 or 26650 (cylindrical housing). Such accumulator cells have the advantage of high availability and low cost.
  • the high current capability is limited below -25 ° C, especially at low temperatures, and typical nominal capacities are only 2 to 3 Ah.
  • typical nominal capacities are only 2 to 3 Ah.
  • the accumulators are characterized by mass production and low price due to the high standardization of the dimensions.
  • At least two different Akkumu ⁇ latorzellen are arranged in a common housing.
  • each battery cell can also have its own housing.
  • a preferred arrangement provides that the Akkumulatorzel ⁇ len are extended flat, which means that they are significantly more extensive in one plane, as in the perpendicular to this plane thickness.
  • a plurality of accumulator cells of one type and a plurality of accumulator cells of another type are preferably present in the battery, wherein at least one of the accumulator cells of one type is arranged between two accumulator cells of at least one other type.
  • the Accumulator cells of different types can be arranged alternately next to each other.
  • the accumulator cells are arranged one above the other with parallel surfaces in which they expand flatly.
  • the battery is realized with power-optimized accumulator cells and energy-optimized accumulator cells.
  • a positive An ⁇ circuit of the energy optimized battery cells with a positive terminal of the at least one power-optimized accumulator via at least one resistor, vorzugswei ⁇ se only via at least one resistor are in electrical contact, preferably an external positive terminal of the battery with the positive terminal of the power-optimized battery cell or with the positive terminal of the at least one energy-optimized battery cell is in direct electrical contact.
  • the positive connection of the energy-optimized accumulator cell to the outer terminal is via the at least one resistor, preferably only via the at least one
  • a negative terminal of the battery cell at least one energy-optimized to a negative terminal of the at least one power-optimized ⁇ accumulator via at least one resistor, preferably via only at least one resistor, is in electrical contact.
  • ⁇ preferably an external negative terminal of the battery to the negative terminal of the power-optimized accumulator in direct electrical contact.
  • the negative connection of the energy-optimized battery cells with the outer terminal via the at least one resistor preferably only via the at least one resistor in electrical contact.
  • the resistor has the advantageous effect that balancing currents between energy-optimized and performance-optimized cells are limited.
  • the resistor is disposed inside or outside the battery case, in wel ⁇ chem, the battery cells are housed.
  • the Akkumula ⁇ port cell each of a type, so energy-optimized antesop- optimized manner consumer type may each have a common contact to the outside of the battery ⁇ housing. If the resistor is arranged outside the battery housing, then it can be arranged between the corresponding one of these common contacts.
  • the at least one battery cell is arrangedopti--programmed with the electrically contacted by at least one energy opti mized ⁇ battery cell via a DC / DC converter.
  • the power-optimized Akkumu ⁇ latorzellen and / or the energy-optimized battery cells may form a performance-optimized block or an energy-optimized block, the corresponding block is connected in parallel to the DC / DC converter so that the blocks via the DC / DC converters are in contact , Be parallel and / or in series within a block Kgs ⁇ enables multiple battery cells of the corresponding type.
  • the DC / DC converter converts the voltage of one block to that of the other blocks, for example the voltage of the energy-optimized battery cell to the voltage of the power-optimized battery cell.
  • the at least one power-optimized accumulator cell has a nominal capacity of> 1 Ah, preferably> 2 Ah, more preferably ⁇ 4 Ah, more preferably ⁇ 5.5 Ah and / or ⁇ 10 Ah, preferably -S 8 Ah, particularly preferably ⁇ 6 Ah on.
  • the at least one energy-optimized accumulator ⁇ cell preferably has a nominal capacity ⁇ 20 Ah, preferential Were ⁇ 30 Ah, more preferably ⁇ 40 Ah and / or ⁇ 200 Ah, preferably ⁇ 150 Ah, more preferably ⁇ 100 Ah, more preferably ⁇ 50 Ah.
  • all accumulator cells are of the same electrochemical construction, in particular if the anode material, the cathode material and the electrolyte are identical in all the accumulator cells used. In this way, permanent potential differences between the cells due to different cell potentials and an overcharging or undercharging of the cells due to different operating windows for the cell voltage can be avoided.
  • This refinement makes it possible to connect or disconnect the power-optimized cells depending on a level of the load current via a rapid measurement with a current integrator or comparator / shunt in order not to overload the energy-optimized cells with high discharge currents and / or the power-optimized ones Cells do not constantly suspend cyclical operation. This can extend the life of the entire system.
  • anode and cathode materials of the energy-optimized battery cells can have other materials than the anodes and cathodes of the power-optimized battery cells. In this way, it is possible not only to It is also possible to optimize the cells by their electrochemical properties.
  • an energy-optimized accumulator cell can have a different electrochemistry than a power-optimized accumulator cell.
  • the cell units of the rechargeable battery cell according to the invention and / or the rechargeable battery cells of the battery according to the invention are preferably lithium-ion cells or lithium-ion cell units.
  • the modular system according to the invention at the cell or battery level in a common cell housing or battery housing affords the possibility of a flexible design with regard to the application intended for the battery.
  • the battery according to the invention can therefore be, for example, a starter battery or a small traction battery.
  • the accumulator cell according to the invention may be a Akkumula ⁇ torzelle a starter battery and / or a small traction battery.
  • the invention thus makes it possible to use different rechargeable battery cells or cell units, which are optimized with regard to energy and / or power as well as anode and / or cathode materials.
  • the battery cells or Zelleneinhei ⁇ th can be designed in a different number of parallel connections at the cell level in a cell case or in a battery case to achieve the optimal characteristics in terms of performance, power, weight and / or cost. It is possible to connect different accumulator ⁇ cell types, such as performance-optimized, energy-optimized and cost-optimized in a common battery case to a battery and to optimize battery in Hinb ⁇ lick of cost, weight and volume.
  • Figure 1 shows an accumulator cell according to the invention in section
  • FIG. 2 shows a cell housing with diverting elements of an accumulator cell according to the invention
  • FIG. 3 shows a further accumulator cell according to the invention in FIG.
  • FIG. 4 shows a cell housing, as can be used for the ge in Figure 3 showed ⁇ battery cell;
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of a battery according to the invention with four power-optimized and one energy-optimized accumulator cell;
  • FIG. 6 shows a battery according to the invention with four power-optimized accumulator cells and two energy-optimized accumulator cells;
  • FIG. 7 shows a section through a battery according to the invention
  • 8 shows a battery according to the invention with a DC / DC converter
  • Figure 9 shows the basic structure of a DC / DC converter 1 shows a section through an inventive battery ⁇ mulatorzelle having a plurality of cell units la, lb, lc, 2a, 2b, 2c.
  • the cell units 1 a, 1 b, 1 c, 2 a, 2 b, 2 c each have a cathode 3 a, 3 b, 3 c and an anode 4 a,
  • the anode and the cathode of a given cell ⁇ unit la, lb, lc, 2a, 2b, 2c are each separated by a Sepa ⁇ erator 5a, 5b, 5c.
  • the battery cell shown has, on the one hand, energy-optimized cell units 1a, 1b, 1c and, on the other hand, power-optimized cell units 2a, 2b, 2c.
  • the electrodes 3a, 3b, 4a, 4b of the ener ⁇ gieoptim convinced cell units la, lb, lc a greater thickness than the electrodes 3c, 4c of the power-optimized cell units 2a, 2b, 2c.
  • the anodes 4a, 4b are each formed by a Kupferabieiter 8a, 8b electrical contact which is brought together in a common Abieiter 8c and is contactable to the outside through a discharge element äuße ⁇ res. 8
  • the cathodes are each contacted by aluminum conductors 6a, 6b, 7a, 7b. All absorbers 6a, 6b of the energy-optimized cell units 1a, 1b, 1c are brought together in a common drain 6 within the housing 9. All Abieiter 7a, 7b of the power-optimized cell units 2a, 2b, 2c are merged within the housing 9 in a common Abieiter 7. An outer Ableit ⁇ element 10 for contacting the cathodes is electrically connected directly to the Abieitern 7 a, 7 b and the common Ableitleiter 7 of the power-optimized cell units 2 a, 2 b. The Abieiter 6a, 6b and the common Abieiter 6 of the energy-optimized cell units la, lb, lc is electrically contacted with the outer diverter via a resistor 10.
  • all cell units 1 a, 1 b, 1 c, 2 a, 2 b, 2 c are arranged in a common housing 9, but the individual cell units 1 a, 1 b, 1 c, 2 a, 2 b, 2 c of their on the other hand are not arranged in individual housings.
  • the electrodes are arranged flat with each other with mutually parallel surfaces one above the other.
  • An arrester 6a, 6b, 7a, 7b contacts the corresponding electrode 3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c at a center in the thickness direction, respectively.
  • a separator 5a, 5b, 5c is arranged between a respective anode and the adjacent cathode.
  • the cell housing may comprise or consist of aluminum composite foil, for example.
  • the resistor 11 is electrically insulated from an electrolyte 12 in the interior of the housing 9.
  • the electrolyte 12 surrounds all cell units la, lb, lc, 2a, 2b, 2c, all cell h ⁇ lenticianen are therefore present in the same electrolyte 12th
  • Figure 2 shows an accumulator cell according to the invention, as shown in Figure 1, in an external view.
  • the cell housing 9 is in this case rectangular configuration with rounded corners and extending sur fa ⁇ chig in the plane of the figure substantially.
  • the positive dissipation element 10 and on the other hand, the negative diverter 8 is arranged, which are here designed as rectangular contacts which extend in the plane of the figure and thus in the plane of the surface extent of the housing 9 is substantially flat ,
  • FIG. 3 shows a further example of an accumulator cell according to the invention in a sectional view.
  • the accumulator cell three energy ⁇ optimized cell units la, lb, lc and five arrangingsop--optimized cell units 2a, 2b.
  • Each of the cell units has a cathode 3a, 3b and an anode 4a, 4b.
  • Wiede ⁇ rum all cathodes are each contacted via an arrester 6a, 6b, 7a, 7b and all anodes by arresters 8a, 8b.
  • the cell h ⁇ lentschen of the same type from the outside are common and independent of the cell units of the other type ternier- bar.
  • the cathode conductors 6a, 6b are connected to a common Abieiter 6c, which is electrically contacted with an outer lead-off element 6, via which the energy-optimized electrodes can be contacted from the outside.
  • the Kathodeabieiter 7a, 7b of the power-optimized cell units are combined in a common Abieiter 7c within the housing and contacted via an outer Ableitelement 7 from the outside.
  • the anode conductor 8a, 8b of the energy opti mized ⁇ cell unit from the outside via a common outer conductor element 8b are electrically contacted together and the anode conductor of the power-optimized cell units 2a, 2b are 8e through an external conductor element together kontak ⁇ tierbar.
  • a resistor 11 is provided, via which the cathodes of the energy-optimized cell units are contacted with the cathodes of the power-optimized cell units.
  • the resistor 11 is arranged in Figure 1 within the housing 9, it is arranged in Figure 3 outside of the cell housing
  • the ge in Figure 3 showed ⁇ embodiment in which the energy optimized and performance-optimized cell units are independent contacted from the outside, is particularly advantageous when the slightest ⁇ tung optimized cells increase or a function of a load current to be switched off.
  • the load current can be measured and to-the slightest ⁇ tung optimized cell units by means of a not shown switch or be switched off by means of means not shown.
  • the resistor 11 would not exist.
  • FIG. 4 shows an external view of the accumulator cell shown in FIG.
  • the housing 9 is in this case again rectangular and expanded extensively in the plane of the figure. The corners are rounded again.
  • There are two positive externa ⁇ ßere diverter 6 and 7 and two outer negative From ⁇ guide members 8d and 8e are now provided.
  • the energy ⁇ optimized cell units and contacted via the outer conductor element 7 and the outer conductor element 8e the slightest ⁇ tung optimized cell units.
  • the resistor 11 is arranged.
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of a battery according to the invention.
  • the battery case has a not shown common battery case four power-optimized Akkumu ⁇ latorzellen 52a, 52b, 52c, 52d, each having a capacity of 5.5 Ah ty.
  • the battery also has an energy-optimized accumulator cell 51, which has a capacity of 40 Ah in the example shown.
  • the battery has ei ⁇ nen positive pole 53 and a negative pole 54th Within the battery, the power-optimized accumulator cells 52a-52d are connected in parallel with each other.
  • the energieop ⁇ -optimized battery cell 51 is connected in parallel with the parallel circuit of the power-optimized battery cells 52a-52d.
  • the positive pole 53 of the Bat ⁇ terie is electrically directly contacted with the positive terminals of the power-optimized battery cells 52a-52d, while the positive pole of the energy-optimized battery cell is contacted to the positive pole 53 of the battery via a series resistor 11.
  • the battery shown has a nominal capacity of more than 60 Ah.
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of a battery according to the invention, which is constructed from four power-optimized accumulator cells 52a, 52b, 52c, 52d and two energy-optimized accumulator cells 51a, 51b.
  • the power-optimized battery cells 52a-52d in turn each have a capacity of 5.5 Ah.
  • the energy-optimized cell units 51a, 51b each have a capacity of 22 Ah.
  • the power-optimized accumulator cells 52a-52d are mutually connected connected in parallel.
  • the energy-optimized cell units 51a and 51b are also connected in parallel with each other.
  • the parallel circuit of the energy opti mized ⁇ cell units 51 connected in parallel with the parallel circuit of the power-optimized cell units 52a-52d, 51b.
  • the positive pole 53 of the battery is UNMIT ⁇ telbar contacted with the positive poles of the power-optimized cell units 52a-52d, while the positive pole of the energy-optimized cell units 51a, 51b kon ⁇ taktiert via a series resistor 11 to the positive pole 53 of the battery.
  • the negative poles of the power-optimized cell units 52a-52d and the negative poles of the energy-optimized cell units 51a, 51b are directly in contact with the negative terminal 54 of the battery.
  • a series resistor can also be provided between negative poles of the power-optimized, energy-optimized and possibly consumer-type battery cells.
  • Figure 7 shows a section through an inventive Bat ⁇ terie with four packages 55a, 55b, 55c, 55d, each packet 6 performance-optimized battery cells 52a, 52b, 52c, 52d and two energy-optimized battery cells 51a, 51b has up.
  • the cell packages 55a-55d are separated from each other by partition walls 56.
  • the battery cells 51a, 51b, 52a-52d with each other to ⁇ parallel planes arranged side by side are.
  • the Ver- Circuit of the battery cells corresponds to that shown in Figure 6.
  • each cell stack 55a-55d the energy-optimized accumulator cells 51a, 51b are arranged between power-optimized cell units 52a-52d and separated therefrom. Seen from left to right 55a-55d are therefore in each cell pack first two assisop ⁇ -optimized cell units, then an energy-optimized cell unit, then a performance-optimized cell unit, followed by an energy-optimized cell unit and finally followed by three adjacent power-optimized cell units.
  • the battery can be contacted from outside via the battery poles 53 and 54. Accumulator cells of a package are each contacted by a busbar 57.
  • FIG. 8 shows a battery according to the invention with a DC / DC converter 56.
  • the battery shown in FIG. 8 has, on the one hand, 16 power-optimized battery cells 52a, 52b, 52c, 52d. Of these power-optimized battery cells 52a- 52d, four battery cells are connected in parallel so that four blocks of parallel peeled ⁇ ten battery cells 52a-52d produce. The four blocks are then connected in series with each other, so there are four of these blocks connected in series one behind the other. The entire Rei ⁇ hensc Francisco all power-optimized battery cells is then connected with its positive pole and its negative pole to the DC / DC converter 56. An energy-optimized accumulator cell 51 is connected to two other inputs of the DC / DC converter.
  • the DC / DC converter 56 is the voltage of the energy-optimized cell 51 to the level of the voltage of the interconnection of the 16 performance-optimized battery cells 52a-52d changeable, so that optimized performance rechargeable battery cells with high-energy optical ⁇ -programmed battery cells are interconnected in such a circuit that a have different voltage levels, for example because they have a ande ⁇ re electrochemistry. From the outside would be in this battery a voltage at the outer terminals of the circuit of the power-optimized battery cells 52a-52d tapped.
  • the battery according to the invention makes it possible, for example, a 12 volt 60 Ah lead-acid battery with a requirement of about 600 A cold start current and 60 Ah rated capacity from ei ⁇ ner combination of four power-optimized cells connected in parallel to 5.5 Ah capacity ( Weight per cell is about 290 g) and two energy-optimized cells connected in parallel to each other 22 Ah (weight per Zel ⁇ le about 580 g) interconnect, as shown for example in Figure 5.
  • a combination of, for example, four performance-optimized cells with a capacity of 5.5 Ah and an energy-optimized cell with a capacity of 40 Ah (weight per cell approx. 1050 g) is also possible.
  • FIG. 9 shows the basic structure of a DC / DC converter.
  • Task of the DC / DC converter is to convert a DC voltage Amp ⁇ litude (voltage value) in DC voltage of a different amplitude (voltage value), similar to a transformer makes it possible for the AC voltage.
  • Exemplary is the Function explained on Figure 9.
  • a DC voltage 90 is first converted by an RF electronic switch 91 into an AC voltage 92.
  • a transformer 93 converts the AC voltage 92 into an AC voltage 94 of different amplitude. This is then rectified by a rectifier 95 and smoothed by a smoothing device 96. Finally, a new DC voltage 97 is output.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Akkumulatorzelle mit zumindest einer energieoptimierten Zelleneinheit und zumindest einer leistungsoptimierten Zelleneinheit, wobei die leistungsoptimierte Zelleneinheit so ausgestaltet ist, dass mit ihr eine höhere Leistung erzeugbar ist, als mit der energieoptimierten Zelleneinheit und wobei die energieoptimierte Zelleneinheit so ausgestaltet ist, dass mit ihr eine höhere Energiemenge pro Volumen der energieoptimierten Zelleneinheit und/oder pro Masse der energieoptimierten Zelleneinheit speicherbar ist als mit der leistungsoptimierten Zelleneinheit, und wobei die zumindest eine energieoptimierte Zelleneinheit und die zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit in einem gemeinsamen Zellengehäuse angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Akkumulatorzelle und Batterie Die Erfindung betrifft eine Akkumulatorzelle mit zumindest einer energieoptimierten Zelleneinheit und zumindest einer leistungsoptimierten Zelleneinheit, die es ermöglicht, in Kraftfahrzeugen für verhältnismäßige kurze Zeiten hohe Leis¬ tungen zur Verfügung zu stellen und außerdem eine hohe Nenn- kapazität und einen hohen Energieinhalt zur Verfügung zu stellen. Die Erfindung betrifft weiter eine Batterie, welche diese Anforderungen erfüllt.
Jedes Kraftfahrzeug braucht zu seinem Betrieb eine jederzeit zu Verfügung stehende elektrische Energiequelle. Diese hat die Aufgabe, z.B. den Anlasser, die Zündanlage, die Schein¬ werfer und andere Stromverbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Solange der Verbrennungsmotor mit genügend hoher Drehzahl läuft, steht die vom elektrischen Generator gelieferte elektrische Energie zu Verfügung. Bei stillstehendem Motor, z.B. beim Parken, oder beim Starten ist dagegen eine vom Verbrennungsmotor unabhängige Energiequelle bzw. ein Energiespeicher erforderlich.
Prinzipiell wären hierzu verschiedene Stromquellen geeignet, doch stehen ihrer Verwendung zum Teil technische oder wirtschaftliche Gründe entgegen. Von den verschiedenen Akkumula- tor-Arten (z.B. Blei-, Nickel-Cadmium- , Nickel-Metallhydrid, Nickel-Zink, Silber-Zink-Akkumulatoren usw.) hat sich der Blei-Akkumulator wegen seines günstigen Preises, der langen Erfahrung mit der Technologie (seit 1860 erfunden, seit ca. 1915 als Anlasserbatterie eingesetzt) als Starterbatterie für Kraftfahrzeuge durchgesetzt. Auch in vielen anderen Bereichen der Kleintraktion, wie bei Hebebühnen, Krankenrollstühlen, Wohnwagen, Reinigungsmaschinen usw. ist die Blei-Säure- Batterie weit verbreitet. Mit der Entwicklung von neuen Akku- mulatorentechnologien, insbesondere der Lithium-Ionen- Technologie, stehen immer mehr technologisch bessere Alternativen zur Ablösung der etablierten Bleibatterie bereit. Dabei sind die Anforderungen an die Starterbatterie vielsei¬ tig. Einerseits soll die Batterie eine möglichst sehr gute Startleistung auch bei Temperaturen von -30°C aufweisen, anderseits aber auch genug Energie/Kapazität haben, um auch nach längerer Standzeit über 6 Wochen das Fahrzeug sicher an- zulassen. Zusätzlich wird eine hohe zyklische bzw. kalendarische Lebensdauer gefordert.
Während bei der Blei-Säure-Batterie im Anlasserbereich seit ca. 1915 kontinuierlich Verbesserungen eingeflossen sind, was Leistungsfähigkeit und Lebensdauer betrifft, sind Optimierun¬ gen in Richtung Anwendung bei anderen Zellen/Batterien, wie z.B. auf Lithium-Ionen-Basis, bei Weitem noch nicht alle um¬ gesetzt . Das Problem des Ersatzes der Anlasserbatterie einer Blei- Säure-Batterie durch eine Batterie mit Lithium-Ionen-Zellen besteht darin, dass die aktuellen Zellentypen noch nicht vollständig die Anforderungen an eine Anlasserbatterie erfül¬ len. Denn aktuell sind Lithium-Ionen-Zellen weitgehend in drei Richtungen für die Produktion in größeren Stückzahlen optimiert. Diese Haupttypen werden im Folgenden mit ihren Haupteigenschaften unter dem Schwerpunkt der Eignung für Anlasserbatterien dargestellt: Consumertypen
Diese Lithium-Ionen Zellen werden in standardisierten Gehäusen, meist 18650 oder 26650 (im zylindrischen Gehäuse), hergestellt und haben den Vorteil der großen Verfügbarkeit und niedriger Kosten. Allerdings ist die Hochstromfähigkeit in¬ sbesondere bei tiefen Temperaturen bis -25°C begrenzt und die typischen Nennkapazitäten betragen nur ca. 2 bis 3 Ah. Zum Aufbau einer Anlasserbatterie mit ca. 60 Ah werden je nach Zellentyp somit bis zu 120 Zellen (30 parallel x 4 serielle Verschaltung) benötigt, um auch entsprechend Hochstromanforderungen bei Temperaturen auch nur annährend bis -25°C zu erreichen. Eine entsprechend hohe Anzahl von Zellen bereitet jedoch zusehends Probleme beim mechanischen Aufbau, wie z.B. bei der Kontaktierung und bei der Überwachung aller Zellen. Die Ziele eines geringen Volumen und Gewichts des Batterie¬ blocks, ein Hauptvorteil der Lithium-Ionen-Technologie, sind beim Einsatz von Consumerzellen gegenüber der Blei-Säure- Technologie schwer zu erreichen.
Leistungsoptimierte Zellen
Dieser Zellentyp stellt das Optimum für Anlasserbatterien in Bezug auf hohe Startströme bzw. eine hohe Startleistung dar.
Das Design dieser Zelle ist derart über die Anzahl der Elekt¬ roden, der Elektrodenstärke sowie Ableitelemente optimiert, dass die Zellen maximale Ströme bis zu 50 C (das 50-fache der Nennkapazität) abgeben können. Die Größe C (auch C-Wert oder C-Rate genannt) gibt den Betrag des Laststromes/Entladestroms bzw. Ladestroms/Entladestroms in Ampere relativ zur (divi¬ diert durch die) nominellen Gesamtkapazität an.
Da jedoch die Leistungsoptimierung über die erhöhte Anzahl an Elektrodenlagen und eine geringere Lagenstärke der Elektro¬ denlagen erfolgt, zeigt dieser Zellentyp geringere volumetri¬ sche als auch gravimetrische Energiedichten als eine energie¬ optimierte Zelle, die Kapazität pro Masse bzw. Volumen ist also geringer. Dies führt neben höherem Gewicht und höherem Volumen pro Amperestunde zu einer Überdimensionierung der Leistung im Dauerbetrieb.
Energieoptimierte Zellen Energieoptimierte Zellen stellen das Optimum für Batterien mit Bedarf für hohe Nennkapazitäten bzw. Energieinhalte dar. Das Design dieser Zelle ist über die Lagenstärke der Elektro¬ denlagen auf hohe gravimetrische und volumetrische Energie- dichte optimiert. Allerdings führt diese Optimierung zu rela¬ tiv höheren Widerständen pro Amperestunde Nennkapazität. Für den Dauerbetrieb im Elektrofahrzeug sind Entladeströme von 1 C bis 3 C typisch, für eine Starterbatterie werden jedoch beim Startvorgang pro Zelle wesentlich höhere Entladeströme benötigt. Dies führt dazu, dass die Anforderungen für die Startströme einer 60 Ah Blei-Säure-Batterie nur erreicht wer¬ den, wenn eine sehr hohe Anzahl von energieoptimierten Zellen parallel verschaltet wird. Das Ergebnis ist somit eine Über- dimensionierung in Bezug auf Nennkapazität und damit sowohl bei Gewicht, Volumen als auch bei Kosten.
Es soll hier wie folgt zwischen Zellen und Batterien unterschieden werden .
Die Zelle oder auch die galvanische Zelle wandelt chemische in elektrische Energie um. Die galvanische Zelle weist mindestens eine positive und eine negative Elektrode auf, mindestens einen Separator und den Elektrolyt. Dabei werden die Zellen in Primär- und Sekundärzellen unterteilt (aus dem Angelsächsischen primary und secondary battery abgeleitet) . Bei Primärzellen wird die chemische Energie in elektrische Energie und nur in diese Richtung umgewandelt. Bei Sekundärelementen ist der Vorgang umkehrbar. Die Kapazität der Zelle wird im Wesentlichen durch ihre Größe (also durch die Größe der Elektroden und die Anzahl der parallelen Verschal- tungen der Elektroden in der Zelle) bestimmt, die Zellenspannung ist jedoch stets eine Funktion der grundlegenden Elektrochemie des Elementes. Die Zelle ist das Grundelement für die Verschaltung der einzelnen Zellen zu einer Batterie.
Einzelne Zellen werden zu Batterien (manchmal auch Batteriepacks genannt) verschaltet, um die Spannung (durch Reihenschaltung) bzw. die Kapazität (durch parallele Verschaltung) zu erhöhen. Dabei sind die Zellen elektrisch zu einer Einheit zusammengeschaltet. Die Verschaltung erfolgt über die Zellenpole (äußere Ableitelemente) . Dabei können die Zellen zunächst zu kleinen Batterieeinheiten seriell (also in Reihe) verschaltet werden, um den Verschaltungs- aufwand bei großen Batteriespannungen entsprechend gering zu hal- ten. Solche kleinen Batterieeinheiten werden auch Batterieblöcke genannt. Bei solchen Blöcken ist jeweils ein Pol der jeweils ersten und letzten Zelle aus dem Blockgehäuse hinausgeführt. Die Verbindung zwischen den Zellen des Blocks wird meistens entsprechend Innen (sehr oft durch die Gehäusewand der einzelnen Zellen) ausgeführt. Sehr oft werden Blockeinheiten von 6V und 12 V im Bereich der Bleisäure-Akkumulatoren verwendet. Der bekannteste Vertreter ist die Anlasserbatterie für Kraftfahrzeuge, wo heutzutage 12V Blockbatterien anzutreffen sind (früher waren auch 6 V Blockbatte- rien installiert) .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Akkumulatorzelle und eine Batterie anzugeben, die kostengünstig ist, für kurze Zeiten hohe Stromstärken zur Verfügung stellen kann und gleichzeitig eine hohe Kapazität aufweist. Vorzugs¬ weise ist die Akkumulatorzelle bzw. die Batterie außerdem möglichst leicht, klein und günstig.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Akkumulatorzelle nach Anspruch 1 und die Batterie nach Anspruch 10. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Akkumulatorzelle und der erfindungsgemäßen Batterie an. Eine erfindungsgemäße Akkumulatorzelle weist zumindest eine energieoptimierte Zelleneinheit und zumindest eine leistungs- optimierte Zelleneinheit auf. Unter einer Zelleneinheit wird hierbei ein Paar aus einer Anode und einer Kathode sowie die möglichen anderen diesem Paar zugeordneten Bauteile, wie bei- spielsweise ein Separator, verstanden. Eine Zelleneinheit ist also ein Elektrodenverbund von je einer Kathode und einer Anode sowie vorzugsweise einem Separator.
Hierbei ist die leistungsoptimierte Zelleneinheit so ausges- taltet, dass mit ihr eine höhere Leistung erzeugbar ist, als mit der energieoptimierten Zelleneinheit. Gleichzeitig ist die energieoptimierte Zelleneinheit so ausgestaltet, dass mit ihr eine höhere Energiemenge pro Volumen der energieoptimier- ten Zelleneinheit und/oder pro Masse der energieoptimierten Zelleneinheit speicherbar ist als mit der leistungsoptimier- ten Zelleneinheit. Die Masse der Zelleneinheit wird hierbei vor allem durch die zu der Zelleneinheit gehörenden Elektro- den bestimmt. Das Volumen der Zelleneinheit wird vor allem über die Abmessungen (Fläche und Dicke) sowie den Abstand der zu der Zelleneinheit gehörenden Elektroden bestimmt.
Für die Verwirklichung der erfindungsgemäßen Idee ist es nicht notwendig, dass die energieoptimierte Zelleneinheit oder die leistungsoptimierte Zelleneinheit auf bestimmte Wer¬ te der Energiemenge bzw. Leistung optimiert sind. Entschei¬ dend ist lediglich, dass die leistungsoptimierte Zellenein¬ heit eine höhere Leistung liefert als die energieoptimierte Zelleneinheit und mit der energieoptimierten Zelleneinheit eine größere Energiemenge speicherbar ist als mit der leis- tungsoptimierten Zelleneinheit. Bevorzugt sind die Zellenein¬ heiten Lithium- Ionen-Zelleneinheiten . Erfindungsgemäß sind die zumindest eine energieoptimierte
Zelleneinheit und die zumindest eine leistungsoptimierte Zel¬ leneinheit in einem gemeinsamen Zellengehäuse angeordnet. Al¬ le Elemente, die innerhalb des Zellengehäuses angeordnet sind, bilden gemeinsam mit dem Zellengehäuse die Akkumulator- zelle. Innerhalb des Zellengehäuses sind die verschiedenen Zelleneinheiten, also leistungs- und energieoptimierte Zel¬ leneinheiten, gemeinsam angeordnet. Bevorzugterweise weist jeweils eine Zelleneinheit zumindest zwei Elektroden mit ak¬ tiven Materialien auf, sowie besonders bevorzugt einen zwi- sehen den Elektroden angeordneten Separator. Eine Zelleneinheit weist dabei jeweils zumindest eine Kathode und zumindest eine Anode auf, die im bevorzugten Fall durch zumindest einen Separator separiert sind. Bevorzugterweise werden jeweils Paare aus einer Kathode und einer Anode als Zelleneinheit verstanden, so dass in dem Fall, dass mehrere energieopti¬ mierte Elektroden und mehrere leistungsoptimierte Elektroden in einer Akkumulatorzelle vorhanden sind, jeweils ein Paar aus Anode und Kathode als eine Zelleneinheit betrachtet wird. Die Akkumulatorzelle weist in diesem Fall mehrere energieop¬ timierte Zelleneinheiten und/oder mehrere leistungsoptimierte Zelleneinheiten auf. In der erfindungsgemäßen Akkumulatorzelle sind vorzugsweise alle Elektroden bzw. alle Zelleneinheiten, also die zumindest einen energieoptimierten Zelleneinheiten und die zumindest einen leistungsoptimierten Zelleneinheiten, im gleichen
Elektrolyt angeordnet, der Elektrolyt umgibt also alle Zel- leneinheiten und kann zwischen verschiedenen Zelleneinheiten fließen .
Bevorzugterweise unterscheiden sich energieoptimierte Zellen¬ einheiten und leistungsoptimierte Zelleneinheiten in der Stärke ihrer Elektroden. Die Elektroden sind hierbei flächig ausgestaltet, wobei besonders bevorzugt ihre Fläche rechte¬ ckig ist. Die Dicke der Elektrode ist jene Ausdehnung der Elektrode senkrecht zu ihrer flächigen Ausdehnung. Bevorzug¬ terweise haben die Elektroden der energieoptimierten Zellen- einheiten eine größere Dicke als die Elektroden der leis¬ tungsoptimierten Zelleneinheiten. Entsprechend haben also die leistungsoptimierten Zelleneinheiten eine geringere Dicke als die Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten. Erfindungsgemäß werden also vorzugsweise jeweils auf Ebene der Ak- kumulatorzellen Elektroden mit optimierten Elektrodenstärken in einem gemeinsamen Zellengehäuse kombiniert.
Vorzugsweise sind innerhalb des gemeinsamen Zellengehäuses die Zelleneinheiten mit parallelen Ebenen ihrer Elektroden übereinander angeordnet. Die Ebene der Elektrode ist hierbei jene Ebene, in welcher sich die Elektrode flächig ausdehnt.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle eine Mehrzahl von energieoptimierten Zelleneinheiten und eine Mehrzahl von leistungsoptimierten Zelleneinheiten auf, was bedeutet, dass die Akkumulatorzelle mehrere energieoptimierte Kathoden und entsprechende Anoden sowie mehrere leistungsop¬ timierte Kathoden und Anoden aufweist. Ein Paar aus Anode und Kathode wird hierbei jeweils als eine Zelleneinheit angese¬ hen .
Bevorzugterweise ist dann zumindest eine der energieoptimier- ten Zelleneinheiten zwischen zweien der leistungsoptimierten Zelleneinheiten angeordnet und/oder es ist zumindest eine der leistungsoptimierten Zelleneinheiten zwischen zweien der energieoptimierten Zelleneinheiten angeordnet. Insbesondere können leistungsoptimierte und energieoptimierte Zellenein- heiten abwechselnd nebeneinander angeordnet sein.
Es ist bevorzugt, wenn die leistungsoptimierten Zelleneinhei¬ ten zueinander parallel geschaltet sind und/oder die energie¬ optimierten Zelleneinheiten zueinander parallel geschaltet sind. Besonders bevorzugt stehen alle positiven Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen ersten positiven Abieiter in elektrischem Kontakt und alle positiven Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten stehen mit einem gemeinsamen zweiten positiven Abieiter in Kontakt. Hierdurch sind die jeweiligen Zelleneinheiten von außen gemeinsam kontaktierbar . Besonders bevorzugt ist in diesem Fall, dass der erste positive Abieiter, der die energieoptimierten Zelleneinheiten miteinander verbindet, mit dem zweiten positiven Abieiter, der die leistungsoptimierten Zel- leneinheiten miteinander verbindet, über zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über einen Widerstand, in elektri¬ schem Kontakt steht. Alternativ können alle negativen Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen ersten negativen Abieiter in elektrischem Kontakt stehen und alle negativen Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen zweiten negativen Abieiter in elektrischem Kontakt stehen. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn der erste negative Abieiter mit dem zweiten negativen Abieiter über zumindest einen Widerstand, vorzugs- weise nur über zumindest einen Widerstand, in elektrischem
Kontakt steht. Die negativen Abieiter können aber auch unmittelbar in Kontakt stehen. Über die Widerstände können Ausgleichströme zwischen energie¬ optimierten und leistungsoptimierten Zelleneinheiten begrenzt werden. Aufgrund der bei der Entladung auftretenden Unterschiede in der Entladungstiefe bezogen auf die Nennkapazität zwischen den einzelnen Zelleneinheiten bedingt durch die unterschiedlichen Strombelastungen würde es zwischen den Zelleneinheiten zu Ausgleichströmen mit sehr hohen Stromspitzen während der Ruhephase kommen. Mittels der beschriebenen Widerstände können diese Ausgleichströme begrenzt werden.
Es kann ein äußeres positives und/oder negatives Ableitele¬ ment mit dem gemeinsamen positiven bzw. negativen Abieiter der Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten in unmittelbarem elektrischem Kontakt stehen. Es ist auch mög- lieh, dass ein äußeres positives und/oder negatives Ableit¬ element mit dem gemeinsamen positiven oder negativen Abieiter der Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten in unmittelbarem elektrischem Kontakt steht. Die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle kann als Baukastensys¬ tem ausgestaltet sein, wobei unterschiedliche Elektrodenarten in einem gemeinsamen Zellengehäuse kombiniert werden und in dem Zellengehäuse im Hinblick auf die Anwendungsanforderungen optimiert werden. Wie weiter unten im Detail beschrieben wird, wird erfindungsgemäß auch eine Batterie angegeben, bei der verschiedene Akkumulatorzellen (insbesondere leistungsop- timierte und energieoptimierte) in einem Gehäuse miteinander verschaltet werden, wodurch ebenfalls eine Ausgestaltung und Optimierung der Batterie im Hinblick auf die Anforderungen der Anwendung ermöglicht wird. Eine mögliche Anwendung der erfindungsgemäßen Akkumulatorzelle und der erfindungsgemäßen Batterie sind z.B. Anlasserbatterien und Kleintraktionsbatte- rien auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie. Wie bereits beschrieben, sind die Elektroden vorzugsweise plattenförmig . Die Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten haben dabei bevorzugt eine Dicke von > 10 ym, vorzugsweise ^ 50 ym, besonders bevorzugt ^ 100 ym und/oder -S 200 ym, vorzugsweise -S 150 ym, besonders bevorzugt -S 120 ym. Die Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten haben vorzugsweise eine Dicke von > 1 ym, vorzugsweise ^ 10 ym, besonders bevorzugt ^ 15 ym und/oder < 30 ym, vorzugsweise ^ 25 ym, besonders bevorzugt ^ 20 ym. Bevorzugterweise haben die Elektroden der energieoptimierten und/oder leistungsopti- mierten Zelleneinheiten rechteckige Plattenflächen. Dabei liegt die Länge und/oder die Breite der Plattenfläche vor¬ zugsweise im Bereich > 2 cm, vorzugsweise ^ 10 cm, besonders bevorzugt ^ 20 cm und/oder < 40 cm, vorzugsweise ^ 30 cm, be¬ sonders bevorzugt ^ 25 cm.
Mit der zumindest einen leistungsoptimierten Zelleneinheit ist vorzugsweise eine Stromrate bezogen auf eine Nominalkapa- zität C von > 20 C, vorzugsweise ^ 30 C, besonders bevorzugt > 40 C und/oder < 80 C, vorzugsweise ^ 70 C, besonders bevor¬ zugt < 60 C erzeugbar. Mit der mindestens einen energieopti¬ mierten Zelleneinheit ist vorzugsweise eine Leistung von ^ 1 C, vorzugsweise ^ 3 C, besonders bevorzugt 5 C und/oder ^ 10 C, vorzugsweise ^ 8 C, besonders bevorzugt 6 C erzeug¬ bar .
Die Kapazität einer Batterie ist die unter den jeweiligen Bedingungen entnehmbare Ladungsmenge in der Einheit Amperestunden [Ah] .
Der Energieinhalt einer Batterie ist die unter den jeweiligen Be- dingungen entnehmbare Energiemenge in der Einheit Wattstunden
[Wh] .
Die Werte der Kapazität und des Energieinhaltes können noch von weiteren Bedingungen und Umgebungsfaktoren abhängig sein.
Derartige Bedingungen können sein: Temperatur, Entladestrom, Ent- ladeschlussspannung, Ladezustand der Batterie und Alterungsfortschritt der Batterie.
Die Nennkapazität gibt an, wie viel Ladung der voll geladenen Batterie (Ladezustand 100%) bei einer definierten Entladedauer (tN) von z.B. einer Stunde mit einem definierten Strom (IN) bei einer definierten Temperatur (TN) bis zu einer Endspan- nung/Entladeschlussspannung (Us oder Uf) (Ladezustand von nahezu 0 %) entnommen werden kann.
Zum Beispiel kann für eine Lithium-Ionen-Zelle gelten: CN = 5.5 Ah, tN = 1 h, IN = 5.5 Ampere, Us = 2.5V, TN = 25 °C
C-Rate :
C-Rate oder auch der C-Wert gibt den Betrag des Laststro- mes/Entladestroms bzw. Ladestroms/Entladestroms in Ampere relativ zur (dividiert durch die) nominellen Gesamtkapazität an. Die Anga- be einer C-Rate bzw. eines C-Wertes immer mehr durch, denn dadurch kann der Einsatzzweck des Akkumulators sehr gut definiert werden.
Zum Beispiel kann eine Batterie für Hybridanwendungen eine - 3.6 V Lithium-Ionen-Zelle sein bei 5.5 Ah Nennkapazität und Entladestromrate C/l, d. h. 5.5 Ampere Entladestrom über eine Dauer von 1 Stunde bis zu einer Entladeschlussspannung von 2, 5V.
Die Erfindung betrifft weiter eine Batterie mit zumindest zwei verschiedenen Akkumulatorzellen. Es werden dabei zumin- dest zwei verschiedene Akkumulatorzellen aus zumindest einer leistungsoptimierten Akkumulatorzelle, zumindest einer energieoptimierten Akkumulatorzelle und zumindest einer Consumer- Akkumulatorzelle ausgewählt. Auf Batterieebene werden also verschiedene Arten von Zellen in einem gemeinsamen Batterie- gehäuse untergebracht. Hierbei können die Anforderungen der Batterie in Bezug auf die Leistungsabgabe und gespeicherte Energie untersucht werden und eine maßgeschneiderte Lösung jeweils auf Zellen- bzw. Batterieebene erstellt werden, die die Anforderungen optimal erfüllt. Dabei ist mit der leis- tungsoptimierten Akkumulatorzelle eine höhere Leistung er¬ zeugbar, als mit der energieoptimierten Akkumulatorzelle und als mit der Consumer-Akkumulatorzelle . Mit der energieopti¬ mierten Akkumulatorzelle ist eine höhere Energiemenge pro Vo¬ lumen der energieoptimierten Akkumulatorzelle und/oder pro Masse der energieoptimierten Akkumulatorzelle speicherbar als mit der leistungsoptimierten Akkumulatorzelle und als mit der Consumer-Akkumulatorzelle . Wiederum kommt es nicht auf die absoluten Leistungen und Energiemengen an, sondern vielmehr auf deren Verhältnis zueinander in den unterschiedlichen Akkumulatorzellen, welche die Batterie bilden. Unter Consumer- Akkumulatorzellen werden Akkumulatorzellen verstanden, die in standardisierten Gehäusen, meist 18650 oder 26650 (zylindrisches Gehäuse) hergestellt werden. Solche Akkumulatorzellen haben den Vorteil großer Verfügbarkeit und niedriger Kosten.
Allerdings ist die Hochstromfähigkeit insbesondere bei tiefen Temperaturen unter -25 °C begrenzt und typische Nennkapazitä¬ ten betragen nur 2 bis 3 Ah. Unter einer Consumerzelle können also in Massenfertigung hergestellten Akkumulatoren mit geringen Kosten verstanden werden, die vorwiegend in nicht industriellen Bereich bzw. nicht professionellen Bereich Ihre Anwendung finden, wie z.B. in Labtop Batterien/Power Tools/tragbarer Consumer Elektronik wie Fotokameras. Gekennzeichnet sind die Akkumulatoren durch Massenfertigung und geringen Preis aufgrund der hohen Vereinheitlichung der Abmessungen.
Erfindungsgemäß sind die zumindest zwei verschiedenen Akkumu¬ latorzellen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Normalerweise kann jede Akkumulatorzelle darüber hinaus auch noch über ein eigenes Gehäuse verfügen. Eine bevorzugte Anordnung sieht vor, dass die Akkumulatorzel¬ len flächig ausgedehnt sind, was heißt, dass sie in einer Ebene deutlich weiter ausgedehnt sind, als in der senkrecht zu dieser Ebene stehenden Dicke. Hierbei sind dann bevorzugt eine Mehrzahl von Akkumulatorzellen des einen Typs und eine Mehrzahl von Akkumulatorzellen eines anderen Typs in der Batterie vorhanden, wobei zumindest eine der Akkumulatorzellen des einen Typs zwischen zwei Akkumulatorzellen zumindest eines anderen Typs angeordnet ist. Insbesondere können hier die Akkumulatorzellen verschiedenen Typs abwechselnd nebeneinander angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Akkumulatorzellen mit parallelen Flächen, in welchen sie sich flächig ausdehnen, übereinander angeordnet.
Bevorzugterweise wird die Batterie mit leistungsoptimierten Akkumulatorzellen und energieoptimierten Akkumulatorzellen realisiert. Dabei kann dann vorzugsweise ein positiver An¬ schluss der energieoptimierten Akkumulatorzellen mit einem positiven Anschluss der zumindest einen leistungsoptimierten Akkumulatorzelle über zumindest einen Widerstand, vorzugswei¬ se nur über zumindest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt stehen, wobei vorzugsweise ein äußerer positiver Anschluss der Batterie mit dem positiven Anschluss der leis- tungsoptimierten Akkumulatorzelle oder mit dem positiven Anschluss der zumindest einen energieoptimierten Akkumulatorzelle in unmittelbarem elektrischem Kontakt steht. Besonders bevorzugt steht der positive Anschluss der energieoptimierten Akkumulatorzelle mit dem äußeren Anschluss über den zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über den zumindest einen
Widerstand in elektrischem Kontakt. Es ist auch möglich, dass ein negativer Anschluss der zumindest einen energieoptimierten Akkumulatorzelle mit einem negativen Anschluss der zumin¬ dest einen leistungsoptimierten Akkumulatorzelle über zumin- dest einen Widerstand, vorzugsweise über nur zumindest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt steht. Auch hier ist vor¬ zugsweise ein äußerer negativer Anschluss der Batterie mit dem negativen Anschluss der leistungsoptimierten Akkumulatorzelle in unmittelbarem elektrischem Kontakt. Weiter bevorzugt ist auch hier der negative Anschluss der energieoptimierten Akkumulatorzellen mit dem äußeren Anschluss über den zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über den zumindest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt. Auch hier hat der Widerstand den vorteilhaften Effekt, dass Ausgleichströme zwischen energieoptimierten und leistungsoptimierten Zellen begrenzt werden. Aufgrund der bei der Entladung auftretenden Unterschiede in der Entladungstiefe bezogen auf die Nennkapa¬ zität zwischen den einzelnen Zellen bedingt durch die unter- schiedlichen Strombelastungen würde es zwischen den Zellen zu Ausgleichströmen mit sehr hohen Stromspitzen während der Ruhephase kommen. Mittels der beschriebenen Widerstände können diese Ausgleichströme begrenzt werden.
In der Batterie ist es möglich, dass der Widerstand innerhalb oder außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist, in wel¬ chem die Akkumulatorzellen untergebracht sind. Die Akkumula¬ torzellen je eines Typs, also energieoptimiert, leistungsop- timiert und Consumer-Typ, können nach außerhalb des Batterie¬ gehäuses jeweils einen gemeinsamen Kontakt aufweisen. Ist der Widerstand außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet, so kann er zwischen den entsprechenden dieser gemeinsamen Kontakte angeordnet sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist die zumindest eine leistungsopti- mierte Akkumulatorzelle mit der zumindest einen energieopti¬ mierten Akkumulatorzelle über einen DC/DC-Wandler elektrisch kontaktiert. Hierbei können die leistungsoptimierten Akkumu¬ latorzellen und/oder die energieoptimierten Akkumulatorzellen einen leistungsoptimierten Block oder einen energieoptimierten Block bilden, wobei der entsprechende Block parallel zum DC/DC-Wandler geschaltet ist, so dass die Blöcke über den DC/DC-Wandler in Kontakt stehen. Innerhalb eines Blocks kön¬ nen mehrere Akkumulatorzellen des entsprechenden Typs parallel und/oder in Reihe geschaltet vorliegen. Der DC/DC-Wandler wandelt die Spannung des einen Blocks auf jene der anderen Blocks, beispielsweise die Spannung der energieoptimierten Akkumulatorzelle auf die Spannung der leistungsoptimierten Akkumulatorzelle .
Bevorzugterweise weist die zumindest eine leistungsoptimierte Akkumulatorzelle eine Nennkapazität von > 1 Ah, vorzugsweise > 2 Ah, besonders bevorzugt ^ 4 Ah, besonders bevorzugt ^ 5,5 Ah und/oder < 10 Ah, vorzugsweise -S 8 Ah, besonders bevorzugt < 6 Ah auf. Die zumindest eine energieoptimierte Akkumulator¬ zelle hat vorzugsweise eine Nennkapazität ^ 20 Ah, Vorzugs- weise ^ 30 Ah, besonders bevorzugt ^ 40 Ah und/oder < 200 Ah, vorzugsweise ^ 150 Ah, besonders bevorzugt ^ 100 Ah, beson¬ ders bevorzugt ^ 50 Ah. Es ist bevorzugt, wenn alle Akkumulatorzellen elektrochemisch gleich aufgebaut sind, insbesondere wenn das Anodenmaterial, das Kathodenmaterial und der Elektrolyt in allen verwendeten Akkumulatorzellen identisch sind. Hierdurch können dauerhafte Potentialdifferenzen zwischen den Zellen aufgrund verschiede- ner Zellenpotentiale und eine Überladung oder Unterladung der Zellen aufgrund verschiedener Arbeitsfenster für die Zellenspannung vermieden werden.
Es ist möglich, die Anschlüsse der energieoptimierten Zellen und der leistungsoptimierten Zellen getrennt aus dem Batteriegehäuse über vier Pole nach außen zu führen. Außerhalb des Batteriegehäuses gibt es also vier Pole bzw. Anschlüsse, wo¬ bei ein Pol ein positiver Anschluss der leistungsoptimierten Zellen ist, einer ein negativer Anschluss der leistungsopti- mierten Zellen, ein weiterer Pol ist ein positiver Anschluss der energieoptimierten Zellen und ein Pol ist ein negativer Anschluss der energieoptimierten Zellen. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich die Möglichkeit, die leistungsoptimierten Zellen je nach einer Höhe des Belastungsstroms über eine schnelle Messung mit einem Stromintegrator oder Kompara- tor/Shunt zuzuschalten bzw. abzuschalten, um die energieoptimierten Zellen nicht mit hohen Entladeströmen zu überlasten und/oder die leistungsoptimierten Zellen nicht fortwährend dem zyklischen Betrieb auszusetzen. Hierdurch lässt sich die Lebensdauer des Gesamtsystems verlängern.
Das Vorsehen eines DC/DC-Wandlers ermöglicht es, Akkumulator¬ zellen mit unterschiedlichen Anoden- und/oder Kathodenmaterialien mit entsprechenden Spannungen zu verwenden. So können z.B. Anoden- und Kathodenmaterialien der energieoptimierten Akkumulatorzellen andere Materialien aufweisen, als Anoden und Kathoden der leistungsoptimierten Akkumulatorzellen. Auf diese Weise ist es möglich, Zellen nicht nur über ihren me- chanischen Aufbau energie- und leistungszuoptimieren, vielmehr ist es auch möglich, die Zellen über ihre elektrochemischen Eigenschaften zu optimieren. Es kann also eine energieoptimierte Akkumulatorzelle eine andere Elektrochemie aufwei- sen als eine leistungsoptimierte Akkumulatorzelle.
Die Zelleneinheiten der erfindungsgemäßen Akkumulatorzelle und/oder die Akkumulatorzellen der erfindungsgemäßen Batterie sind vorzugsweise Lithium-Ionen-Zellen bzw. Lithium-Ionen- Zelleneinheiten.
Durch das erfindungsgemäße Baukastensystem auf Zellen- bzw. auf Batterieebene in einem gemeinsamen Zellengehäuse bzw. Batteriegehäuse ergibt sich die Möglichkeit eines flexiblen Designs im Hinblick auf die Anwendung, die für die Batterie vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Batterie kann daher z.B. eine Anlasser¬ batterie oder eine Kleintraktionsbatterie sein. Entsprechend kann die Akkumulatorzelle gemäß der Erfindung eine Akkumula¬ torzelle einer Anlasserbatterie und/oder einer Kleintraktionsbatterie sein.
Die Erfindung ermöglicht also den Einsatz verschiedener Akku- mulatorzellen bzw. Zelleneinheiten, die im Hinblick auf Energie und/oder Leistung sowie Anoden- und/oder Kathodematerialien optimiert sind. Die Akkumulatorzellen bzw. Zelleneinhei¬ ten können in unterschiedlicher Anzahl von Parallelverschaltungen auf Zellenebene in einem Zellengehäuse bzw. in einem Batteriegehäuse zum Erreichen der optimalen Eigenschaften im Hinblick auf Leistung, Energie, Gewicht und/oder Kosten gestaltet sein. Es ist möglich, unterschiedliche Akkumulator¬ zellentypen, wie leistungsoptimierte, energieoptimierte und preisoptimierte in einem gemeinsamen Batteriegehäuse zu einer Batterie zu verschalten und dabei die Batterie auch im Hinb¬ lick auf Kosten, Gewicht und Volumen zu optimieren. Der bevorzugte Einsatz von DC/DC-Wandlern führt zu einer weiteren Kosten- und/oder Gewichtsoptimierung, da hier auch Einzelak- kumulatorzellen mit unterschiedlichen Spannungslagen aufgrund von unterschiedlichen Kathoden- und/oder Anodenmaterialien möglich sind. Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Dabei bezeichnen gleiche Bezugs¬ zeichen gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den Bei¬ spielen beschriebenen Merkmale können auch unabhängig vom konkreten Beispiel in anderen Ausgestaltungen der Erfindung realisiert sein und beliebig untereinander kombiniert werden.
Es zeigt
Figur 1 eine erfindungsgemäße Akkumulatorzelle im Schnitt;
Figur 2 ein Zellengehäuse mit Ableitelementen einer erfindungsgemäßen Akkumulatorzelle;
Figur 3 eine weitere erfindungsgemäße Akkumulatorzelle im
Schnitt;
Figur 4 ein Zellengehäuse, wie es für die in Figur 3 ge¬ zeigte Akkumulatorzelle einsetzbar ist; Figur 5 ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Batterie mit vier leistungsoptimierten und einer energieoptimierten Akkumulatorzelle ;
Figur 6 eine erfindungsgemäße Batterie mit vier leistungs- optimierten Akkumulatorzellen und zwei energieoptimierten Akkumulatorzellen;
Figur 7 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Batterie; Figur 8 eine erfindungsgemäße Batterie mit einem DC/DC- Wandler und
Figur 9 den prinzipiellen Aufbau eines DC/DC-Wandlers Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Akku¬ mulatorzelle mit einer Vielzahl von Zelleneinheiten la, lb, lc, 2a, 2b, 2c. Die Zelleneinheiten la, lb, lc, 2a, 2b, 2c weisen jeweils eine Kathode 3a, 3b, 3c sowie eine Anode 4a,
4b, 4c auf. Die Anode und die Kathode einer gegebenen Zellen¬ einheit la, lb, lc, 2a, 2b, 2c sind jeweils durch einen Sepa¬ rator 5a, 5b, 5c separiert. Die gezeigte Akkumulatorzelle weist einerseits energieoptimierte Zelleneinheiten la, lb, lc auf und andererseits leistungsoptimierte Zelleneinheiten 2a, 2b, 2c. Dabei haben die Elektroden 3a, 3b, 4a, 4b der ener¬ gieoptimierten Zelleneinheiten la, lb, lc eine größere Dicke als die Elektroden 3c, 4c der leistungsoptimierten Zelleneinheiten 2a, 2b, 2c.
Die Anoden 4a, 4b werden jeweils durch einen Kupferabieiter 8a, 8b elektrisch kontaktiert, der in einem gemeinsamen Abieiter 8c zusammengeführt wird und nach außen durch ein äuße¬ res Ableitelement 8 kontaktierbar ist.
Die Kathoden werden jeweils durch Aluminiumableiter 6a, 6b, 7a, 7b kontaktiert. Dabei werden alle Abieiter 6a, 6b der energieoptimierten Zelleneinheiten la, lb, lc in einen gemeinsamen Abieiter 6 innerhalb des Gehäuses 9 zusammenge- führt. Alle Abieiter 7a, 7b der leistungsoptimierten Zelleneinheiten 2a, 2b, 2c werden innerhalb des Gehäuses 9 in einem gemeinsamen Abieiter 7 zusammengeführt. Ein äußeres Ableit¬ element 10 zur Kontaktierung der Kathoden ist elektrisch unmittelbar mit den Abieitern 7a, 7b bzw. dem gemeinsamen Ab- leiter 7 der leistungsoptimierten Zelleneinheiten 2a, 2b verbunden. Die Abieiter 6a, 6b bzw. der gemeinsame Abieiter 6 der energieoptimierten Zelleneinheiten la, lb, lc ist mit dem äußeren Ableitelement über einen Widerstand 10 elektrisch kontaktiert .
Erfindungsgemäß sind alle Zelleneinheiten la, lb, lc, 2a, 2b, 2c in einem gemeinsamen Gehäuse 9 angeordnet, wobei jedoch die einzelnen Zelleneinheiten la, lb, lc, 2a, 2b, 2c ihrer- seits nicht in einzelnen Gehäusen angeordnet sind. Es gibt also nur ein Gehäuse 9, in dem alle Zelleneinheiten la, lb, lc, 2a, 2b, 2c angeordnet sind. Im gezeigten Beispiel sind die Elektroden flächig ausgedehnt mit zueinander parallelen Flächen übereinander angeordnet. Ein Ableiter 6a, 6b, 7a, 7b kontaktiert die entsprechende Elektrode 3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c jeweils in einer Mitte in Richtung der Dicke. Zwischen je einer Anode und der benach- barten Kathode ist ein Separator 5a, 5b, 5c angeordnet.
Das Zellengehäuse kann beispielsweise Aluminiumverbundfolie aufweisen oder daraus bestehen. Der Widerstand 11 ist gegenüber einem Elektrolyten 12 im Inneren des Gehäuses 9 elektrisch isoliert. Der Elektrolyt 12 umgibt alle Zelleneinheiten la, lb, lc, 2a, 2b, 2c, alle Zel¬ leneinheiten liegen also im gleichen Elektrolyten 12 vor. Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Akkumulatorzelle, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, in Außenansicht. Das Zellengehäuse 9 ist hierbei rechteckig mit abgerundeten Ecken ausgestaltet und erstreckt sich in der Figurenebene im Wesentlichen flä¬ chig. An gegenüber liegenden Seiten des Zellengehäuses 9 ist zum einen das positive Ableitelement 10 und zum anderen das negative Ableitelement 8 angeordnet, die hier als rechteckige Kontakte ausgebildet sind, die sich in der Figurenebene und damit in der Ebene der Flächenausdehnung des Gehäuses 9 im Wesentlichen flächig erstrecken.
Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Akkumulatorzelle in einer Schnittansicht. Wie in dem in Figur 1 gezeigten Beispiel weist die Akkumulatorzelle drei energie¬ optimierte Zelleneinheiten la, lb, lc sowie fünf leistungsop- timierte Zelleneinheiten 2a, 2b auf. Jede der Zelleneinheiten weist eine Kathode 3a, 3b sowie eine Anode 4a, 4b auf. Wiede¬ rum sind alle Kathoden jeweils über einen Ableiter 6a, 6b, 7a, 7b kontaktiert und alle Anoden durch Ableiter 8a, 8b. An- ders als in dem in Figur 1 gezeigten Beispiel sind die Zel¬ leneinheiten des gleichen Typs von außen gemeinsam und unabhängig von den Zelleneinheiten des anderen Typs kontaktier- bar. Hierzu sind die Kathodenableiter 6a, 6b mit einem ge- meinsamen Abieiter 6c verbunden, der mit einem äußeren Ableitelement 6 elektrisch kontaktiert ist, über welches die energieoptimierten Elektroden von außen kontaktierbar sind. Die Kathodeabieiter 7a, 7b der leistungsoptimierten Zelleneinheiten sind in einem gemeinsamen Abieiter 7c innerhalb des Gehäuses zusammengeführt und über ein äußeres Ableitelement 7 von außen kontaktierbar.
Entsprechend sind die Anodenableiter 8a, 8b der energieopti¬ mierten Zelleneinheit von außen über ein gemeinsames äußeres Ableitelement 8b gemeinsam elektrisch kontaktierbar und die Anodenableiter der leistungsoptimierten Zelleneinheiten 2a, 2b sind über ein äußeres Ableitelement 8e gemeinsam kontak¬ tierbar . Wie auch in Figur 1 ist ein Widerstand 11 vorgesehen, über welchen die Kathoden der energieoptimierten Zelleneinheiten mit den Kathoden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten kontaktiert sind. Während jedoch der Widerstand 11 in Figur 1 innerhalb des Gehäuses 9 angeordnet ist, ist er in Figur 3 außerhalb des Zellengehäuses 9 angeordnet. Die in Figur 3 ge¬ zeigte Ausführungsform, in welcher die energieoptimierten und leistungsoptimierten Zelleneinheiten von außen unabhängig kontaktierbar sind, ist besonders vorteilhaft, wenn die leis¬ tungsoptimierten Zellen abhängig von einem Belastungsstrom zu- oder abschaltbar sein sollen. Hierzu kann mittels einer nicht gezeigten Vorrichtung der Belastungsstrom gemessen werden und mittels eines nicht gezeigten Schalters die leis¬ tungsoptimierten Zelleneinheiten zu- oder abgeschaltet werden. In dieser Ausführungsform wäre der Widerstand 11 nicht gegeben.
Figur 4 zeigt eine Außenansicht der in Figur 3 gezeigten Akkumulatorzelle. Das Gehäuse 9 ist hierbei wiederum rechteckig und in der Figurenebene flächig ausgedehnt ausgestaltet. Die Ecken sind wiederum abgerundet. Es sind nun zwei positive äu¬ ßere Ableitelemente 6 und 7 sowie zwei negative äußere Ab¬ leitelemente 8d und 8e vorgesehen. Dabei sind über das äußere Ableitelement 6 und das äußere Ableitelement 8d die energie¬ optimierten Zelleneinheiten kontaktierbar und über das äußere Ableitelement 7 und das äußere Ableitelement 8e die leis¬ tungsoptimierten Zelleneinheiten. Zwischen den äußeren Ableitelementen 6 und 7 ist der Widerstand 11 angeordnet.
Figur 5 zeigt ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Batterie. Die Batterie weist hierbei in einem nicht gezeigten gemeinsamen Batteriegehäuse vier leistungsoptimierte Akkumu¬ latorzellen 52a, 52b, 52c, 52d auf, die jeweils eine Kapazi- tät von 5,5 Ah haben. Die Batterie weist darüber hinaus eine energieoptimierte Akkumulatorzelle 51 auf, die im gezeigten Beispiel eine Kapazität von 40 Ah hat. Die Batterie weist ei¬ nen positiven Pol 53 sowie einen negativen Pol 54 auf. Innerhalb der Batterie sind die leistungsoptimierten Akkumulator- zellen 52a-52d zueinander parallel geschaltet. Die energieop¬ timierte Akkumulatorzelle 51 ist parallel geschaltet zu der Parallelschaltung aus den leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a-52d. Dabei ist jedoch der positive Pol 53 der Bat¬ terie mit den positiven Anschlüssen der leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a-52d elektrisch unmittelbar kontaktiert, während der positive Pol der energieoptimierten Akkumulatorzelle mit dem positiven Pol 53 der Batterie über einen Vorwiderstand 11 kontaktiert ist. Die gezeigte Batterie hat eine Nennkapazität von mehr als 60 Ah.
Figur 6 zeigt ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Batterie, die aus vier leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a, 52b, 52c, 52d sowie zwei energieoptimierten Akkumulatorzellen 51a, 51b aufgebaut ist. Die leistungsoptimierten Akku- mulatorzellen 52a-52d haben wiederum jeweils eine Kapazität von 5,5 Ah. Die energieoptimierten Zelleneinheiten 51a, 51b haben jeweils eine Kapazität von 22 Ah. Wie in Figur 5 sind die leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a-52d zueinander parallel geschaltet. Die energieoptimierten Zelleneinheiten 51a und 51b sind ebenfalls zueinander parallel geschaltet. Darüber hinaus ist die Parallelschaltung aus den energieopti¬ mierten Zelleneinheiten 51a, 51b zu der Parallelschaltung aus den leistungsoptimierten Zelleneinheiten 52a-52d parallel geschaltet. Hierbei ist der positive Pol 53 der Batterie unmit¬ telbar mit den positiven Polen der leistungsoptimierten Zelleneinheiten 52a-52d kontaktiert, während der positive Pol der energieoptimierten Zelleneinheiten 51a, 51b über einen Vorwiderstand 11 mit dem positiven Pol 53 der Batterie kon¬ taktiert ist. Wie auch in Figur 5 sind die negativen Pole der leistungsoptimierten Zelleneinheiten 52a-52d sowie die negativen Pole der energieoptimierten Zelleneinheiten 51a, 51b mit dem negativen Anschluss 54 der Batterie unmittelbar kon- taktiert.
Sowohl in Figur 5 als auch in Figur 6 können, was hier jedoch nicht gezeigt ist, auch Consumer-Typ-Akkumulatorzellen vorgesehen sein, die entsprechend den gezeigten Akkumulatorzellen zueinander parallel geschaltet sein können und zu Akkumula¬ torzellen anderen Typs ebenfalls parallel geschaltet sein können, wobei gegebenenfalls weitere Vorwiderstände zwischen den Parallelschaltungen der Consumer-Typ-Akkumulatorzellen und Akkumulatorzellen anderen Typs vorgesehen sein können.
In allen gezeigten Beispielen kann alternativ oder zusätzlich ein Vorwiderstand auch zwischen negativen Polen der leistungsoptimierten, energieoptimierten und gegebenenfalls Consumer-Typ-Akkumulatorzellen vorgesehen sein.
Figur 7 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Bat¬ terie mit vier Paketen 55a, 55b, 55c, 55d, wobei jedes Paket 6 leistungsoptimierte Akkumulatorzellen 52a, 52b, 52c, 52d und zwei energieoptimierte Akkumulatorzellen 51a, 51b auf- weist. Die Zellenpakete 55a-55d sind jeweils durch Trennwände 56 voneinander getrennt. Innerhalb jedes der Zellenpakete 55a-55d sind die Akkumulatorzellen 51a, 51b, 52a-52d mit zu¬ einander parallelen Ebenen nebeneinander angeordnet. Die Ver- Schaltung der Akkumulatorzellen entspricht jener in Figur 6 gezeigten .
In jedem Zellenpaket 55a-55d sind die energieoptimierten Ak- kumulatorzellen 51a, 51b zwischen leistungsoptimierten Zelleneinheiten 52a-52d und durch diese voneinander separiert angeordnet. Von links nach rechts betrachtet befinden sich daher in jedem Zellenpaket 55a-55d zunächst zwei leistungsop¬ timierte Zelleneinheiten, dann eine energieoptimierte Zellen- einheit, dann wieder eine leistungsoptimierte Zelleneinheit, gefolgt von einer energieoptimierten Zelleneinheit und schließlich gefolgt von drei nebeneinander angeordneten leistungsoptimierten Zelleneinheiten. Die Batterie ist von außen über die Batteriepole 53 und 54 kontaktierbar . Akkumulator- zellen eines Paketes sind jeweils durch eine Sammelschiene 57 kontaktiert .
Figur 8 zeigt eine erfindungsgemäße Batterie mit einem DC/DC- Wandler 56. Die in Figur 8 gezeigte Batterie weist zum einen 16 leistungsoptimierte Akkumulatorzellen 52a, 52b, 52c, 52d auf. Von diesen leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a- 52d sind jeweils vier Akkumulatorzellen zueinander parallel geschaltet, so dass sich vier Blöcke von parallel geschalte¬ ten Akkumulatorzellen 52a-52d ergeben. Die vier Blöcke sind dann zueinander in Reihe geschaltet, es sind also vier dieser Blöcke hintereinander in Reihe geschaltet. Die gesamte Rei¬ henschaltung aller leistungsoptimierten Akkumulatorzellen ist dann mit ihrem positiven Pol und ihrem negativen Pol an den DC/DC-Wandler 56 angeschlossen. An zwei andere Eingänge des DC/DC-Wandlers ist eine energieoptimierte Akkumulatorzelle 51 angeschlossen. Mittels des DC/DC-Wandlers 56 ist die Spannung der energieoptimierten Zelle 51 auf das Niveau der Spannung der Verschaltung der 16 leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a-52d wandelbar, so dass in einer solchen Schaltung auch leistungsoptimierte Akkumulatorzellen mit energieopti¬ mierten Akkumulatorzellen verschaltbar sind, die ein anderes Spannungsniveau aufweisen, beispielsweise weil sie eine ande¬ re Elektrochemie aufweisen. Von außen wäre in dieser Batterie eine Spannung an den äußeren Anschlüssen der Schaltung der leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a-52d abgreifbar.
Die erfindungsgemäße Batterie ermöglicht es beispielsweise, eine 12 Volt 60 Ah Blei-Säure-Batterie mit einer Anforderung von ca. 600 A Kaltstartstrom und 60 Ah Nennkapazität aus ei¬ ner Kombination von jeweils vier leistungsoptimierten parallel geschalteten Zellen zu jeweils 5,5 Ah Kapazität (Gewicht pro Zelle beträgt ca. 290 g) und zwei energieoptimierten pa- rallel geschalteten Zellen zu jeweils 22 Ah (Gewicht pro Zel¬ le ca. 580 g) zusammenzuschalten, wie es beispielsweise in Figur 5 gezeigt ist. Darüber hinaus ist auch eine Kombination von beispielsweise vier leistungsoptimierten Zellen mit 5,5 Ah Kapazität und einer energieoptimierten Zelle zu 40 Ah Ka- pazität (Gewicht pro Zelle ca. 1050 g) möglich. Durch diese Kombinationen der Zellen werden in diesem Beispiel insgesamt ca. 600 A Startstrom bei einer Nennkapazität von ca. 62 Ah (4 x 5,5 Ah + 40 Ah) bzw. 66 Ah (4 x 5,5 Ah + 2 x 22 Ah) ermöglicht bei einem Gesamtgewicht von jeweils 2.320 g bzw. 2.210 g. Im Vergleich dazu würde sich für die gleichen Startströme und Nennkapazitäten bei einem Einsatz von ausschließlich leistungsoptimierten Zellen mit einer Kapazität von jeweils 5,5 Ah und der hierzu notwendigen Parallelverschaltung von 12 Zellen ein Gewicht von 3.480 g bzw. bei einer Reihenparallel- verschaltung von energieoptimierten Zellen von einer Kapazität von jeweils 22 Ah mit 7 Zellen ein Gewicht von 4.060 g ergeben. Der Vergleich der sich ergebenden Gewichte der verschiedenen Verschaltungen verdeutlicht den Vorteil der erfindungsgemäßen Batterie. So ist beispielsweise eine Anlasser- batterie oder eine Kleintraktionsbatterie gemäß der Anforde¬ rung an Startleistung und Nennkapazität hinsichtlich Volumen, Gewicht und Kosten optimierbar.
Figur 9 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines DC/DC-Wandlers . Aufgabe des DC/DC-Wandlers ist es, Gleichspannung einer Amp¬ litude (Spannungswert) in Gleichspannung einer anderen Amplitude (Spannungswert) zu überführen, ähnlich, wie ein Transformator es für Wechselspannung macht. Beispielhaft sei die Funktion an Figur 9 erläutert. Hier wird eine Gleichspannung 90 zunächst durch einen HF elektronischen Schalter 91 in eine Wechselspannung 92 umgewandelt. Ein Transformator 93 wandelt die Wechselspannung 92 in eine Wechselspannung 94 anderer Amplitude um. Diese wird dann durch einen Gleichrichter 95 gleichgerichtet und durch eine Glättungsvorrichtung 96 ge¬ glättet. Ausgegeben wird schließlich eine neue Gleichspannung 97.

Claims

Patentansprüche
1. Akkumulatorzelle mit
zumindest einer energieoptimierten Zelleneinheit und
zumindest einer leistungsoptimierten Zelleneinheit,
wobei die leistungsoptimierte Zelleneinheit so ausgestaltet ist, dass mit ihr eine höhere Leistung erzeugbar ist, als mit der energieoptimierten Zelleneinheit und wobei die energieop¬ timierte Zelleneinheit so ausgestaltet ist, dass mit ihr eine höhere Energiemenge pro Volumen der energieoptimierten Zelleneinheit und/oder pro Masse der energieoptimierten Zelleneinheit speicherbar ist als mit der leistungsoptimierten Zelleneinheit,
und wobei die zumindest eine energieoptimierte Zelleneinheit und die zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit in einem gemeinsamen Zellengehäuse angeordnet sind.
2. Akkumulatorzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine energieoptimierte Zelleneinheit mindestens zwei Elektroden mit aktiven Materia¬ lien sowie einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator aufweist und
dass die zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit mindestens zwei Elektroden mit aktivierten Materialien sowie einem zwischen den Elektroden angeordneten Separator aufweist,
wobei die Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheit eine größere Dicke in Richtung senkrecht zu einer Plattenebene der Elektroden aufweisen als die leistungsoptimierte Zellen- einheit.
3. Akkumulatorzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine energieoptimierte Zelleneinheit und die zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit mit paralle¬ len Ebenen ihrer Elektroden übereinander angeordnet sind.
4. Akkumulatorzelle nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von energieopti¬ mierten Zelleneinheiten und eine Mehrzahl von leistungsopti- mierten Zelleneinheiten,
wobei zumindest eine der energieoptimierten Zelleneinheiten zwischen zweien der leistungsoptimierten Zelleneinheiten angeordnet ist und/oder wobei zumindest eine der leistungsopti¬ mierten Zelleneinheiten zwischen zweien der energieoptimierten Zelleneinheiten angeordnet ist.
5. Akkumulatorzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
alle positiven Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen ersten positiven Abieiter in elektrischem Kontakt stehen und dass alle positiven Elektro¬ den der leistungsoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen zweiten positiven Abieiter in Kontakt stehen, wobei der erste positive Abieiter mit dem zweiten positiven Abieiter über zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über zumindest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt steht oder dass alle negativen Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen ersten negativen Abieiter in elektrischem Kontakt stehen und dass alle negativen Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen zweiten negativen Abieiter in Kontakt stehen,
wobei der erste negative Abieiter mit dem zweiten negativen Abieiter über zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über zumindest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt steht.
6. Akkumulatorzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußeres positives oder negatives Ab¬ leitelement mit dem gemeinsamen positiven oder negativen Ab- leiter der Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten in unmittelbarem elektrischen Kontakt steht und/oder dass ein äußeres positives oder negatives Ableitelement mit dem gemeinsamen positiven oder negativen Abieiter der Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten in unmittelbarem elektrischem Kontakt steht.
7. Akkumulatorzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden der leistungsop¬ timierten Zelleneinheiten plattenförmig mit einer Dicke von ^ 10 ym, vorzugsweise ^ 50 ym, besonders bevorzugt ^ 100 ym und/oder < 200 ym, vorzugsweise ^ 150 ym, besonders bevorzugt
< 120 ym sind und/oder dass die Elektroden der energieopti- mierten Zelleneinheiten plattenförmig mit einer Dicke von > 1 ym, vorzugsweise ^ 10 ym, besonders bevorzugt ^ 15 ym
und/oder < 30 ym, vorzugsweise ^ 25 ym, besonders bevorzugt ^ 20 ym sind und/oder dass die Elektroden der energieopti¬ mierten und/oder leistungsoptimierten Zelleneinheiten plat- tenförmig mit rechteckiger Plattenfläche mit einer Länge von
> 2 cm, vorzugsweise ^ 10 cm, besonders bevorzugt ^ 20 cm und/oder < 40 cm, vorzugsweise ^ 30 cm, besonders bevorzugt
< 25 cm und/oder einer Breite von > 2 cm, vorzugsweise ^ 10 cm, besonders bevorzugt ^ 20 cm und/oder < 40 cm, vorzugswei- se ^ 30 cm, besonders bevorzugt ^ 25 cm sind.
8. Akkumulatorzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein positiver und ein negativer Abieiter der leistungsoptimierten Zelleneinheiten und ein po- sitiver und ein negativer Abieiter der energieoptimierten
Zelleneinheiten über einen DC/DC-Wandler elektrisch miteinander verbunden sind.
9. Akkumulatorzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der mindestens einen leis¬ tungsoptimierten Zelleneinheit eine Stromrate bezogen auf ei¬ ne Nominalkapazität C von > 20 C, vorzugsweise ^ 30 C, beson¬ ders bevorzugt > 40 C und/oder < 80 C, vorzugsweise ^ 70 C, besonders bevorzugt < 60 C erzeugbar ist und/oder dass mit der mindestens einen energieoptimierten Zelleneinheit eine Leistung von > 1 C, vorzugsweise ^ 3 C, besonders bevorzugt 5 C und/oder < 10 C, vorzugsweise ^ 8 C, besonders bevor¬ zugt < 6 C erzeugbar ist.
10. Batterie mit zumindest zwei verschiedenen Akkumulatorzel¬ len ausgewählt aus: zumindest einer leistungsoptimierten Akkumulatorzelle, zumindest einer energieoptimierten Akkumula¬ torzelle und zumindest einer Consumer-Akkumulatorzelle, wobei die leistungsoptimierte Akkumulatorzelle so ausgestal¬ tet ist, dass mit ihr eine höhere Leistung erzeugbar ist, als mit der energieoptimierten Akkumulatorzelle und als mit der Consumer-Akkumulatorzelle,
wobei die energieoptimierte Akkumulatorzelle so ausgestaltet ist, dass mit ihr eine höhere Energiemenge pro Volumen der energieoptimierten Akkumulatorzelle und/oder pro Masse der energieoptimierten Akkumulatorzelle speicherbar ist als mit der leistungsoptimierten Akkumulatorzelle und als mit der Consumer-Akkumulatorzelle,
und wobei die zumindest zwei verschiedenen Akkumulatorzellen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
11. Batterie nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein positiver Anschluss der zumindest einen energieoptimierten Akkumulatorzelle mit einem positiven Anschluss der zumin¬ dest einen leistungsoptimierten Akkumulatorzelle über zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über zumindest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt steht,
wobei vorzugsweise ein äußerer positiver Anschluss der Batte¬ rie mit dem positiven Anschluss der leistungsoptimierten Akkumulatorzelle in unmittelbarem elektrischem Kontakt steht und wobei vorzugsweise der positive Anschluss der energieop¬ timierten Akkumulatorzellen mit dem äußeren Anschluss über den zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über zumin¬ dest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt steht.
12. Batterie nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von energieoptimierten Akkumulatorzellen und eine Mehrzahl von leistungsoptimierten Akkumulatorzellen,
wobei zumindest eine der energieoptimierten Akkumulatorzellen zwischen zweien der leistungsoptimierten Akkumulatorzellen angeordnet ist
und/oder wobei zumindest eine der leistungsoptimierten Akkumulatorzellen zwischen zweien der energieoptimierten Akkumu- latorzellen angeordnet ist.
13. Batterie nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batterie eine Messvorrichtung aufweist mit welcher ein Belastungsstrom messbar ist, mit dem die Batterie belastet wird, und dass die Batterie zumindest einen Schalter auf¬ weist, mit dem die zumindest eine leistungsoptimierte Akkumu¬ latorzelle abhängig von dem gemessenen Belastungsstrom zuschaltbar und abschaltbar ist.
14. Batterie nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine leistungsoptimierte Akkumulatorzelle und/oder die zumindest eine Consumer-Akkumulatorzelle mit der zumindest einen energieoptimierten Akkumulatorzelle über ei¬ nen DC/DC-Wandler in elektrischem Kontakt stehen.
15. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine leistungsoptimierte Akkumulatorzelle eine Nennkapazität von > 1 Ah, vorzugsweise ^ 2 Ah, besonders be¬ vorzugt ^ 4 Ah, besonders bevorzugt ^ 5,5 Ah und/oder < 10 Ah, vorzugsweise -S 8 Ah, besonders bevorzugt -S 6 Ah hat, und/oder dass die zumindest eine energieoptimierte Akkumula- torzelle eine Nennkapazität ^ 20 Ah, vorzugsweise ^ 30 Ah, besonders bevorzugt ^ 40 Ah und/oder < 200 Ah, vorzugsweise -S 150 Ah, besonders bevorzugt -S 100 Ah, besonders bevorzugt -S 50 Ah hat.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150010786A1 (en) * 2012-03-28 2015-01-08 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Vehicle having a Lithium-Ion Battery
CN108140754A (zh) * 2015-10-16 2018-06-08 Vw-Vm研究有限责任两合公司 用于储存电能的电池模块、电池组和壳体

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140183403A1 (en) 2012-12-27 2014-07-03 Peterson Chemical Technology, Inc. Increasing the Heat Flow of Flexible Cellular Foam Through the Incorporation of Highly Thermally Conductive Solids
DE102013209069A1 (de) * 2013-05-16 2014-11-20 Robert Bosch Gmbh Batteriebaugruppe einer Batterie mit zwei verschiedenen Zellarten
FR3011398B1 (fr) * 2013-09-30 2018-02-02 Astrium Procede d’optimisation d’une architecture d’alimentation electrique d’une charge
KR102307909B1 (ko) * 2015-05-08 2021-10-01 삼성에스디아이 주식회사 리튬 전지
US9632914B2 (en) * 2015-05-21 2017-04-25 International Business Machines Corporation Error diagnostic in a production environment
KR102421419B1 (ko) * 2015-06-29 2022-07-15 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
DE102016214259A1 (de) * 2016-08-02 2018-02-08 Robert Bosch Gmbh Lithium-Akkumulator
DE102019117058A1 (de) * 2019-06-25 2020-12-31 Sensor-Technik Wiedemann Gmbh Akkumulator, Kontaktelement und Verfahren zum Betreiben eines Akkumulators
US20210143501A1 (en) * 2019-11-07 2021-05-13 Enevate Corporation Hybrid batteries and battery systems
DE102019134633A1 (de) * 2019-12-17 2021-06-17 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Zelle mit optimierter Leistung und Energiedichte
CN113594636B (zh) 2020-04-30 2024-10-18 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池、装置、及电池的制造方法和设备
US11814566B2 (en) 2020-07-13 2023-11-14 L&P Property Management Company Thermally conductive nanomaterials in flexible foam
EP4020691B1 (de) 2020-07-29 2023-10-18 Contemporary Amperex Technology Co., Limited Batteriemodul, batteriepack, gerät sowie verfahren und vorrichtung zur herstellung eines batteriemoduls
KR20220110252A (ko) * 2020-09-30 2022-08-05 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드 배터리, 장치, 배터리 제조 방법 및 배터리 제조 장치
CN115943522A (zh) 2020-09-30 2023-04-07 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池、装置、电池的制备方法以及制备装置
CN115699406B (zh) 2020-11-17 2024-10-01 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池、使用电池的装置、电池的制备方法和制备设备
CN114982011B (zh) 2020-12-24 2024-04-05 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池模组及其制造方法和设备、电池包及用电装置
SE545097C2 (en) * 2021-03-05 2023-03-28 Scania Cv Ab Battery cell module comprising battery cells electrically coupled in parallel for balancing
US11597862B2 (en) 2021-03-10 2023-03-07 L&P Property Management Company Thermally conductive nanomaterial coatings on flexible foam or fabrics
DE102021112876A1 (de) 2021-05-18 2022-11-24 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betrieb einer Batteriezellenanordnung, Batteriezelle, Steuergerät, Computerprogramm und Kraftfahrzeug
WO2023004774A1 (zh) 2021-07-30 2023-02-02 宁德时代新能源科技股份有限公司 一种电池组、电池包和用电装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19611776A1 (de) * 1995-03-15 1996-09-19 Glorywin Int Group Ltd Batterie
CA2380945A1 (en) * 2002-04-08 2003-10-08 Powergenix Systems, Inc. Hybrid battery configuration
US20060208692A1 (en) * 2005-03-17 2006-09-21 Kejha Joseph B Hybrid rechargeable battery having high power and high energy density lithium cells
US20080193832A1 (en) * 2005-03-25 2008-08-14 Valeo Equipements Electriques Moteur Device for Supplying Electric Power to a Motor Vehicle
DE102007041526A1 (de) * 2007-08-10 2009-02-12 Robert Bosch Gmbh Energiespeicher, insbesondere Akkumulator
EP2040320A1 (de) * 2007-09-18 2009-03-25 Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha Elektrische Speichervorrichtung

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1377477B1 (de) * 2001-04-05 2006-12-27 Electrovaya Inc. Energieträger für variierende lasten
JP4605952B2 (ja) * 2001-08-29 2011-01-05 株式会社日立製作所 蓄電装置及びその制御方法
DE102005029836A1 (de) * 2005-06-27 2007-01-11 Robert Bosch Gmbh Fahrzeug mit Hybridantrieb und Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrzeugs
DE102005038351A1 (de) * 2005-08-11 2007-02-15 Siemens Ag Elektrochemischer Energiespeicher

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19611776A1 (de) * 1995-03-15 1996-09-19 Glorywin Int Group Ltd Batterie
CA2380945A1 (en) * 2002-04-08 2003-10-08 Powergenix Systems, Inc. Hybrid battery configuration
US20060208692A1 (en) * 2005-03-17 2006-09-21 Kejha Joseph B Hybrid rechargeable battery having high power and high energy density lithium cells
US20080193832A1 (en) * 2005-03-25 2008-08-14 Valeo Equipements Electriques Moteur Device for Supplying Electric Power to a Motor Vehicle
DE102007041526A1 (de) * 2007-08-10 2009-02-12 Robert Bosch Gmbh Energiespeicher, insbesondere Akkumulator
EP2040320A1 (de) * 2007-09-18 2009-03-25 Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha Elektrische Speichervorrichtung

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150010786A1 (en) * 2012-03-28 2015-01-08 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Vehicle having a Lithium-Ion Battery
US10833352B2 (en) * 2012-03-28 2020-11-10 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Vehicle having a lithium-ion battery
CN108140754A (zh) * 2015-10-16 2018-06-08 Vw-Vm研究有限责任两合公司 用于储存电能的电池模块、电池组和壳体
CN108140754B (zh) * 2015-10-16 2021-09-24 瓦尔达微电池有限责任公司 用于储存电能的电池模块、电池组和壳体

Also Published As

Publication number Publication date
US8993140B2 (en) 2015-03-31
US20130089761A1 (en) 2013-04-11
EP2583330A1 (de) 2013-04-24
DE102010024235A1 (de) 2011-12-22
DE102010024235B4 (de) 2016-11-10

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