CN101779322A - 能量存储器、尤其是蓄电池 - Google Patents
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Abstract
已知的是，能量存储器、尤其是蓄电池具有多个存储单元，比如电化学电池、电容、Batcap等，该能量存储器通常由相互连接的相同类型的单元来构造。其缺点是，该存储单元通常或者具有突出的高能量特性，或者具有突出的高功率特性。在该能量存储器的整体性能以及在能量与输出功率之间的最佳匹配上存在着改善可能。本发明推荐了包含有多个存储单元的一种能量存储器(1)、尤其是蓄电池，其特征在于，具有至少两个支路(A，B)的存储单元(10，11，12，13以及20，21，22，23)，这两个支路并联连接，其中每个支路(A；B)具有确定类型的、与另一支路的类型不同的至少一个存储单元。本发明的能量存储器设置用于蓄电池驱动以及电池驱动的电动车和汽车电池，尤其用于电驱动。
Description
当前技术
本发明涉及一种包含多个存储单元的能量存储器、尤其是蓄电池。
已知的是，具有多个存储单元诸如电化学电池、电容器、BatCap等的能量存储器、尤其是蓄电池总是由相互连接的这种单元来构造。其缺点是，这些存储单元大多或者具有突出的高能量特性，或者具有高功率特性。比如称为电池组、电容器组等。根据要实现的驱动电压通过单元的串联来进行所述的相互连接。另外在此还应在相应的应用中考虑所需的能量容量和所需的功率数据。另外这种能量存储器诸如蓄电池或电池组按照相互连接的单个单元的类型针对所需的充放电过程一般通过电气和/或机械的调节和控制回路而被监控，以保证该能量存储器运行可靠和耐用。在该能量存储器的整体性能以及在能量容量与输出功率之间的最佳匹配上对于相应的应用存在着改善可能性。
本发明的优点
相反，本发明的能量存储器、尤其是蓄电池所具有的优点是，可以利用简单的工具来明显改善该能量存储器的整体性能。另外还可以实现能量存储器的能量容量与输出功率的最佳匹配。尤其有利的是，整个能量存储器的能量容量可以被大大提高，由此实现了寿命延长，而在此在应用中没有明显的高功率损耗。基于较高能量容量的所述寿命延长是指被充电的能量存储器直至完全放电的应用时间(放电周期)，而不是可实现的充-放电周期的数目。其优点是，本发明提供了不同存储器技术的组合，其可以快速而有效地模块化地组合为整体存储器，并同时综合了在模块中所包含的特定优点。从而比如可以把高电流能力的电化学存储电池与高能量容量的存储电池相连接。那么该总体配置有利地满足了特定应用所需的功率特征，诸如总能量容量和电功率输出。有利的是，在该能量存储器或者在该电池配置中可以采用例如针对尖峰功率或高能量容量而优化的不同存储单元或存储电池。
本发明的其他优点和有利的扩展方案参见从属权利要求和说明。
有利的是，每个支路A、B使用了多个相同类型的串联连接的存储单元。每个支路A、B比如可以使用两个、三个或更多串联连接的存储单元，其中在支路A、B中存储单元的数量可以是相同的或不同的。如果每个支路A、B设置有多个相同类型的串联连接的存储单元，那么一个支路的存储单元的类型优选地是高功率电池，另一支路的存储单元的另一类型是高能量电池。从而获得了能量存储器的良好的整体性能，其满足了对足够容量和最大放电电流的要求。
有利的是，支路A的存储电池具有与另一支路B的存储电池不相同的化学组成。在此单个支路A、B的存储容量是不同的。从而能够以简单的方式和方法来模块化地构建能量存储器，该能量存储器则满足了极其不同的要求。
非常有利的是，在支路A、B的多个位置上存在并联连接(Parallelverschaltung)，其中为了支路A、B的并联连接而设置了至少一个有源或无源元件。尤其该支路A的每个存储电池都与另一支路B的存储电池通过该元件相连接。从而通过这些元件有利地产生了在支路之间良好的充电均衡、尤其在放电中的均衡，其中在静止间歇中则在整体配置的热力平衡调节的方向上进行充电均衡。该元件优选是电阻，其电阻值处于约50毫欧至约500欧姆的范围中。
作为可以非常简单地被提供的，形成了一种配置，其中一个支路A具有作为高功率电池HL的四个锂电池作为存储单元，另一支路B具有作为高能量电池HE的四个锂电池作为存储单元。该支路A的四个锂电池尤其可以是石墨/锂(NMC)O2 1.3Ah/18650HL，支路B的四个锂电池可以是石墨/锂(NMC)O2 2.6Ah/18650HE。通过三个并联电阻，支路A的每个存储电池与另一支路B的存储电池相连接。除了每个支路四个锂电池之外，也可以采用更多或更少的电池。
有利的是，每个支路采用了不同特性和/或不同化学组成的锂电池组合。在此单个支路A、B的存储容量由于化学组成并尤其由于机械物理电池构造而是不同的。从而可以以简单的方式和方法来模块化地构建能量存储器，其满足了最大不同的要求。
在有利的实施中，一个支路A可以具有六个高功率电池HL作为存储单元，另一支路B可以具有五个高能量电池HE作为存储单元。该支路A的六个锂电池尤其可以是石墨/LiFePO4 HL 1.2Ah/18650HL电池，该支路B的五个锂电池可以是石墨/Li(NMC)O2 2.6Ah/18650HE电池。
有利的是进行不同构造类型的锂电池的组合。从而该支路A的四个电池可以是石墨/Li(NMC)O2袋式电池(pouch cell)1.55Ah HL电池，该支路B的四个电池可以是石墨/Li(NMC)O22.6Ah/18650HE电池。其优点原则在于，还能够将最大不同的电池构造形式所显现的性能进行组合。其自由度迄今还未被利用。
如果把不同技术的高功率电池HL和高能量电池HE进行组合，那么这是非常简单和有效的。该支路A尤其可以具有三个高功率电池HL，另一支路B可以具有一个唯一的高能量电池HE。如果该支路A的三个高功率电池是NiMH HL 2.6Ah/Sub-C，并且另一支路B的该唯一的高能量电池是C/LiFePO4HE 2Ah/18650，那么就得到了一种有效的实施。在此能够把全部的不同的电池***相互连接，如将镍电池与锂电池相互连接。相对于仅采用镍电池尤其获得了体积上的优点。从可实现的充电算法上看，这种组合也是非常有益的。确切地说，也可以把HE镍电池与HL锂电池相组合。
已成功证明的是，在这些存储单元以及相应支路A、B的类型中采用了以下存储单元类型的组合：
-二次锂-高功率电池，其比如对于在电动工具的应用中是已知的，
-二次锂-高能量电池，其比如对于在便携个人计算机的应用中是已知的，其中作为锂-高能量电池及高功率电池、尤其所谓的锂离子电池和锂-聚合物电池也与锂-金属或合金阳极以及必要时的无机电解质溶液组合使用，
-镍-金属氢化物电池，
-镍-镉电池，
-镍/锌二次电池，其中在镍电池的情况下也可以采用高能量和高功率优化的电池构造形式。
另外作为相应支路A、B的存储单元也可以采用以下的存储单元类型：
-双层电容器
-BatCap。
另外还能够以简单且有利的方式而实现的是，采用商业上通用的存储单元构造形式，比如18650、26650、Sub-C或者其他所有标准化的圆形电池外壳、袋式电池或通常的棱柱几何结构。
有利地设置有多于两个的并行支路。那么就可以把两个高功率支路和一个高能量支路相组合。也可以把两个高能量支路与一个高功率支路相组合。这可以按照对能量存储器的需求概况来进行。
附图
本发明的实施例在下面的说明中进行详细解释，并借助附图来进一步阐明。
其中：
图1示出了具有每支路四个存储电池的能量存储器的第一和第二实施例，
图2示出了带有具有六个存储电池的支路以及具有五个存储电池的支路的能量存储器的第三实施例，
图3示出了每支路具有四个存储电池以及支路间具有三个并联连接的电阻的能量存储器的第四实施例，以及
图4示出了一个支路具有三个存储电池且一个支路具有唯一一个存储电池的能量存储器的第五实施例。
本发明的实施方案
当前的电能量存储器比如蓄电池或存储电池，其特征是使用确定类型的唯一的存储单元。
该存储单元大多或者具有突出的高能量特性、或者具有突出的高功率特性。两种特性的组合还没有被考虑。根据本发明，现在规定克服该缺点并把单个的存储单元的特定的有利特性相结合。作为存储单元考虑了电池或者电容器。根据本发明应该有至少两个并联支路，其中相结合地具有两种或更多不同的电池(和/或电容)技术，并且一个直至任意多个电池相互串联地连接。
现在比如制造了特定的锂离子高功率电池HL，其尤其应用于电驱动工具中、所谓的功率工具(Power Tool)。另外已知的是特定的高能量电池HE，其比如应用在膝上型电脑中。这些电池仅仅以一种特性(Auspraegung)、近似“单纯地”被应用。高能量电池HE所具有的缺点是只能实现小的电流。相反高功率电池HL所具有的缺点是它仅具有相对小的额定容量。
根据本发明，规定把不同的电化学和/或电存储单元连接为一个唯一的能量存储器、蓄电池或者连接为一个整体电池。所获得的整体配置则应该满足特定应用所需的功率特征、比如总能量容量(Wh)以及电功率输出(容量Ah)。现在其优点在于，在一个共同的配置或者在该能量存储器中采用了不同的存储单元，这些存储单元已经分别在尖峰功率或高能量容量上进行了优化。必要时可以把电池以“混合组”与应用情况进行一定的设计匹配。
迄今，为了不仅实现高的特定功率输出，而且实现高的特定能量容量，对于特定的存储技术如蓄电池或电容器，仅能够以高的开发耗费来实现，或者根本不能实现。本发明提供了不同存储电池技术的组合，其可以快速而有效地模块化地组合为一个整体能量存储器，并且其中结合了该模块中所包含的特定优点。
本发明的目的是构造一种能量存储器1，其中该能量存储器以一个蓄电池或蓄电池组的形式或者以模块的形式来出现，比如其用于尤其与电网无关的电动工具、所谓的无线电动工具的能量供给，或者还应用于电动汽车驱动中。另外本发明原则上还能够扩展为更多单元类型的组合，如蓄电池、(超级)电容器、BatCap或者太阳能和燃料电池。
通过单个或串联连接的存储单元、诸如锂离子蓄电池的并联连接来进行能量存储器以及存储器组或蓄电池组的构建。在下面，锂用Li来进行缩写。视要连接的存储单元的类型而定地，不同的连接变化方案是允许的或者是必要的。要注意的是，该存储单元或存储单元类型不允许任意地相互连接。该能量存储器或该整体电池必须如此来构造，使得这些存储单元都不在其产品规范之外运行，以一方面实现最大能量输出和功率输出，另一方面保证运行可靠性。在并联连接的方式中，从而还应考虑存储单元的充电和放电特征曲线，并另外还应注意所允许的运行电压窗口。
在图1中示例性示出了按照第一实施例的本发明的能量存储器1的一种可能构造。其具有存储单元10、11、12、13和20、21、22、23的两个支路A、B，其中这两个支路并联连接。每个支路A、B都具有至少一个确定类型的存储单元10、11、12、13以及20、21、22、23，其中该支路与另一支路的类型不相同。
对于支路A存在一种类型的串联连接的四个存储单元10、11、12、13。对于支路B同样存在一种(另外的)类型的串联连接的四个存储单元20、21、22、23。从而每个支路存在多个同一类型的串联连接的多个存储单元。具体针对支路A的存储单元10、11、12、13规定类型：作为高功率电池HL的石墨/Li(NMC)O21.3Ah/18650，针对支路B的存储单元20、21、22、23规定类型：作为高能量电池HE的石墨/Li(NMC)O22.6Ah/18650。从而存在高能量电池HE和高功率电池HE的组合，比如其用于电动工具应用中。
原则上也可以组合不同构造形式的锂(Li)电池。比如同样在图1的电路配置中的一个第二实施例，其中该支路A的四个锂电池是石墨/Li(NMC)O2HL袋式电池1.55Ah，支路B的四个锂电池是石墨/Li(NMC)O2HE 2.6Ah/18650。
原则上也可以组合不同化学组成的锂电池。如在图2中所示的一个第三实施例，对于支路A比如存在六个存储单元10、11、12、13、14、15，对于支路B比如存在五个存储单元20、21、22、23、24。支路A或B的存储单元依次串联连接。每个支路A、B从而具有多个同一类型的串联连接的存储单元。支路A具有六个高功率电池HL作为存储单元，另一支路B具有五个高能量电池HE作为存储单元。具体该支路A的六个锂电池是石墨/LiFePO4HL 1.2Ah/18650电池，该支路B的五个锂电池是石墨/Li(NMC)O22.6Ah/18650HE。该支路A的每个存储电池10、11、12、13、14、15比如具有平均3.2伏/电池。支路B的每个存储电池20、21、22、23、24相应具有平均3.8伏/电池。该例子表示并联地使用不同电位的电池，由此导致每个支路具有不同数目的电池。在单个电压相加约等于相同总和的位置上，这些支路可以并联连接。在按照图2的例子中，HL电池的6x3.8伏也约等于HE电池的充电终止电压5x4.3伏。在该组单元中，那么在这六个及五个串联电池内部不能进行并联连接。应说明的是，电池的特定化学混合物仅仅非常粗略并示例地通过石墨/Li(NMC)O2来概述，或者仅仅体现为主要成分。精确的材料组成具体是非常多种多样的。
除了并行支路段A、B与电压有关的平衡之外，还应注意在该能量存储器配置中尽可能地均匀的温度分布，以能够使单个存储单元的运行条件不相互偏离。不同的温度水平可能引起强度不同的老化过程，此外还能够改变所连接的存储单元的阻抗值和容量值。热均匀化从而还降低了在必要时额外所需的电子测量和调节耗费。
根据本发明，设置有并联连接的支路A、B，其中每个支路都存在确定类型的存储单元。这些支路从一个或多个单元开始被并联电连接在两个或多个点上。在所述支路内的并联可以低欧姆或者通过不同的无源以及通常有源的元件来进行。电气无源元件可以理解为以下的元件：即不具有放大作用的元件比如电阻。有源元件可以理解为以下的元件：即以任何一种形式而对有用信号具有放大作用的元件比如晶体管。单个支路A、B的存储容量允许具有不同的值。高功率电池和高能量电池的化学组成可以是不同的、但不是必须不同。但本发明大致完全有意识地允许不同化学组成的电池的连接。从而可以有目的地控制模块的电气特性和安全技术特性。从而获得了石墨/NMC氧化物电池，其主要在机械构造上是不同的，并从而最终具有高功率特性或高能量特性。比如在高功率电池的情况下使用更厚的放电体，并实现较薄的活性物质涂层厚度，以改善其中活性物质的电连接，并减小扩散延伸。但实际的电池反应、也即电池的化学组成(Chemie)在必要时是相同的。
在放电过程开始时，首先一个或多个低欧姆的高功率支路作为充电电源而被加载。在单次放电过程之间的静止间歇中，在整体配置的热力平衡调节的方向上发生充电均衡。从而该高功率支路通过高能量支路的载流子而被充电，并能够在随后放电时再次低欧姆地提供电功率。借助相应所需的负载概况和总能量量来进行整体配置的高功率支路和高能量支路的参数选择。存储单元类型的选择以及支路的数量和形式继续取决于特定应用所需的、在所涵盖的充电状态和温度参数域中的阻抗值。在放电时，在这些支路之间不必强制进行充电均衡和/或电压均衡。理论上也可以考虑在放电期间完全分隔这些支路。按照所连接单元的类型，在放电期间充分地分隔支路实际是有意义的。重要的是，进行耦合的元件在相应应用的典型间歇时间内(秒至分钟的数量级)实现了电池电压均衡以及热力平衡。在该时间中，高能量电池给高功率电池充电，直至两个电池具有相同的电压。那么就必须比如按照所期望的电荷交换时间常数来选择电阻。
本发明并不局限于两个支路A、B，使得也可以采用三个或更多的支路。在相应的总电压的情况下，所需的能量容量和电流强度确定了并联支路的数量。在所述锂蓄电池的情况下，其一般不多于两个支路。比如可以把两个高功率支路与一个高能量支路相组合，或反之。三个或更多不同支路在原理上也是可考虑的，并在必要时是有意义的。比如一个高功率蓄电池支路和一个较高能量蓄电池支路和一个最高功率电容器支路等。在该实施例中该支路A比如作为高功率支路来实施，该支路B作为高能量支路来实施。
对于以下的情况：即所使用的不同存储单元的自放电是不相同的并且可能发生严重的欠压状态，应持续地监控电位并在必要时比如通过去耦单个支路段进行调节干预。对充电状态(State of charge，SOC)、机能状态(State of health，SOH)以及可能的有效平衡的单个电压以及总电压的电子监控上的耗费取决于必要的性能要求和可靠性要求。视能量存储器以及蓄电池或电池组的存储电池类型和整体构思而定，所述耗费有不同地下降。必须对所有构思的安全运行状态进行安全性测试。
在图3中示出了在支路A、B内部并联的一个例子，第四实施例。对于高功率支路A比如存在四个存储单元10、11、12、13，对于高能量支路B同样存在四个存储单元21、21、22、23。在支路A的存储单元10和11之间，一个电阻40并联到在存储单元20和21之间的支路B。同样在该支路A的存储单元11和12之间，一个电阻41并联到在存储单元21和22之间的支路B。在支路A的存储单元12和13之间，一个电阻42并联到在存储单元22和23之间的支路B。
从而在支路A、B的多个位置上具有并联连接，其中为了并联连接支路A、B而设置了至少一个有源或无源元件。从而一个支路的每个存储电池都与另一支路的存储电池通过元件相连接。所述至少一个元件可以是有源或无源元件，比如晶体管或电阻。该电阻可以低欧姆地来实施，在任何情况下都约大于电池内阻，并小于/等于根据充电均衡的时间常数计算所确定的值。得到了从约50毫欧至约500欧姆的范围。对于商业通用的18650锂离子电池，比如得到了从10-2欧姆至103欧姆的数量级。精确的评估比如可以根据电池组专用的模拟来确定，还取决于相应的应用。如图3所示，支路A具有四个作为高功率电池HL的锂电池来作为存储单元，另一支路B具有作为高能量电池HE的四个锂电池来作为存储单元。在此该支路A的四个锂电池可以是石墨/Li(NMC)O21.3Ah/18650HL，支路B的四个锂电池可以是石墨/Li(NMC)O22.6Ah/18650HL。通过三个电阻40、41、42提供了该支路A、B的附加并联连接。由此所实现的均衡电流形成了附加的并联，其对蓄电池组1的寿命具有积极影响。该电阻值应明显高于单个存储单元的内阻，以防止支路的存储电池的不对称放电。
原理上也可以组合高能量和高功率电池，尤其对于电动工具的应用，其中存储电池具有不同的技术。比如按照图4的另一第五实施例，其中该能量存储器在支路A中构造了三个高功率电池HL 10、11、12，在另一支路B中构造了仅一个唯一的高能量电池HE 30。具体该支路A的三个高功率电池10、11、12可以是NiMH HL 2.6Ah/Sub-C，另一支路B的唯一的高能量电池30可以是C/LiFePO4HE 2Ah/18650。支路A的每个存储电池10、11、12比如具有1.2伏/电池。支路B的唯一的存储电池30相应具有3.6伏。
原则上，在所示的图中没有绝对不可能的存储单元类型。单单电子电路耗费和调节耗费以及自然的资金整体耗费决定了使用单个的能量存储器构造。
尤其可以相互组合由以下存储单元类型所组成的支路，比如：
a)极其不同构造方式的二次的锂高功率电池以及以此为基础的化学存储器连接。作为构造方式其中考虑了以下的类型：18650、26650、Sub-C或者其他所有标准化的圆形电池外壳、袋式电池或棱柱几何结构。作为电池类型不仅可以采用锂离子和锂-聚合物，而且还可以采用具有锂金属(Lithiummetal)和无机电解质溶液的存储电池。电化学活性物质比如可以是石墨、合金、可锂化的金属氧化物、磷酸盐和硫化物，
b)极其不同构造方式的二次的锂高能量电池，如在a)中所述，
c)所有构造方式和形式的镍-金属混合物存储电池，
d)所有构造方式和形式的镍-镉存储电池，
e)镍/锌二次电池，
f)双层电容以及
g)BatCap，其具有根据法拉第(faradayschen)处理制成的、组合在一个电池中的双层电容和/或容性介电成分。
在实施例中阐述了基于二次锂电池的、根据本发明的简单能量存储器构造以及蓄电池构造或电池构造的例子。
本发明的能量存储器被设置用于蓄电池驱动或电池驱动的电动工具和尤其用于电驱动的汽车电池。
Claims (14)
1.包含有多个存储单元的能量存储器(1)、尤其是蓄电池，其特征在于，具有至少两个支路(A，B)的存储单元(10，11，12，13以及20，21，22，23)，这两个支路并联连接，其中每个支路(A；B)具有确定类型的至少一个存储单元，所述至少一个存储单元的类型与另一支路的类型不相同。
2.根据权利要求1所述的能量存储器，其特征在于，每个支路(A，B)都具有多个同一类型的串联连接的存储单元。
3.根据权利要求1或2所述的能量存储器，其特征在于，其中一个支路的存储单元的类型是高功率电池，另一支路的存储单元的另外的类型是高能量电池。
4.根据权利要求3所述的能量存储器，其特征在于，该一个支路(A)的存储电池(10，11，12，13)具有相对于该另一支路(B)的存储电池(20，21，22，23)不同的化学组成。
5.根据权利要求3或4所述的能量存储器，其特征在于，这些单个的支路(A，B)的存储容量是不同的。
6.根据权利要求1至5之一所述的能量存储器，其特征在于，在这些支路(A，B)的多个位置上存在并联连接，其中为了所述支路(A，B)的并联连接设置有至少一个有源或无源元件(40，41，42)。
7.根据权利要求6所述的能量存储器，其特征在于，该一个支路(A)的每个存储电池(10，11或11，12或12，13)与另一支路(B)的存储电池(20，21或21，22或23，24)通过该元件(40；41；42)相连接。
8.根据权利要求6或7所述的能量存储器，其特征在于，该元件(40，41，42)是电阻，该电阻尤其处于约50毫欧至约500欧姆的范围内。
9.根据权利要求3所述的能量存储器，其特征在于，该一个支路(A)具有作为高功率电池(HL)的至少一个锂电池来作为存储单元(10)，该另一支路(B)具有作为高能量电池(HE)的至少一个锂电池来作为存储单元(20)。
10.根据权利要求6至9之一所述的能量存储器，其特征在于，该一个支路(A)的每个存储电池(10，11或11，12或12，13)通过三个并联连接的电阻(40，41，42)与该另一支路(B)的存储电池(20，21或21，22或23，24)相连接。
11.根据权利要求3所述的能量存储器，其特征在于，每个支路(A；B)具有不同化学组成的锂电池的组合。
12.根据前述权利要求1至11之一所述的能量存储器，其特征在于，相应支路(A；B)的存储单元或者类型是以下存储单元类型的组合，比如：
-二次锂-高功率电池
-二次锂-高能量电池，其中作为二次锂-高功率电池及二次锂-高能量电池尤其能使用锂离子电池、锂-聚合物电池，还能与锂-金属阳极或合金阳极以及无机电解质溶液相组合地使用，
-镍-金属氢化物电池
-镍-镉电池
-镍/锌二次电池
-双层电容器以及
-BatCap。
13.根据前述权利要求1至12之一所述的能量存储器，其特征在于，具有两个高功率支路和一个高能量支路。
14.根据前述权利要求1至12之一所述的能量存储器，其特征在于，具有两个高能量支路和一个高功率支路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100714 |