DE102012110030A1

DE102012110030A1 - Energiespeichervorrichtung und Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE102012110030A1
Application number: DE102012110030.6A
Authority: DE
Inventors: Jörg Hempel
Original assignee: H-TECH AG; TECH AG H
Current assignee: H-TECH AG; TECH AG H
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-06-12
Also published as: EP2909057A2; US10008865B2; WO2014060319A2; WO2014060319A3; US20150333543A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung. Um eine Energiespeicheranordnung und ein Verfahren zum Betreiben derselben anzugeben, die in ihren Eigenschaften an komplexe Anforderungen angepasst sind und sowohl Hochstrom- als auch Hochenergieeigenschaften aufweisen, wird eine Energiespeicherungsanordnung angegeben, umfassend: wenigstens eine Hochstromzelle (20) und wenigstens eine Hochenergiezelle (10), wobei die wenigstens eine Hochenergiezelle (10) und die wenigstens eine Hochstromzelle (20) parallel geschaltet sind, wobei die Zellen (10, 20) mit einem Strompuls geladen und/oder entladen werden und in den Pulspausen ein Ladungsausgleich zwischen den Zellen (10, 20) stattfindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung.
Die Neuausrichtung bei der Gewinnung von elektrischer Energie basierend auf regenerativen Energieträgern, insbesondere mittels Photovoltaik bzw. durch Windkraft, erfordern zunehmend eine effiziente Speicherung der erzeugten Energie, um die elektrische Energie dann bereitstellen zu können, wenn sie benötigt wird.
Darüber hinaus ist eine deutliche Zunahme bei tragbaren bzw. Akku-betriebenen Geräten, insbesondere zur Kommunikation und im Handwerkerbereich, zu verzeichnen, die mit wiederaufladbaren Batterien bzw. Zellen betrieben werden. Bei diesen Geräten stellt die Kapazität der wiederaufladbaren Batterie ein entscheidendes Funktionsmerkmal dar. Die Faktoren, die die Kapazität der wiederaufladbaren Batterie beeinflussen, sind einerseits die geometrische Größe, da eine Erhöhung der Kapazität herkömmlich mit einer Vergrößerung der geometrischen Abmessungen der Zelle bzw. der Batterie erreicht wird. Andererseits spielt die Haltbarkeit bzw. die Anzahl der maximal möglichen Aufladezyklen eine entscheidende Rolle, da bei üblichen Akku-betriebenen Geräten meist die Batterie oder Zelle als erstes ausfällt, d.h. bei der Haltbarkeit der Komponenten derartiger Geräte gehören die wiederaufladbaren Batterien bzw. Zellen zu den kurzlebigsten Komponenten.
Insbesondere bildet in dem sich sehr schnell entwickelnden Feld der E-mobility mit Hybrid- oder Elektrofahrzeugen die Kapazität, Haltbarkeit und Ladezeit von wiederaufladbaren Zellen einen besonderen Schwerpunkt. Außerdem spielen auch die geometrischen Abmessungen und das Gewicht von wiederaufladbaren Zellen eine wichtige Rolle.
Bei wiederaufladbaren Zellen wird die Zelle je nach Ausgestaltung maximal bis zu 20% ihrer Kapazität entladen. D.h., 20% der eigentlichen in der Zelle gespeicherten Energie stehen dem Endnutzer nicht zur Verfügung, da ein Entladen unter eine Schwelle von 20% zu einer unwiderruflichen Zerstörung der Zelle führen würde.
Darüber hinaus wird bei heutigen wiederaufladbaren Zellen die Zelle auch nur bis 80% ihrer Kapazität geladen, da ein weiteres Aufladen auf 100% der Zelle exponentiell mehr Zeit erfordern würde, da bei Erreichen der Ladeschlussspannung üblicherweise der Strom begrenzt wird, wodurch die letzen 20% der Kapazität mit geringeren Stromstärken geladen werden, so dass pro Zeit weniger Energie gespeichert wird.
Somit wird bei den herkömmlichen Technologien für wiederaufladbare Zellen die eigentliche Kapazität der Zellen nicht ausgenutzt.
Unter den wiederaufladbaren Zellen hat sich in letzter Zeit die Lithium-Ionen-Zelle als besonders vorteilhaft herausgestellt, da sie eine lange Lebenszeit aufweist und die Anzahl der Ladezyklen verglichen mit anderen Technologien hoch ist. Lithium-Ionen-Zellen weisen zudem eine hohe Speicherkapazität im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Zellen auf.
Die Lithium-Ionen Zellen lassen sich in Hochstromzellen und Hochenergiezellen unterteilen. Bei Hochstromzellen, die auch Hochleistungszellen genannt werden, wird bspw. ein größerer bzw. dickerer Ableiter verwendet, um größere Ströme bereitzustellen. Bei den Hochstromzellen ist im Vergleich zu Hochenergiezellen die Beschichtung mit Aktivmaterial dünner als bei Hochenergiezellen, um die Anbindung der Aktivmassen zu verbessern und die Diffusionsstrecken zu verkürzen.
Die verschiedenen Typen von Zellen weisen jeweils Charakteristiken auf, die für besondere Einsätze vorteilhaft sind. So werden Hochstromzellen genau dann eingesetzt, wenn kurzzeitig sehr hohe Ströme abgefordert werden, bspw. bei Akku-Bohrschraubern. Hochenergiezellen werden dagegen eingesetzt, wenn eine hohe Kapazität der Batterie gefordert ist, die Ströme jedoch nicht besonders hoch sind.
Unter den heutzutage eingesetzten Akkumulatorzellen finden insbesondere Lithium-Ionen-Hochstromzellen (HSZ) ihren Einsatz in elektrischen Geräten, die schnell einen sehr hohen Strom erfordern, wie beispielsweise batteriegetriebene Akkuschrauber. Eine andere Art von Lithium-Ionen-Akkumulatoren bilden die Hochenergiezellen (HEZ) die beispielsweise bei Notebooks eingesetzt werden, da sie über eine hohe Kapazität verfügen, die über einen langen Zeitraum abgegeben wird.
Der Nachteil der Hochenergiezellen besteht darin, dass sie kurzzeitig nur geringe Ströme bereitstellen können. Bei den Hochstromzellen ist der Nachteil, dass sie ihren hohen Strom nur über eine kurze Zeit zur Verfügung stellen können und in der Regel über eine geringere Kapazität verfügen. Durch die Kombination von Hochstromzellen und Hochenergiezellen lassen sich die Vorteile beider Zelltypen effizient miteinander kombinieren, sodass man insgesamt auf ein geringeres Gewicht kommt und ein Akkupack erhält, bei dem sowohl hohe Ströme zur Verfügung gestellt werden können, als auch die Vorteile der Hochenergiezellen genutzt werden können, die über einen langen Zeitraum Ströme zur Verfügung stellen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Energiespeicheranordnung und ein Verfahren zum Betreiben derselben anzugeben, die in ihren Eigenschaften an komplexe Anforderungen angepasst sind und sowohl Hochstrom- als auch Hochenergieeigenschaften aufweisen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken sowohl Hochenergiezellen und Hochstromzellen so in einem Akkupack zu verschalten und den Lade- bzw. Entladeprozeß so zu steuern, dass der Akkupack insgesamt eine gleichmäßige Kapazitätsverteilung über die unterschiedlichen Zellen in und nach den jeweilig auftretenden Belastungszuständen mittels Kapazitätsausgleich oder Ladungsausgleich erfährt und somit eine höhere Lebensdauer aber auch eine erhöhte nutzbare Kapazität im Vergleich zu Akkupacks, die nur aus Hochenergiezellen oder Hochstromzellen bestehen.
Dabei wird vorteilhaft ein Strompuls zum Laden eingesetzt bzw. wird ein getaktetes Entladen vorgenommen. Dieser Strompuls bzw. die Taktung beim Entladen wird abhängig von den Eigenschaften und der Anzahl der Zellen im Akkupack so eingestellt, das zwischen den Strompulsen Pausen vorhanden sind, die einen Ladungsausgleich zwischen den beiden Arten der Zellen ermöglichen. Dadurch ist der Akkupack in der Lage nach einer Lastan forderung, die einen hohen Strom erfordert, die Hochstromzellen mit Energie aus den Hochenergiezellen nachzuladen. Dadurch können die Hochstromzellen bei einer nächsten Hochstromanforderung, diesen Strom liefern, ohne dass die Hochenergiezellen an ihre Belastungsgrenze gehen würden. Ebenso können bei einer lang anhaltenden konstanten Lastanforderung, die von den Hochenergiezellen bedient wird, die Hochstromzellen die Hochenergiezellen nachladen. Dadurch wird ein Balancing der Ladung zwischen den Hochstromzellen und Hochenergiezellen erreicht, welches letztendlich zu einer erhöhten Nutzbarkeit der Kapazität führt.
Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung weist eine im Vergleich zu herkömmlichen Energiespeicheranordnungen verlängerte Lebenszeit insbesondere durch die gesteuerten und/oder gleichmäßigen Lade/ Entladevorgänge auf.
Dazu werden die Eigenschaften der verschiedenen Zelltypen optimal miteinander kombiniert. Mit der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung lassen sich durch die Kombination von Hochstrom- und Hochenergiezellen in einem Akkupack somit sowohl hohe Ströme als auch eine hohe Kapazität bereitstellen.
Durch die Anwendung eines adaptiven Strompulses zum Laden kann durch die damit entstehenden Ladepausen gezielt ein Ladungsausgleich zwischen den beiden Zelltypen stattfinden, indem während der Ladepausen die Hochenergiezelle als Last für die Hochstromzelle wirken kann, wodurch sich für die Hochstromzelle ein verbesserter Ladevorgang ergibt, da durch die Last der Hochenergiezelle in der Hochstromzelle ein negativer Strompuls auftritt, der der Bildung von Dendriten in der Hochstromzelle entgegenwirkt. Dies bewirkt weiter eine Erhöhung der Lebenszyklen der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung.
Durch Überwachung beim Entladen und einem adaptivem Aktivieren einer Taktung beim Entladen kann gezielt ein Ladungsausgleich zwischen den beiden Zelltypen stattfinden. Die Taktung stellt somit eine kurze Strombegrenzung dar, in der die Zellen untereinander über einen gesteuerten Bridgeschalter einen Ladungsausgleich vornehmen können.
Folglich lässt sich die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung bei Anwendungen einsetzen, bei denen kurzzeitig hohe Ströme benötigt werden, aber auch über längere Zeiträume eine anhaltende Grundlast mit geringeren Strömen anliegt. Neben akkubetriebenen Maschinen ist die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung insbesondere für den Einsatz bei Elektrofahrzeugen geeignet, da hier beim Beschleunigen hohe Ströme abgerufen werden und bei konstantem Tempo über längere Zeiträume auch geringere Strömen fließen. Darüber hinaus, ist das Stromanforderungsprofil bei Elektrofahrzeugen sehr unterschiedlich, wodurch sowohl die Eigenschaften von Hochstromzellen, bspw. beim starken Beschleunigen, als auch von Hochenergiezellen, bspw. bei konstantem mittleren Tempo zum Tragen kommen.
Durch eine parametriert gesteuerte Parallelschaltung von Hochstromzellen und Hochenergiezellen innerhalb dieser Lastwechsel- und Nullastbeanspruchung wird ein Ladungsausgleich zwischen den Hochstromzellen und Hochenergiezellen forciert.
Durch die Verwendung eines adaptiven Strompulses zur Ladung bzw. durch eine Anpassung oder Steuerung der Entladung basierend auf den Zuständen der Zellen, lässt sich gezielt ein Kapazitätsoptimum einstellen, so dass die Zellen schnell und vollständig geladen werden, aber auch tiefer entladen werden können, als ohne eine Kombination und somit die gespeicherte Energie vollständig genutzt werden kann.
Insbesondere wird eine Energiespeicherungsanordnung angegeben, umfassend: wenigstens eine Hochstromzelle und wenigstens eine Hochenergiezelle, wobei die wenigstens eine Hochenergiezelle und die wenigstens eine Hochstromzelle parallel geschaltet sind, wobei die Zellen mit einem Strompuls geladen und/oder entladen werden und in den Pulspausen ein Ladungsausgleich zwischen den Zellen stattfindet.
Vorzugsweise, weist die Energiespeicherungsanordnung eine Steuereinheit zur Steuerung der Pulslängen und/oder Pulsamplituden des Strompulses zum Laden bzw. Entladen der Zellen aus. Vorzugsweise ist die Anzahl der Hochstromzellen geringer als die Anzahl der Hochenergiezellen, wodurch der Ladungsausgleich zwischen den beiden Zellen gesteuert wird. Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Hochstromzellen etwa 1/3 und die Anzahl der Hochenergiezellen 2/3 ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist wenigstens der Hochenergiezelle eine erste und/oder wenigstens der Hochstromzelle eine zweite Schalteinheit vorgeschaltet. Insbesondere steuert die Schalteinheit den Entlade- und/oder Ladevorgang der Hochenergiezelle und/oder der Hochstromzelle. Dabei ist eine Taktung der wenigstens einen Schalteinheit mittels der Steuereinheit zur Steuerung der Pulslängen und/oder Pulspausen des Strompulses beim Laden und/oder Entladen der Zellen vorteilhaft.
Insbesondere ermöglicht die wenigstens eine Schalteinheit eine gesteuerte Stromzufuhr bzw. eine gesteuerte Stromentnahme aus der zugehörigen Zelle für eine vorbestimmte Zeit und bewirkt eine periodische Taktung der Stromzufuhr bzw. der Stromentnahme.
Es kann wenigstens eine Strommesseinrichtung und/oder Spannungsmesseinrichtung und/oder Temperaturmesseinrichtung vorgesehen sein, wobei deren Messwerte zur Steuerung des Lade bzw. Entladevorgangs verwendet werden.
Weiter ist eine dritte Schalteinheit vor der Parallelschaltung der wenigstens einen Hochstromzelle und der wenigstens einen Hochenergiezelle angeordnet, die der Strombegrenzung für beide Zellen dient.
Vorteilhafterweise ist die Taktung der ersten Schalteinheit für die wenigstens eine Hochstromzelle auf die Taktung der zweiten Schalteinheit für die wenigstens eine Hochenergiezelle abgestimmt.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die wenigstens eine Hochstromzelle und die wenigstens eine Hochenergiezelle über eine vierte Schalteinheit gekoppelt, um einen Ladungsausgleich zu ermöglichen bzw. aktiv zu steuern oder die eine oder andere Zelle als Last mit der anderen Zelle zu verbinden.
Die vierte Schalteinheit ist dabei geschlossen, um einen Stromfluss von der Hochstromzel le in die Hochenergiezelle oder umgekehrt zu ermöglichen und/oder die vierte Schaltein heit wird gepulst, um eine Strombegrenzung beim Entladen oder beim Ladungsausgleich zu erzielen.
Durch Schließen der vierten Schalteinheit während der Pulspausen wird die wenigstens eine Hochstromzelle mit einem Lastpuls belastet. Dabei können auch die Hochenergiezellen abhängig vom Ladezustand der wenigstens einen Hochenergiezellen durch Schließen der vierten Schalteinheit mit einem Lastpuls belastet werden bzw. eine Last oder Senke für die Hochstromzellen darstellen.
Vorzugsweise wird die dritte Schalteinheit abhängig vom Ladezustand der wenigstens einen Hochstromzelle und/oder der wenigstens einen Hochenergiezelle gesteuert.
Dabei fließt der Ladestrom während eines Strompulses über die dritte und vierte Schalteinheit in die wenigstens eine Hochstromzelle und die wenigstens eine Hochenergiezelle. Die erste oder vierte Schalteinheit wird beim Entladen bei Erreichen der Entladeschlussspannung der Hochenergiezellen oder der Hochstromzellen gepulst.
Insbesondere fließt während eines getakteten Entladevorgangs in den Pulspausen oder während Ruhephasen ohne Last bei geschlossenem viertem Schalter ein Strom von der wenigstens einen Hochenergiezelle in die wenigstens eine Hochstromzelle, um diese wieder aufzuladen.
Grundsätzlich ist der Strom aus der Energiespeicherungsanordnung während eines Entladevorgangs mittels einer der Schalteinheiten begrenzbar. Dazu wird wenigstens einer der Schalter so gesteuert wird, das bei Erreichen der Entladeschlussspannung eines der beiden Zelltypen, eine Strombegrenzung durch Taktung eines der Schalter erfolgt. Der Strompuls schaltet zwischen einem niedrigen Pegel von Null Ampere und einem festgelegten positiven Stromwert hin und her. Die Steuereinheit ist vorteilhafterweise mit der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Schalteinheit verbunden, um diesen jeweils einen Schaltimpuls zuzuführen, um ein Öffnen bzw. Schließen des jeweiligen Schalters zu bewirken, wobei die Steuereinheit weiter mit den Strom-, Spannungs-, und/oder Temperaturmesseinrichtun gen verbunden ist, um von diesen Messsignale zu empfangen. Insbesondere lassen sich die Länge der Strompulse bzw. der Pulspausen abhängig vom gemessenen Zustand der beiden Zelltypen einstellen.
Weiter wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren angegeben zum Laden einer Energiespeicherungsanordnung umfassend eine Parallelschaltung aus wenigstens einer Hochstromzelle und wenigstens einer Hochenergiezelle, umfassend die Schritte: Zuführen eines Strompulses zu den Hochstromzellen und den Hochenergiezellen; bei Erreichen der Ladeschlusspannung der Hochstromzellen oder der Hochenergiezellen Abschalten der Zufuhr des Strompulses zu der entsprechenden wenigstens einen Zelle; Weiterladen der anderen der beiden Zellen bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung der anderen der beiden Zellen.
Vorzugsweise wird während einer Pulspause zwischen den Strompulsen ein Schalter zwischen den beiden parallel geschalteten Hochstromzellen und Hochenergiezellen geschlossen, um einen Stromfluss von den Hochstromzellen zu den Hochenergiezellen zu ermöglichen.
Außerdem wird ein Verfahren zum Entladen einer Energiespeicherungsanordnung angegeben, umfassend wenigstens eine Hochstromzelle und wenigstens eine Hochenergiezelle, die parallel geschaltet sind, umfassend die Schritte: Überwachen von Entladeschlussspannung, Stromfluss und/oder Temperatur der wenigstens einen Hochstromzelle und/oder wenigstens eine Hochenergiezelle; bei Überschreiten eines Grenzwertes der Zustände, bspw. Entladeschlussspannung, Stromfluss oder Temperatur, Begrenzung des Entladestroms aus der Hochenergiezelle oder aus der Hochstromzelle durch Taktung eines Schalters, wobei durch Schließen eines Schalter zwischen den beiden parallel geschalteten Hochstromzellen und Hochenergiezellen ein Ladungsausgleich zwischen den Hochstromzellen und Hochenergiezellen stattfindet.
Insbesondere wird der Schalter zwischen den beiden parallel geschalteten Hochstromzellen und Hochenergiezellen abhängig von einem Zustand der Hochstromzellen und/oder Hoch energiezellen gesteuert und/oder getaktet.
Im Folgenden werden anhand von Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert, die dem allgemeinen Verständnis dienen, jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung verstanden werden sollen.
1 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
2 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
3 zeigt eine alternative Schaltungsanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
4 zeigt einen Pulsverlauf beim Laden;
5 zeigt einen Pulsverlauf beim Entladen für normales Entladen (A), für ein Entladen mit hoher Anforderung (B) und (C) bei zu hoher Temperatur an der HSZ;
1 zeigt eine Schaltungsanordnung für eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung in einer einfachen Ausgestaltung. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Energiespeicheranordnung Hochenergiezellen 10 und ein Hochstromzellen 20, die vorzugsweise in einem nicht dargestellten Akkupack angeordnet sind. In den Figuren ist jeweils nur eine Zelle dargestellt. Die Erfindung funktioniert auch bei der Parallelschaltung von nur jeweils einer Hochenergiezelle und einer Hochstromzelle, jedoch lassen sich die Vorteile der Erfindung insbesondere bei der Verwendung von mehreren gleichartigen Zellen, die in Reihe geschaltet sind und der jeweiligen Parallelschaltung der zwei verschiedenartigen Reihenschaltungen feststellen.
Diese beiden Zellgruppen 10 und 20 sind parallel geschaltet, wobei die einzelnen Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 innerhalb der beiden Zellgruppen 10 und 20 jeweils in Reihe geschaltet sind. Die Energiespeicheranordnung ist darüber hinaus an eine Steuereinheit 30, eine Antriebseinheit 40 und eine Ladeeinheit 50 angeschlossen. Die La deeinheit 50 stellt den zum Laden der Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 er forderlichen Strom bzw. die erforderliche Spannung zur Verfügung. Erfindungsgemäß wird hier ein Strompuls eingesetzt. Die Antriebseinheit 40 umfasst bspw. einen Elektromotor, kann aber auch durch jede andere Last dargestellt werden. Um den Motor 42 oder die Last benutzerabhängig zu steuern bzw. einzuschalten, ist ein Schalter oder eine Schalteinheit SM vorgesehen, die in der Zuleitung zur Antriebseinheit 40 angeordnet ist. Die Schalteinheit SM ist insbesondere beim Laden der Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 geöffnet, da sonst der Motor angetrieben werden würde.
Die Steuereinheit 30 (PCU – Power Control UNIT) ist im Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit den Schaltern S1 und S3 verbunden, um diese beiden Schalter S1 und S3 zu steuern. Die PCU kann als Microcontroller ausgebildet sein. Die im Folgenden bei allen Ausführungsbeispielen verwendeten Schalter, bspw. S1, S2, S3 SP oder SM, können als einfacher Schalter, oder als Schalteinheit ausgebildet sein und durch eine elektronische Schaltung realisiert sein.
Während des normalen Ladens der Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 wird der Schalter S1 bspw. von der Steuereinheit 30 mit einem Puls getaktet, der im geschlossenen Zustand einen Strompuls zu den Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 fließen lässt. Alternativ zum getaktetem Schalter S1 lässt sich von der Ladeeinheit 50 auch ein Strompuls zuführen. Während der Pulspause, in der der Schalter S1 geöffnet ist, findet zwischen den Hochenergiezellen 10 und den Hochstromzellen 20 ein Ladungsaustausch statt. Unmittelbar nachdem der Schalter S1 geöffnet wurde, d.h. dass kein Strom mehr zu den beiden Zellgruppen 10 und 20 fließt, beginnen die einzelnen gleichartigen Zellen einen Ausgleichsvorgang untereinander, da die Zellen nicht alle identisch sind und somit ein Ausgleich bzw. Balancing zwischen den gleichartigen Zellen stattfindet, um einen Kapazitätsausgleich und einen thermischen Ausgleich zu erzielen.
Während des Ladevorgangs ist der Schalter S3 andauernd geschlossen, d.h. während des Strompulses fließt der Strom sowohl in die Hochenergiezellen 10, als auch in die Hochstromzellen 20. Ist der Schalter S1 geöffnet, stellen die Hochstromzellen 20 für die Hochenergiezellen 10 eine Senke dar, so dass über den Schalter S3 ein Strom aus den Hoch energiezellen 10 in die Hochstromzellen 20 fließt. Dies hat den Vorteil, dass die wenig stens eine Hochenergiezelle schonend geladen wird und durch den negativen Strompuls aufgrund der Last der wenigstens einen Hochstromzelle eine Dendritenbildung verhindert wird.
In einer zweiten Möglichkeit zum Laden der Energiespeicheranordnung gemäß 1 ist der Schalter S3 geöffnet, während der Schalter S1 geschlossen ist, d.h. mit dem Strompuls von der Ladeeinheit 50, der durch Öffnen und Schließen des Schalters S1 erzeugt wird, fließt ein Strompuls in die Hochenergiezellen 10 und nicht in die Hochstromzellen 20. Erst wenn der Schalter S1 geöffnet ist, wird der Brückenschalter S3 geschlossen, so dass ein Stromfluss von den Hochenergiezellen 10 zu den Hochstromzellen 20 stattfindet und somit ein langsames Laden der Hochstromzellen 20 erfolgt. Die Zeit, in der der Schalter S1 geschlossen ist, d.h. in der Strom in eine bzw. in beide Zellgruppen fließt, ist vorzugsweise länger, als die Zeit, in der der Schalter S1 geöffnet ist und der Ladungsausgleich stattfindet.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 können nur die Hochenergiezellen 10 separat geladen werden, die Hochstromzellen 20 dagegen nicht.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist nur ein Schalter zur Begrenzung des Entladestroms nach der Parallelschaltung der Zellen vorgesehen, wie der Schalter S1 in 3. Das Laden einer derartigen Energiespeichervorrichtung erfolgt mit einem Strompuls, der von einer Ladeeinheit erzeugt und beiden Zelltypen gleichzeitig zugeführt wird. Beim Entladen wird beim Überschreiten einer Entladeschlussspannung einer der beiden Zelltypen der Schalter in der gemeinsamen Leitung zur Last getaktet, wobei in den Pulspausen, in denen der Schalter geöffnet ist, und kein Strom zur Last fließt, ein Ladungsausgleich zwischen den beiden verschiedenen Zellgruppen erfolgt.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung gezeigt. Ähnlich wie in 1 werden jeweils Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 verwendet, die parallel zueinander geschaltet sind. Die Energiespeicheranordnung gemäß 2 ist auch an eine Steuereinheit 30, eine Ladeeinheit 50 und eine An triebseinheit 40 angeschlossen. Die Antriebseinheit 40 ist ähnlich aufgebaut, wie die An triebseinheit 40 gemäß 1. Es ist ein Schalter oder eine Schalteinheit SM in der Zulei tung zur Antriebseinheit 40 angeordnet ist. Zusätzlich ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, einen Strommesser 41 in die Zuführleitung zur Antriebseinheit 40 zu schalten. Analog ist zwischen die Ladeeinheit 50 und der Zuleitung zu den Zellen ein Strommesser 51 geschaltet. Die Ladeeinheit 50 enthält einen Spannungsmesser 52 und einen Schalter SP. Zur Überwachung ist bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils ein Strommesser 11 vor die Hochenergiezellen 10 und ein Strommesser 21 vor die Hochstromzellen 20 geschaltet. Die Spannung in den Hochenergiezellen 10 wird mit einem Spannungsmesser 12 und in den Hochstromzellen 20 mit einem Spannungsmesser 22 überwacht. Die Schaltung enthält weiter die Schalter S1, S2 und S3, die mit der Steuereinheit 30 verbunden sind und entsprechend dem erfindungsgemäßen Ladeverfahren bzw. Entladeverfahren angesteuert werden. Um eine bessere Übersicht zu erhalten, sind die Verbindungen zu diesen Schaltern und der Steuereinheit nicht eingezeichnet. Die Schaltung gemäß 2 weist außerdem Thermoelemente 23, 24 auf, die die Temperatur jeweils in den beiden Zellgruppen 10 und 20 überwachen und ihre Messergebnisse an die Steuereinheit 30 übermitteln. Auch die Messergebnisse der Strom- und Spannungsmesser 11, 12, 21, 22, 41, 51 und 52 werden der Steuereinheit 30 zugeführt.
3 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie 1. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 befindet sich der Schalter S1 in dem Pfad von der Ladeeinheit 50 zu den Hochstromzellen 20. An die Energiespeichervorrichtung gemäß 3 ist ebenso eine Antriebseinheit 40 mit einem Motor 42 oder einer anderen Last angeschlossen. Ein Schalter oder eine Schalteinheit SM sind in der Zuleitung zur Antriebseinheit 40 angeordnet ist. Die Energiespeichervorrichtung wird von einer Steuereinheit 30 gesteuert, die mit dem Schalter S1 und dem Brückenschalter S3 zu deren Steuerung verbunden ist. Der Brückenschalter S3 ist in die Verbindung zwischen den Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 geschaltet. Während des Ladens wird entweder ein Strompuls von der Ladeeinheit 50 zugeführt oder der Schalter S1 wird so getaktet, dass den Hochstromzellen 20 und den Hochenergiezellen 10 jeweils ein Strompuls zum Laden zugeführt wird. Während des Ladens ist der Brückenschalter S3 geschlossen.
Bei einer Lastanforderung wird der Schalter SM geschlossen. Dann kann über den Schalter S1 bzw. S3 mittels der Steuereinheit 30 der Stromfluss aus den Hochenergiezellen 10 bzw. aus den Hochstromzellen 20 zur Last 42 gesteuert werden, wobei durch den Schalter S3 ein zu hoher Stromfluss aus den Hochenergiezellen 10 gesteuert bzw. begrenzt werden kann, indem dieser Schalter S3 getaktet wird. Wenn die Lastabnahme aus den Hochstromzellen 20 zu groß ist, kann dieser Stromfluss mit dem Schalter S1 begrenzt werden, wobei während der Zeiten, in denen der Schalter S1 geöffnet ist und der Schalter S3 geschlossen ist, ein Ladungsaustausch zwischen den Hochenergiezellen 10 und den Hochstromzellen 20 stattfindet, um die Hochstromzellen 20 mit Energie aus den Hochenergiezellen 10 nachzuladen.
Sowohl das Ausführungsbeispiel gemäß 1 oder 3 kann um Elemente aus 2 ergänzt werden, bspw. durch Einfügung von Spannungs – und Strommessern bzw. Temperaturfühlern.
Gemäß 4 wird ein Verfahren zum Laden der Zellgruppen 10 und 20 basierend auf der Schaltung gemäß 2 beschrieben. Während des normalen Ladevorgangs wird eine Spannung an die Anschlüsse in der Ladeeinheit 50 angelegt, so dass ein Strom fließen kann, wenn der Schalter SP geschlossen ist. Der Schalter SP wird unter Steuerung der Steuereinheit 30 pulsend betrieben, so dass ein Strompuls zu den Zellgruppen 10 und 20 fließt. Dabei sind die Schalter S1 und S2 geschlossen. Auch der Brückenschalter S3 ist geschlossen. Da die Hochstromzellen eine geringere Ladeschlussspannung U_LS aufweisen, beispielsweise 4,2V, ist diese Ladeschlussspannung U_LS bei den Hochstromzellen 20 schneller erreicht, d.h. es sind weniger Strompulse erforderlich, um die Hochstromzellen 20 zu laden. Wenn, wie in 4 gezeigt, die Ladeschlussspannung U_LS der Hochstromzellen 20 erreicht ist, werden der Schalter S2 und der Brückenschalter S3 geöffnet. Der Schalter SP wird weiter pulsend betrieben und der Schalter S1 ist geschlossen. Mit dieser Konstellation wird erreicht, dass die Hochenergiezellen 10 weiter geladen werden, bis sie ihre Ladeschlussspannung U_LS, beispielsweise 4,3 V erreichen. Mit Hilfe der Steuereinheit 30 lassen sich die Strom- und Spannungswerte der Zellgruppen überwachen und mit den Thermoelementen 23 und 24 jeweils auch die Temperaturen der beiden Zelltypen in den jeweiligen Zellgruppen. Sollte einer der erfassten Werte außerhalb von vorgegebenen Wer ten liegen, kann mit Hilfe der Steuereinheit 30 die Taktung der einzelnen Schalter SP so verändert werden, dass eine Gesamt-Strombegrenzung für beide Zellgruppen oder durch individuelle Taktung der Schalter S1, S2 oder S3 eine Strombegrenzung für die eine oder andere Zellgruppe erreicht wird, um somit beispielsweise ein Überhitzen einer der Zellgruppen zu verhindern.
Im Folgenden wird in 5 der Stromverlauf für die beiden Zellgruppen 10 und 20 in verschiedenen Situationen beschrieben.
In Situation A wird der Entladevorgang bei gemäßigten Anforderungen beschrieben. Dazu sind alle Schalter gemäß 2 geschlossen, so dass ein Strom zum Motor 42 fließen kann. Nur der Schalter SP ist geöffnet. Eine gemäßigte Anforderung bedeutet beispielsweise bei einem Elektrofahrzeug, dass keine Maximalstromanforderung oder Leistungsabforderung abgerufen wird, sondern eine mittlere Leistungsabforderung stattfindet. In diesem Fall fließt ein normaler Strom aus beiden Zellen innerhalb der vom Akkuhersteller beschriebenen Leistungsgrenzen.
In Situation B wird die maximale Leistung, beispielweise bei voller Beschleunigung abgefordert. Die Lastanforderung kann auch über den Herstellerangaben liegen. Da insbesondere in diesem Fall die Hochstromzellen 20 ihre Eigenschaften ausspielen können, liefern die Hochstromzellen 20 einen kontinuierlichen Strom. Die Hochenergiezellen sind mit einer derartigen maximalen Leistungsabforderung überfordert und werden durch einen pulsenden Schalter S1 im Stromfluss begrenzt, so dass die Hochenergiezellen 10 geschont werden. Aufgrund des pulsenden Schalters S1 und eines geöffneten Brückenschalters S3 lässt sich somit der Strom aus den Hochenergiezellen 10 begrenzen.
In Situation C ist dargestellt, dass der Temperatursensor 24 an den Hochstromzellen 20 einen erhöhten Temperaturwert festgestellt hat. In einem derartigen Zustand wird der Schalter S1 geschlossen und der Schalter S2 wird pulsend betrieben, so dass der Stromfluss aus den Hochstromzellen begrenzt ist und diese somit geschont werden. Die Hochenergiezellen liefern einen kontinuierlichen Strom, der über den geschlossenen Schalter S1 zum Motor 42 fließt.
Beim Laden ist es auch möglich, einen Strompuls nur in die Hochenergiezellen fließen zu lassen und in der Pulspause, die Hochstromzellen von den Hochenergiezellen zu laden. Da der Ladepuls in die Hochenergiezellen jedoch länger ist, als der Senkenpuls oder die Pulspause, können die Hochstromzellen auf diese Art und Weise nicht vollständig geladen werden. Deshalb wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das der nächste Strompuls wieder in beide Zellgruppen fließt und beide Zellgruppen den Strompuls gemeinsam bekommen.
Die Taktung erfolgt bei Entladung abhängig von Stromwert, d.h. bei den Hochenergiezellen wird der Strom begrenzt, um somit akkuschonend ein Maximum aus den Hochenergiezellen herauszubekommen. Während die Stromentnahme aus den Hochenergiezellen begrenzt wird, steigt der von den Hochstromzellen abgegebene Strom wieder, da diese mehr Strom abgeben können. Dadurch werden die Zellen geschont und nicht überbelastet.

Claims

Energiespeicherungsanordnung, umfassend: wenigstens eine Hochstromzelle (20) und wenigstens eine Hochenergiezelle (10), wobei die wenigstens eine Hochenergiezelle (10) und die wenigstens eine Hochstromzelle (20) parallel geschaltet sind, wobei die Zellen (10, 20) mit einem Strompuls geladen und/oder entladen werden und in den Pulspausen ein Ladungsausgleich zwischen den Zellen (10, 20) stattfindet.
Energiespeicherungsanordnung nach Anspruch 1, weiter enthaltend: eine Steuereinheit (30) zur Steuerung der Pulslängen und/oder Pulsamplituden des Strompulses zum Laden bzw. Entladen der Zellen (10, 20).
Energiespeicherungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl der Hochstromzellen (20) geringer als die Anzahl der Hochenergiezellen (10) ist, wodurch der Ladungsausgleich zwischen den beiden Zellen (10, 20) gesteuert wird.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Hochstromzellen (20) etwa 1/3 und die Anzahl der Hochenergiezellen (20) 2/3 ist.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils wenigstens der Hochenergiezelle (10) eine erste und/oder wenigstens der Hochstromzelle (10) eine zweite Schalteinheit (S1, S2) vorgeschaltet ist.
Energiespeicherungsanordnung nach Anspruch 5, wobei die Schalteinheit (S1, S2) die den Entlade- und/oder Ladevorgang der Hochenergiezelle (10) und/oder der Hochstromzelle (20) steuert.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Taktung der wenigstens einen Schalteinheit (S1, S2, S3, SP) mittels der Steuereinheit (30) zur Steuerung der Pulslängen und/oder Pulspausen des Strompulses beim Laden und/oder Entladen der Zellen (10, 20) vorgesehen ist.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Schalteinheit (S1, S2, S3, SP) die Stromzufuhr in bzw. die Stromentnahme aus der zugehörigen Zelle für eine vorbestimmte Zeit unterbricht und vorzugsweise eine periodische Taktung der Stromzufuhr bzw. der Stromentnahme bewirkt.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Strommesseinrichtung (11, 21, 41, 51) und/oder Spannungsmesseinrichtung (12, 22, 52) und/oder Temperaturmesseinrichtung (23, 24) vorgesehen ist, wobei die Messwerte zur Steuerung des Lade bzw. Entladevorgangs verwendet werden.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine dritte Schalteinheit (SP) vor der Parallelschaltung der wenigstens einen Hochstromzelle (20) und der wenigstens einen Hochenergiezelle (10) angeordnet ist, die der Strombegrenzung für beide Zellen dient.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 10, wobei die Taktung der ersten Schalteinheit (S2) für die wenigstens eine Hochstromzelle (20) auf die Taktung der zweiten Schalteinheit (S1) für die wenigstens eine Hochenergiezelle (10) abgestimmt ist.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Hochstromzelle (20) und die wenigstens eine Hochenergiezelle (10) über eine vierte Schalteinheit (S3) gekoppelt sind.
Energiespeicherungsanordnung nach Anspruch 12, wobei die vierte Schalteinheit (S3) geschlossen ist, um einen Stromfluss von der Hochstromzelle (20) in die Hochenergiezelle (10) oder umgekehrt zu ermöglichen und/oder die vierte Schalteinheit (S3) gepulst ist, um eine Strombegrenzung zu erzielen.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei durch ein Schließen der vierten Schalteinheit (S3) während der Pulspausen die wenigstens eine Hochstromzelle (20) mit einem Lastpuls belastet wird.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei abhängig vom Ladezustand der wenigstens einen Hochenergiezellen (10) auch die Hochenergiezellen (10) durch Schließen der vierten Schalteinheit (S3) mit einem Lastpuls belastet werden bzw. eine Senke für die Hochstromzellen (20) darstellen.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Schalteinheit (SP) abhängig vom Ladezustand der wenigstens einen Hochstromzelle (20) und/oder der wenigstens einen Hochenergiezelle (10) gesteuert wird.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ladestrom während eines Strompulses über die dritte und vierte Schalteinheit (SP, S3) in die wenigstens eine Hochstromzelle (20) und die wenigstens eine Hochenergiezelle (10) fließt.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste oder vierte Schalteinheit (S1, S3) beim Entladen bei Erreichen der Entladeschlussspannung der Hochenergiezellen (10) oder der Hochstromzellen (20) gepulst wird.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während eines getakteten Entladevorgangs in den Pulspausen oder während Ruhephasen ohne Last bei einer geschlossenen vierten Schalteinheit (S3) ein Strom von der wenigstens einen Hochenergiezelle (10) in die wenigstens eine Hochstromzelle (20) fließt, um diese wieder aufzuladen.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strom aus der Energiespeicherungsanordnung während eines Entladevorgangs mittels einer der Schalteinheiten begrenzbar ist.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strompuls zwischen einem niedrigen Pegel von Null Ampere und einem festgelegten posi tiven Stromwert hin und herschaltet.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (30) mit der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Schalteinheit (S1, S2, S3 SP) verbunden ist, um diesen jeweils einen Schaltimpuls zuzuführen, um ein Öffnen bzw. Schließen der jeweiligen Schalteinheit zu bewirken, wobei die Steuereinheit weiter mit den Strom-, Spannungs-, und/oder Temperaturmesseinrichtungen verbunden ist, um von diesen Messsignale zu empfangen.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der Schalteinheiten (S1, S2, S3) so gesteuert wird, das bei Erreichen der Entladeschlussspannung eines der beiden Zelltypen, eine Strombegrenzung durch Taktung eines der Schalter (S1, S2, S3) erfolgt.
Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge der Strompulse bzw. der Pulspausen abhängig vom gemessenen Zustand der beiden Zelltypen eingestellt wird.
Verfahren zum Laden einer Energiespeicherungsanordnung umfassend eine Parallelschaltung aus wenigstens einer Hochstromzelle (20) und wenigstens einer Hochenergiezelle (10), umfassend die Schritte: – Zuführen eines Strompulses zu den Hochstromzellen (20) und den Hochenergiezellen (10); – bei Erreichen der Ladeschlusspannung von den Hochstromzellen (20) oder von den Hochenergiezellen (10) Abschalten der Zufuhr des Strompulses zu der entsprechenden Zelle; – Weiterladen der anderen der beiden Zellen bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung der anderen der beiden Zellen.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei während einer Pulspause zwischen den Strompul sen eine Schalteinheit (S3) zwischen den beiden parallel geschalteten Hochstromzellen (20) und Hochenergiezellen (10) geschlossen ist, um einen Stromfluss von den Hochstromzellen (20) zu den Hochenergiezellen (10) zu ermöglichen.
Verfahren zum Entladen einer Energiespeicherungsanordnung umfassend wenigstens eine Hochstromzelle (20) und wenigstens eine Hochenergiezelle (10), die parallel geschaltet sind, umfassend die Schritte: Überwachen von Entladeschlussspannung, Stromfluss und/oder Temperatur der wenigstens einen Hochstromzelle (20) und/oder wenigstens eine Hochenergiezelle (10); bei Überschreiten eines Grenzwertes der Zustände, bspw. Entladeschlussspannung, Stromfluss oder Temperatur, Begrenzung des Entladestroms aus der Hochenergiezelle (10) oder aus der Hochstromzelle (20) durch Taktung einer Schalteinheit (S1, S2), wobei durch Schließen einer Schalteinheit (S3) zwischen den beiden parallel geschalteten Hochstromzellen (20) und Hochenergiezellen (10) ein Ladungsausgleich zwischen den Hochstromzellen (20) und Hochenergiezellen (10) stattfindet.
Verfahren zum Entladen einer Energiespeicherungsanordnung nach Anspruch 27, wobei die Schalteinheit (S3) zwischen den beiden parallel geschalteten Hochstromzellen (20) und Hochenergiezellen (10) abhängig von einem Zustand der Hochstromzellen (20) und/oder Hochenergiezellen (10) gesteuert und/oder getaktet wird.