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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung für ein Elektrowerkzeug mit mehreren Lithium-Ionen-Zellen, mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren und einem Batteriemanagementsystem zum Steuern der mehreren Lithium-Ionen-Zellen und der mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren.
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Die elektrische Leistungsfähigkeit einer Batteriezellenanordnung (nachfolgend auch Akku- oder Batteriepack genannt) kann dadurch verbessert werden, dass nicht die elektrische Leistungsfähigkeit der Zellen selbst vorangetrieben wird, sondern dass elektrische Hochleistungskondensatoren parallel zu den Batteriezellen betrieben werden. Als besonders geeignet dürften dabei Doppelschichtkondensatoren sein, die auch kurz als „Supercaps“ oder EDLCs (electric double-layer capacitor) bezeichnet werden. Werden Hochleistungskondensatoren unabhängig von den Zellen im Batteriepack als Energiespeicher über ein Batteriemanagementsystem angebunden, so besteht stets die Herausforderung, das Beladen und Entladen kontrolliert durchzuführen, die Kondensatoren nicht zu überfordern, gleichzeitig aber auch die Lithium-Ionen-Zellen ebenfalls nicht zu überfordern. Letzteres kann bei einem entkoppelten Betrieb durchaus passieren, wenn sich durch Lade- oder Entladeprozesse unterschiedliche Spannungen im elektrochemischen oder dielektrischen System einstellen. In solchen Fällen kommt es zu hohen Strömen, sobald die elektrochemischen Zellen in einem Stromkreis mit den dielektrischen Kondensatoren verbunden werden und die Physik mit einem sehr schnellen Ladungsaustausch (hohe Stromflüsse) die Potentialdifferenzen auszugleichen versucht. Vor diesem Hintergrund ist das Führen eines separaten dielektrischen Hochleistungskondensators, der abgekoppelt von den elektrochemischen Zellen betrieben wird, immer mit einem hohen steuerungstechnischen Aufwand verbunden.
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Eine derartige Batteriezellenanordnung ist beispielsweise aus der Druckschrift
US 2011/0064977 A1 bekannt. Die dortige Batteriezellenanordnung besteht aus einer Seriell-Parallel-Verbindung von Batteriezellen und Doppelschichtkondensatoren. Beispielsweise wird einer Serie von zehn Batteriezellen einer Serie von fünf Doppelschichtkondensatoren parallel geschaltet. Auf diese Weise können kurzfristig hohe Ströme zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere können Kapazitäten entsprechend dem 20- bis 30-fachen der Nominalkapazitäten erreicht werden.
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Darüber hinaus beschreibt die Druckschrift
US 9 819 064 B2 ein System zum Schutz gegen Überladung und zum Ladungsausgleich in kombinierten Energiequellensystemen. Zu einer Energiespeichervorrichtung, die beispielsweise Lithium-lonen-Zellen aufweist, werden Supercaps beziehungsweise Doppelschichtkondensatoren parallel geschaltet. Beispielsweise wird einer Serie von Lithium-lonen-Zellen einer Serie von sechs Doppelschichtkondensatoren parallel geschaltet. Die einzelnen Serien werden über separate Schalter angesteuert.
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Zudem beschreibt Druckschrift
US 2015/0054428 A1 ein Verfahren zum Ableiten induktiver Energie von Zellen. Ein kapazitives Element mit mehreren Kondensatoren liegt parallel zu einer Zelle und deren Induktivität.
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Druckschrift
US 2016/0087460 A1 offenbart Superkondensatorstrukturen mit mehreren Superkondensatorzellen. Die Zellen können individuell miteinander verschaltet werden, um unterschiedliche Ströme und Spannungen für die Lasten zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Batteriezellenanordnung mit Lithium-Ionen-Zellen und Doppelschichtkondensatoren einfacher zu steuern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batteriezellenanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird demnach eine Batteriezellenanordnung für ein Elektrowerkzeug mit mehreren Lithium-Ionen-Zellen und mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren bereitgestellt. Gegebenenfalls besitzt die Batteriezellenanordnung ein Gehäuse, bei dem zumindest ein Pluspol und ein Minuspol nach außen geführt sind. Die Batteriezellenanordnung ist für ein Elektrowerkzeug geeignet, das beispielsweise als Akkuschrauber, Akkubohrer, Akku-Kreissäge, Akku-Gartengerät oder dergleichen realisiert ist. Ebenso kann es sich bei dem Elektrowerkzeug um ein Haushaltsgerät und insbesondere ein Reinigungsgerät handeln.
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Die Batteriezellenanordnung besitzt mehrere Lithium-Ionen-Zellen. Ein typisches Batteriepack mit Lithium-lonen-Zellen für 18 V besitzt fünf, zehn oder ein anderes Vielfaches von fünf Lithium-Ionen-Zellen. Darüber hinaus besitzt die Batteriezellenanordnung mehrere elektrische Doppelschichtkondensatoren. Doppelschichtkondensatoren oder Supercaps sind elektrochemische Kondensatoren. Im Vergleich zu herkömmlichen Akkumulatoren besitzen sie zwar nur etwa zehn Prozent von deren Energiedichte, aber ihre Leistungsdichte ist etwa zehn bis einhundert Mal so groß. Doppelschichtkondensatoren können daher wesentlich schneller geladen und entladen werden. Die Kapazität eines Doppelschichtkondensators ergibt sich aus der Summe zweier Speicherprinzipien. Zum einen erfolgt eine statische Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstrennung in Helmholtz-Doppelschichten in einer Doppelschichtkapazität. Zum anderen erfolgt eine elektrochemische Speicherung elektrischer Energie durch faradayschen Ladungsaustausch mit Hilfe von Redoxreaktionen in einer Pseudokapazität.
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Des Weiteren besitzt die Batteriezellenanordnung ein Batteriemanagementsystem zum Steuern der mehreren Lithium-Ionen-Zellen und der mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren. Ein derartiges Batteriemanagementsystem steuert in der Regel die elektrischen Größen wie Strom und Spannung sowohl beim Laden als auch beim Entladen der Zellen und Kondensatoren. In der Regel steuert das Batteriemanagementsystem dabei entsprechende Halbleiterschalter der Batteriezellenanordnung an. Gegebenenfalls sind die Schalter auch Teil des Batteriemanagementsystems. Dabei gilt es insbesondere, die einzelnen Zellen beziehungsweise Kondensatoren nicht zu überlasten. Speziell dürfen die Lithium-lonen-Zellen weder chemisch noch thermisch überlastet werden. Ein geeignetes Batteriemanagementsystem sorgt dafür, dass derartige Überlastungen nicht erfolgen und die Lebensdauer einer solchen Batteriezellenanordnung entsprechend hoch wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind nun zu einer der mehreren Lithium-Ionen-Zellen oder zu einem Paar von parallelgeschalteten der mehreren Lithium-lonen-Zellen jeweils genau zwei in Serie verbundene der mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren parallel geschaltet, um so ein Modul zu bilden. Die Lithium-Ionen-Zellen und Doppelschichtkondensatoren der Batteriezellenanordnung sind also in Module gruppiert. Gegebenenfalls sind auch mehr als zwei Lithium-Ionen-Zellen zueinander parallel geschaltet und zu dieser Parallelschaltung sind dann wiederum genau zwei in Serie verbundene elektrische Doppelschichtkondensatoren parallel geschaltet. Auf diese Weise wird der Umstand genutzt, dass die typische Betriebsspannung einer einzelnen Lithium-lonen-Zelle bei 2,5 V bis 4,3 V liegt, während die maximale Betriebsspannung eines Doppelschichtkondensators günstigerweise 2,3 V nicht übersteigt. Zwei Doppelschichtkondensatoren in Serie besitzen damit in etwa die gleiche Maximalspannung wie eine einzige Lithium-Ionen-Zelle beziehungsweise eine Parallelschaltung solcher Lithium-Ionen-Zellen. Dies bedeutet, dass jedes Modul als Gesamtheit gesteuert werden kann, und nicht jede Lithium-Zelle, beziehungsweise Parallelschaltung von Lithium-Zellen und jeder Doppelschichtkondensator einzeln für sich gesteuert werden muss. Vielmehr wird erfindungsgemäß das Modul beziehungsweise jedes Modul der Batteriezellenanordnung individuell von dem Batteriemanagementsystem angesteuert. Auf diese Weise lässt sich das Batteriemanagementsystem beziehungsweise die Ansteuerung der Batteriezellenanordnung deutlich vereinfachen, denn es muss nicht jede einzelne Speicherkomponente individuell angesteuert werden. Trotzdem ist eine vergleichsweise individuelle Steuerung der Lithium-Ionen-Zellen und Doppelschichtkondensatoren auf Modulebene möglich, wohingegen im Stand der Technik oftmals nur eine größere Serie von Lithium-lonen-Zellen für sich und eine ebenfalls größere Serie von Doppelschichtkondensatoren für sich genommen angesteuert werden können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung besitzt diese mehrere Module der genannten Art und jedes der mehreren Module ist separat über eine jeweilige Schalteinrichtung mit dem Batteriemanagementsystem verbunden. Insbesondere umfasst eine derartige Schalteinrichtung einen oder mehrere Halbleiterschalter. Derartige Schalter beziehungsweise Schalteinrichtungen erlauben es, die einzelnen Module aus einem Verbund heraus zu schalten beziehungsweise in einen Verbund hinein zu schalten oder den Hauptstrom abzuschalten. Dementsprechend ergibt sich eine mehr oder weniger hohe Ausgangsspannung, wenn die Module in Serie geschaltet sind. Andernfalls, wenn Module auch parallel geschaltet sind, kann durch die Schalteinrichtungen die Stromstärke der Batteriezellenanordnung beim Laden oder Entladen entsprechend hoch gehalten werden.
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Speziell kann in dem Modul oder in jedem der mehreren Module jeweils mindestens eine weitere Lithium-Ionen-Zelle parallel zu dem jeweiligen Paar von Lithium-Ionen-Zellen geschaltet sein. In diesem Fall sind dann, wie oben bereits angedeutet wurde, beispielsweise drei, vier, fünf oder mehr Lithium-lonen-Zellen in einem Modul parallel geschaltet. Je nach Leistungsbedarf kann die Anzahl der parallel geschalten Lithium-Ionen-Zellen in einem Modul angepasst werden.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass bei der Batteriezellenanordnung zu jedem der Doppelschichtkondensatoren jeweils eine Zenerdiode oder ein anderes elektrisches beziehungsweise elektronisches Schaltelement parallel geschaltet ist. Ein derartiges Schaltelement sollte gegebenenfalls mit dem Batteriemanagementsystem eine ähnliche Begrenzungsfunktionalität besitzen wie eine Zenerdiode. Eine Zenerdiode parallel zu einem Doppelschichtkondensator bewirkt, dass der Doppelschichtkondensator nicht über die Zenerspannung hinaus geladen werden kann. Dies schützt den Doppelschichtkondensator vor Überspannungen. Das gleiche Ziel kann durch ein Schaltelement erreicht werden, das bei einer vorgegebenen Maximalspannung ein Weiterladen des Doppelschichtkondensators verhindert.
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Darüber hinaus kann eine Batteriezellenanordnung für ein Elektrowerkzeug mit mehreren zylinderförmigen elektrochemischen Zellen und mindestens einem zylinderförmigen, elektrischen Kondensator bereitgestellt werden. Das Elektrowerkzeug kann wieder von der oben genannten Art sein. Die zylinderförmigen elektrochemischen Zellen sind Lithium-Ionen-Zellen. Wie erwähnt besitzt die Batteriezellenanordnung einen oder mehrere zylinderförmige, elektrische Kondensatoren. Bei diesen Kondensatoren handelt es sich um Supercaps. Die Zylinderform sowohl der elektrochemischen Zellen als auch der Kondensatoren bedeutet, dass diese Bauelemente vorzugsweise die Bauform eines kreisförmigen Zylinders, aber auch die Form eines ovalen oder elliptischen Zylinders besitzen können.
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Parallele Längsachsen von (z. B. vier der) mehreren elektrochemischen Zellen bilden in axialer Draufsicht die Eckpunkte eines Vielecks, z.B. eines Rechtecks. Bei einer Draufsicht in Richtung der parallelen Längsachsen ergeben sich also Punkte, die als Eckpunkte eines Vielecks interpretiert werden können. Dabei kann das Vieleck regelmäßig oder unregelmäßig sein. Bei dem Vieleck kann es sich beispielsweise um ein Dreieck, ein Viereck, ein Fünfeck, ein Sechseck und dergleichen handeln. Eine Längsachse des mindestens einen Kondensators liegt parallel zu den Längsachsen der elektrochemischen Zellen und in axialer Draufsicht im Flächenzentrum des Vielecks. Dies bedeutet, dass der Kondensator oder beispielsweise mehrere in Serie geschaltete Kondensatoren den Zwischenraum zwischen den im Vieleck angeordneten elektrochemischen Zellen ausnutzen beziehungsweise teilweise ausfüllen kann. Hierdurch kann eine Batteriezellenanordnung kompakter gestaltet werden. Die Freiräume, die sich zwischen den elektrochemischen Zellen ergeben, werden nämlich größtenteils durch den einen oder die mehreren Kondensatoren besetzt.
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Die mehreren zylinderförmigen, elektrischen Kondensatoren sind jeweils Doppelschichtkondensatoren. Derartige Doppelschichtkondensators zeichnen sich durch ihre hohe Leistungsdichte aus. Sie ermöglichen, dass insbesondere bei Elektrowerkzeugen in kritischen Situationen ausreichend Leistung bereitgestellt werden kann. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine Kreissäge in eine Verunreinigung (z.B. Nagel) im Holz schneidet, nach dem Leerlauf in Holz einschneidet oder die Bearbeitungstiefe einer Fräse sich sprunghaft ändert. In jedem Fall ergibt sich eine instantane Erhöhung des Leistungsbedarfs, dem durch die elektrochemischen Zellen unter Umständen nicht entsprochen werden kann. Doppelschichtkondensatoren hingegen können derartige Leistungssprünge eher bewältigen.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, dass zu jeder der mehreren elektrochemischen Zellen jeweils genau zwei in Serie verbundene, zylinderförmige elektrische Kondensatoren parallel geschaltet sind, wobei die Längsachsen der zwei in Serie verbundenen Kondensatoren identisch sind. Eine derartige Konfiguration ist insbesondere bei einer Parallelschaltung einer Lithium-lonen-Zelle mit zwei elektrischen Doppelschichtkondensatoren von Vorteil, da, wie oben bereits erwähnt wurde, die beiden Doppelschichtkondensatoren in Reihe typischerweise eine ähnliche beziehungsweise gleiche maximale Betriebsspannung besitzen wie die typische maximale Betriebsspannung einer Lithium-Ionen-Zelle.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Batteriezellenanordnung sind die mehreren zylinderförmigen elektrochemischen Zellen paarweise parallelgeschaltet. Ein derartiges Paar von parallel angeordneten zylinderförmigen elektrochemischen Zellen, die sich am Mantel berühren, kann zusammen mit einem oder zwei zylinderförmigen Kondensatoren, die an bzw. zwischen den beiden elektrochemischen Zellen angeordnet sind und diese berühren, als Modul oder kleinste Batteriezelleneinheit betrachtet werden. Derartige kleinste Einheiten können dann hintereinander so angeordnet werden, dass in der Draufsicht betrachtet sich jeweils ein elektrischer Kondensator im Flächenzentrum von drei, vier, fünf etc. elektrochemischen Zellen befindet. Auf diese Weise lässt sich der Bauraum in einem hohen Maß ausnutzen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Batteriezellenanordnung sind mehrere Module, jeweils bestehend aus zwei elektrochemischen Zellen und zwei Kondensatoren, nebeneinander jeweils paarweise antiparallel angeordnet. Dies bedeutet, dass bei einem Modul sämtliche Pluspole der elektrochemischen Zellen und des Kondensators oder der Kondensatoren in eine Richtung weisen, während die Pluspole sämtlicher Komponenten eines benachbarten Moduls in die entgegengesetzte Richtung weisen. In diesem Fall lassen sich mehrere Module besonders einfach in elektrischer Serienschaltung kontaktieren, wenn sie geometrisch parallel angeordnet sind.
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Insbesondere ermöglicht dieser antiparallele Modulaufbau, dass positive Elektroden der elektrochemischen Zellen und eine positive Elektrode einer der Kondensatoren von einem ersten der mehreren Module mittels eines einstückigen, insbesondere ebenen, Verbindungselements mit negativen Elektroden der beiden elektrochemischen Zellen und einer negativen Elektrode eines der Kondensatoren von einem zu dem ersten Modul benachbarten zweiten Modul der mehreren Module elektrisch verbunden ist. Die einzelnen Komponenten der Batteriezellenanordnung können auf diese Weise sehr kostengünstig verbunden werden. Insbesondere ist es so möglich, dass mit einem einzigen Metallplättchen als das Verbindungselement drei (ggf. auch mehr) Pluspole bzw. positiven Elektroden (zwei elektrochemische Zellen und ein Kondensator) eines ersten Moduls mit drei (ggf. auch mehr) Minuspolen beziehungsweise negativen Elektroden eines zweiten Moduls mechanisch und elektrisch verbunden werden.
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Bei einer speziellen Ausgestaltung der Batteriezellenanordnung ist das Vieleck ein Rechteck und insbesondere ein Quadrat. Die zylinderförmigen elektrochemischen Zellen bilden also in der Draufsicht das Rechteck beziehungsweise Quadrat. In diesem Fall kann der zwischen den elektrochemischen Zellen vorhandene Raum durch den oder die Kondensatoren größtenteils gefüllt werden.
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Wie oben bereits angedeutet wurde, handelt es sich bei den elektrochemischen Zellen jeweils um Lithium-lonen-Zellen. Derartige zylinderförmige Lithium-Ionen-Zellen sind beispielsweise in der Bauform 18650 oder 21700 sehr verbreitet im Einsatz.
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Wie in den obigen Ausführungen bereits angedeutet wurde, kann ein Elektrowerkzeug mit einer Batteriezellenanordnung ausgestattet sein. Insbesondere kann eine jeweilige Batteriezellenanordnung dazu genutzt werden, dass ein verhältnismäßig einfaches Batteriemanagementsystem eingesetzt wird. Sofern alternativ oder zusätzlich die oben beschriebene kompakte Zellen-Kondensator-Anordnung verwendet wird, kann der entsprechende Akkupack beziehungsweise das Elektrowerkzeug insgesamt sehr kompakt gestaltet werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Elektrowerkzeugs;
- 2 ein Schaltbild einer Batteriezellenanordnung;
- 3 eine Seitenansicht einer Batteriezellenanordnung mit zylinderförmigen elektrochemischen Zellen und zylinderförmigen elektrochemischen Kondensatoren; und
- 4 eine Draufsicht auf die Batteriezellenanordnung von 3.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
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Ein Elektrogerät bzw. -werkzeug in Form eines Akku-Bohrschraubers 1 ist in einer Perspektivansicht in 1 gezeigt. Am Akku-Bohrschrauber 1 ist ein Akkupack 2, das heißt eine Batteriezellenanordnung oder Akkumulatoreinrichtung einschließlich Gehäuse, angebracht. Der Akkupack 2 dient zur Energieversorgung des Akku-Bohrschraubers 1. Er kann beispielsweise mehrere Lithium-lonen-Zellen zur Energiebereitstellung aufweisen. Andere Zelltechnologien sind ebenfalls möglich. Die nachfolgenden Erläuterungen dienen nicht nur für ein Elektrogerät in Form des Akku-Bohrschraubers 1, sondern generell für beliebige Elektrogeräte, wie beispielsweise Elektrowerkzeuge jeglicher Art, stationäre Maschinen, Reinigungsgeräte, Gartengeräte, Wasserpumpen und dergleichen.
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Die Erfindung geht von dem Ansatz aus, dass (dielektrische) Kondensatoren unmittelbar parallel zu den elektrochemischen Zellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, verschaltet sind und damit strom- und spannungsseitig jeweils wie eine einzelne Lithium-Ionen-Zelle geführt werden können.
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In einem Beispiel ist eine Konfiguration seriell geschalteter Hochleistungskondensatoren, jeweils direkt parallel zu einer jeweiligen Lithium-Ionen-Zelle zu verschalten, oder aber im Fall eines leistungsfähigeren Akkupacks eine Konfiguration aus mehreren parallel geschalteten Lithium-Ionen-Zellen. Besonders bevorzugt ist im Fall der Verwendung von Doppelschichtkondensatoren die Konfiguration von zwei seriell verschalteten Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) mit einer oder mehreren parallel geschalteten Lithium-Ionen-Zellen. Der Grund dafür liegt darin, dass die obere Spannungsgrenze für Doppelschichtkondensatoren mit 2,3 bis 2,6 V tiefer liegt als die Ladeschlussspannung der Lithium-Ionen-Zellen (zum Beispiel 4,2 bis 4,5 V). Die beiden in Reihe geschalteten Doppelschichtkondensatoren teilen sich die an den Lithium-Ionen-Zellen anliegende Spannung und sind damit spannungsseitig immer im sicheren Fenster geführt. Eine derartige Konfiguration kann seriell ergänzt zu beliebigen Packspannungen erweitert werden. Für eine besonders leistungsstarke Variante einer Batteriezellenanordnung könnten etwa fünf Module aus je zwei seriellen Doppelschichtkondensatoren und einer oder zwei parallelen Lithium-Ionen-Zellen genutzt werden.
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Diese Art der Integration der Hochleistungs- beziehungsweise Doppelschichtkondensatoren kann mit den gleichen Prinzipien gemanagt werden, wie sie heute bereits im Batteriemanagement für Lithium-lonen-Power-Akkus zum Einsatz kommen. Es besteht die Möglichkeit, im Batteriemanagementsystem eines solchen Akkupacks die dielektrischen Kapazitäten für auftretende Leistungsspitzen geeignet zu berücksichtigen, sodass derartige leistungsstarke Akkupacks erheblich höhere Spitzenlasten abdecken können.
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2 zeigt ein prinzipielles Schaltbild eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung. Die Batteriezellenanordnung besitzt mehrere Lithium-Ionen-Zellen Z1 und Z2. Darüber hinaus besitzt die Batteriezellenanordnung mehrere elektrischen Doppelschichtkondensatoren C11, C12, C21 und C22. Die beiden Doppelschichtkondensatoren C11 und C12 sind miteinander in Serie geschaltet und diese Serienschaltung ist parallel zu der ersten Lithium-Ionen-Zelle Z1 geschaltet. In gleicher Weise sind die Doppelschichtkondensatoren C21 und C22 miteinander in Serie geschaltet und diese Serienschaltung ist parallel zu der zweiten Lithium-Ionen-Zelle Z2 geschaltet.
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Die erste Lithium-Ionen-Zelle Z1 und die zugehörigen Doppelschichtkondensatoren C11 und C12 sind Bestandteil eines ersten Moduls M1. Ebenso ist die zweite Lithium-Ionen-Zelle Z2 zusammen mit den Doppelschichtkondensatoren C21 und C22 Bestandteil eines zweiten Moduls M2. Die beiden Module M1 und M2 können in Serie geschaltet sein. Ferner können auch weitere Module dieser Art (in 2 nicht eingezeichnet) zu den beiden Modulen M1 und M2 in Serie geschaltet sein. D.h. auch in jedem weiteren Modul sind wie in den Modulen M1 und M2 jeweils genau zwei Doppelschichtkondensatoren in Serie parallel zu einer einzigen Lithium-Ionen-Zelle geschaltet.
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Optional kann in mindestens einem der Module oder in jedem der Module zu der jeweiligen Lithium-lonen-Zelle mindestens eine weitere Lithium-Ionen-Zelle parallel geschaltet werden. So kann beispielsweise in dem Modul M1 zu der ersten Lithium-Ionen-Zelle Z1 eine dritte Lithium-Ionen-Zelle Z3 parallel geschaltet sein. Mindestens eine weitere Lithium-Ionen-Zelle kann diesen parallelen Lithium-lonen-Zellen Z1 und Z3 parallel geschaltet sein. In gleicher Weise kann in dem Modul M2 zu der zweiten Lithium-Ionen-Zelle Z2 eine vierte Lithium-Ionen-Zelle Z4 parallel geschaltet sein. Mindestens eine weitere Lithium-Ionen-Zelle kann zu diesen parallelen Lithium-Ionen-Zellen Z2 und Z4 parallel geschaltet sein.
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Die Batteriezellenanordnung kann einen Hauptschalter SO zum An- und Abschalten des Hauptstrompfads mit den seriell verschalteten Modulen aufweisen. Das erste Modul M1 weist optional eine Schalteinrichtung S1 (z.B. Wechselschalter) auf. Diese Schalteinrichtung S1 kann dazu dienen, das erste Modul M1 zu überbrücken. Dazu kann die Schalteinrichtung S1 in einen Bypass schalten, der parallel zu der ersten Lithium-Ionen-Zelle Z1 beziehungsweise parallel zu der Serienschaltung der Doppelschichtkondensatoren C11 und C12 liegt. In gleicher Weise kann das zweite Modul M2 eine zweite Schalteinrichtung S2 (z.B. Wechselschalter) aufweisen, mit der das zweite Modul M2 überbrückbar ist. Dazu kann die zweite Schalteinrichtung S2 in einen Bypass schalten, der parallel zu der zweiten Lithium-lonen-Zelle Z2 beziehungsweise parallel zu der Serienschaltung der Doppelschichtkondensatoren C21 und C22 liegt. Ist die jeweilige Schalteinrichtung S1 beziehungsweise S2 an die jeweiligen Zellen bzw. Kondensatoren (nicht an den jeweiligen Bypass) geschaltet, so ist das korrespondierende Modul M1, M2 elektrisch in den Hauptstrompfad gekoppelt und trägt zur Ausgangsspannung der Batteriezellenanordnung bei.
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Die Schalteinrichtungen S1 und S2 sind in 2 rein symbolisch angedeutet. Sie können belieb ausgestaltet sein und besitzen die Funktion, angesteuert durch ein Batteriemanagementsystem BMS das jeweilige Modul M1 beziehungsweise M2 zu steuern. Jede Schalteinrichtung kann gegebenenfalls eine Vielzahl an Bauelementen aufweisen. Für die Schaltfunktion können insbesondere entsprechende Halbleiterschalter verwendet werden.
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Um die Doppelschichtkondensatoren C11, C12, C21, C22 beziehungsweise deren elektrochemische Komponenten zu schützen, kann die Spannung an einem Doppelschichtkondensator mit einer Zenerdiode begrenzt werden. Derartige Zenerdioden sind der Übersicht halber in 2 nicht eingezeichnet. Alternativ kann zu der Zenerdiode auch jede beliebige andere Schaltungseinrichtung bzw. jedes beliebige andere Schaltelement an den jeweiligen Doppelschichtkondensator geschaltet sein, um dessen Maximalspannung zu begrenzen.
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Von besonderem Vorteil ist nun, dass mit dem Batteriemanagementsystem BMS jedes Modul M1, M2 etc. individuell angesteuert werden kann. Es ist dabei nicht notwendig, mit dem Batteriemanagementsystem BMS jede einzelne Lithium-lonen-Zelle beziehungsweise jeden einzelnen Doppelschichtkondensator zu steuern. Dadurch, dass die jeweilige Lithium-lonen-Zelle und die seriell geschalteten zwei Doppelschichtkondensatoren spannungsmäßig aneinander angepasst sind, genügt es, das jeweilige Modul mit diesen drei Komponenten durch das Batteriemanagementsystem individuell anzusteuern. Trotz dieser modularen Ansteuerung kann gewährleistet werden, dass weder die Elektrochemie der Lithium-lonen-Zellen, noch die der Doppelschichtkondensatoren überfordert wird.
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3 und 4 zeigen eine mögliche geometrische Anordnung einzelner Komponenten einer Batteriezellenanordnung 3. 3 stellt dabei eine Seitenansicht dar, während 4 einer dazugehörigen Draufsicht entspricht. Die in beiden Fig. dargestellte Batteriezellenanordnung ist sehr kompakt und umfasst zehn einzelne elektrochemische Zellen 4. Jede dieser elektrochemischen Zellen 4 besitzt einen Pluspol 5 als knopfartigen Vorsprung und einen Minuspol (in den 3 und 4 nicht sichtbar). Die elektrochemischen Zellen 4 sind hier paarweise parallel geschaltet. Alle Paare (hier fünf Paare) sind im vorliegenden Beispiel in Serie geschaltet. Die geometrische Anordnung jedes Paars ist so gewählt, dass jeweils benachbarte Paare von elektrochemischen Zellen antiparallel ausgerichtet sind. In den 3 und 4 ist dies daran zu erkennen, dass bei dem ersten Paar von elektrochemischen Zellen 4 auf der linken Seite der Batteriezellenanordnung der jeweilige Pluspol 5 nach oben zeigt. Bei dem zweiten Paar von links zeigt der jeweilige Pluspol 5 nach unten, beim dritten Paar wieder nach oben und so weiter. Vorzugsweise liegen benachbarte Paare der elektrochemischen Zellen 4 unmittelbar aneinander an. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn auch die beiden elektrochemischen Zellen 4 jedes Paars unmittelbar aneinander liegen. Jede elektrochemische Zelle 4 eines Paars berührt damit - geometrisch betrachtet - am Außenmantel die andere elektrochemische Zelle 4 des Paars. Darüber hinaus berührt sie am Außenmantel eine weitere elektrochemische Zelle 4 eines ersten Nachbarpaars und gegebenenfalls auch eine Zelle eines zweiten Nachbarpaars jeweils an ihrem Außenumfang. Die jeweiligen Berührungen verlaufen linienförmig und parallel zueinander. Es ist jedoch nicht notwendig, dass sich die einzelnen elektrochemischen Zellen 4 direkt berühren, sondern es können auch einer oder mehrere Abstandshalter vorgesehen sein, die die jeweiligen elektrochemischen Zellen untereinander auf Abstand halten. Selbstverständlich sind geeignete Isolationen vorzusehen.
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Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um kreiszylindrische elektrochemische Zellen, deren Längsachsen alle parallel zueinander verlaufen. In der Draufsicht von 4 nehmen die Längsachsen die Eckpunkte eines Rasters mit quadratischen Elementen ein. Die Längsachsen der elektrochemischen Zellen 4 zweier benachbarter Paare liegen in der Draufsicht entlang der Längsachsen genau auf den Eckpunkten eines Quadrats. Bei alternativen Ausführungsformen kann es sich auch um ein Rechteck handeln. Da die einzelnen elektrochemischen Zellen 4 kreiszylinderförmig sind, ergibt sich in der Mitte der vier elektrochemischen Zellen 4 ein Freiraum. Dieser Freiraum wird hier für genau zwei zylinderförmige, elektrische Kondensatoren 6 genutzt, die in Serie miteinander verbunden sind und deren Längsachsen identisch verlaufen. Vorzugsweise handelt es sich bei den Kondensatoren 6 um Doppelschichtkondensatoren, die ebenfalls einen Pluspol 7 und einen Minuspol (in den Fig. nicht sichtbar) besitzen.
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Wie aus den 3 und 4 hervorgeht, weisen die Pluspole 7 des in den Zeichnungen linken Paars von Kondensatoren 6 jeweils nach oben und sind somit genauso ausgerichtet wie die elektrochemischen Zellen 4 des angrenzenden Paars von elektrochemischen Zellen. Dieses Paar von elektrochemischen Zellen 4 zusammen mit dem angrenzenden Paar von elektrischen Kondensatoren 6 bildet eine Komponentengruppe bzw. ein Modul. Die Pluspole sämtlicher Komponenten dieser Gruppe weisen in die gleiche Richtung. Im vorliegenden Beispiel weisen die Pluspole 5, 7 sämtlicher Komponenten der linken Komponentengruppe in den 3 und 4 nach oben. Bei der unmittelbar anschließenden Komponentengruppe aus zwei elektrochemischen Zellen 4 und zwei Kondensatoren 6 weisen die Pluspole nach unten. Bei der nächsten Komponentengruppe weisen sie wieder nach oben und so weiter. Benachbarte Komponentengruppen sind also antiparallel ausgerichtet.
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In der Draufsicht von 4 nehmen die Längsachsen von zwei benachbarten Paaren an elektrochemischen Zellen 4, wie oben bereits beschrieben wurde, die Eckpunkte eines Quadrats ein. Im Flächenzentrum dieses Quadrats befindet sich die gemeinsame Längsachse der zwei in Serie geschalteten zylinderförmigen elektrischen Kondensatoren 6. Der Durchmesser der Kondensatoren 6 kann so angepasst sein, dass die Kondensatoren genau den Raum in der Mitte der zwei Paare von elektrochemischen Zellen 4 ausfüllen. Die beiden koaxial ausgerichteten zylinderförmigen Kondensatoren 6 berühren also an ihrem Außenumfang alle vier elektrochemischen Zellen 4 um sie herum. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr kompakte Batteriezellenanordnung, die räumlich maximal ausgenutzt ist.
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Zur elektrischen Kontaktierung sind hier einfache Kontaktplättchen 8 vorgesehen. Diese Kontaktplättchen 8 verbinden in der Regel sechs Pole von zwei benachbarten, antiparallelen Gruppen von elektrochemischen Zellen 4 und elektrischen Kondensatoren 6. Beispielsweise verbindet das in 4 in der Mitte dargestellte Kontaktplättchen 8 zwei Minuspole (nicht dargestellt) von elektrochemischen Zellen 4 und einen Minuspol eines Kondensators einer Komponentengruppe mit den Pluspolen 5 zweier benachbarter elektrochemischer Zellen 4 der benachbarten Komponentengruppe und einem Pluspol 7 eines dazu gehörigen Kondensators 6. Auch das Kontaktplättchen 8 in 4 rechts verbindet entsprechende sechs Pole der jeweiligen Komponenten. Demgegenüber verbindet das linke Kontaktplättchen 8 lediglich die Pluspole 5 und 7 der ersten Komponentengruppe links. Diesem Kontaktplättchen 8 ist jedoch eine separate Kontaktzunge 9 angeformt, die den Außenkontakt (hier Pluspol) der gesamten Batteriezellenanordnung darstellt. In ähnlicher Weise sind die Kontaktplättchen 8 auf der Unterseite der Batteriezellenanordnung gemäß 3 ausgebildet. Hier besitzt das Kontaktplättchen 8 auf der rechten Seite eine Kontaktzunge 9 als Minuspol für die gesamte Batteriezellenanordnung. Mit wenigen einfachen Kontaktplättchen ist also die Batteriezellenanordnung kontaktierbar. Insbesondere kann es sich bei den Kontaktplättchen 8 um ebene, gestanzte Metallplättchen handeln.
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Wie bei den obigen Ausführungsbeispielen handelt es sich bei den elektrochemischen Zellen vorzugsweise um Lithium-lonen-Zellen. Die elektrischen Kondensatoren sind vorzugsweise Doppelschichtkondensatoren. Da die obere Spannungsgrenze für Doppelschichtkondensatoren bei 2,3 bis 2,6 V und die Ladeschlussspannung der Lithium-Ionen-Zellen bei etwa 4,2 bis 4,35 V liegt, sind die zwei in Serie geschalteten Doppelschichtkondensatoren spannungsmäßig an die parallelen Lithium-Ionen-Zellen einer Komponentengruppe angepasst. Dadurch ergibt sich nicht nur eine elektrisch sehr wirksame Konfiguration, sondern auch eine geometrisch sehr kompakte Gestalt der Batteriezellenanordnung 3.
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Oftmals werden bei herkömmlichen Batteriezellenanordnungen Lithium-Ionen-Zellen in paarweiser Konfiguration im Blocksatz ohne Versatz angeordnet. Dabei entsteht immer ein bis dato nicht genutzter Zwischenraum in der Mitte zwischen vier Zellen. Genau in diesen Zwischenraum werden nun erfindungsgemäß beispielsweise EDLC-Pärchen eingebracht, wodurch sich der oben geschilderte Bauraumvorteil ergibt und sich bestehende Akkupacks in ihrer Außengeometrie kaum verändern.
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In dem Beispiel von 4 sind immer zwei elektrochemische Zellen 4 nebeneinander angeordnet und parallel geschaltet. Prinzipiell können aber auch jeweils drei, vier, etc. elektrochemische Zellen parallel geschaltet und parallel angeordnet werden. Bei mehreren derartigen parallelen Gruppen ergibt sich wiederum ein regelmäßiges Raster ähnlich dem von 4. In den Zwischenräumen zwischen den einzelnen elektrochemischen Zellen 4 lassen sich auch hier jeweilige Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren anordnen.
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Ein großer Vorteil derartiger Batteriezellenanordnungen besteht darin, dass das Verhältnis dielektrischer Kapazitäten zu elektrochemischen Kapazitäten beliebig eingestellt werden kann. Zum Zweiten wird die elektrochemische Kapazität durch die Steigerung der dielektrischen Kapazität nicht beeinträchtigt. Zum Dritten wird bislang ungenutzter Platz zwischen den Zellen genutzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrowerkzeug
- 2
- Akkupack
- 3
- Batteriezellenanordnung
- 4
- elektrochemische Zelle
- 5
- Pluspol
- 6
- Kondensator
- 7
- Pluspol
- 8
- Kontaktplättchen
- 9
- Kontaktzunge
- BMS
- Batteriemanagementsystem
- C11
- Doppelschichtkondensator
- C12
- Doppelschichtkondensator
- C21
- Doppelschichtkondensator
- C22
- Doppelschichtkondensator
- M1
- Modul
- M2
- Modul
- 50
- Hauptschalter
- S1
- Schalteinrichtung
- S2
- Schalteinrichtung
- Z1
- Lithium-Ionen-Zelle
- Z2
- Lithium-Ionen-Zelle
- Z3
- Lithium-Ionen-Zelle
- Z4
- Lithium-Ionen-Zelle
