DE102020006064A1

DE102020006064A1 - Intelligent anpassungsfähiger und Flexiblel anwendbarer Akku-Pack (kurz: IFAP)

Info

Publication number: DE102020006064A1
Application number: DE102020006064.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-10-05
Filing date: 2020-10-05
Publication date: 2022-04-07

Abstract

Dieses Patent beschreibt einen Akkupack, der zusätzlich zu einem bereits vorhandenen Akkupack an zum Beispiel einem Akkuschrauber oder anderen Elektrowerkzeug zur Erhöhung der Energiemenge und oder der Leistung mit angeschlossen werden kann. Dazu verfügt der Akkupack über einen DCDC-Wandler, mit dem eine Anpassung automatisch auf die jeweilige Anwendung erfolgt. Auf diese Art und Weise kann die Energiemenge deutlich erhöht werden, weil auch mehrere zusätzliche Akkupacks gleichzeitig verwendet werden können. So kann damit die Reichweite eines E-Bikes problemlos verdoppelt werden. Mit dieser Technik ist es auch möglich, Akkupacks mit verschiedener Leistungsfähigkeit (Alterung, Größe, Chemie,...) gleichzeitig in einer Anwendung einzusetzen und dabei von jedem einzelnen Akkupack die volle Energiemenge zur Verfügung zu haben.In Figur 1 ist eine Darstellung mit Funktionsblöcken gezeigt, die den prinzipiellen Aufbau dieses intelligent anpassungsfähigen und flexibel anwendbaren Akkupack zeigt.

Description

Motivation:
Auf Grund der zunehmenden Leistungsfähigkeit von Akkuzellen werden immer mehr Anwendungen durch Akkupacks mit Energie versorgt. Da die Akkus jedoch die am schnellsten alternden Bauteile einer Anwendungen sind, werden die Akkupacks meist als „auswechselbare Baugruppen“ konstruiert. Beispiele hierfür sind unter anderen die Akkuschrauber bei den Werkzeugen und die E-Bikes bei den Fahrzeugen. Wegen der zunehmenden Leistungsfähigkeit der Akkus, können nun auch größere Anwendungen mit Akkus versorgt werden, die bisher auf Bleibatterien oder noch ohne mobile elektrische Versorgung waren. Beispiele hierzu sind Flurförderfahrzeuge oder Hebezeuge wie Gabelstapler usw. Darüber hinaus bringt die Weiterentwicklung der Akkuzellen laufend neue, leistungsfähigere Zellen hervor, die mit den bereits vorhandenen Zellen im Allgemeinen nicht kompatibel und somit nicht gemeinsam in einer Anwendung nutzbar sind.
Wird sehr viel Energie benötigt, werden die Akkupacks groß, schwer und unhandlich. Zusätzlich erhöht der zunehmende Energieinhalt das Risiko, im Falle eines Defekts, Schaden anzurichten. Somit ergeben sich Beschränkungen für die Baugröße eines Akkupacks. Um dennoch größere Energiemenge zur Verfügung zu haben, werden mehrere Akkupacks gleichzeitig in einer Anwendung verwendet.
Somit stellt sich die Aufgabe, wie können mehrere Akkupacks, die auch aus unterschiedlichen Zellen, unterschiedlicher Größe und Alterung bestehen, gemeinsam eine Anwendung speisen? Das hier beschriebene Patent gibt eine Antwort darauf.
Stand der Technik:
Akkupacks werden typischerweise durch mehrere in reihe- und parallelgeschaltete Zellen in der Konfiguration xSyP gebaut. In 1 ist mit dem Bezugszeichen 40 die schematische Verschaltung eines Zellenstapels dargestellt. Der Zellenstapel besteht dabei aus x in Reihe geschalteten Zellen und y parallel geschalteten. Dabei werden die einzelnen in Reihe geschalteten Akkuzellen durch ladungsausgleichende Beschattungen balanciert. Das ist im allgemeinen Teil des BatterieManagement-Systems, kurz BMS, das auch die Sicherheit des Akkupacks gewährleistet. Werden solche Akkupacks in Reihe geschaltet, muß darauf geachtet werden, daß alle Packs zueinander passen. Das beinhaltet nicht nur die Größe der Ladungen sondern auch den aktuellen Ladezustand (SoC), um alle Packs entsprechend ihrer Leistungsfähigkeit nutzen zu können. Werden die Akkupacks parallel geschaltet, so muß auf gleiche Klemmspannung geachtet werden. Damit ist ebenfalls der Ladezustand (SoC) relevant als auch die Anzahl der im Akkupack in Reihe geschalteten Zellenanzahl, die im Allgemeinen für alle parallelgeschalteten Packs genau gleich sein muß, sowie deren Zelltyp (Chemie). Um diese wichtigen Eigenschaften zu erfüllen, sind nur speziell für die jeweilige Anwendung entwickelte Akkupacks verwendbar, wobei zusätzlich Maßnahmen in der Anwendung erforderlich sind, um den Ladezustand abzusichern, bevor zum Beispiel die Parallelschaltung der Packs erfolgt. Solche Lösungen sind in Energiespeichern im Bereich der Photovoltaik anzutreffen. Als bedeutende Nachteile sind hierbei zu nennen: nur individuelle Akkupacks verwendbar; zusätzliche Beschaltung oder Ladungsanpassung sind bei der Installation erforderlich; kein Ausgleich der individuellen Pack- bzw. Zellalterung vorhanden; nur Akkupacks exakt gleicher Bauart gleichzeitig verwendbar. Vereintacht zusammengetasst ergibt sich, daß der schwächste Akkupack die Leistungsfähigkeit des gesamten Energiespeichers bestimmt.
Die Lösung:
Mit der in dieser Patentschrift erläuterten Erfindung ist es möglich, nahezu beliebig viele und beliebige Akkupacks, die nach dieser Technik gebaut sind, in weiten Grenzen sowohl parallel als auch seriell mit einem konventionell gebauten Akkupack zu verschalten und dabei auf den gesamten Energieinhalt jedes einzelnen Packs zugreifen zu können. Dabei ist es unerheblich, in welchem Zustand (Ladezustand, Alterung, Zellchemie und in einem gewissen Rahmen die Größe des Packs) sich die einzelnen Akkupacks befinden.
In 1 ist der prinzipielle Aufbau anhand eines Blockschemas für einen intelligenten Akkupack, kurz IFAP dargestellt.
Wie in 1 zu erkennen ist, wird zwischen den Stapel aus Akkuzellen (40) ein bidirektionaler DCDC-Wandler (20) geschalten. Dadurch wird die Klemmenspannung (10a und 10b alias Stecker und Buchse für die Parallelschaltung) des IFAP losgelöst von der Spannung des Zellenstapels (40). Weiterhin hat die Steuer-Logik und das BMS (30) die vollständige Kontrolle über den Zellenstapel und damit über Lade- und Entladeströme der Akkuzellen sowie der nach außen abzugebenden wie aufzunehmenden Leistung. Da der DCDC-Wandler (20) auf Grund seiner Eigenschaften in der Lage ist, die maximale Leistung des Zellenstapels über einen weiten Klemmenspannungsbereich des IFAP bereitzustellen, können IFAPs dieser Bauart sowohl parallel als auch seriell verschaltet werden. Es ist lediglich zu beachten, daß die „Leerlauf-Klemmenspannung“ beim Parallelschalten der Akkupacks auf den gleichen Wert eingestellt ist und daß bei der Reihenschaltung der maximale Strom diese Funktion übernimmt. Bei der Reihenschaltung von IFAPs muß noch eine maximale Klemmenspannung bei äußerem Strom gleich Null vorgegeben werden.
Darüber hinaus hat jeder IFAP entsprechend seiner Leistungsfähigkeit einen „lnnenwiderstand“(Ri mit Bezugszeichen 21), so daß ohne weitere Kontroll- und Steuerungsfunktionen die Belastung auf alle beteiligten Akkupacks bei Parallelschaltung aufgeteilt wird. Dies ist am einfachsten bei einer Parallelschaltung mehrerer Akkupacks ersichtlich. Nimmt die Belastung, also die Stromabgabe zu, bricht die Klemmenspannung etwas ein. Diese Differenz zur Leerlaufspannung bestimmt zusammen mit dem Innenwiderstand jedes einzelnen IFAPs den Strom, den jeder einzelne IFAP beiträgt. Ist ein IFAP erschöpft, so leistet er keinen Beitrag mehr zur Stromabgabe. Der nun fehlende Strombeitrag wird durch die anderen IFAPs im Rahmen deren Leistungsfähigkeit übernommen. Wird die Belastung größer als es die Summe der einzelnen Akkupacks leisten kann, bricht die Klemmenspannung entsprechend ein. Mit Überwachungsregeln kann so auch eine Abschaltung oder andere geeignete Maßnahmen eingeleitet und die Anwendung vor Schaden bewahrt werden.
Der gleiche Mechanismus verteilt beim Laden die Energie auf die einzelnen Akkupacks. Wird der Parallelschaltung eine leicht erhöhte Spannung von außen angeboten, wird über den Innenwiderstand (21) die Stromaufnahme des jeweiligen Akkupacks bestimmt und somit die Ladung der IFAPs gesteuert. Damit ist sichergestellt, daß die Ladeleistung gleichmäßig auf alle IFAPs verteilt wird, wodurch eine maximal schonende Ladung stattfinden. Ist ein Akkupack vollständig geladen, so nimmt er einfach keine Energie mehr auf. Damit hat das BMS (30) jedes einzelnen Akkupacks vollständig die Kontrolle über den eigenen Zellenstapel (40).
Im Falle einer Reihenschaltung bestimmt der Strom, welcher durch die in Reihe geschaltenen IFAPs fließt, welche Klemmenspannung sich ergibt und somit welche Energie zum Entladen oder Laden verwendet wird.
Die Kontrolle des DCDC-Wandlers (20) erfolgt durch die Steuerlogik (30). Die Pfeile (22) und (23) symbolisieren den Informationsaustausch. Um die Steuerlogik mit weiteren Informationen zu stärken, besteht auch die Möglichkeit von außen (31) einen Informationsaustausch einzurichten. Dieser ist für die beschriebene Lösung jedoch nicht erforderlich.
In 2 ist eine vereinfachte 3D-Ansicht eines IFAP (50) dargestellt, bei der die „Steckaufnahme“ des Packs mit Buchse (10a) und Stecker (10b) angedeutet ist. Eine derartige mechanische Realisierung gestattet es, einen oder mehrere IFAPs beispielsweise bei einem akkubetriebenen Elektrowerkzeug „zwischenzuschalten“, um damit die Energiemenge und auch die Leistung zu erhöhen. In einer solchen Anwendung mit Parallelschaltung kann sich der IFAP direkt am „herkömmlichen Akkupack“ einmessen, ohne daß eine weitere Justierung der Eigenschaften erforderlich ist. Der IFAP hat dann die gleiche Aufnahme wie sie das Elektrowerkzeug beziehungsweise der herkömmliche Akkupack hat.

Claims

Ein Akkupack bestehend aus einem Stapel Akkuzellen, die sowohl in Serie als auch parallel angeordnet sind, einem Batteriemanagement-System und einem bidirektionalen DCDC-Wandler. Das BMS zusammen mit der Steuer-Logik steuern den bidirektionalen DCDC-Wandler so, daß sich von außen betrachtet eine sich selbst einstellende beziehungsweise voreingestellte Spannungsquelle mit einem durch die Leistungsfähigkeit der Akkuzellen und des Wandlers festgelegten Innenwiderstand ergibt, die sowohl mit anderen Akkupacks dieser Technologie (IFAP) parallel oder in Reihe verschaltet werden kann. Nach innen erfolgt durch den DCDC-Wandler eine optimale Anpassung an den Zellenstapel. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines IFAP.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der bidirektionale DCDC-Wandler sowohl zum Laden als auch zum Entladen und zum Schutz der Akkuzellen und der Anwendung benutzt wird. Die Steuerlogik wertet hierzu alle erforderlichen Signale aus.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das BMS unabhängig von der Außenwelt die Akkuzellen schützen, überwachen und steuern kann. Der Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Zellen ist ein Teil davon.
Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die IFAPs parallel geschaltet werden können und sich über den Innenwiderstand eine Strom- und Leistungsverteilung zwischen den parallelgeschalteten IFAPs einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß auch beim Laden durch den Innenwiderstand eine Stromverteilung stattfindet. Dadurch wird eine maximal schonende Ladung der einzelnen IFAPs bei parallelem Betrieb erreicht.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die IFAPs in Serie geschaltet werden können und sich durch den Serienstrom eine Leistungsverteilung über die IFAPs durch Anpassung der Klemmenspannung in den vorgegebenen Grenzen einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß sich auch beim Laden durch den Serienstrom eine Energieverteilung einstellt, um eine maximal schonende Ladung zu erreichen.
Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die IFAPs direkt aneinander gesteckt werden können, wodurch sowohl die elektrischen Energieverbindungen und deren Durchleitung als auch der mechanische Halt erreicht werden. Somit muß die Anwendung nicht zwingend mehrere Aufnahmen für Akkupacks vorhalten.
Verfahren zur Kontrolle der Akkuzellen und der Klemmenspannung ohne weitere äußere Informationen wie Steuersignale, Busse oder andere zusätzliche Informationen. Das Anlegen einer äußeren Arbeitsspannung durch zum Beispiel einen herkömmlichen Akkupack ist ausreichend. Die Leistungsfähigkeit des IFAP wird durch den innenwiderstand an den Klemmen bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand sehr verlustarm durch eine intelligente Regelung des DCDC-Wandlers realisiert wird und nicht über einen ohmschen Widerstand.