BeSchreibung

Titel Elektrischer Energiespeicher

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher, enthaltend mehrere nominell identische Speicherelemente, wobei wenigstens zwei Stränge von seriell verschalteten Speicher- elementen vorliegen und die Stränge parallel verschaltet sind, wobei die Parallelverschaltung an mehreren Stellen der Stränge vorliegt und jeder Strang zumindest zwei Speicherelemente aufweist. Energiespeicher der eingangs genannten Art werden beispielsweise zum Antrieb von kabellosen Werkzeugen, von tragbaren Datenverarbeitungsgeräten oder von Elektrofahr- zeugen verwendet.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Energiespeicher aus mehreren identischen Speicherelementen zusammenzusetzen. Als Speicherelemente kommen dabei insbesondere wiederaufladbare elektrochemische Zellen oder Kondensatoren in Betracht. Sofern der Energiespeicher eine höhere Spannung aufweisen soll, als ein einzelnes Speicherelement, so wird die Spannung des Energiespeichers durch Serienschaltung einzelner Speicherelemente erhöht. Sofern der Energiespeicher eine höhere Gesamtkapazität oder eine höhere Stromlieferfähigkeit aufweisen soll, als ein einzelnes Speicherelement, so werden mehrere Speicherelemente parallel miteinander verschaltet. Weiterhin sind Kombinationen aus Serien- und Parallelverschaltung, gebräuchlich, bei welchen beispielsweise drei seriell miteinander verschaltete Elemente zu drei weiteren seriell miteinander verschalteten Elementen parallel geschaltet sind (3s2p-Konfiguration) . Ein solcher Energiespeicher weist die dreifache Spannung und die doppelte Kapazität eines einzelnen Speicherelementes auf.

In dieser Weise können die bereitgestellte Kapazität, die Stromlieferfähigkeit und die elektrische Spannung des Energiespeichers für die jeweilige Anwendung optimiert werden .

Jedoch weisen auch nominell identische Speicherelemente eine produktionsbedingte Streuung bezüglich ihres Innenwiderstandes und ihrer Kapazität auf. Weiterhin können durch unterschiedliche Temperaturen der einzelnen Speicherelemente, die sich im Betrieb eines Verbundes einstellen, die Parameter der Speicherelemente variieren. Dies betrifft insbesondere den Innenwiderstand des Speicherelementes. Diese Streuung führt dazu, dass einzelne Speicherelemente unter Belastung unterschiedlich tief entladen werden und die Stromstärke zwischen mehreren parallelen Strängen variiert.

Aus der WO 06/03080 A2 ist bekannt, die Parallelverschaltung an mehreren Stellen der Stränge vorzusehen. Die Parallelverschaltung erfolgt dabei möglichst niederohmig, d.h. durch eine ohmsche Leitungsverbindung. Die mehrfache Parallelverschaltung ermöglicht nach Abschluss der Ladung bzw. Entladung einen Ladungsausgleich zwischen unterschiedlich tief entladenen Speicherelementen auf ein gleiches Spannungs-Soll- niveau. Dadurch können Streuungen in der Kapazität einzelner Speicherelemente ausgeglichen werden.

Nachteilig ist an einer solchen Konfiguration jedoch, dass sich Streuungen der Innenwiderstände stärker bemerkbar machen. Während der Ladung bzw. Entladung des Energie- Speichers teilt sich der Strom an jedem Knotenpunkt gemäß dem inversen Verhältnis der Innenwiderstände auf. Dies führt dazu, dass der Strom sich den Weg des geringsten Widerstandes durch den Energiespeicher sucht. Dadurch variieren die Ströme in den einzelnen Speicherelementen des Energiespeichers. Diese unterschiedliche Strombelastung führt zu einer unterschiedlichen thermischen Belastung und damit zu einer zusätzlichen Alterung einzelner Speicherelemente.

Demnach besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine ungleichmäßige Strombelastung einzelner Speicherelemente eines Energiespeichers zu verringern oder zu vermeiden und gleichzeitig einen Ladungsausgleich unterschiedlich tief entladener Speicherelemente zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Energiespeicher, enthaltend mehrere, insbesondere identische, Speicherelemente, wobei wenigstens zwei Stränge von seriell verschalteten Speicherelementen vorliegen und die Stränge parallel verschaltet sind, wobei die Parallelverschaltung an mehreren Stellen der Stränge vorliegt und jeder Strang zumindest zwei Speicherelemente aufweist, wobei zur Parallelverschaltung der Stränge zumindest ein aktives oder passive Bauelement vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung beruht auf dem Grundsatz, mittels mindestens einem aktiven oder passiven Bauelement die Querströme über die zur Parallelverschaltung verwendeten Brücken zu kontrollieren. Einerseits können die Querströme während der Belastung gering gehalten werden, andererseits jedoch in den Ruhephasen ohne Belastung des Energiespeichers ein Ladungsausgleich zwischen einzelnen Speicherelementen ermöglicht werden. Dies kann beispielsweise mittels einem Schaltelement erfolgen, beispielsweise einem Feldeffekttransistor. Dieser kann während der Ladung bzw. Entladung des elektrischen Energiespeichers einen höheren Widerstand annehmen und während der Ruhephasen des Energie- Speichers einen geringeren elektrischen Widerstand aufweisen.

In besonders einfacher Weise kann die Parallelverschaltung von mindestens zwei Speicherelementen zum Ladungsausgleich einen elektrische Widerstand als passives Bauelement aufweisen. Ein solcher elektrischer Widerstand begrenzt die Querströme über die Brücken besonders vorteilhaft, wenn der elektrische Widerstand größer ist als der Innenwiderstand der

Speicherelemente . Dennoch kann ein solcher Widerstand in den Ruhephasen einen weitgehenden Ladungsausgleich zwischen verschiedenen Speicherelementen ermöglichen, wenn die für den Ladungsausgleich benötigte Zeit kurz gegen die durchschnitt- liehe Dauer der Ruhepause ist. Der elektrische Widerstand kann dabei aus einem oder mehreren diskreten Bauelementen gebildet werden. Alternativ kann eine Leitungsverbindung mit einem wunschgemäß erhöhten elektrischen Widerstand eingesetzt werden .

Der erfindungsgemäße Energiespeicher kann besonders vorteilhaft für akkumulatorbetriebene bzw. batteriebetriebene Elektrowerkzeuge und Fahrzeugbatterien, insbesondere für Elektroantriebe, verwendet werden. Beispielsweise können einzelne Speicherelemente einen Lithium-Ionen-Akkumulator, einen Lithium-Polymer-Akkumulator, einen Nickel-Metallhydrid- Akkumulator, einen Nickel-Cadmium-Akkumulator, einen Nickel/Zink-Akkumulator oder einen Doppelschichtkondensator aufweisen. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung eines speziellen Speicherelementes. Vielmehr wird der Fachmann das Speicherelement entsprechend der geforderten Kapazität, der notwendigen Strombelastbarkeit, der erforderlichen Spannung und der Anzahl der seriell und parallel verschalteten Speicherelemente auswählten.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungs- bespielen und Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens erläutert werden.

Dabei zeigt Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines

Energiespeichers, bei welchem zur Parallelverschaltung zweier Stränge drei passive Bauelemente eingesetzt werden.

Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Energie- Speichers, bei welchem die Parallelverschaltung mit mindestens einem aktiven Bauelement ausgeführt ist.

Figur 1 zeigt einen Energiespeicher 1. Der Energiespeicher 1 besteht dabei aus acht einzelnen Speicherelementen 10, 11,

12, 13, 20, 21, 22 und 23. Die einzelnen Speicherelemente umfassen dabei beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren. Fallweise kann der Fachmann auch jedes andere Speicherelement vorsehen, welches seine Anforderungen an Kapazität, Spannung und Stromlieferfähigkeit erfüllt. Obgleich die Speicherelemente 10, 11, 12,

13, 20, 21, 22 und 23 nominell identische Speicherelemente sind, weisen diese Fertigungstoleranzen auf, welche zur

Streuung der elektrischen Kapazität und des Innenwiderstandes führen .

Jeweils vier der acht Speicherelemente sind seriell miteinander verschaltet. So besteht ein erster Strang A aus den Speicherelementen 10, 11, 12 und 13. Ein zweiter Strang B besteht aus den Speicherelementen 20, 21, 22 und 23. Hierdurch weist jeder Strang die vierfache elektrische Spannung der Nennspannung eines einzelnen Speicherelementes 10, 11, 12, 13, 20, 21, 22 und 23 auf. Beide Stränge A und B mit jeweils vier Speicherelementen 10, 11, 12, 13 und 20, 21, 22, 23 sind parallel miteinander verschaltet. Dies bewirkt eine Verdoppelung der Kapazität und der Stromlieferfähigkeit im Vergleich zu den Werten eines einzelnen Speicherelementes.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung von 8 Speicherelementen 10, 11, 12, 13, 20, 21, 22 und 23 oder zwei parallelen Strängen A und B beschränkt ist. Fallweise wird der Fachmann eine größere oder geringere Anzahl von Speicherelementen und/oder eine größere Anzahl parallel verschalteter Stränge vorsehen. Die genaue Anzahl wird anhand des Anforderungsprofils des Energiespeichers 1 festgelegt. Die beiden Stränge A und B sind erfindungsgemäß nicht nur über die jeweiligen Anschlusskontakte 60, 61 des Energiespeichers parallel miteinander verschaltet. Vielmehr weist der Energiespeicher 1 eine Parallelverschaltung an mehreren Stellen der Stränge A und B auf.

Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist eine Parallelverschaltung mittels dreier Widerstandselemente 40, 41 und 42 zwischen jeweils zwei benachbarten Speicherelementen 10, 11, 20, 21 und 11, 12, 21, 22 und 12, 13, 22, 23 vorgesehen. Dies erlaubt einen Ladungsausgleich zwischen allen beteiligten Speicherelementen 10, 11, 12, 13, 20, 21, 22 und 23. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass der Fachmann fallweise auch eine geringere Anzahl von Parallelverschaltungen oder auch zusätzliche Parallelverschaltungen ohne Widerstandselement 40, 41, 42 vorsehen kann. Insbesondere wird der Fachmann dabei den verschlechterten Ladungsausgleich zwischen einzelnen Speicherzellen 10, 11, 12, 13, 20, 21, 22 und 23 und den geringeren Herstellaufwand des Energiespeichers 1 gegeneinander abwägen.

Der Wert der Widerstandselemente 40, 41 und 42 ist dabei so groß, dass während der Belastung des Energiespeichers, d.h. während eines Lade- oder Entladevorgangs, der Strom durch die Widerstandselemente 40, 41 und 42 möglichst gering bleibt.

Andererseits ist der Widerstandswert der Widerstandselemente 40, 41 und 42 so klein gewählt, dass in den Ruhephasen zwischen einzelnen Belastungszyklen ein möglichst vollständiger Ladungsausgleich zwischen einzelnen, parallel verschalteten Speicherelementen erfolgt.

Zur Abschätzung der für den Ladungsausgleich benötigten Zeit kann davon ausgegangen werden, dass für jedes einzelne Speicherelement ein Zusammenhang zwischen seiner Zellspannung U, der entnommenen Ladung Q und der Kapazität des Speicherelementes C besteht. Dieser Zusammenhang führt dazu, dass die Zellspannung U monoton mit der entnommenen Ladungsmenge Q fällt und der Betrag der Steigung der Funktion U(Q) um so größer ist, je kleiner die Kapazität des Speicherelementes ist.

Da auch nominell identische Speicherelemente eine unterschiedliche Kapazität C aufweisen, ändert sich die Zellspannung U bei gleicher entnommener Ladung Q für jedes Speicherelement 10, 11, 13, 20, 21, 22 und 23 des Energie- Speichers 1 unterschiedlich.

Zur vereinfachten Betrachtung des Lade- bzw. Entladevorgangs des Energiespeichers 1 sei angenommen, dass durch die Widerstandselemente 40, 41 und 42 während des Lade- bzw. Entladevorgangs kein Strom fließt und somit keine Ladung Q zwischen den einzelnen Speicherelementen 10, 11, 13, 20, 21, 22 und 23 ausgeglichen wird. In diesem Fall werden bei einer Ladung oder Entladung von einem anfänglich identischen Spannungsniveau bei gleichem Stromfluss I für eine Zeitdauer t durch jeden der parallelen Stränge A und B die Speicherelemente 10, 11, 13, 20, 21, 22 und 23 am Ende eine unterschiedliche Spannung U aufweisen, welche für jedes Speicherelement 10, 11, 13, 20, 21, 22 und 23 durch die Funktion U(Q) gegeben ist, wobei die Ladungsmenge Q ausgehend von einer Anfangsladung Qo linear mit der Zeitdauer t abnimmt, d.h.

Q = Q ₀ + i*t,

Wobei das Vorzeichen des Stromes für eine Lade- und eine Entladesituation wechselt. Die Spannungsdifferenz zwischen parallelen Speicherelementen wird im Folgenden mit δU _P bezeichnet. Nach dem Lade- bzw. Entladevorgang soll jedes Speicherelement 10, 11, 13, 20, 21, 22 und 23 des Energiespeichers 1 innerhalb einer typischen Ruhezeit eine identische Zellenspannung U aufweisen, d.h. δU _P soll 0 werden. Die dafür notwendige Ladungsmenge kann aus der Umkehrfunktion von U(Q), der entnommenen Ladung Q sowie den jeweiligen Einzelkapazitäten, dem Anfangsladezustand und dem Endladezustand der Speicherelemente berechnet werden. Im hier betrachteten Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass die

Streuung σ (C) der Kapazitäten C der Speicherelemente 10, 11, 13, 20, 21, 22 und 23 mit einer Normalverteilung um einen

Mittelwert μ(C) liegen. Dies bedeutet, dass 67 % der Kapazitätswerte C der Speicherelemente 10, 11, 13, 20, 21, 22 und 23 in einem Bereich μ(C)-σ(C)<C<μ(C) +σ(0 liegen. Somit beträgt die benötigte Ladungsmenge δQ zum Ausgleich der Spannungsunterschiede δU _P in etwa σ (C) .

Um den Ausgleich der Spannungsdifferenz δU _P innerhalb einer

Zeitspanne tL durchzuführen, muss ein Ausgleichsstrom fließen .

Gemäß dem ohmschen Gesetz ergibt sich dieser Ausgleichsstrom I _A auch aus dem Quotient der Spannungsdifferenz δU _P und dem Widerstand R der Widerstandselemente 40, 41 und 42. Somit folgt, dass

R o(C) t _L =- AU _C beträgt .

In einem Ausführungsbeispiel soll ein Energiespeicher 1 zur

Verwendung in einem akkubetriebenen Bohr- und Schraubwerkzeug betrachtet werden. Ein solches Gerät zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dieses für jeweils wenige Sekunden betrieben und anschließend für mehrere Minuten bis Stunden nicht betrieben wird. Beispielhaft soll der Energiespeicher 1 aus Lithium-Ionen-Speicherelementen zusammengesetzt werden. Diese haben einen Innenwiderstand R ₁ von etwa 0,04 bis 0,07 ω. Aufgrund der Streuung σ (C) der Kapazitäten C der einzelnen Speicherelemente 10, 11, 13, 20, 21, 22 und 23 von etwa 0,1 Ah (entsprechend 360 As) ergibt sich nach Abschluss einer Belastungsphase eine Spannungsdifferenz zwischen parallelen Speicherelementen von etwa 0,1 bis 0,5 Volt.

Sofern die Spannungsdifferenz nach Abschluss der Belastungsphase innerhalb von 10 Minuten ausgeglichen sein soll, muss

demnach der elektrische Widerstand eines jeden Widerstandselementes 40, 41 und 42 kleiner als 0,8 ω sein. Gleichzeitig entspricht dieser Wert etwa dem 10- bis 20-fachen des Innenwiderstandes der Speicherelemente. Dadurch wird der Stromfluss durch die Widerstandselemente 40, 41 und 42 während der Belastung, d.h. während eines Lade- oder Entladevorgangs des Energiespeichers 1, vernachlässigbar gering.

Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichers 1. Der Energiespeicher 1 gemäß Figur 2 weist insgesamt 6 Speicherelemente 10, 11, 12, 20, 21 und 22 auf. Auch die Speicherelemente 10, 11, 12, 20, 21 und 22 sind nominell identisch, weisen jedoch aufgrund von Fertigungstoleranzen Unterschiede in ihrer Speicherkapazität C und ihrem Innenwiderstand R ₁ auf.

Beispielhaft sind die sechs Speicherelemente aus Figur 2 wieder in zwei Stränge A und B aufgeteilt. Der Strang A enthält dabei drei seriell verschaltete Speicherelemente 10, 11 und 12. Der Strang B enthält weitere drei seriell verschaltete Speicherelemente 20, 21 und 22. Beide Stränge A und B sind parallel miteinander verschaltet um einen Energiespeicher 1 zu bilden. Die Parallelverschaltung ist dabei nicht nur an den Anfangs- und Endkontakten 60 und 61 der Stränge A und B ausgeführt, sondern zumindest an einer weiteren Stelle. Bevorzugt befindet sich zwischen jedem Speicherelement 10, 11, 12, 20, 21 und 22 eine Parallelverschaltung. Bezüglich der Auswahl der Speicherelemente, deren Anzahl, der Anzahl der parallelen Stränge und der Anzahl der Parallelverschaltungen gelten die obigen Ausführungen in Hinblick auf Figur 1 unverändert.

Die Parallelverschaltung wird im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 mittels jeweils eines Feldeffekttransistors 50 und 51 ausgeführt. Der Kanalbereich eines Feldeffekttransistors 50, 51 dient dabei als variabler Widerstand, mit welchem der

Widerstand der Parallelverschaltung während des Betriebs des Energiespeichers geändert werden kann. Im Grenzfall kann der Widerstand eines Kanals eines Feldeffekttransistors 50, 51 so groß werden, dass dieser als Schalter angesehen werden kann, welcher die Parallelverschaltung zwischen zwei benachbarten Strängen, A und B vollständig auftrennt. Diese Widerstandsänderung erfolgt in Abhängigkeit der anliegenden Spannung am Gate-Anschluss 5. Dabei sind sowohl solche Feldeffekttransistoren bekannt, welche bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den Gate-Anschluss 5 den

Widerstand im Kanal erniedrigen, als auch solche, bei welchen der Widerstand durch Anlegen einer Spannung an den Gate- Anschluss 5 erhöht wird.

Als Ausführungsbeispiel sei eine Ausführungsform eines

Energiespeichers 1 betrachtet, bei welcher jeder Feldeffekttransistor 50, 51 einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist, wenn an der Gate-Elektrode 5 keine elektrische Spannung angelegt ist. Dies ist beispielsweise immer dann der Fall, wenn der elektrische Energiespeicher nicht in einem Elektrogerät oder einem Ladegerät eingesetzt ist.

Während einer solchen Lagerzeit können dann Ausgleichsströme, beispielsweise von der Speicherzelle 12 über den Feldeffekt- transistor 50 zur Speicherzelle 22 fließen. In gleicher Weise fließen Ausgleichsströme von der Speicherzelle 11 über den Feldeffekttransistor 51 zur Speicherzelle 21 und von dort über den Feldeffettransistor 50 zur Speicherzelle 11 zurück. Diese Ausgleichsströme bewirken eine Entladung eines Speicherelementes, welches eine größere Ladungsmenge Q aufweist und eine Ladung eines weiteren Speicherelementes mit geringerer Ladungsmenge Q. Die Ausgleichesströme kommen zum erliegen, wenn die Spannungsdifferenz AU _P = 0 geworden ist. Zur Zeitdauer, innerhalb derer der Ladungsausgleich erfolgt ist, gilt die in Hinblick auf Figur 1 gegebene Erklärung weiter .

Beim Lade- bzw. Entladevorgang wird an die Gate-Elektrode 5 eine elektrische Spannung angelegt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Gate-Elektrode 5 mit dem Anschluss eines Elektromotors eines Elektrowerkzeuges gekoppelt wird, in welches der Energiespeicher 1 eingesetzt ist. Beim Einschalten des Elektromotors, d.h. beim Entladen des Energiespeichers 1, liegt dann auch stets eine Spannung an der Gate-Elektrode 5 an.

Das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Gate-Elektrode 5 bewirkt dabei eine Widerstandsänderung der Feldeffekttransistoren 50 und 51. Durch den erhöhten Widerstand während des Lade- bzw. Entladevorgangs fließen nun keine Ausgleichsströme zwischen den parallel verschalteten Strängen A und B. Somit wird jeder Strang und jedes Speicherelement innerhalb des Stranges mit demselben Lade- bzw. Entladestrom belastet. Dadurch wird zuverlässig vermieden, dass ein einzelnes Speicherelement innerhalb des Energiespeichers mit einem größeren Strom belastet wird und damit eine größere thermische Last aufnehmen muss.

Die durch Belastung mit gleichem Entladestrom entstehenden unterschiedlichen Ladungsmengen δQ in den einzelnen Speicherelementen 10, 11, 12, 20, 21 und 22 werden in der nachfolgenden Betriebspause wieder ausgeglichen, indem die

Gate-Elektroden 5 wieder von der Spannungsversorgung getrennt werden. Dadurch wird der Widerstand wieder verringert, so dass Ausgleichsströme zwischen den Speicherelementen fließen können .

Durch solche aktiven, d. h. geschalteten, Bauelemente kann der elektrische Widerstand der Parallelverschaltungen der beiden Stränge A und B jeweils an den Betriebszustand des Energiespeichers 1 angepasst werden. Dies erlaubt kürzere Ausgleichszeiten der Ladungsdifferenzen, ohne dass die

Strombelastbarkeit oder die Gesamtkapazität des Energiespeichers leidet. Weiterhin wird eine unterschiedliche

thermische Erwärmung der einzelnen Speicherelemente 10, 11, 12, 20, 21 und 22 aufgrund unterschiedlicher Strombelastung während des Lade- bzw. Entladevorgangs zuverlässig verhindert .