DE102010024235B4

DE102010024235B4 - Akkumulatorzelle und Batterie

Info

Publication number: DE102010024235B4
Application number: DE102010024235.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Schiemann; Dr. Birke Peter; Carsten Patzelt; Hans-Georg Schweiger; Björn Ripp
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2016-11-10
Anticipated expiration: 2030-06-19
Also published as: WO2011157618A1; EP2583330A1; US20130089761A1; DE102010024235A1; US8993140B2

Abstract

Akkumulatorzelle (51) mit zumindest einer energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und zumindest einer leistungsoptimierten Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c), wobei die leistungsoptimierte Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) so ausgestaltet ist, dass mit ihr eine höhere Leistung erzeugbar ist, als mit der energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und wobei die energieoptimierte Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) so ausgestaltet ist, dass mit ihr eine höhere Energiemenge pro Volumen der energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und/oder pro Masse der energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) speicherbar ist als mit der leistungsoptimierten Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) und wobei die zumindest eine energieoptimierte Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und die zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) in einem gemeinsamen Zellengehäuse (9) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass alle positiven Elektroden (3a, 3b) der energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) mit einem gemeinsamen ersten positiven Ableiter (6) in elektrischem Kontakt stehen und dass alle positiven Elektroden (3c, 4c) der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) mit einem gemeinsamen zweiten positiven Ableiter (7) in Kontakt stehen, wobei der erste positive Ableiter (6) mit dem zweiten positiven Ableiter (7) über zumindest einen Widerstand (11) in elektrischem Kontakt steht oder dass alle negativen Elektroden (4a, 4b) der energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) mit einem gemeinsamen ersten negativen Ableiter (8c) in elektrischem Kontakt stehen und dass alle negativen Elektroden (3c) der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) mit einem gemeinsamen zweiten negativen Ableiter (8b) in Kontakt stehen, wobei der erste negative Ableiter (8c) mit dem zweiten negativen Ableiter (8b) über zumindest einen Widerstand in elektrischem Kontakt steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Akkumulatorzelle mit zumindest einer energieoptimierten Zelleneinheit und zumindest einer leistungsoptimierten Zelleneinheit, die es ermöglicht, in Kraftfahrzeugen für verhältnismäßige kurze Zeiten hohe Leistungen zur Verfügung zu stellen und außerdem eine hohe Nennkapazität und einen hohen Energieinhalt zur Verfügung zu stellen. Die Erfindung betrifft weiter eine Batterie, welche diese Anforderungen erfüllt.
Jedes Kraftfahrzeug braucht zu seinem Betrieb eine jederzeit zu Verfügung stehende elektrische Energiequelle. Diese hat die Aufgabe, z. B. den Anlasser, die Zündanlage, die Scheinwerfer und andere Stromverbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen.
Solange der Verbrennungsmotor mit genügend hoher Drehzahl läuft, steht die vom elektrischen Generator gelieferte elektrische Energie zu Verfügung. Bei stillstehendem Motor, z. B. beim Parken, oder beim Starten ist dagegen eine vom Verbrennungsmotor unabhängige Energiequelle bzw. ein Energiespeicher erforderlich.
Prinzipiell wären hierzu verschiedene Stromquellen geeignet, doch stehen ihrer Verwendung zum Teil technische oder wirtschaftliche Gründe entgegen. Von den verschiedenen Akkumulator-Arten (z. B. Blei-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid, Nickel-Zink, Silber-Zink-Akkumulatoren usw.) hat sich der Blei-Akkumulator wegen seines günstigen Preises, der langen Erfahrung mit der Technologie (seit 1860 erfunden, seit ca. 1915 als Anlasserbatterie eingesetzt) als Starterbatterie für Kraftfahrzeuge durchgesetzt. Auch in vielen anderen Bereichen der Kleintraktion, wie bei Hebebühnen, Krankenrollstühlen, Wohnwagen, Reinigungsmaschinen usw. ist die Blei-Säure-Batterie weit verbreitet. Mit der Entwicklung von neuen Akkumulatorentechnologien, insbesondere der Lithium-Ionen-Technologie, stehen immer mehr technologisch bessere Alternativen zur Ablösung der etablierten Bleibatterie bereit.
Dabei sind die Anforderungen an die Starterbatterie vielseitig. Einerseits soll die Batterie eine möglichst sehr gute Startleistung auch bei Temperaturen von –30°C aufweisen, anderseits aber auch genug Energie/Kapazität haben, um auch nach längerer Standzeit über 6 Wochen das Fahrzeug sicher anzulassen. Zusätzlich wird eine hohe zyklische bzw. kalendarische Lebensdauer gefordert.
Während bei der Blei-Säure-Batterie im Anlasserbereich seit ca. 1915 kontinuierlich Verbesserungen eingeflossen sind, was Leistungsfähigkeit und Lebensdauer betrifft, sind Optimierungen in Richtung Anwendung bei anderen Zellen/Batterien, wie z. B. auf Lithium-Ionen-Basis, bei Weitem noch nicht alle umgesetzt.
Das Problem des Ersatzes der Anlasserbatterie einer Blei-Säure-Batterie durch eine Batterie mit Lithium-Ionen-Zellen besteht darin, dass die aktuellen Zellentypen noch nicht vollständig die Anforderungen an eine Anlasserbatterie erfüllen. Denn aktuell sind Lithium-Ionen-Zellen weitgehend in drei Richtungen für die Produktion in größeren Stückzahlen optimiert. Diese Haupttypen werden im Folgenden mit ihren Haupteigenschaften unter dem Schwerpunkt der Eignung für Anlasserbatterien dargestellt:
Konsumertypen
Diese Lithium-Ionen Zellen werden in standardisierten Gehäusen, meist 18650 oder 26650 (im zylindrischen Gehäuse), hergestellt und haben den Vorteil der großen Verfügbarkeit und niedriger Kosten. Allerdings ist die Hochstromfähigkeit insbesondere bei tiefen Temperaturen bis –25°C begrenzt und die typischen Nennkapazitäten betragen nur ca. 2 bis 3 Ah. Zum Aufbau einer Anlasserbatterie mit ca. 60 Ah werden je nach Zellentyp somit bis zu 120 Zellen (30 parallel × 4 serielle Verschaltung) benötigt, um auch entsprechend Hochstromanforderungen bei Temperaturen auch nur annähernd bis –25°C zu erreichen. Eine entsprechend hohe Anzahl von Zellen bereitet jedoch zusehends Probleme beim mechanischen Aufbau, wie z. B. bei der Kontaktierung und bei der Überwachung aller Zellen. Die Ziele eines geringen Volumen und Gewichts des Batterieblocks, ein Hauptvorteil der Lithium-Ionen-Technologie, sind beim Einsatz von Consumerzellen gegenüber der Blei-Säure-Technologie schwer zu erreichen.
Leistungsoptimierte Zellen
Dieser Zellentyp stellt das Optimum für Anlasserbatterien in Bezug auf hohe Startströme bzw. eine hohe Startleistung dar. Das Design dieser Zelle ist derart über die Anzahl der Elektroden, der Elektrodenstärke sowie Ableitelemente optimiert, dass die Zellen maximale Ströme bis zu 50 C (das 50-fache der Nennkapazität) abgeben können. Die Größe C (auch C-Wert oder C-Rate genannt) gibt den Betrag des Laststromes/Entladestroms bzw. Ladestroms/Entladestroms in Ampere relativ zur (dividiert durch die) nominellen Gesamtkapazität an.
Da jedoch die Leistungsoptimierung über die erhöhte Anzahl an Elektrodenlagen und eine geringere Lagenstärke der Elektrodenlagen erfolgt, zeigt dieser Zellentyp geringere volumetrische als auch gravimetrische Energiedichten als eine energieoptimierte Zelle, die Kapazität pro Masse bzw. Volumen ist also geringer. Dies führt neben höherem Gewicht und höherem Volumen pro Amperestunde zu einer Überdimensionierung der Leistung im Dauerbetrieb.
Energieoptimierte Zellen
Energieoptimierte Zellen stellen das Optimum für Batterien mit Bedarf für hohe Nennkapazitäten bzw. Energieinhalte dar. Das Design dieser Zelle ist über die Lagenstärke der Elektrodenlagen auf hohe gravimetrische und volumetrische Energiedichte optimiert. Allerdings führt diese Optimierung zu relativ höheren Widerständen pro Amperestunde Nennkapazität. Für den Dauerbetrieb im Elektrofahrzeug sind Entladeströme von 1 C bis 3 C typisch, für eine Starterbatterie werden jedoch beim Startvorgang pro Zelle wesentlich höhere Entladeströme benötigt. Dies führt dazu, dass die Anforderungen für die Startströme einer 60 Ah Blei-Säure-Batterie nur erreicht werden, wenn eine sehr hohe Anzahl von energieoptimierten Zellen parallel verschaltet wird. Das Ergebnis ist somit eine Überdimensionierung in Bezug auf Nennkapazität und damit sowohl bei Gewicht, Volumen als auch bei Kosten.
Es soll hier wie folgt zwischen Zellen und Batterien unterschieden werden.
Die Zelle oder auch die galvanische Zelle wandelt chemische in elektrische Energie um. Die galvanische Zelle weist mindestens eine positive und eine negative Elektrode auf, mindestens einen Separator und den Elektrolyt. Dabei werden die Zellen in Primär- und Sekundärzellen unterteilt (aus dem Angelsächsischen primary und secondary battery abgeleitet). Bei Primärzellen wird die chemische Energie in elektrische Energie und nur in diese Richtung umgewandelt. Bei Sekundärelementen ist der Vorgang umkehrbar. Die Kapazität der Zelle wird im Wesentlichen durch ihre Größe (also durch die Größe der Elektroden und die Anzahl der parallelen Verschaltungen der Elektroden in der Zelle) bestimmt, die Zellenspannung ist jedoch stets eine Funktion der grundlegenden Elektrochemie des Elementes. Die Zelle ist das Grundelement für die Verschaltung der einzelnen Zellen zu einer Batterie.
Einzelne Zellen werden zu Batterien (manchmal auch Batteriepacks genannt) verschaltet, um die Spannung (durch Reihenschaltung) bzw. die Kapazität (durch parallele Verschaltung) zu erhöhen. Dabei sind die Zellen elektrisch zu einer Einheit zusammengeschaltet. Die Verschaltung erfolgt über die Zellenpole (äußere Ableitelemente). Dabei können die Zellen zunächst zu kleinen Batterieeinheiten seriell (also in Reihe) verschaltet werden, um den Verschaltungsaufwand bei großen Batteriespannungen entsprechend gering zu ten. Solche kleinen Batterieeinheiten werden auch Batterieblöcke genannt. Bei solchen Blöcken ist jeweils ein Pol der jeweils ersten und letzten Zelle aus dem Blockgehäuse hinausgeführt. Die Verbindung zwischen den Zellen des Blocks wird meistens entsprechend innen (sehr oft durch die Gehäusewand der einzelnen Zellen) ausgeführt. Sehr oft werden Blockeinheiten von 6 V und 12 V im Bereich der Bleisäure-Akkumulatoren verwendet. Der bekannteste Vertreter ist die Anlasserbatterie für Kraftfahrzeuge, wo heutzutage 12 V Blockbatterien anzutreffen sind (früher waren auch 6 V Blockbatterien installiert).
Aus der DE 10 2005 038 351 A1 ist ein elektro-chemischer Energiespeicher bekannt, der ein Gehäuse, einen Elektrolyten, Ableiter und Elektroden umfasst, wobei ein faradayscher Energiespeicher (Batterie) und Doppelschichtkondensator (DLC) miteinander kombiniert sind und sich im gleichen Elektrolytraum befinden.
Zudem betrifft die DE 10 2005 029 836 A1 ein Fahrzeug mit Hybridantrieb, das eine Antriebsbatterie aufweist, die eine leistungsoptimierte Batterie und eine energieoptimierte Batterie umfasst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Akkumulatorzelle und eine Batterie anzugeben, die kostengünstig ist, für kurze Zeiten hohe Stromstärken zur Verfügung stellen kann und gleichzeitig eine hohe Kapazität aufweist. Vorzugsweise ist die Akkumulatorzelle bzw. die Batterie außerdem möglichst leicht, klein und günstig.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Akkumulatorzelle nach Anspruch 1 und die Batterie nach Anspruch 9. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Akkumulatorzelle und der erfindungsgemäßen Batterie an.
Eine erfindungsgemäße Akkumulatorzelle weist zumindest eine energieoptimierte Zelleneinheit und zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit auf. Unter einer Zelleneinheit wird hierbei ein Paar aus einer Anode und einer Kathode sowie die möglichen anderen diesem Paar zugeordneten Bauteile, wie beispielsweise ein Separator, verstanden. Eine Zelleneinheit ist also ein Elektrodenverbund von je einer Kathode und einer Anode sowie vorzugsweise einem Separator.
Hierbei ist die leistungsoptimierte Zelleneinheit so ausgestaltet, dass mit ihr eine höhere Leistung erzeugbar ist, als mit der energieoptimierten Zelleneinheit. Gleichzeitig ist die energieoptimierte Zelleneinheit so ausgestaltet, dass mit ihr eine höhere Energiemenge pro Volumen der energieoptimierten Zelleneinheit und/oder pro Masse der energieoptimierten Zelleneinheit speicherbar ist als mit der leistungsoptimierten Zelleneinheit. Die Masse der Zelleneinheit wird hierbei vor allem durch die zu der Zelleneinheit gehörenden Elektroden bestimmt. Das Volumen der Zelleneinheit wird vor allem über die Abmessungen (Fläche und Dicke) sowie den Abstand der zu der Zelleneinheit gehörenden Elektroden bestimmt.
Für die Verwirklichung der erfindungsgemäßen Idee ist es nicht notwendig, dass die energieoptimierte Zelleneinheit oder die leistungsoptimierte Zelleneinheit auf bestimmte Werte der Energiemenge bzw. Leistung optimiert sind. Entscheidend ist lediglich, dass die leistungsoptimierte Zelleneinheit eine höhere Leistung liefert als die energieoptimierte Zelleneinheit und mit der energieoptimierten Zelleneinheit eine größere Energiemenge speicherbar ist als mit der leistungsoptimierten Zelleneinheit. Bevorzugt sind die Zelleneinheiten Lithium-Ionen-Zelleneinheiten.
Erfindungsgemäß sind die zumindest eine energieoptimierte Zelleneinheit und die zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit in einem gemeinsamen Zellengehäuse angeordnet. Alle Elemente, die innerhalb des Zellengehäuses angeordnet sind, bilden gemeinsam mit dem Zellengehäuse die Akkumulatorzelle. Innerhalb des Zellengehäuses sind die verschiedenen Zelleneinheiten, also leistungs- und energieoptimierte Zelleneinheiten, gemeinsam angeordnet. Bevorzugterweise weist jeweils eine Zelleneinheit zumindest zwei Elektroden mit aktiven Materialien auf, sowie besonders bevorzugt einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator. Eine Zelleneinheit weist dabei jeweils zumindest eine Kathode und zumindest eine Anode auf, die im bevorzugten Fall durch zumindest einen Separator separiert sind. Bevorzugterweise werden jeweils Paare aus einer Kathode und einer Anode als Zelleneinheit verstanden, so dass in dem Fall, dass mehrere energieoptimierte Elektroden und mehrere leistungsoptimierte Elektroden in einer Akkumulatorzelle vorhanden sind, jeweils ein Paar aus Anode und Kathode als eine Zelleneinheit betrachtet wird. Die Akkumulatorzelle weist in diesem Fall mehrere energieoptimierte Zelleneinheiten und/oder mehrere leistungsoptimierte Zelleneinheiten auf.
In der erfindungsgemäßen Akkumulatorzelle sind vorzugsweise alle Elektroden bzw. alle Zelleneinheiten, also die zumindest einen energieoptimierten Zelleneinheiten und die zumindest einen leistungsoptimierten Zelleneinheiten, im gleichen Elektrolyt angeordnet, der Elektrolyt umgibt also alle Zelleneinheiten und kann zwischen verschiedenen Zelleneinheiten fließen.
Bevorzugterweise unterscheiden sich energieoptimierte Zelleneinheiten und leistungsoptimierte Zelleneinheiten in der Stärke ihrer Elektroden. Die Elektroden sind hierbei flächig ausgestaltet, wobei besonders bevorzugt ihre Fläche rechteckig ist. Die Dicke der Elektrode ist jene Ausdehnung der Elektrode senkrecht zu ihrer flächigen Ausdehnung. Bevorzugterweise haben die Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten eine größere Dicke als die Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten. Entsprechend haben also die leistungsoptimierten Zelleneinheiten eine geringere Dicke als die Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten. Erfindungsgemäß werden also vorzugsweise jeweils auf Ebene der Akkumulatorzellen Elektroden mit optimierten Elektrodenstärken in einem gemeinsamen Zellengehäuse kombiniert.
Vorzugsweise sind innerhalb des gemeinsamen Zellengehäuses die Zelleneinheiten mit parallelen Ebenen ihrer Elektroden übereinander angeordnet. Die Ebene der Elektrode ist hierbei jene Ebene, in welcher sich die Elektrode flächig ausdehnt.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle eine Mehrzahl von energieoptimierten Zelleneinheiten und eine Mehrzahl von leistungsoptimierten Zelleneinheiten auf, was bedeutet, dass die Akkumulatorzelle mehrere energieoptimierte Kathoden und entsprechende Anoden sowie mehrere leistungsoptimierte Kathoden und Anoden aufweist. Ein Paar aus Anode und Kathode wird hierbei jeweils als eine Zelleneinheit angesehen.
Bevorzugterweise ist dann zumindest eine der energieoptimierten Zelleneinheiten zwischen zweien der leistungsoptimierten Zelleneinheiten angeordnet und/oder es ist zumindest eine der leistungsoptimierten Zelleneinheiten zwischen zweien der energieoptimierten Zelleneinheiten angeordnet. Insbesondere können leistungsoptimierte und energieoptimierte Zelleneinheiten abwechselnd nebeneinander angeordnet sein.
Es ist bevorzugt, wenn die leistungsoptimierten Zelleneinheiten zueinander parallel geschaltet sind und/oder die energieoptimierten Zelleneinheiten zueinander parallel geschaltet sind.
Erfindungsgemäß stehen alle positiven Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen ersten positiven Ableiter in elektrischem Kontakt und alle positiven Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten stehen mit einem gemeinsamen zweiten positiven Ableiter in Kontakt. Hierdurch sind die jeweiligen Zelleneinheiten von außen gemeinsam kontaktierbar. Hierbei steht der erste positive Ableiter, der die energieoptimierten Zelleneinheiten miteinander verbindet, mit dem zweiten positiven Ableiter, der die leistungsoptimierten Zelleneinheiten miteinander verbindet, über zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über einen Widerstand, in elektrischem Kontakt. Zudem steht alle negativen Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen ersten negativen Ableiter in elektrischem Kontakt stehen und alle negativen Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten stehen mit einem gemeinsamen zweiten negativen Ableiter in elektrischem Kontakt. Hierbei der erste negative Ableiter mit dem zweiten negativen Ableiter über zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über zumindest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt steht. Die negativen Ableiter können aber auch unmittelbar in Kontakt stehen
Über die Widerstände können Ausgleichströme zwischen energieoptimierten und leistungsoptimierten Zelleneinheiten begrenzt werden. Aufgrund der bei der Entladung auftretenden Unterschiede in der Entladungstiefe bezogen auf die Nennkapazität zwischen den einzelnen Zelleneinheiten bedingt durch die unterschiedlichen Strombelastungen würde es zwischen den Zelleneinheiten zu Ausgleichströmen mit sehr hohen Stromspitzen während der Ruhephase kommen. Mittels der beschriebenen Widerstände können diese Ausgleichströme begrenzt werden.
Es kann ein äußeres positives und/oder negatives Ableitelement mit dem gemeinsamen positiven bzw. negativen Ableiter der Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten in unmittelbarem elektrischem Kontakt stehen. Es ist auch möglich, dass ein äußeres positives und/oder negatives Ableitelement mit dem gemeinsamen positiven oder negativen Ableiter der Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten in unmittelbarem elektrischem Kontakt steht.
Die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle kann als Baukastensystem ausgestaltet sein, wobei unterschiedliche Elektrodenarten in einem gemeinsamen Zellengehäuse kombiniert werden und in dem Zellengehäuse im Hinblick auf die Anwendungsanforderungen optimiert werden. Wie weiter unten im Detail beschrieben wird, wird erfindungsgemäß auch eine Batterie angegeben, bei der verschiedene Akkumulatorzellen (insbesondere leistungsoptimierte und energieoptimierte) in einem Gehäuse miteinander verschaltet werden, wodurch ebenfalls eine Ausgestaltung und Optimierung der Batterie im Hinblick auf die Anforderungen der Anwendung ermöglicht wird. Eine mögliche Anwendung der erfindungsgemäßen Akkumulatorzelle und der erfindungsgemäßen Batterie sind z. B. Anlasserbatterien und Kleintraktionsbatterien auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie.
Wie bereits beschrieben, sind die Elektroden vorzugsweise plattenförmig. Die Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten haben dabei bevorzugt eine Dicke von ≥ 10 μm, vorzugsweise ≥ 50 μm, besonders bevorzugt ≥ 100 μm und/oder ≤ 200 μm, vorzugsweise ≤ 150 μm, besonders bevorzugt ≤ 120 μm. Die Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten haben vorzugsweise eine Dicke von ≥ 1 μm, vorzugsweise ≥ 10 μm, besonders bevorzugt ≥ 15 μm und/oder ≤ 30 μm, vorzugsweise ≤ 25 μm, besonders bevorzugt ≤ 20 μm. Bevorzugterweise haben die Elektroden der energieoptimierten und/oder leistungsoptimierten Zelleneinheiten rechteckige Plattenflächen. Dabei liegt die Länge und/oder die Breite der Plattenfläche vorzugsweise im Bereich ≥ 2 cm, vorzugsweise ≥ 10 cm, besonders bevorzugt ≥ 20 cm und/oder ≤ 40 cm, vorzugsweise ≤ 30 cm, besonders bevorzugt ≤ 25 cm.
Mit der zumindest einen leistungsoptimierten Zelleneinheit ist vorzugsweise eine Stromrate bezogen auf eine Nominalkapazität C von ≥ 20 C, vorzugsweise ≥ 30 C, besonders bevorzugt ≥ 40 C und/oder ≤ 80 C, vorzugsweise ≤ 70 C, besonders bevorzugt ≤ 60 C erzeugbar. Mit der mindestens einen energieoptimierten Zelleneinheit ist vorzugsweise eine Leistung von ≥ 1 C, vorzugsweise ≥ 3 C, besonders bevorzugt ≥ 5 C und/oder ≤ 10 C, vorzugsweise ≤ 8 C, besonders bevorzugt ≤ 6 C erzeugbar.
Die Kapazität einer Batterie ist die unter den jeweiligen Bedingungen entnehmbare Ladungsmenge in der Einheit Amperestunden [Ah].
Der Energieinhalt einer Batterie ist die unter den jeweiligen Bedingungen entnehmbare Energiemenge in der Einheit Wattstunden [Wh].
Die Werte der Kapazität und des Energieinhaltes können noch von weiteren Bedingungen und Umgebungsfaktoren abhängig sein.
Derartige Bedingungen können sein: Temperatur, Entladestrom, Entladeschlussspannung, Ladezustand der Batterie und Alterungsfortschritt der Batterie.
Die Nennkapazität gibt an, wie viel Ladung der voll geladenen Batterie (Ladezustand 100%) bei einer definierten Entladedauer (t_N) von z. B. einer Stunde mit einem definierten Strom (I_N) bei einer definierten Temperatur (T_N) bis zu einer Endspannung/Entladeschlussspannung (U_s oder U_f) (Ladezustand von nahezu 0%) entnommen werden kann.
Zum Beispiel kann für eine Lithium-Ionen-Zelle gelten: C_N = 5,5 Ah, t_N = 1 h, I_N = 5,5 Ampere, U_s = 2,5 V, T_N = 25°C
C-Rate:
C-Rate oder auch der C-Wert gibt den Betrag des Laststromes/Entladestroms bzw. Ladestroms/Entladestroms in Ampere relativ zur (dividiert durch die) nominellen Gesamtkapazität an. Die Angabe einer C-Rate bzw. eines C-Wertes setzt sich immer mehr durch, denn dadurch kann der Einsatzzweck des Akkumulators sehr gut definiert werden.
Zum Beispiel kann eine Batterie für Hybridanwendungen eine – 3,6 V Lithium-Ionen-Zelle sein bei 5,5 Ah Nennkapazität und Entladestromrate C/1, d. h. 5,5 Ampere Entladestrom über eine Dauer von 1 Stunde bis zu einer Entladeschlussspannung von 2,5 V.
Die Erfindung betrifft weiter eine Batterie mit zumindest zwei verschiedenen Akkumulatorzellen. Es werden dabei zumindest zwei verschiedene Akkumulatorzellen aus zumindest einer leistungsoptimierten Akkumulatorzelle, zumindest einer energieoptimierten Akkumulatorzelle und zumindest einer Consumer-Akkumulatorzelle ausgewählt. Auf Batterieebene werden also verschiedene Arten von Zellen in einem gemeinsamen Batteriegehäuse untergebracht. Hierbei können die Anforderungen der Batterie in Bezug auf die Leistungsabgabe und gespeicherte Energie untersucht werden und eine maßgeschneiderte Lösung jeweils auf Zellen- bzw. Batterieebene erstellt werden, die die Anforderungen optimal erfüllt. Dabei ist mit der leistungsoptimierten Akkumulatorzelle eine höhere Leistung erzeugbar, als mit der energieoptimierten Akkumulatorzelle und als mit der Consumer-Akkumulatorzelle. Mit der energieoptimierten Akkumulatorzelle ist eine höhere Energiemenge pro Volumen der energieoptimierten Akkumulatorzelle und/oder pro Masse der energieoptimierten Akkumulatorzelle speicherbar als mit der leistungsoptimierten Akkumulatorzelle und als mit der Consumer-Akkumulatorzelle. Dabei stehen alle positiven Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen ersten positiven Ableiter in elektrischem Kontakt und alle positiven Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen zweiten positiven Ableiter in Kontakt, wobei der erste positive Ableiter mit dem zweiten positiven Ableiter über zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über zumindest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt steht oder wobei alle negativen Elektroden der energieoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen ersten negativen Ableiter in elektrischem Kontakt stehen und wobei alle negativen Elektroden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten mit einem gemeinsamen zweiten negativen Ableiter in Kontakt stehen, wobei der erste negative Ableiter mit dem zweiten negativen Ableiter über zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über zumindest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt steht. Wiederum kommt es nicht auf die absoluten Leistungen und Energiemengen an, sondern vielmehr auf deren Verhältnis zueinander in den unterschiedlichen Akkumulatorzellen, welche die Batterie bilden. Unter Consumer-Akkumulatorzellen werden Akkumulatorzellen verstanden, die in standardisierten Gehäusen, meist 18650 oder 26650 (zylindrisches Gehäuse) hergestellt werden. Solche Akkumulatorzellen haben den Vorteil großer Verfügbarkeit und niedriger Kosten. Allerdings ist die Hochstromfähigkeit insbesondere bei tiefen Temperaturen unter –25°C begrenzt und typische Nennkapazitäten betragen nur 2 bis 3 Ah.
Unter einer Consumerzelle können also in Massenfertigung hergestellten Akkumulatoren mit geringen Kosten verstanden werden, die vorwiegend in nicht industriellen Bereich bzw. nicht professionellen Bereich Ihre Anwendung finden, wie z. B. in Laptop Batterien/Power Tools/tragbarer Consumer Elektronik wie Fotokameras. Gekennzeichnet sind die Akkumulatoren durch Massenfertigung und geringen Preis aufgrund der hohen Vereinheitlichung der Abmessungen.
Erfindungsgemäß sind die zumindest zwei verschiedenen Akkumulatorzellen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Normalerweise kann jede Akkumulatorzelle darüber hinaus auch noch über ein eigenes Gehäuse verfügen.
Eine bevorzugte Anordnung sieht vor, dass die Akkumulatorzellen flächig ausgedehnt sind, was heißt, dass sie in einer Ebene deutlich weiter ausgedehnt sind, als in der senkrecht zu dieser Ebene stehenden Dicke. Hierbei sind dann bevorzugt eine Mehrzahl von Akkumulatorzellen des einen Typs und eine Mehrzahl von Akkumulatorzellen eines anderen Typs in der Batterie vorhanden, wobei zumindest eine der Akkumulatorzellen des einen Typs zwischen zwei Akkumulatorzellen zumindest eines anderen Typs angeordnet ist. Insbesondere können hier die Akkumulatorzellen verschiedenen Typs abwechselnd nebeneinander angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Akkumulatorzellen mit parallelen Flächen, in welchen sie sich flächig ausdehnen, übereinander angeordnet.
Bevorzugterweise wird die Batterie mit leistungsoptimierten Akkumulatorzellen und energieoptimierten Akkumulatorzellen realisiert. Dabei kann dann vorzugsweise ein positiver Anschluss der energieoptimierten Akkumulatorzellen mit einem positiven Anschluss der zumindest einen leistungsoptimierten Akkumulatorzelle über zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über zumindest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt stehen, wobei vorzugsweise ein äußerer positiver Anschluss der Batterie mit dem positiven Anschluss der leistungsoptimierten Akkumulatorzelle oder mit dem positiven Anschluss der zumindest einen energieoptimierten Akkumulatorzelle in unmittelbarem elektrischem Kontakt steht. Besonders bevorzugt steht der positive Anschluss der energieoptimierten Akkumulatorzelle mit dem äußeren Anschluss über den zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über den zumindest einen Widerstand in elektrischem Kontakt. Es ist auch möglich, dass ein negativer Anschluss der zumindest einen energieoptimierten Akkumulatorzelle mit einem negativen Anschluss der zumindest einen leistungsoptimierten Akkumulatorzelle über zumindest einen Widerstand, vorzugsweise über nur zumindest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt steht. Auch hier ist vorzugsweise ein äußerer negativer Anschluss der Batterie mit dem negativen Anschluss der leistungsoptimierten Akkumulatorzelle in unmittelbarem elektrischem Kontakt. Weiter bevorzugt ist auch hier der negative Anschluss der energieoptimierten Akkumulatorzellen mit dem äußeren Anschluss über den zumindest einen Widerstand, vorzugsweise nur über den zumindest einen Widerstand, in elektrischem Kontakt. Auch hier hat der Widerstand den vorteilhaften Effekt, dass Ausgleichströme zwischen energieoptimierten und leistungsoptimierten Zellen begrenzt werden. Aufgrund der bei der Entladung auftretenden Unterschiede in der Entladungstiefe bezogen auf die Nennkapazität zwischen den einzelnen Zellen bedingt durch die unterschiedlichen Strombelastungen würde es zwischen den Zellen zu Ausgleichströmen mit sehr hohen Stromspitzen während der Ruhephase kommen. Mittels der beschriebenen Widerstände können diese Ausgleichströme begrenzt werden.
In der Batterie ist es möglich, dass der Widerstand innerhalb oder außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist, in welchem die Akkumulatorzellen untergebracht sind. Die Akkumulatorzellen je eines Typs, also energieoptimiert, leistungsoptimiert und Consumer-Typ, können nach außerhalb des Batteriegehäuses jeweils einen gemeinsamen Kontakt aufweisen. Ist der Widerstand außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet, so kann er zwischen den entsprechenden dieser gemeinsamen Kontakte angeordnet sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist die zumindest eine leistungsoptimierte Akkumulatorzelle mit der zumindest einen energieoptimierten Akkumulatorzelle über einen DC/DC-Wandler elektrisch kontaktiert. Hierbei können die leistungsoptimierten Akkumulatorzellen und/oder die energieoptimierten Akkumulatorzellen einen leistungsoptimierten Block oder einen energieoptimierten Block bilden, wobei der entsprechende Block parallel zum DC/DC-Wandler geschaltet ist, so dass die Blöcke über den DC/DC-Wandler in Kontakt stehen. Innerhalb eines Blocks können mehrere Akkumulatorzellen des entsprechenden Typs parallel und/oder in Reihe geschaltet vorliegen. Der DC/DC-Wandler wandelt die Spannung des einen Blocks auf jene der anderen Blocks, beispielsweise die Spannung der energieoptimierten Akkumulatorzelle auf die Spannung der leistungsoptimierten Akkumulatorzelle.
Bevorzugterweise weist die zumindest eine leistungsoptimierte Akkumulatorzelle eine Nennkapazität von ≥ 1 Ah, vorzugsweise ≥ 2 Ah, besonders bevorzugt ≥ 4 Ah, besonders bevorzugt ≥ 5,5 Ah und/oder ≤ 10 Ah, vorzugsweise s 8 Ah, besonders bevorzugt 6 Ah auf. Die zumindest eine energieoptimierte Akkumulatorzelle hat vorzugsweise eine Nennkapazität ≥ 20 Ah, vorzugsweise ≥ 30 Ah, besonders bevorzugt ≥ 40 Ah und/oder ≤ 200 Ah, vorzugsweise ≤ 150 Ah, besonders bevorzugt ≤ 100 Ah, besonders bevorzugt ≤ 50 Ah.
Es ist bevorzugt, wenn alle Akkumulatorzellen elektrochemisch gleich aufgebaut sind, insbesondere wenn das Anodenmaterial, das Kathodenmaterial und der Elektrolyt in allen verwendeten Akkumulatorzellen identisch sind. Hierdurch können dauerhafte Potentialdifferenzen zwischen den Zellen aufgrund verschiedener Zellenpotentiale und eine Überladung oder Unterladung der Zellen aufgrund verschiedener Arbeitsfenster für die Zellenspannung vermieden werden.
Es ist möglich, die Anschlüsse der energieoptimierten Zellen und der leistungsoptimierten Zellen getrennt aus dem Batteriegehäuse über vier Pole nach außen zu führen. Außerhalb des Batteriegehäuses gibt es also vier Pole bzw. Anschlüsse, wobei ein Pol ein positiver Anschluss der leistungsoptimierten Zellen ist, einer ein negativer Anschluss der leistungsoptimierten Zellen, ein weiterer Pol ist ein positiver Anschluss der energieoptimierten Zellen und ein Pol ist ein negativer Anschluss der energieoptimierten Zellen. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich die Möglichkeit, die leistungsoptimierten Zellen je nach einer Höhe des Belastungsstroms über eine schnelle Messung mit einem Stromintegrator oder Komparator/Shunt zuzuschalten bzw. abzuschalten, um die energieoptimierten Zellen nicht mit hohen Entladeströmen zu überlasten und/oder die leistungsoptimierten Zellen nicht fortwährend dem zyklischen Betrieb auszusetzen. Hierdurch lässt sich die Lebensdauer des Gesamtsystems verlängern.
Das Vorsehen eines DC/DC-Wandlers ermöglicht es, Akkumulatorzellen mit unterschiedlichen Anoden- und/oder Kathodenmaterialien mit entsprechenden Spannungen zu verwenden. So können z. B. Anoden- und Kathodenmaterialien der energieoptimierten Akkumulatorzellen andere Materialien aufweisen, als Anoden und Kathoden der leistungsoptimierten Akkumulatorzellen. Auf diese Weise ist es möglich, Zellen nicht nur über ihren mechanischen Aufbau zu energie- und leistungsoptimieren, vielmehr ist es auch möglich, die Zellen über ihre elektrochemischen Eigenschaften zu optimieren. Es kann also eine energieoptimierte Akkumulatorzelle eine andere Elektrochemie aufweisen als eine leistungsoptimierte Akkumulatorzelle.
Die Zelleneinheiten der erfindungsgemäßen Akkumulatorzelle und/oder die Akkumulatorzellen der erfindungsgemäßen Batterie sind vorzugsweise Lithium-Ionen-Zellen bzw. Lithium-Ionen-Zelleneinheiten.
Durch das erfindungsgemäße Baukastensystem auf Zellen- bzw. auf Batterieebene in einem gemeinsamen Zellengehäuse bzw. Batteriegehäuse ergibt sich die Möglichkeit eines flexiblen Designs im Hinblick auf die Anwendung, die für die Batterie vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Batterie kann daher z. B. eine Anlasserbatterie oder eine Kleintraktionsbatterie sein. Entsprechend kann die Akkumulatorzelle gemäß der Erfindung eine Akkumulatorzelle einer Anlasserbatterie und/oder einer Kleintraktionsbatterie sein.
Die Erfindung ermöglicht also den Einsatz verschiedener Akkumulatorzellen bzw. Zelleneinheiten, die im Hinblick auf Energie und/oder Leistung sowie Anoden- und/oder Kathodenmaterialien optimiert sind. Die Akkumulatorzellen bzw. Zelleneinheiten können in unterschiedlicher Anzahl von Parallelverschaltungen auf Zellenebene in einem Zellengehäuse bzw. in einem Batteriegehäuse zum Erreichen der optimalen Eigenschaften im Hinblick auf Leistung, Energie, Gewicht und/oder Kosten gestaltet sein. Es ist möglich, unterschiedliche Akkumulatorzellentypen, wie leistungsoptimierte, energieoptimierte und preisoptimierte in einem gemeinsamen Batteriegehäuse zu einer Batterie zu verschalten und dabei die Batterie auch im Hinblick auf Kosten, Gewicht und Volumen zu optimieren. Der bevorzugte Einsatz von DC/DC-Wandlern führt zu einer weiteren Kosten- und/oder Gewichtsoptimierung, da hier auch Einzelakkumulatorzellen mit unterschiedlichen Spannungslagen aufgrund von unterschiedlichen Kathoden- und/oder Anodenmaterialien möglich sind.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können auch unabhängig vom konkreten Beispiel in anderen Ausgestaltungen der Erfindung realisiert sein und beliebig untereinander kombiniert werden.
Es zeigt
1 eine erfindungsgemäße Akkumulatorzelle im Schnitt;
2 ein Zellengehäuse mit Ableitelementen einer erfindungsgemäßen Akkumulatorzelle;
3 eine weitere erfindungsgemäße Akkumulatorzelle im Schnitt;
4 ein Zellengehäuse, wie es für die in 3 gezeigte Akkumulatorzelle einsetzbar ist;
5 ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Batterie mit vier leistungsoptimierten und einer energieoptimierten Akkumulatorzelle;
6 eine erfindungsgemäße Batterie mit vier leistungsoptimierten Akkumulatorzellen und zwei energieoptimierten Akkumulatorzellen;
7 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Batterie;
8 eine erfindungsgemäße Batterie mit einem DC/DC-Wandler und
9 den prinzipiellen Aufbau eines DC/DC-Wandlers
1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Akkumulatorzelle mit einer Vielzahl von Zelleneinheiten 1a, 1b, 1c, 2c. Die Zelleneinheiten 1a, 1b, 1c, 2c weisen jeweils eine Kathode 3a, 3b, 3c sowie eine Anode 4a, 4b, 4c auf. Die Anode und die Kathode einer gegebenen Zelleneinheit 1a, 1b, 1c, 2c sind jeweils durch einen Separator 5a, 5b, 5c separiert. Die gezeigte Akkumulatorzelle weist einerseits energieoptimierte Zelleneinheiten 1a, 1b, 1c auf und andererseits leistungsoptimierte Zelleneinheiten, 2c. Dabei haben die Elektroden 3a, 3b, 4a, 4b der energieoptimierten Zelleneinheiten 1a, 1b, 1c eine größere Dicke als die Elektroden 3c, 4c der leistungsoptimierten Zelleneinheiten 2c.
Die Anoden 4a, 4b werden jeweils durch einen Kupferableiter, 8b elektrisch kontaktiert, der in einem gemeinsamen Ableiter 8c zusammengeführt wird und nach außen durch ein äußeres Ableitelement 8 kontaktierbar ist.
Die Kathoden werden jeweils durch Aluminiumableiter 6a, 6b, 7a, 7b kontaktiert. Dabei werden alle Ableiter 6a, 6b der energieoptimierten Zelleneinheiten 1a, 1b, 1c in einen gemeinsamen Ableiter 6 innerhalb des Gehäuses 9 zusammengeführt. Alle Ableiter 7a, 7b der leistungsoptimierten Zelleneinheiten 2c werden innerhalb des Gehäuses 9 in einem gemeinsamen Ableiter 7 zusammengeführt. Ein äußeres Ableitelement 10 zur Kontaktierung der Kathoden ist elektrisch unmittelbar mit den Ableitern 7a, 7b bzw. dem gemeinsamen Ableiter 7 der leistungsoptimierten Zelleneinheiten verbunden. Die Ableiter 6a, 6b bzw. der gemeinsame Ableiter 6 der energieoptimierten Zelleneinheiten 1a, 1b, 1c ist mit dem äußeren Ableitelement über einen Widerstand 11 elektrisch kontaktiert.
Erfindungsgemäß sind alle Zelleneinheiten 1a, 1b, 1c, 2c in einem gemeinsamen Gehäuse 9 angeordnet, wobei jedoch die einzelnen Zelleneinheiten 1a, 1b, 1c, 2a, 2b, 2c ihrerseits nicht in einzelnen Gehäusen angeordnet sind. Es gibt also nur ein Gehäuse 9, in dem alle Zelleneinheiten 1a, 1b, 1c, 2c angeordnet sind.
Im gezeigten Beispiel sind die Elektroden flächig ausgedehnt mit zueinander parallelen Flächen übereinander angeordnet. Ein Ableiter 6a, 6b, 7a, 7b kontaktiert die entsprechende Elektrode 3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c jeweils in einer Mitte in Richtung der Dicke. Zwischen je einer Anode und der benachbarten Kathode ist ein Separator 5a, 5b, 5c angeordnet.
Das Zellengehäuse kann beispielsweise Aluminiumverbundfolie aufweisen oder daraus bestehen.
Der Widerstand 11 ist gegenüber einem Elektrolyten im Inneren des Gehäuses 9 elektrisch isoliert. Der Elektrolyt umgibt alle Zelleneinheiten 1a, 1b, 1c, 2c, alle Zelleneinheiten liegen also im gleichen Elektrolyten vor.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Akkumulatorzelle, wie sie in 1 gezeigt ist, in Außenansicht. Das Zellengehäuse 9 ist hierbei rechteckig mit abgerundeten Ecken ausgestaltet und erstreckt sich in der Figurenebene im Wesentlichen flächig. An gegenüber liegenden Seiten des Zellengehäuses 9 ist zum einen das positive Ableitelement 10 und zum anderen das negative Ableitelement 8 angeordnet, die hier als rechteckige Kontakte ausgebildet sind, die sich in der Figurenebene und damit in der Ebene der Flächenausdehnung des Gehäuses 9 im Wesentlichen flächig erstrecken.
3 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Akkumulatorzelle in einer Schnittansicht. Wie in dem in 1 gezeigten Beispiel weist die Akkumulatorzelle drei energieoptimierte Zelleneinheiten 1a, 1c sowie fünf leistungsoptimierte Zelleneinheiten 2a, 2b auf. Jede der Zelleneinheiten weist eine Kathode 3a, 3b sowie eine Anode 4a, 4b auf. Wiederum sind alle Kathoden jeweils über einen Ableiter 6a, 6b, 7a, 7b kontaktiert und alle Anoden durch Ableiter 8a, 8b. Anders als in dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Zelleneinheiten des gleichen Typs von außen gemeinsam und unabhängig von den Zelleneinheiten des anderen Typs kontaktierbar. Hierzu sind die Kathoden-Ableiter 6a, 6b mit einem gemeinsamen Ableiter 6c verbunden, der mit einem äußeren Ableiter 6 elektrisch kontaktiert ist, über welches die energieoptimierten Elektroden von außen kontaktierbar sind. Die Kathodenableiter 7a, 7b der leistungsoptimierten Zelleneinheiten sind in einem gemeinsamen Ableiter 7c innerhalb des Gehäuses zusammengeführt und über ein Ableiter (auch bezeichnet als äußeres Ableitelement) 7 von außen kontaktierbar.
Entsprechend sind die Anodenableiter 8a, 8b der energieoptimierten Zelleneinheit von außen über einen gemeinsamen äußeren Ableiter 8b gemeinsam elektrisch kontaktierbar und die Anodenableiter der leistungsoptimierten Zelleneinheiten 2a, 2b sind über ein äußeres Ableitelement 8e gemeinsam kontaktierbar.
Wie auch in 1 ist ein Widerstand 11 vorgesehen, über welchen die Kathoden der energieoptimierten Zelleneinheiten mit den Kathoden der leistungsoptimierten Zelleneinheiten kontaktiert sind. Während jedoch der Widerstand 11 in 1 innerhalb des Gehäuses 9 angeordnet ist, ist er in 3 außerhalb des Zellengehäuses 9 angeordnet. Die in 3 gezeigte Ausführungsform, in welcher die energieoptimierten und leistungsoptimierten Zelleneinheiten von außen unabhängig kontaktierbar sind, ist besonders vorteilhaft, wenn die leistungsoptimierten Zellen abhängig von einem Belastungsstrom zu- oder abschaltbar sein sollen. Hierzu kann mittels einer nicht gezeigten Vorrichtung der Belastungsstrom gemessen werden und mittels eines nicht gezeigten Schalters die leistungsoptimierten Zelleneinheiten zu- oder abgeschaltet werden. In dieser Ausführungsform wäre der Widerstand 11 nicht gegeben.
4 zeigt eine Außenansicht der in 3 gezeigten Akkumulatorzelle. Das Gehäuse 9 ist hierbei wiederum rechteckig und in der Figurenebene flächig ausgedehnt ausgestaltet. Die Ecken sind wiederum abgerundet. Es sind nun zwei positive äußere Ableiter 6 und 7 sowie zwei negative äußere Ableitelemente 8d und 8e vorgesehen. Dabei sind über den äußeren Ableiter 6 und den äußeren Ableiter 8d die energieoptimierten Zelleneinheiten kontaktierbar und über das äußere Ableitelement 7 und das äußere Ableitelement 8e die leistungsoptimierten Zelleneinheiten. Zwischen den äußeren Ableitern 6 und 7 ist der Widerstand 11 angeordnet.
5 zeigt ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Batterie. Die Batterie weist hierbei in einem nicht gezeigten gemeinsamen Batteriegehäuse vier leistungsoptimierte Akkumulatorzellen 52a, 52b, 52c, 52d auf, die jeweils eine Kapazität von 5,5 Ah haben. Die Batterie weist darüber hinaus eine energieoptimierte Akkumulatorzelle 51 auf, die im gezeigten Beispiel eine Kapazität von 40 Ah hat. Die Batterie weist einen positiven Pol 53 sowie einen negativen Pol 54 auf. Innerhalb der Batterie sind die leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a–52d zueinander parallel geschaltet. Die energieoptimierte Akkumulatorzelle 51 ist parallel geschaltet zu der Parallelschaltung aus den leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a–52d. Dabei ist jedoch der positive Pol 53 der Batterie mit den positiven Anschlüssen der leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a–52d elektrisch unmittelbar kontaktiert, während der positive Pol der energieoptimierten Akkumulatorzelle mit dem positiven Pol 53 der Batterie über einen Vorwiderstand 11 kontaktiert ist. Die gezeigte Batterie hat eine Nennkapazität von mehr als 60 Ah.
6 zeigt ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Batterie, die aus vier leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a, 52b, 52c, 52d sowie zwei energieoptimierten Akkumulatorzellen 51a, 51b aufgebaut ist. Die leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a–52d haben wiederum jeweils eine Kapazität von 5,5 Ah. Die energieoptimierten Zelleneinheiten 51a, 51b haben jeweils eine Kapazität von 22 Ah. Wie in 5 sind die leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a–52d zueinander parallel geschaltet. Die energieoptimierten Zelleneinheiten 51a und 51b sind ebenfalls zueinander parallel geschaltet. Darüber hinaus ist die Parallelschaltung aus den energieoptimierten Zelleneinheiten 51a, 51b zu der Parallelschaltung aus den leistungsoptimierten Zelleneinheiten 52a–52d parallel geschaltet. Hierbei ist der positive Pol 53 der Batterie unmittelbar mit den positiven Polen der leistungsoptimierten Zelleneinheiten 52a–52d kontaktiert, während der positive Pol der energieoptimierten Zelleneinheiten 51a, 51b über einen Vorwiderstand 11 mit dem positiven Pol 53 der Batterie kontaktiert ist. Wie auch in 5 sind die negativen Pole der leistungsoptimierten Zelleneinheiten 52a–52d sowie die negativen Pole der energieoptimierten Zelleneinheiten 51a, 51b mit dem negativen Anschluss 54 der Batterie unmittelbar kontaktiert.
Sowohl in 5 als auch in 6 können, was hier jedoch nicht gezeigt ist, auch Consumer-Typ-Akkumulatorzellen vorgesehen sein, die entsprechend den gezeigten Akkumulatorzellen zueinander parallel geschaltet sein können und zu Akkumulatorzellen anderen Typs ebenfalls parallel geschaltet sein können, wobei gegebenenfalls weitere Vorwiderstände zwischen den Parallelschaltungen der Consumer-Typ-Akkumulatorzellen und Akkumulatorzellen anderen Typs vorgesehen sein können.
In allen gezeigten Beispielen kann alternativ oder zusätzlich ein Vorwiderstand auch zwischen negativen Polen der leistungsoptimierten, energieoptimierten und gegebenenfalls Consumer-Typ-Akkumulatorzellen vorgesehen sein.
7 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Batterie mit vier Paketen 55a, 55b, 55c, 55d, wobei jedes Paket leistungsoptimierte Akkumulatorzellen 52a, 52b, 52c, 52d und zwei energieoptimierte Akkumulatorzellen 51a aufweist. Die Zellenpakete 55a–55d sind jeweils durch Trennwände 56 voneinander getrennt. Innerhalb jedem der Zellenpakete 55a–55d sind die Akkumulatorzellen 51a, 52a–52d mit zueinander parallelen Ebenen nebeneinander angeordnet. Die Verschaltung der Akkumulatorzellen entspricht jener in 6 gezeigten.
In jedem Zellenpaket 55a–55d sind die energieoptimierten Akkumulatorzellen 51a, zwischen leistungsoptimierten Zelleneinheiten 52a–52d und durch diese voneinander separiert angeordnet. Von links nach rechts betrachtet befinden sich daher in jedem Zellenpaket 55a–55d zunächst zwei leistungsoptimierte Zelleneinheiten, dann eine energieoptimierte Zelleneinheit, dann wieder eine leistungsoptimierte Zelleneinheit, gefolgt von einer energieoptimierten Zelleneinheit und schließlich gefolgt von drei nebeneinander angeordneten leistungsoptimierten Zelleneinheiten. Die Batterie ist von außen über die Batteriepole 53 und 54 kontaktierbar. Akkumulatorzellen eines Paketes sind jeweils durch eine Sammelschiene 57 kontaktiert.
8 zeigt eine erfindungsgemäße Batterie mit einem DC/DC-Wandler 568. Die in 8 gezeigte Batterie weist zum einen 16 leistungsoptimierte Akkumulatorzellen 52a, 52b, 52c, 52d auf. Von diesen leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a–52d sind jeweils vier Akkumulatorzellen zueinander parallel geschaltet, so dass sich vier Blöcke von parallel geschalteten Akkumulatorzellen 52a–52d ergeben. Die vier Blöcke sind dann zueinander in Reihe geschaltet, es sind also vier dieser Blöcke hintereinander in Reihe geschaltet. Die gesamte Reihenschaltung aller leistungsoptimierten Akkumulatorzellen ist dann mit ihrem positiven Pol und ihrem negativen Pol an den DC/DC-Wandler 568 angeschlossen. An zwei andere Eingänge des DC/DC-Wandlers ist eine energieoptimierte Akkumulatorzelle 51 angeschlossen. Mittels des DC/DC-Wandlers 568 ist die Spannung der energieoptimierten Zelle 51 auf das Niveau der Spannung der Verschaltung der 16 leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a–52d wandelbar, so dass in einer solchen Schaltung auch leistungsoptimierte Akkumulatorzellen mit energieoptimierten Akkumulatorzellen verschaltbar sind, die ein anderes Spannungsniveau aufweisen, beispielsweise weil sie eine andere Elektrochemie aufweisen. Von außen wäre in dieser Batterie eine Spannung an den äußeren Anschlüssen der Schaltung der leistungsoptimierten Akkumulatorzellen 52a–52d abgreifbar.
Die erfindungsgemäße Batterie ermöglicht es beispielsweise, eine 12 Volt 60 Ah Blei-Säure-Batterie mit einer Anforderung von ca. 600 A Kaltstartstrom und 60 Ah Nennkapazität aus einer Kombination von jeweils vier leistungsoptimierten parallel geschalteten Zellen zu jeweils 5,5 Ah Kapazität (Gewicht pro Zelle beträgt ca. 290 g) und zwei energieoptimierten parallel geschalteten Zellen zu jeweils 22 Ah (Gewicht pro Zelle ca. 580 g) zusammenzuschalten, wie es beispielsweise in 5 gezeigt ist. Darüber hinaus ist auch eine Kombination von beispielsweise vier leistungsoptimierten Zellen mit 5,5 Ah Kapazität und einer energieoptimierten Zelle zu 40 Ah Kapazität (Gewicht pro Zelle ca. 1050 g) möglich. Durch diese Kombinationen der Zellen werden in diesem Beispiel insgesamt ca. 600 A Startstrom bei einer Nennkapazität von ca. 62 Ah (4 × 5,5 Ah + 40 Ah) bzw. 66 Ah (4 × 5,5 Ah + 2 × 22 Ah) ermöglicht bei einem Gesamtgewicht von jeweils 2.320 g bzw. 2.210 g. Im Vergleich dazu würde sich für die gleichen Startströme und Nennkapazitäten bei einem Einsatz von ausschließlich leistungsoptimierten Zellen mit einer Kapazität von jeweils 5,5 Ah und der hierzu notwendigen Parallelverschaltung von 12 Zellen ein Gewicht von 3.480 g bzw. bei einer Reihenparallelverschaltung von energieoptimierten Zellen von einer Kapazität von jeweils 22 Ah mit 7 Zellen ein Gewicht von 4.060 g ergeben. Der Vergleich der sich ergebenden Gewichte der verschiedenen Verschaltungen verdeutlicht den Vorteil der erfindungsgemäßen Batterie. So ist beispielsweise eine Anlasserbatterie oder eine Kleintraktionsbatterie gemäß der Anforderung an Startleistung und Nennkapazität hinsichtlich Volumen, Gewicht und Kosten optimierbar.
9 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines DC/DC-Wandlers. Aufgabe des DC/DC-Wandlers ist es, Gleichspannung einer Amplitude (Spannungswert) in Gleichspannung einer anderen Amplitude (Spannungswert) zu überführen, ähnlich, wie ein Transformator es für Wechselspannung macht. Beispielhaft sei die Funktion an 9 erläutert. Hier wird eine Gleichspannung 90 zunächst durch einen HF elektronischen Schalter 91 in eine Wechselspannung 92 umgewandelt. Ein Transformator 93 wandelt die Wechselspannung 92 in eine Wechselspannung 94 anderer Amplitude um. Diese wird dann durch einen Gleichrichter 95 gleichgerichtet und durch eine Glättungsvorrichtung 96 geglättet. Ausgegeben wird schließlich eine neue Gleichspannung 97.

Claims

Akkumulatorzelle (51) mit zumindest einer energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und zumindest einer leistungsoptimierten Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c), wobei die leistungsoptimierte Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) so ausgestaltet ist, dass mit ihr eine höhere Leistung erzeugbar ist, als mit der energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und wobei die energieoptimierte Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) so ausgestaltet ist, dass mit ihr eine höhere Energiemenge pro Volumen der energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und/oder pro Masse der energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) speicherbar ist als mit der leistungsoptimierten Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) und wobei die zumindest eine energieoptimierte Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und die zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) in einem gemeinsamen Zellengehäuse (9) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass alle positiven Elektroden (3a, 3b) der energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) mit einem gemeinsamen ersten positiven Ableiter (6) in elektrischem Kontakt stehen und dass alle positiven Elektroden (3c, 4c) der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) mit einem gemeinsamen zweiten positiven Ableiter (7) in Kontakt stehen, wobei der erste positive Ableiter (6) mit dem zweiten positiven Ableiter (7) über zumindest einen Widerstand (11) in elektrischem Kontakt steht oder dass alle negativen Elektroden (4a, 4b) der energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) mit einem gemeinsamen ersten negativen Ableiter (8c) in elektrischem Kontakt stehen und dass alle negativen Elektroden (3c) der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) mit einem gemeinsamen zweiten negativen Ableiter (8b) in Kontakt stehen, wobei der erste negative Ableiter (8c) mit dem zweiten negativen Ableiter (8b) über zumindest einen Widerstand in elektrischem Kontakt steht.
Akkumulatorzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine energieoptimierte (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) Zelleneinheit mindestens zwei Elektroden (3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c) mit aktiven Materialien sowie einen zwischen den Elektroden (3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c) angeordneten Separator (5a, 5b, 5c) aufweist und dass die zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) mindestens zwei Elektroden (3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c) mit aktivierten Materialien sowie einem zwischen den Elektroden (3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c) angeordneten Separator aufweist, wobei die Elektroden (3a, 3b, 4a, 4b) der energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) eine größere Dicke in Richtung senkrecht zu einer Plattenebene der Elektroden (3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c) aufweisen als die leistungsoptimierte Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c).
Akkumulatorzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine energieoptimierte Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und die zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) mit parallelen Ebenen ihrer Elektroden (3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c) übereinander angeordnet sind.
Akkumulatorzelle nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und eine Mehrzahl von leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c), wobei zumindest eine der energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) zwischen zweien der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) angeordnet ist und/oder wobei zumindest eine der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) zwischen zweien der energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) angeordnet ist.
Akkumulatorzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußeres positives oder negatives Ableitelement (10, 8) mit dem gemeinsamen positiven oder negativen Ableiter (7a, 7b) der Elektroden (3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c) der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) in unmittelbarem elektrischen Kontakt steht und/oder dass ein äußeres positives Ableitelement (10) oder negatives Ableitelement (8) mit dem gemeinsamen positiven Ableiter (7) oder negativen Ableiter (7a, 7b) der Elektroden (3a, 3b, 4a, 4b) der energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) in unmittelbarem elektrischen Kontakt steht.
Akkumulatorzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3c, 4c) der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) plattenförmig mit einer Dicke von ≥ 10 µm sind und/oder dass die Elektroden (3a, 3b, 4a, 4b) der energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) plattenförmig mit einer Dicke von ≥ 1 µm sind und/oder dass die Elektroden (3a, 3b, 4a, 4b, 3c, 4c) der energieoptimierten Zelleinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und/oder leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) plattenförmig mit rechteckiger Plattenfläche mit einer Länge von ≥ 2 cm und/oder einer Breite von ≥ 2 cm sind.
Akkumulatorzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein positiver und ein negativer Ableiter der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) und ein positiver und ein negativer Ableiter der energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) über einen DC/DC-Wandler elektrisch miteinander verbunden sind.
Akkumulatorzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der mindestens einen leistungsoptimierten Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) eine Stromrate bezogen auf eine Nominalkapazität C von ≥ 20 C erzeugbar ist und/oder dass mit der mindestens einen energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) eine Leistung von ≥ 1 C erzeugbar ist.
Batterie mit zumindest zwei verschiedenen Zelleneinheiten ausgewählt aus: zumindest einer leistungsoptimierten Zelleinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c), zumindest einer energieoptimierten Zelleinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und zumindest einer Consumer-Zelleneinheit, wobei die leistungsoptimierte Zelleinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) so ausgestaltet ist, dass mit ihr eine höhere Leistung erzeugbar ist als mit der energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und als mit der Consumer-Zelleneinheit, wobei die energieoptimierte Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) so ausgestaltet ist, dass mit ihr eine höhere Energiemenge pro Volumen der energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und/oder pro Masse der energieoptimierten Zelleneinheit speicherbar ist als mit der leistungsoptimierten Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) und als mit der Consumer-Zelleneinheit, und wobei zumindest zwei verschiedene Zelleneinheiten in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass alle positiven Elektroden (3a, 3b) der energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) mit einem gemeinsamen ersten positiven Ableiter in elektrischem Kontakt stehen und dass alle positiven Elektroden (3c, 4c) der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) mit einem gemeinsamen zweiten positiven Ableiter in Kontakt stehen, wobei der erste positive Ableiter mit dem zweiten positiven Ableiter über zumindest einen Widerstand in elektrischem Kontakt steht oder dass alle negativen Elektroden (4a, 4b) der energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) mit einem gemeinsamen ersten negativen Ableiter in elektrischem Kontakt stehen und dass alle negativen Elektroden (3c, 4c) der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) mit einem gemeinsamen zweiten negativen Ableiter in Kontakt stehen, wobei der erste negative Ableiter (8b) mit dem zweiten negativen Ableiter (8c) über zumindest einen Widerstand in elektrischem Kontakt steht.
Batterie nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein positiver Anschluss (6) der zumindest einen energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) mit einem positiven Anschluss (7) der zumindest einen leistungsoptimierten Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) über zumindest einen Widerstand (11) in elektrischem Kontakt steht.
Batterie nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) und eine Mehrzahl von leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c), wobei zumindest eine der energieoptimierten Zelleneinheiten zwischen zweien der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) angeordnet ist und/oder wobei zumindest eine der leistungsoptimierten Zelleneinheiten (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) zwischen zweien der energieoptimierten Zelleneinheiten (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) angeordnet ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Messvorrichtung aufweist mit welcher ein Belastungsstrom messbar ist, mit dem die Batterie belastet wird, und dass die Batterie zumindest einen Schalter aufweist, mit dem die zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) abhängig von dem gemessenen Belastungsstrom zuschaltbar und abschaltbar ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) und/oder die zumindest eine Consumer-Zelleneinheit mit der zumindest einen energieoptimierten Zelleneinheit (51a, 51b, 1a, 1b, 1c) über einen DC/DC-Wandler (568) in elektrischem Kontakt stehen.
Batterie nach einem der Ansprüche 9–13, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine leistungsoptimierte Zelleneinheit (52a, 52b, 52c, 52d, 2a, 2b, 2c) eine Nennkapazität von ≥ 1 Ah hat und/oder dass die zumindest eine energieoptimierte Zelleneinheit eine Nennkapazität ≥ 20 Ah hat.