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Die im Folgenden beschriebene Erfindung betrifft einen Akkumulator, der mehrere seriell verschaltete Energiespeicher umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren, um die Ladezustände der Energiespeicher im Falle unterschiedlicher Ladezustände aneinander anzugleichen.
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Zur Bereitstellung hoher Spannungen werden in Akkumulatoren einzelne Energiespeicher häufig seriell verschaltet. Hierzu werden die Minus- und Pluspole der beteiligten Zellen so miteinander verbunden, dass alle Batterien vom gleichen Strom durchflossen werden. Aus der Summe der Spannungen der Einzelzellen ergibt sich dann die Gesamtspannung, die der Akkumulator mit den seriell verschalteten Einzelzellen liefern kann.
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Fertigungstechnisch bedingt können sich die Einzelzellen eines Akkumulators voneinander unterscheiden, beispielsweise was ihre Kapazität angeht. Diese Unterschiede können sich im laufenden Betrieb in Folge von Zellalterungsprozessen noch verstärken. Dies kann sich beim Aufladen eines Akkumulators negativ auswirken. Weist ein zu ladender Akkumulator Einzelzellen mit unterschiedlicher Kapazität auf, so erreicht die Zelle, die die geringste Kapazität aufweist, bereits ihre Ladeendspannung, während Zellen mit höherer Kapazität zu diesem Zeitpunkt gegebenenfalls noch weit von einem optimalen Ladezustand entfernt sind. Würde der Ladevorgang fortgesetzt werden, so bestünde die Gefahr, die Zelle mit der geringsten Kapazität zu überladen und damit zu beschädigen, was zu einem Ausfall des gesamten Akkumulators führen kann. Ein Stoppen des Ladevorgangs bei Erreichen der Ladeendspannung bedeutet umgekehrt, dass die Kapazität des Akkumulators nicht mehr vollständig genutzt werden kann.
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Aus diesem Grund weisen Akkumulatoren häufig Management-Systeme auf, die ermitteln, ob die Ladezustände einzelner Energiespeicher eines Akkumulators voneinander abweichen und gezielte Gegenmaßnahmen einleiten. Als Gegenmaßnahme kann beispielsweise als Bypass ein Lastwiderstand parallel zu einer Einzelzelle geschaltet werden, um diese gezielt zu entladen. Dabei ist allerdings nachteilhaft, dass die Verlustleistung an diskreten Lastwiderständen sehr konzentriert auftritt. Die dabei erzeugte Wärme muss abgeführt werden, wozu häufig zusätzliche Kühler verwendet werden. Hierdurch entstehen zusätzliche Kosten. Darüber hinaus steht die Größe der Lastwiderstände samt den in Kombination erforderlichen Kühlsystemen dem Bestreben nach Miniaturisierung entgegen.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Akkumulator bereitzustellen, der gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und die zuletzt genannten Probleme nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Akkumulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Akkumulators sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 definiert. Darüber hinaus ist auch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht.
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Der erfindungsgemäße Akkumulator umfasst stets einen ersten und einen zweiten Energiespeicher, die jeweils einen Plus- und einen Minuspol aufweisen. Die Energiespeicher sind seriell verschaltet. In Analogie mit den eingangs gemachten Ausführungen ist beispielsweise der Minuspol des ersten Energiespeichers mit dem Pluspol des zweiten Energiespeichers elektrisch verbunden, so dass im Betrieb der gleiche Strom durch beide Energiespeicher fließt.
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Bei den Energiespeichern handelt es sich bevorzugt um elektrochemische Zellen, insbesondere um Lithium-Ionen-Zellen. Alternativ kann es sich bei den Energiespeichern beispielsweise aber auch um Kondensatoren, insbesondere um Doppelschichtkondensatoren, handeln.
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Jedem der Energiespeicher des Akkumulators ist erfindungsgemäß ein Schalter, beispielsweise ein Transistorschalter, zugeordnet, über den der Energiespeicher entladen werden kann. Der Schalter ist in einer bevorzugten Ausführungsform mit dem Plus- und dem Minuspol des jeweiligen Energiespeichers gekoppelt, so dass diese beim Schließen des Schalters elektrisch miteinander verbunden werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Schalter elektrisch mit dem Pluspol des jeweiligen Energiespeichers sowie mit dem Masseanschluss des Akkumulators (GND) gekoppelt. Umgekehrt kann der Schalter auch elektrisch mit dem Minuspol des jeweiligen Energiespeichers sowie mit dem Plus-Anschluss des Akkumulators gekoppelt sein.
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Der Akkumulator umfasst weiterhin ein oder mehrere Mittel zur Bestimmung der Ladezustände der Energiespeicher sowie weiterhin ein Mittel zum Ansteuern der den Energiespeichern zugeordneten Schalter zwecks Herbeiführung einer gezielten Entladung der Energiespeicher. Die Energiespeicher sind getrennt voneinander ansteuerbar, so dass es möglich ist, den Ladezustand der Energiespeicher aneinander anzugleichen.
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Die Schalter und/oder die Mittel zur Bestimmung des Ladezustands sind bevorzugt Teil eines Batterie-Management-Systems.
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Die gezielte Entladung der Energiespeicher erfolgt über mindestens einen elektrischen Widerstand, bei dem es sich erfindungsgemäß nicht um einen diskreten Lastwiderstand sondern um eine Widerstandsleitung handelt. Die Widerstandsleitung ist erfindungsgemäß das einzige und maßgebliche Widerstandselement in dem durch Schließen der erwähnten Schalter bereitgestellten Strompfad, über den die gezielte Entladung der Energiespeicher erfolgt.
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Bei einer Widerstandsleitung handelt es sich um einen Spezialfall einer elektrischen Leitung mit einem erhöhten elektrischen Leitungswiderstand. Meist bestehen Widerstandsleitungen aus zwei- oder mehrkomponentigen Legierungen, die beispielsweise im Vergleich zu einem elektrischen Leiter aus reinem Kupfer einen relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstand besitzen und so elektrische Energie in Wärmeenergie umwandeln können. In aller Regel besitzen Widerstandsleitungen über ihre gesamte Länge einen gleichbleibenden Querschnitt. Der Gesamtwiderstand einer Widerstandsleitung kann somit durch die Wahl ihrer Länge eingestellt werden.
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Im Vergleich zu diskreten Lastwiderständen haben Widerstandsleitungen den Vorteil, dass bei einer anliegenden Spannung Wärme nicht konzentriert auftritt. Entstehende Wärme wird vielmehr in aller Regel großflächig verteilt. Der Einsatz diskreter Lastwiderstände ist hinfällig. Gleichermaßen entfällt die Notwendigkeit, aufwendige Kühlmaßnahmen treffen zu müssen. Die Verwendung von Widerstandsleitungen kann somit zur Senkung von Kosten bei der Herstellung von Akkumulatoren beitragen. Darüber hinaus können Widerstandsleitungen auch besser zur Übertragung von elektronischen Signalen verwendet werden.
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Besonders bevorzugt wird als Widerstandsleitung ein Widerstandsdraht eingesetzt, insbesondere ein Draht aus einer Nickel-Chrom-Legierung, einer Nickel-Eisen-Legierung, einer Nickel-Eisen-Chrom-Legierung, einer Kupfer-Nickel-Legierung, einer Kupfer-Mangan-Legierung, einer Kupfer-Mangan-Zinn-Legierung, einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung, einer Kupfer-Nickel-Eisen-Mangan-Legierung oder einer Nickel-Chrom-Aluminium-Silizium-Mangan-Eisen-Legierung.
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In besonders bevorzugten Ausführungsformen weist die verwendete mindestens eine Widerstandsleitung bei 20 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen 2,5 µΩ·cm und 150 µΩ·cm auf.
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In einigen weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die verwendete mindestens eine Widerstandsleitung bei 20 °C eine spezifische elektrische Leitfähigkeit zwischen 0,015 m / Ω·mm2 und 62 m / Ω mm2 auf.
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Üblicherweise werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Widerstandsleitungen eingesetzt, die einen Querschnitt mit einer Fläche zwischen 0,02 mm2 und 16 mm2 aufweisen. Innerhalb dieses Bereiches sind Querschnitte mit einer Fläche zwischen 0,02 mm2 und 1,5 mm2 weiter bevorzugt.
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In aller Regel weist der erfindungsgemäße Akkumulator mehr als zwei Energiespeicher auf. Bevorzugt umfasst er mindestens drei Energiespeicher, besonders bevorzugt zwischen 4 und 16 Energiespeicher, die seriell miteinander verschaltet sind. Gegebenenfalls handelt es sich bei mindestens einem, gegebenenfalls auch mehreren oder allen der seriell verschalteten Energiespeicher um Zellblöcke aus jeweils zwei oder mehr parallel miteinander verschalteten elektrochemischen Zellen.
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Die Ladezustände der Energiespeicher werden bevorzugt bestimmt, indem Momentanspannungswerte für die Energiespeicher bestimmt und durch Abgleich der bestimmten Momentanspannungswerte Spannungsdifferenzwerte gebildet werden. Zu diesem Zweck kann der erfindungsgemäße Akkumulator Mittel zur Bestimmung der Momentanspannungswerte der Energiespeicher umfassen sowie weiterhin Mittel zum Abgleich der bestimmten Momentanspannungswerte und zur Bestimmung des erwähnten Spannungsdifferenzwerts. Bevorzugt sind all diese Mittel ebenfalls Teil des erwähnten Batterie-Management-Systems.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Angleichen des Ladezustands seriell verschalteter Energiespeicher eines Akkumulators, wie er oben beschrieben wurde. Es zeichnet sich dadurch aus, dass der Ladezustand der Energiespeicher bestimmt wird und im Falle einer Abweichung voneinander abweichende Ladezustände ausgeglichen werden, indem einer oder mehrere der Energiespeicher über eine Widerstandsleitung entladen werden.
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Die Begriffe Ladezustand, Energiespeicher und Widerstandsleitung wurden im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Akkumulator bereits ausführlich beschrieben. Die dabei gemachten Ausführungen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, die anhand der in 1 bis 3 dargestellten Schaltungsschemata erläutert wird.
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In 1 sind mehrere in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen, dargestellt, darunter die Zellen 101 und 102. Die Zellen sind Bestandteil eines Zellverbunds 100. Der Pluspol der Zelle 102 ist mit dem Minuspol der Zelle 101 elektrisch verbunden, so dass sich die Spannungen der Zellen addieren. Den Zellen ist jeweils ein Schalter zugeordnet (der Einfachheit wegen lediglich für die Zelle 102 dargestellt), der beim Schließen die Plus- und Minuspole der Zellen elektrisch miteinander verbindet. Im Fall der Zelle 102 wird durch Schließen des Schalters 103 ein Strompfad geöffnet, der den Plus- und den Minuspol der Zelle 102 elektrisch miteinander verbindet, so dass es zu einer Entladung der Zelle 102 kommt. Die Bestimmung des Ladezustands der Zelle 102 kann über die Kontakte 104 und 105 vorgenommen werden, die mit einem entsprechenden Messkreis verbunden sein können. Der Schalter 103 ist wiederum mit einer Steuerung gekop-pelt, die, falls der Ladezustand der Zelle 102 signifikant von anderen Zellen des Verbunds 100 nach oben abweicht, das Schließen des Schalters 103 veranlasst, so dass es zu einer gezielten Entladung der Zelle 102 kommt. Diese Entladung erfolgt über die Widerstandsleitungen 106 und 107. Die dabei auftretende Wärme wird vergleichsweise großflächig verteilt.
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In bevorzugten Ausführungsformen kann über mindestens einen der Kontakte 104 und 105 ein Spannungswert vorgegeben werden, um die Entladung zu steuern. In diesem Fall wäre der Schalter in Reihe zur Widerstandsleitung 106 und/oder 107.
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Die Anpassung der Widerstandswerte für den Ladungsausgleich kann außerhalb der Schaltungsordnung erfolgen, wodurch die Schaltungsordnung außerhalb der Widerstandsleitung nicht verändert wird, wenn diese auf andere Konfigurationen oder Typen von Speicherzellen angepasst werden soll.
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In 2 sind mehrere in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen, dargestellt, darunter die Zellen 201 und 202. Die Zellen sind Bestandteil eines Zellverbunds 200. Der Pluspol der Zelle 202 ist mit dem Minuspol der Zelle 201 elektrisch verbunden, so dass sich die Spannungen der Zellen addieren. Den Zellen ist jeweils ein Schalter zugeordnet (der Einfachheit wegen lediglich für die Zelle 202 dargestellt), über den die Zellen entladen werden können. Im Fall der Zelle 202 wird durch Schließen des Schalters 203 ein Strompfad geöffnet, der den Pluspol der Zelle 202 elektrisch mit dem Masseanschluss des Zellverbunds (GND) verbindet, so dass es zu einer Entladung der Zelle 202 kommt. Diese Entladung erfolgt über die Widerstandsleitungen 206 und 207. Die dabei auftretende Wärme wird vergleichsweise großflächig verteilt.
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In bevorzugten Ausführungsformen kann über mindestens einen der Kontakte 204 und 205 ein Spannungswert vorgegeben werden, um die Entladung zu steuern. In diesem Fall wäre der Schalter in Reihe zur Widerstandsleitung 206 und/oder 207.
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In 3 sind mehrere in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen, dargestellt, darunter die Zellen 301 und 302. Die Zellen sind Bestandteil eines Zellverbunds 300. Der Pluspol der Zelle 302 ist mit dem Minuspol der Zelle 301 elektrisch verbunden, so dass sich die Spannungen der Zellen addieren. Den Zellen ist jeweils ein Schalter zugeordnet (der Einfachheit wegen lediglich für die Zelle 302 dargestellt), über den die Zellen entladen werden können. Im Fall der Zelle 102 wird durch Schließen des Schalters 303 ein Strompfad geöffnet, der den Minuspol der Zelle 302 elektrisch mit dem Plusanschluss des Zellverbunds verbindet, so dass es zu einer Entladung der Zelle 302 kommt. Diese Entladung erfolgt über die Widerstandsleitungen 306 und 307. Die dabei auftretende Wärme wird vergleichsweise großflächig verteilt.
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In bevorzugten Ausführungsformen kann über mindestens einen der Kontakte 304 und 305 ein Spannungswert vorgegeben werden, um die Entladung zu steuern. In diesem Fall wäre der Schalter in Reihe zur Widerstandsleitung 306 und/oder 307.
