DE102019125990B4 - Battery cell arrangement for a power tool - Google Patents

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Abstract

Batteriezellenanordnung (3) für ein Elektrowerkzeug (1) mit- mehreren Lithium-Ionen-Zellen (Z1 bis Z4),- mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren (C11, C12, C21, C22) und- einem Batteriemanagementsystem (BMS) zum Steuern der mehreren Lithium-Ionen-Zellen (Z1 bis Z4) und der mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren (C11, C12, C21, C22), wobei- zu einer der mehreren Lithium-Ionen-Zellen (Z1 bis Z4) oder zu einem Paar von parallelgeschalteten der mehreren Lithium-Ionen-Zellen (Z1 bis Z4) jeweils genau zwei in Serie verbundene der mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren (C11, C12, C21, C22) parallel geschaltet sind, um so ein Modul (M1, M2) zu bilden,- die Batteriezellenanordnung mehrere derartige Module besitzt und- jedes Modul (M1, M2) als Gesamtheit individuell von dem Batteriemanagementsystem (BMS) angesteuert ist.Battery cell arrangement (3) for a power tool (1) with multiple lithium-ion cells (Z1 to Z4), - multiple electrical double-layer capacitors (C11, C12, C21, C22) and - a battery management system (BMS) for controlling the multiple lithium ion cells (Z1 to Z4) and the plurality of electric double layer capacitors (C11, C12, C21, C22), wherein- to one of the plurality of lithium ion cells (Z1 to Z4) or to a pair of the plurality of lithium ions connected in parallel -cells (Z1 to Z4) each have exactly two series-connected electric double-layer capacitors (C11, C12, C21, C22) connected in parallel to form a module (M1, M2),- the battery cell arrangement has a plurality of such modules and - Each module (M1, M2) is individually controlled as a whole by the battery management system (BMS).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung für ein Elektrowerkzeug mit mehreren Lithium-Ionen-Zellen, mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren und einem Batteriemanagementsystem zum Steuern der mehreren Lithium-Ionen-Zellen und der mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren.The present invention relates to a battery cell arrangement for a power tool with a number of lithium-ion cells, a number of electric double-layer capacitors and a battery management system for controlling the number of lithium-ion cells and the number of electric double-layer capacitors.

Die elektrische Leistungsfähigkeit einer Batteriezellenanordnung (nachfolgend auch Akku- oder Batteriepack genannt) kann dadurch verbessert werden, dass nicht die elektrische Leistungsfähigkeit der Zellen selbst vorangetrieben wird, sondern dass elektrische Hochleistungskondensatoren parallel zu den Batteriezellen betrieben werden. Als besonders geeignet dürften dabei Doppelschichtkondensatoren sein, die auch kurz als „Supercaps“ oder EDLCs (electric double-layer capacitor) bezeichnet werden. Werden Hochleistungskondensatoren unabhängig von den Zellen im Batteriepack als Energiespeicher über ein Batteriemanagementsystem angebunden, so besteht stets die Herausforderung, das Beladen und Entladen kontrolliert durchzuführen, die Kondensatoren nicht zu überfordern, gleichzeitig aber auch die Lithium-Ionen-Zellen ebenfalls nicht zu überfordern. Letzteres kann bei einem entkoppelten Betrieb durchaus passieren, wenn sich durch Lade- oder Entladeprozesse unterschiedliche Spannungen im elektrochemischen oder dielektrischen System einstellen. In solchen Fällen kommt es zu hohen Strömen, sobald die elektrochemischen Zellen in einem Stromkreis mit den dielektrischen Kondensatoren verbunden werden und die Physik mit einem sehr schnellen Ladungsaustausch (hohe Stromflüsse) die Potentialdifferenzen auszugleichen versucht. Vor diesem Hintergrund ist das Führen eines separaten dielektrischen Hochleistungskondensators, der abgekoppelt von den elektrochemischen Zellen betrieben wird, immer mit einem hohen steuerungstechnischen Aufwand verbunden.The electrical performance of a battery cell arrangement (hereinafter also called accumulator or battery pack) can be improved in that the electrical performance of the cells themselves is not promoted, but rather that electrical high-performance capacitors are operated in parallel with the battery cells. Double-layer capacitors, also referred to as "supercaps" or EDLCs (electric double-layer capacitors), should be particularly suitable. If high-performance capacitors are connected independently of the cells in the battery pack as energy storage via a battery management system, there is always the challenge of carrying out charging and discharging in a controlled manner, not overloading the capacitors, but at the same time not overloading the lithium-ion cells either. The latter can certainly happen in decoupled operation if different voltages are set in the electrochemical or dielectric system as a result of charging or discharging processes. In such cases, high currents occur as soon as the electrochemical cells are connected to the dielectric capacitors in a circuit and physics tries to equalize the potential differences with a very fast charge exchange (high current flows). Against this background, the management of a separate dielectric high-performance capacitor, which is operated decoupled from the electrochemical cells, is always associated with a high outlay on control technology.

Eine derartige Batteriezellenanordnung ist beispielsweise aus der Druckschrift US 2011/0064977 A1 bekannt. Die dortige Batteriezellenanordnung besteht aus einer Seriell-Parallel-Verbindung von Batteriezellen und Doppelschichtkondensatoren. Beispielsweise wird einer Serie von zehn Batteriezellen einer Serie von fünf Doppelschichtkondensatoren parallel geschaltet. Auf diese Weise können kurzfristig hohe Ströme zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere können Kapazitäten entsprechend dem 20- bis 30-fachen der Nominalkapazitäten erreicht werden.Such a battery cell arrangement is, for example, from the publication US 2011/0064977 A1 known. The battery cell arrangement there consists of a series-parallel connection of battery cells and double-layer capacitors. For example, a series of five double-layer capacitors is connected in parallel with a series of ten battery cells. In this way, high currents can be made available in the short term. In particular, capacities corresponding to 20 to 30 times the nominal capacities can be achieved.

Darüber hinaus beschreibt die Druckschrift US 9 819 064 B2 ein System zum Schutz gegen Überladung und zum Ladungsausgleich in kombinierten Energiequellensystemen. Zu einer Energiespeichervorrichtung, die beispielsweise Lithium-lonen-Zellen aufweist, werden Supercaps beziehungsweise Doppelschichtkondensatoren parallel geschaltet. Beispielsweise wird einer Serie von Lithium-lonen-Zellen einer Serie von sechs Doppelschichtkondensatoren parallel geschaltet. Die einzelnen Serien werden über separate Schalter angesteuert.In addition, the document describes U.S. 9,819,064 B2 a system for protection against overcharging and charge balancing in combined power source systems. Supercaps or double-layer capacitors are connected in parallel with an energy storage device, which has lithium-ion cells, for example. For example, a series of six double-layer capacitors is connected in parallel with a series of lithium-ion cells. The individual series are controlled via separate switches.

Zudem beschreibt Druckschrift US 2015/0054428 A1 ein Verfahren zum Ableiten induktiver Energie von Zellen. Ein kapazitives Element mit mehreren Kondensatoren liegt parallel zu einer Zelle und deren Induktivität.In addition, print describes US 2015/0054428 A1 a method of dissipating inductive energy from cells. A capacitive element with several capacitors is in parallel with a cell and its inductance.

Druckschrift US 2016/0087460 A1 offenbart Superkondensatorstrukturen mit mehreren Superkondensatorzellen. Die Zellen können individuell miteinander verschaltet werden, um unterschiedliche Ströme und Spannungen für die Lasten zur Verfügung zu stellen.pamphlet US 2016/0087460 A1 discloses supercapacitor structures having multiple supercapacitor cells. The cells can be interconnected individually to provide different currents and voltages for the loads.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Batteriezellenanordnung mit Lithium-Ionen-Zellen und Doppelschichtkondensatoren einfacher zu steuern. The object of the present invention is to make it easier to control the battery cell arrangement with lithium-ion cells and double-layer capacitors.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batteriezellenanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by a battery cell arrangement according to claim 1. Advantageous developments of the invention result from the dependent claims.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird demnach eine Batteriezellenanordnung für ein Elektrowerkzeug mit mehreren Lithium-Ionen-Zellen und mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren bereitgestellt. Gegebenenfalls besitzt die Batteriezellenanordnung ein Gehäuse, bei dem zumindest ein Pluspol und ein Minuspol nach außen geführt sind. Die Batteriezellenanordnung ist für ein Elektrowerkzeug geeignet, das beispielsweise als Akkuschrauber, Akkubohrer, Akku-Kreissäge, Akku-Gartengerät oder dergleichen realisiert ist. Ebenso kann es sich bei dem Elektrowerkzeug um ein Haushaltsgerät und insbesondere ein Reinigungsgerät handeln.Accordingly, according to the present invention, a battery cell arrangement for a power tool with a number of lithium-ion cells and a number of electric double-layer capacitors is provided. If necessary, the battery cell arrangement has a housing in which at least one positive pole and one negative pole are routed to the outside. The battery cell arrangement is suitable for a power tool that is implemented, for example, as a cordless screwdriver, cordless drill, cordless circular saw, cordless garden tool or the like. The power tool can also be a household appliance and in particular a cleaning appliance.

Die Batteriezellenanordnung besitzt mehrere Lithium-Ionen-Zellen. Ein typisches Batteriepack mit Lithium-lonen-Zellen für 18 V besitzt fünf, zehn oder ein anderes Vielfaches von fünf Lithium-Ionen-Zellen. Darüber hinaus besitzt die Batteriezellenanordnung mehrere elektrische Doppelschichtkondensatoren. Doppelschichtkondensatoren oder Supercaps sind elektrochemische Kondensatoren. Im Vergleich zu herkömmlichen Akkumulatoren besitzen sie zwar nur etwa zehn Prozent von deren Energiedichte, aber ihre Leistungsdichte ist etwa zehn bis einhundert Mal so groß. Doppelschichtkondensatoren können daher wesentlich schneller geladen und entladen werden. Die Kapazität eines Doppelschichtkondensators ergibt sich aus der Summe zweier Speicherprinzipien. Zum einen erfolgt eine statische Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstrennung in Helmholtz-Doppelschichten in einer Doppelschichtkapazität. Zum anderen erfolgt eine elektrochemische Speicherung elektrischer Energie durch faradayschen Ladungsaustausch mit Hilfe von Redoxreaktionen in einer Pseudokapazität.The battery cell arrangement has several lithium-ion cells. A typical 18V lithium-ion cell battery pack has five, ten, or other multiples of five lithium-ion cells. In addition, the battery cell arrangement has a number of electric double-layer capacitors. Double layer capacitors or supercaps are electrochemical capacitors. Although they only have about ten percent of the energy density of conventional accumulators, their power density is about ten to one hundred times greater. Double-layer capacitors can therefore be charged and discharged much faster become the The capacitance of a double-layer capacitor results from the sum of two storage principles. On the one hand, electrical energy is stored statically by charge separation in Helmholtz double layers in a double layer capacitance. On the other hand, electrical energy is stored electrochemically by Faraday charge exchange with the aid of redox reactions in a pseudocapacitance.

Des Weiteren besitzt die Batteriezellenanordnung ein Batteriemanagementsystem zum Steuern der mehreren Lithium-Ionen-Zellen und der mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren. Ein derartiges Batteriemanagementsystem steuert in der Regel die elektrischen Größen wie Strom und Spannung sowohl beim Laden als auch beim Entladen der Zellen und Kondensatoren. In der Regel steuert das Batteriemanagementsystem dabei entsprechende Halbleiterschalter der Batteriezellenanordnung an. Gegebenenfalls sind die Schalter auch Teil des Batteriemanagementsystems. Dabei gilt es insbesondere, die einzelnen Zellen beziehungsweise Kondensatoren nicht zu überlasten. Speziell dürfen die Lithium-lonen-Zellen weder chemisch noch thermisch überlastet werden. Ein geeignetes Batteriemanagementsystem sorgt dafür, dass derartige Überlastungen nicht erfolgen und die Lebensdauer einer solchen Batteriezellenanordnung entsprechend hoch wird.Furthermore, the battery cell arrangement has a battery management system for controlling the multiple lithium-ion cells and the multiple electric double layer capacitors. Such a battery management system usually controls the electrical variables such as current and voltage both when charging and when discharging the cells and capacitors. As a rule, the battery management system controls corresponding semiconductor switches in the battery cell arrangement. Where appropriate, the switches are also part of the battery management system. It is particularly important not to overload the individual cells or capacitors. In particular, the lithium-ion cells must not be chemically or thermally overloaded. A suitable battery management system ensures that such overloads do not occur and the service life of such a battery cell arrangement is correspondingly high.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind nun zu einer der mehreren Lithium-Ionen-Zellen oder zu einem Paar von parallelgeschalteten der mehreren Lithium-lonen-Zellen jeweils genau zwei in Serie verbundene der mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren parallel geschaltet, um so ein Modul zu bilden. Die Lithium-Ionen-Zellen und Doppelschichtkondensatoren der Batteriezellenanordnung sind also in Module gruppiert. Gegebenenfalls sind auch mehr als zwei Lithium-Ionen-Zellen zueinander parallel geschaltet und zu dieser Parallelschaltung sind dann wiederum genau zwei in Serie verbundene elektrische Doppelschichtkondensatoren parallel geschaltet. Auf diese Weise wird der Umstand genutzt, dass die typische Betriebsspannung einer einzelnen Lithium-lonen-Zelle bei 2,5 V bis 4,3 V liegt, während die maximale Betriebsspannung eines Doppelschichtkondensators günstigerweise 2,3 V nicht übersteigt. Zwei Doppelschichtkondensatoren in Serie besitzen damit in etwa die gleiche Maximalspannung wie eine einzige Lithium-Ionen-Zelle beziehungsweise eine Parallelschaltung solcher Lithium-Ionen-Zellen. Dies bedeutet, dass jedes Modul als Gesamtheit gesteuert werden kann, und nicht jede Lithium-Zelle, beziehungsweise Parallelschaltung von Lithium-Zellen und jeder Doppelschichtkondensator einzeln für sich gesteuert werden muss. Vielmehr wird erfindungsgemäß das Modul beziehungsweise jedes Modul der Batteriezellenanordnung individuell von dem Batteriemanagementsystem angesteuert. Auf diese Weise lässt sich das Batteriemanagementsystem beziehungsweise die Ansteuerung der Batteriezellenanordnung deutlich vereinfachen, denn es muss nicht jede einzelne Speicherkomponente individuell angesteuert werden. Trotzdem ist eine vergleichsweise individuelle Steuerung der Lithium-Ionen-Zellen und Doppelschichtkondensatoren auf Modulebene möglich, wohingegen im Stand der Technik oftmals nur eine größere Serie von Lithium-lonen-Zellen für sich und eine ebenfalls größere Serie von Doppelschichtkondensatoren für sich genommen angesteuert werden können.According to the present invention, exactly two series-connected electric double-layer capacitors are connected in parallel to one of the several lithium-ion cells or to a pair of parallel-connected ones of the several lithium-ion cells, in order to form a module. The lithium ion cells and double layer capacitors of the battery cell assembly are thus grouped into modules. If necessary, more than two lithium-ion cells are also connected in parallel with one another, and precisely two electric double-layer capacitors connected in series are then in turn connected in parallel with this parallel connection. This makes use of the fact that the typical operating voltage of a single lithium-ion cell is 2.5 V to 4.3 V, while the maximum operating voltage of a double-layer capacitor conveniently does not exceed 2.3 V. Two double-layer capacitors in series therefore have approximately the same maximum voltage as a single lithium-ion cell or such lithium-ion cells connected in parallel. This means that each module can be controlled as a whole, and not every lithium cell or parallel connection of lithium cells and every double-layer capacitor has to be controlled individually. Rather, according to the invention, the module or each module of the battery cell arrangement is controlled individually by the battery management system. In this way, the battery management system or the control of the battery cell arrangement can be significantly simplified, because each individual storage component does not have to be controlled individually. Nevertheless, a comparatively individual control of the lithium-ion cells and double-layer capacitors at module level is possible, whereas in the prior art often only a larger series of lithium-ion cells and a likewise larger series of double-layer capacitors can be controlled individually.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung besitzt diese mehrere Module der genannten Art und jedes der mehreren Module ist separat über eine jeweilige Schalteinrichtung mit dem Batteriemanagementsystem verbunden. Insbesondere umfasst eine derartige Schalteinrichtung einen oder mehrere Halbleiterschalter. Derartige Schalter beziehungsweise Schalteinrichtungen erlauben es, die einzelnen Module aus einem Verbund heraus zu schalten beziehungsweise in einen Verbund hinein zu schalten oder den Hauptstrom abzuschalten. Dementsprechend ergibt sich eine mehr oder weniger hohe Ausgangsspannung, wenn die Module in Serie geschaltet sind. Andernfalls, wenn Module auch parallel geschaltet sind, kann durch die Schalteinrichtungen die Stromstärke der Batteriezellenanordnung beim Laden oder Entladen entsprechend hoch gehalten werden.In an advantageous embodiment of the battery cell arrangement according to the invention, it has several modules of the type mentioned and each of the several modules is connected separately to the battery management system via a respective switching device. In particular, such a switching device includes one or more semiconductor switches. Such switches or switching devices make it possible to switch the individual modules out of a group or to switch them into a group or to switch off the main current. Accordingly, there is a more or less high output voltage when the modules are connected in series. Otherwise, if modules are also connected in parallel, the current intensity of the battery cell arrangement can be kept correspondingly high during charging or discharging by the switching devices.

Speziell kann in dem Modul oder in jedem der mehreren Module jeweils mindestens eine weitere Lithium-Ionen-Zelle parallel zu dem jeweiligen Paar von Lithium-Ionen-Zellen geschaltet sein. In diesem Fall sind dann, wie oben bereits angedeutet wurde, beispielsweise drei, vier, fünf oder mehr Lithium-lonen-Zellen in einem Modul parallel geschaltet. Je nach Leistungsbedarf kann die Anzahl der parallel geschalten Lithium-Ionen-Zellen in einem Modul angepasst werden.In particular, at least one further lithium-ion cell can be connected in parallel with the respective pair of lithium-ion cells in the module or in each of the plurality of modules. In this case, as already indicated above, for example three, four, five or more lithium-ion cells are connected in parallel in a module. Depending on the power requirement, the number of lithium-ion cells connected in parallel in a module can be adjusted.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass bei der Batteriezellenanordnung zu jedem der Doppelschichtkondensatoren jeweils eine Zenerdiode oder ein anderes elektrisches beziehungsweise elektronisches Schaltelement parallel geschaltet ist. Ein derartiges Schaltelement sollte gegebenenfalls mit dem Batteriemanagementsystem eine ähnliche Begrenzungsfunktionalität besitzen wie eine Zenerdiode. Eine Zenerdiode parallel zu einem Doppelschichtkondensator bewirkt, dass der Doppelschichtkondensator nicht über die Zenerspannung hinaus geladen werden kann. Dies schützt den Doppelschichtkondensator vor Überspannungen. Das gleiche Ziel kann durch ein Schaltelement erreicht werden, das bei einer vorgegebenen Maximalspannung ein Weiterladen des Doppelschichtkondensators verhindert.In addition, it can be provided that in the battery cell arrangement a Zener diode or another electrical or electronic switching element is connected in parallel to each of the double-layer capacitors. Such a switching element should possibly have a limitation functionality similar to that of a zener diode with the battery management system. A zener diode in parallel with a double layer capacitor means that the double layer capacitor cannot be charged above the zener voltage. This protects the double layer capacitor from overvoltages. The same goal can be achieved by a switching element at a predetermined maximum voltage further charging of the double-layer capacitor is prevented.

Darüber hinaus kann eine Batteriezellenanordnung für ein Elektrowerkzeug mit mehreren zylinderförmigen elektrochemischen Zellen und mindestens einem zylinderförmigen, elektrischen Kondensator bereitgestellt werden. Das Elektrowerkzeug kann wieder von der oben genannten Art sein. Die zylinderförmigen elektrochemischen Zellen sind Lithium-Ionen-Zellen. Wie erwähnt besitzt die Batteriezellenanordnung einen oder mehrere zylinderförmige, elektrische Kondensatoren. Bei diesen Kondensatoren handelt es sich um Supercaps. Die Zylinderform sowohl der elektrochemischen Zellen als auch der Kondensatoren bedeutet, dass diese Bauelemente vorzugsweise die Bauform eines kreisförmigen Zylinders, aber auch die Form eines ovalen oder elliptischen Zylinders besitzen können.In addition, a battery cell arrangement for a power tool with a plurality of cylindrical electrochemical cells and at least one cylindrical electrical capacitor can be provided. The power tool can again be of the type mentioned above. The cylindrical electrochemical cells are lithium ion cells. As mentioned, the battery cell arrangement has one or more cylindrical electrical capacitors. These capacitors are supercaps. The cylindrical shape of both the electrochemical cells and the capacitors means that these components can preferably have the shape of a circular cylinder, but can also have the shape of an oval or elliptical cylinder.

Parallele Längsachsen von (z. B. vier der) mehreren elektrochemischen Zellen bilden in axialer Draufsicht die Eckpunkte eines Vielecks, z.B. eines Rechtecks. Bei einer Draufsicht in Richtung der parallelen Längsachsen ergeben sich also Punkte, die als Eckpunkte eines Vielecks interpretiert werden können. Dabei kann das Vieleck regelmäßig oder unregelmäßig sein. Bei dem Vieleck kann es sich beispielsweise um ein Dreieck, ein Viereck, ein Fünfeck, ein Sechseck und dergleichen handeln. Eine Längsachse des mindestens einen Kondensators liegt parallel zu den Längsachsen der elektrochemischen Zellen und in axialer Draufsicht im Flächenzentrum des Vielecks. Dies bedeutet, dass der Kondensator oder beispielsweise mehrere in Serie geschaltete Kondensatoren den Zwischenraum zwischen den im Vieleck angeordneten elektrochemischen Zellen ausnutzen beziehungsweise teilweise ausfüllen kann. Hierdurch kann eine Batteriezellenanordnung kompakter gestaltet werden. Die Freiräume, die sich zwischen den elektrochemischen Zellen ergeben, werden nämlich größtenteils durch den einen oder die mehreren Kondensatoren besetzt.Parallel longitudinal axes of (e.g. four of) a plurality of electrochemical cells form the corner points of a polygon, e.g. a rectangle, in an axial plan view. A top view in the direction of the parallel longitudinal axes results in points that can be interpreted as corner points of a polygon. The polygon can be regular or irregular. The polygon can be, for example, a triangle, a square, a pentagon, a hexagon and the like. A longitudinal axis of the at least one capacitor lies parallel to the longitudinal axes of the electrochemical cells and in an axial plan view at the center of the area of the polygon. This means that the capacitor or, for example, a plurality of capacitors connected in series can utilize or partially fill the space between the electrochemical cells arranged in the polygon. As a result, a battery cell arrangement can be made more compact. This is because the free spaces that arise between the electrochemical cells are largely occupied by the one or more capacitors.

Die mehreren zylinderförmigen, elektrischen Kondensatoren sind jeweils Doppelschichtkondensatoren. Derartige Doppelschichtkondensators zeichnen sich durch ihre hohe Leistungsdichte aus. Sie ermöglichen, dass insbesondere bei Elektrowerkzeugen in kritischen Situationen ausreichend Leistung bereitgestellt werden kann. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine Kreissäge in eine Verunreinigung (z.B. Nagel) im Holz schneidet, nach dem Leerlauf in Holz einschneidet oder die Bearbeitungstiefe einer Fräse sich sprunghaft ändert. In jedem Fall ergibt sich eine instantane Erhöhung des Leistungsbedarfs, dem durch die elektrochemischen Zellen unter Umständen nicht entsprochen werden kann. Doppelschichtkondensatoren hingegen können derartige Leistungssprünge eher bewältigen.The plurality of cylindrical electric capacitors are each double layer capacitors. Such double-layer capacitors are distinguished by their high power density. They enable sufficient power to be provided, especially in the case of power tools in critical situations. This is the case, for example, when a circular saw cuts into dirt (e.g. nails) in the wood, cuts into wood after idling or the processing depth of a milling cutter changes suddenly. In any case, there is an instantaneous increase in the power requirement which, under certain circumstances, cannot be met by the electrochemical cells. Double-layer capacitors, on the other hand, are more able to cope with such jumps in performance.

Darüber hinaus ist vorgesehen, dass zu jeder der mehreren elektrochemischen Zellen jeweils genau zwei in Serie verbundene, zylinderförmige elektrische Kondensatoren parallel geschaltet sind, wobei die Längsachsen der zwei in Serie verbundenen Kondensatoren identisch sind. Eine derartige Konfiguration ist insbesondere bei einer Parallelschaltung einer Lithium-lonen-Zelle mit zwei elektrischen Doppelschichtkondensatoren von Vorteil, da, wie oben bereits erwähnt wurde, die beiden Doppelschichtkondensatoren in Reihe typischerweise eine ähnliche beziehungsweise gleiche maximale Betriebsspannung besitzen wie die typische maximale Betriebsspannung einer Lithium-Ionen-Zelle.In addition, it is provided that exactly two series-connected, cylindrical electrical capacitors are connected in parallel to each of the plurality of electrochemical cells, the longitudinal axes of the two series-connected capacitors being identical. Such a configuration is particularly advantageous when a lithium-ion cell is connected in parallel with two electrical double-layer capacitors because, as already mentioned above, the two double-layer capacitors in series typically have a similar or the same maximum operating voltage as the typical maximum operating voltage of a lithium ion cell.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Batteriezellenanordnung sind die mehreren zylinderförmigen elektrochemischen Zellen paarweise parallelgeschaltet. Ein derartiges Paar von parallel angeordneten zylinderförmigen elektrochemischen Zellen, die sich am Mantel berühren, kann zusammen mit einem oder zwei zylinderförmigen Kondensatoren, die an bzw. zwischen den beiden elektrochemischen Zellen angeordnet sind und diese berühren, als Modul oder kleinste Batteriezelleneinheit betrachtet werden. Derartige kleinste Einheiten können dann hintereinander so angeordnet werden, dass in der Draufsicht betrachtet sich jeweils ein elektrischer Kondensator im Flächenzentrum von drei, vier, fünf etc. elektrochemischen Zellen befindet. Auf diese Weise lässt sich der Bauraum in einem hohen Maß ausnutzen.In an advantageous embodiment of the battery cell arrangement, the plurality of cylindrical electrochemical cells are connected in parallel in pairs. Such a pair of cylindrical electrochemical cells arranged in parallel and touching at the shell can be regarded as a module or smallest battery cell unit together with one or two cylindrical capacitors which are arranged on or between the two electrochemical cells and touch them. Such smallest units can then be arranged one behind the other in such a way that, when viewed from above, one electrical capacitor is located in the center of the area of three, four, five etc. electrochemical cells. In this way, the installation space can be utilized to a large extent.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Batteriezellenanordnung sind mehrere Module, jeweils bestehend aus zwei elektrochemischen Zellen und zwei Kondensatoren, nebeneinander jeweils paarweise antiparallel angeordnet. Dies bedeutet, dass bei einem Modul sämtliche Pluspole der elektrochemischen Zellen und des Kondensators oder der Kondensatoren in eine Richtung weisen, während die Pluspole sämtlicher Komponenten eines benachbarten Moduls in die entgegengesetzte Richtung weisen. In diesem Fall lassen sich mehrere Module besonders einfach in elektrischer Serienschaltung kontaktieren, wenn sie geometrisch parallel angeordnet sind.In a particularly preferred configuration of the battery cell arrangement, a plurality of modules, each consisting of two electrochemical cells and two capacitors, are arranged next to one another in antiparallel pairs. This means that one module has all the positive terminals of the electrochemical cells and the capacitor or capacitors pointing in one direction, while the positive terminals of all components of an adjacent module point in the opposite direction. In this case, several modules can be contacted particularly easily in an electrical series connection if they are arranged geometrically in parallel.

Insbesondere ermöglicht dieser antiparallele Modulaufbau, dass positive Elektroden der elektrochemischen Zellen und eine positive Elektrode einer der Kondensatoren von einem ersten der mehreren Module mittels eines einstückigen, insbesondere ebenen, Verbindungselements mit negativen Elektroden der beiden elektrochemischen Zellen und einer negativen Elektrode eines der Kondensatoren von einem zu dem ersten Modul benachbarten zweiten Modul der mehreren Module elektrisch verbunden ist. Die einzelnen Komponenten der Batteriezellenanordnung können auf diese Weise sehr kostengünstig verbunden werden. Insbesondere ist es so möglich, dass mit einem einzigen Metallplättchen als das Verbindungselement drei (ggf. auch mehr) Pluspole bzw. positiven Elektroden (zwei elektrochemische Zellen und ein Kondensator) eines ersten Moduls mit drei (ggf. auch mehr) Minuspolen beziehungsweise negativen Elektroden eines zweiten Moduls mechanisch und elektrisch verbunden werden.In particular, this anti-parallel module structure enables positive electrodes of the electrochemical cells and a positive electrode of one of the capacitors of a first of the plurality of modules to be connected by means of a one-piece, in particular flat, connecting element with negative electrodes of the two electrochemical cells and a negative electrode of one of the capacitors from one to adjacent to the first module second module of the plurality of modules is electrically connected. The individual components of the battery cell arrangement can be connected very inexpensively in this way. In particular, it is possible that with a single metal plate as the connecting element, three (possibly more) positive poles or positive electrodes (two electrochemical cells and a capacitor) of a first module with three (possibly more) negative poles or negative electrodes of a second module are mechanically and electrically connected.

Bei einer speziellen Ausgestaltung der Batteriezellenanordnung ist das Vieleck ein Rechteck und insbesondere ein Quadrat. Die zylinderförmigen elektrochemischen Zellen bilden also in der Draufsicht das Rechteck beziehungsweise Quadrat. In diesem Fall kann der zwischen den elektrochemischen Zellen vorhandene Raum durch den oder die Kondensatoren größtenteils gefüllt werden.In a special configuration of the battery cell arrangement, the polygon is a rectangle and in particular a square. The cylindrical electrochemical cells thus form the rectangle or square when viewed from above. In this case, the space between the electrochemical cells can largely be filled by the capacitor or capacitors.

Wie oben bereits angedeutet wurde, handelt es sich bei den elektrochemischen Zellen jeweils um Lithium-lonen-Zellen. Derartige zylinderförmige Lithium-Ionen-Zellen sind beispielsweise in der Bauform 18650 oder 21700 sehr verbreitet im Einsatz.As already indicated above, the electrochemical cells are each lithium-ion cells. Such cylindrical lithium-ion cells, for example in the 18650 or 21700 design, are very widely used.

Wie in den obigen Ausführungen bereits angedeutet wurde, kann ein Elektrowerkzeug mit einer Batteriezellenanordnung ausgestattet sein. Insbesondere kann eine jeweilige Batteriezellenanordnung dazu genutzt werden, dass ein verhältnismäßig einfaches Batteriemanagementsystem eingesetzt wird. Sofern alternativ oder zusätzlich die oben beschriebene kompakte Zellen-Kondensator-Anordnung verwendet wird, kann der entsprechende Akkupack beziehungsweise das Elektrowerkzeug insgesamt sehr kompakt gestaltet werden.As has already been indicated in the above statements, a power tool can be equipped with a battery cell arrangement. In particular, a respective battery cell arrangement can be used so that a relatively simple battery management system is used. If the compact cell-capacitor arrangement described above is used as an alternative or in addition, the corresponding battery pack or the power tool can be designed very compact overall.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht eines Elektrowerkzeugs;
  • 2 ein Schaltbild einer Batteriezellenanordnung;
  • 3 eine Seitenansicht einer Batteriezellenanordnung mit zylinderförmigen elektrochemischen Zellen und zylinderförmigen elektrochemischen Kondensatoren; und
  • 4 eine Draufsicht auf die Batteriezellenanordnung von 3.
The present invention will now be explained in more detail with reference to the attached drawings, in which show:
  • 1 a schematic view of a power tool;
  • 2 a circuit diagram of a battery cell arrangement;
  • 3 a side view of a battery cell arrangement with cylindrical electrochemical cells and cylindrical electrochemical capacitors; and
  • 4 a plan view of the battery cell assembly of 3 .

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.The exemplary embodiments described in more detail below represent preferred embodiments of the present invention. In the figures, identical or functionally identical elements have been provided with the same reference symbols.

Ein Elektrogerät bzw. -werkzeug in Form eines Akku-Bohrschraubers 1 ist in einer Perspektivansicht in 1 gezeigt. Am Akku-Bohrschrauber 1 ist ein Akkupack 2, das heißt eine Batteriezellenanordnung oder Akkumulatoreinrichtung einschließlich Gehäuse, angebracht. Der Akkupack 2 dient zur Energieversorgung des Akku-Bohrschraubers 1. Er kann beispielsweise mehrere Lithium-lonen-Zellen zur Energiebereitstellung aufweisen. Andere Zelltechnologien sind ebenfalls möglich. Die nachfolgenden Erläuterungen dienen nicht nur für ein Elektrogerät in Form des Akku-Bohrschraubers 1, sondern generell für beliebige Elektrogeräte, wie beispielsweise Elektrowerkzeuge jeglicher Art, stationäre Maschinen, Reinigungsgeräte, Gartengeräte, Wasserpumpen und dergleichen.An electrical device or tool in the form of a cordless drill/driver 1 is shown in a perspective view in 1 shown. A battery pack 2, ie a battery cell arrangement or battery device including the housing, is attached to the cordless drill 1. The battery pack 2 is used to supply energy to the cordless drill 1. It can have, for example, several lithium-ion cells for supplying energy. Other cell technologies are also possible. The following explanations are not only for an electrical device in the form of the cordless drill 1, but generally for any electrical devices such as power tools of any kind, stationary machines, cleaning devices, gardening tools, water pumps and the like.

Die Erfindung geht von dem Ansatz aus, dass (dielektrische) Kondensatoren unmittelbar parallel zu den elektrochemischen Zellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, verschaltet sind und damit strom- und spannungsseitig jeweils wie eine einzelne Lithium-Ionen-Zelle geführt werden können.The invention is based on the approach that (dielectric) capacitors are connected directly in parallel with the electrochemical cells, in particular lithium-ion cells, and can therefore be routed like a single lithium-ion cell on the current and voltage side.

In einem Beispiel ist eine Konfiguration seriell geschalteter Hochleistungskondensatoren, jeweils direkt parallel zu einer jeweiligen Lithium-Ionen-Zelle zu verschalten, oder aber im Fall eines leistungsfähigeren Akkupacks eine Konfiguration aus mehreren parallel geschalteten Lithium-Ionen-Zellen. Besonders bevorzugt ist im Fall der Verwendung von Doppelschichtkondensatoren die Konfiguration von zwei seriell verschalteten Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) mit einer oder mehreren parallel geschalteten Lithium-Ionen-Zellen. Der Grund dafür liegt darin, dass die obere Spannungsgrenze für Doppelschichtkondensatoren mit 2,3 bis 2,6 V tiefer liegt als die Ladeschlussspannung der Lithium-Ionen-Zellen (zum Beispiel 4,2 bis 4,5 V). Die beiden in Reihe geschalteten Doppelschichtkondensatoren teilen sich die an den Lithium-Ionen-Zellen anliegende Spannung und sind damit spannungsseitig immer im sicheren Fenster geführt. Eine derartige Konfiguration kann seriell ergänzt zu beliebigen Packspannungen erweitert werden. Für eine besonders leistungsstarke Variante einer Batteriezellenanordnung könnten etwa fünf Module aus je zwei seriellen Doppelschichtkondensatoren und einer oder zwei parallelen Lithium-Ionen-Zellen genutzt werden.In one example, a configuration of series-connected high-performance capacitors, each to be connected directly in parallel with a respective lithium-ion cell, or in the case of a more powerful battery pack, a configuration of several parallel-connected lithium-ion cells. If double-layer capacitors are used, the configuration of two serially connected double-layer capacitors (EDLCs) with one or more parallel-connected lithium-ion cells is particularly preferred. The reason for this is that the upper voltage limit for double-layer capacitors, at 2.3 to 2.6 V, is lower than the end-of-charge voltage of lithium-ion cells (e.g. 4.2 to 4.5 V). The two double-layer capacitors connected in series share the voltage applied to the lithium-ion cells and are therefore always within a safe window on the voltage side. Such a configuration can be serially expanded to any pack voltages. For a particularly powerful variant of a battery cell arrangement, around five modules, each consisting of two serial double-layer capacitors and one or two parallel lithium-ion cells, could be used.

Diese Art der Integration der Hochleistungs- beziehungsweise Doppelschichtkondensatoren kann mit den gleichen Prinzipien gemanagt werden, wie sie heute bereits im Batteriemanagement für Lithium-lonen-Power-Akkus zum Einsatz kommen. Es besteht die Möglichkeit, im Batteriemanagementsystem eines solchen Akkupacks die dielektrischen Kapazitäten für auftretende Leistungsspitzen geeignet zu berücksichtigen, sodass derartige leistungsstarke Akkupacks erheblich höhere Spitzenlasten abdecken können.This type of integration of the high-performance or double-layer capacitors can be managed using the same principles as are already used today in battery management for lithium-ion power batteries. It is possible to use the dielectric in the battery management system of such a battery pack Capacities for power peaks that occur must be taken into account, so that such powerful battery packs can cover significantly higher peak loads.

2 zeigt ein prinzipielles Schaltbild eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung. Die Batteriezellenanordnung besitzt mehrere Lithium-Ionen-Zellen Z1 und Z2. Darüber hinaus besitzt die Batteriezellenanordnung mehrere elektrischen Doppelschichtkondensatoren C11, C12, C21 und C22. Die beiden Doppelschichtkondensatoren C11 und C12 sind miteinander in Serie geschaltet und diese Serienschaltung ist parallel zu der ersten Lithium-Ionen-Zelle Z1 geschaltet. In gleicher Weise sind die Doppelschichtkondensatoren C21 und C22 miteinander in Serie geschaltet und diese Serienschaltung ist parallel zu der zweiten Lithium-Ionen-Zelle Z2 geschaltet. 2 shows a basic circuit diagram of an example of a battery cell arrangement according to the invention. The battery cell arrangement has several lithium-ion cells Z1 and Z2. In addition, the battery cell assembly has multiple electric double layer capacitors C11, C12, C21 and C22. The two double-layer capacitors C11 and C12 are connected in series with one another, and this series connection is connected in parallel with the first lithium-ion cell Z1. In the same way, the double-layer capacitors C21 and C22 are connected in series with one another, and this series connection is connected in parallel with the second lithium-ion cell Z2.

Die erste Lithium-Ionen-Zelle Z1 und die zugehörigen Doppelschichtkondensatoren C11 und C12 sind Bestandteil eines ersten Moduls M1. Ebenso ist die zweite Lithium-Ionen-Zelle Z2 zusammen mit den Doppelschichtkondensatoren C21 und C22 Bestandteil eines zweiten Moduls M2. Die beiden Module M1 und M2 können in Serie geschaltet sein. Ferner können auch weitere Module dieser Art (in 2 nicht eingezeichnet) zu den beiden Modulen M1 und M2 in Serie geschaltet sein. D.h. auch in jedem weiteren Modul sind wie in den Modulen M1 und M2 jeweils genau zwei Doppelschichtkondensatoren in Serie parallel zu einer einzigen Lithium-Ionen-Zelle geschaltet.The first lithium-ion cell Z1 and the associated double-layer capacitors C11 and C12 are part of a first module M1. Likewise, the second lithium-ion cell Z2 is part of a second module M2 together with the double-layer capacitors C21 and C22. The two modules M1 and M2 can be connected in series. Furthermore, other modules of this type (in 2 not shown) connected in series to the two modules M1 and M2. This means that in each additional module, as in modules M1 and M2, exactly two double-layer capacitors are connected in series in parallel with a single lithium-ion cell.

Optional kann in mindestens einem der Module oder in jedem der Module zu der jeweiligen Lithium-lonen-Zelle mindestens eine weitere Lithium-Ionen-Zelle parallel geschaltet werden. So kann beispielsweise in dem Modul M1 zu der ersten Lithium-Ionen-Zelle Z1 eine dritte Lithium-Ionen-Zelle Z3 parallel geschaltet sein. Mindestens eine weitere Lithium-Ionen-Zelle kann diesen parallelen Lithium-lonen-Zellen Z1 und Z3 parallel geschaltet sein. In gleicher Weise kann in dem Modul M2 zu der zweiten Lithium-Ionen-Zelle Z2 eine vierte Lithium-Ionen-Zelle Z4 parallel geschaltet sein. Mindestens eine weitere Lithium-Ionen-Zelle kann zu diesen parallelen Lithium-Ionen-Zellen Z2 und Z4 parallel geschaltet sein.Optionally, at least one further lithium-ion cell can be connected in parallel with the respective lithium-ion cell in at least one of the modules or in each of the modules. For example, a third lithium-ion cell Z3 can be connected in parallel with the first lithium-ion cell Z1 in the module M1. At least one further lithium-ion cell can be connected in parallel with these parallel lithium-ion cells Z1 and Z3. In the same way, a fourth lithium-ion cell Z4 can be connected in parallel with the second lithium-ion cell Z2 in the module M2. At least one further lithium-ion cell can be connected in parallel with these parallel lithium-ion cells Z2 and Z4.

Die Batteriezellenanordnung kann einen Hauptschalter SO zum An- und Abschalten des Hauptstrompfads mit den seriell verschalteten Modulen aufweisen. Das erste Modul M1 weist optional eine Schalteinrichtung S1 (z.B. Wechselschalter) auf. Diese Schalteinrichtung S1 kann dazu dienen, das erste Modul M1 zu überbrücken. Dazu kann die Schalteinrichtung S1 in einen Bypass schalten, der parallel zu der ersten Lithium-Ionen-Zelle Z1 beziehungsweise parallel zu der Serienschaltung der Doppelschichtkondensatoren C11 und C12 liegt. In gleicher Weise kann das zweite Modul M2 eine zweite Schalteinrichtung S2 (z.B. Wechselschalter) aufweisen, mit der das zweite Modul M2 überbrückbar ist. Dazu kann die zweite Schalteinrichtung S2 in einen Bypass schalten, der parallel zu der zweiten Lithium-lonen-Zelle Z2 beziehungsweise parallel zu der Serienschaltung der Doppelschichtkondensatoren C21 und C22 liegt. Ist die jeweilige Schalteinrichtung S1 beziehungsweise S2 an die jeweiligen Zellen bzw. Kondensatoren (nicht an den jeweiligen Bypass) geschaltet, so ist das korrespondierende Modul M1, M2 elektrisch in den Hauptstrompfad gekoppelt und trägt zur Ausgangsspannung der Batteriezellenanordnung bei.The battery cell arrangement can have a main switch SO for switching the main current path on and off with the modules connected in series. The first module M1 optionally has a switching device S1 (e.g. changeover switch). This switching device S1 can be used to bypass the first module M1. For this purpose, the switching device S1 can switch to a bypass which is parallel to the first lithium-ion cell Z1 or parallel to the series connection of the double-layer capacitors C11 and C12. In the same way, the second module M2 can have a second switching device S2 (e.g. changeover switch) with which the second module M2 can be bypassed. For this purpose, the second switching device S2 can switch to a bypass which is parallel to the second lithium-ion cell Z2 or parallel to the series connection of the double-layer capacitors C21 and C22. If the respective switching device S1 or S2 is connected to the respective cells or capacitors (not to the respective bypass), the corresponding module M1, M2 is electrically coupled to the main current path and contributes to the output voltage of the battery cell arrangement.

Die Schalteinrichtungen S1 und S2 sind in 2 rein symbolisch angedeutet. Sie können belieb ausgestaltet sein und besitzen die Funktion, angesteuert durch ein Batteriemanagementsystem BMS das jeweilige Modul M1 beziehungsweise M2 zu steuern. Jede Schalteinrichtung kann gegebenenfalls eine Vielzahl an Bauelementen aufweisen. Für die Schaltfunktion können insbesondere entsprechende Halbleiterschalter verwendet werden.The switching devices S1 and S2 are in 2 purely symbolically indicated. They can be configured as desired and have the function of controlling the respective module M1 or M2, activated by a battery management system BMS. Each switching device can optionally have a large number of components. In particular, corresponding semiconductor switches can be used for the switching function.

Um die Doppelschichtkondensatoren C11, C12, C21, C22 beziehungsweise deren elektrochemische Komponenten zu schützen, kann die Spannung an einem Doppelschichtkondensator mit einer Zenerdiode begrenzt werden. Derartige Zenerdioden sind der Übersicht halber in 2 nicht eingezeichnet. Alternativ kann zu der Zenerdiode auch jede beliebige andere Schaltungseinrichtung bzw. jedes beliebige andere Schaltelement an den jeweiligen Doppelschichtkondensator geschaltet sein, um dessen Maximalspannung zu begrenzen.In order to protect the double-layer capacitors C11, C12, C21, C22 or their electrochemical components, the voltage across a double-layer capacitor can be limited with a zener diode. For the sake of clarity, such zener diodes are 2 not marked. As an alternative to the zener diode, any other switching device or any other switching element can also be connected to the respective double-layer capacitor in order to limit its maximum voltage.

Von besonderem Vorteil ist nun, dass mit dem Batteriemanagementsystem BMS jedes Modul M1, M2 etc. individuell angesteuert werden kann. Es ist dabei nicht notwendig, mit dem Batteriemanagementsystem BMS jede einzelne Lithium-lonen-Zelle beziehungsweise jeden einzelnen Doppelschichtkondensator zu steuern. Dadurch, dass die jeweilige Lithium-lonen-Zelle und die seriell geschalteten zwei Doppelschichtkondensatoren spannungsmäßig aneinander angepasst sind, genügt es, das jeweilige Modul mit diesen drei Komponenten durch das Batteriemanagementsystem individuell anzusteuern. Trotz dieser modularen Ansteuerung kann gewährleistet werden, dass weder die Elektrochemie der Lithium-lonen-Zellen, noch die der Doppelschichtkondensatoren überfordert wird.A particular advantage is that each module M1, M2 etc. can be controlled individually with the battery management system BMS. It is not necessary to control each individual lithium-ion cell or each individual double-layer capacitor with the BMS battery management system. Due to the fact that the respective lithium-ion cell and the two double-layer capacitors connected in series are matched to one another in terms of voltage, it is sufficient for the respective module with these three components to be controlled individually by the battery management system. Despite this modular control, it can be guaranteed that neither the electrochemistry of the lithium-ion cells nor that of the double-layer capacitors is overtaxed.

3 und 4 zeigen eine mögliche geometrische Anordnung einzelner Komponenten einer Batteriezellenanordnung 3. 3 stellt dabei eine Seitenansicht dar, während 4 einer dazugehörigen Draufsicht entspricht. Die in beiden Fig. dargestellte Batteriezellenanordnung ist sehr kompakt und umfasst zehn einzelne elektrochemische Zellen 4. Jede dieser elektrochemischen Zellen 4 besitzt einen Pluspol 5 als knopfartigen Vorsprung und einen Minuspol (in den 3 und 4 nicht sichtbar). Die elektrochemischen Zellen 4 sind hier paarweise parallel geschaltet. Alle Paare (hier fünf Paare) sind im vorliegenden Beispiel in Serie geschaltet. Die geometrische Anordnung jedes Paars ist so gewählt, dass jeweils benachbarte Paare von elektrochemischen Zellen antiparallel ausgerichtet sind. In den 3 und 4 ist dies daran zu erkennen, dass bei dem ersten Paar von elektrochemischen Zellen 4 auf der linken Seite der Batteriezellenanordnung der jeweilige Pluspol 5 nach oben zeigt. Bei dem zweiten Paar von links zeigt der jeweilige Pluspol 5 nach unten, beim dritten Paar wieder nach oben und so weiter. Vorzugsweise liegen benachbarte Paare der elektrochemischen Zellen 4 unmittelbar aneinander an. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn auch die beiden elektrochemischen Zellen 4 jedes Paars unmittelbar aneinander liegen. Jede elektrochemische Zelle 4 eines Paars berührt damit - geometrisch betrachtet - am Außenmantel die andere elektrochemische Zelle 4 des Paars. Darüber hinaus berührt sie am Außenmantel eine weitere elektrochemische Zelle 4 eines ersten Nachbarpaars und gegebenenfalls auch eine Zelle eines zweiten Nachbarpaars jeweils an ihrem Außenumfang. Die jeweiligen Berührungen verlaufen linienförmig und parallel zueinander. Es ist jedoch nicht notwendig, dass sich die einzelnen elektrochemischen Zellen 4 direkt berühren, sondern es können auch einer oder mehrere Abstandshalter vorgesehen sein, die die jeweiligen elektrochemischen Zellen untereinander auf Abstand halten. Selbstverständlich sind geeignete Isolationen vorzusehen. 3 and 4 show a possible geometric arrangement of individual components of a battery cell arrangement 3. 3 represents a side view while 4 one belonging corresponds to the top view. The battery cell arrangement shown in both figures is very compact and comprises ten individual electrochemical cells 4. Each of these electrochemical cells 4 has a positive pole 5 as a button-like projection and a negative pole (in the 3 and 4 not visible). The electrochemical cells 4 are connected here in pairs in parallel. All pairs (here five pairs) are connected in series in the present example. The geometric arrangement of each pair is selected such that adjacent pairs of electrochemical cells are aligned antiparallel. In the 3 and 4 This can be seen from the fact that in the first pair of electrochemical cells 4 on the left side of the battery cell arrangement, the respective positive pole 5 points upwards. In the second pair from the left, the respective positive pole 5 points downwards, in the third pair it points upwards again and so on. Adjacent pairs of the electrochemical cells 4 are preferably in direct contact with one another. It is also advantageous if the two electrochemical cells 4 of each pair are also directly adjacent to one another. Each electrochemical cell 4 of a pair touches the other electrochemical cell 4 of the pair--geometrically speaking--on the outer casing. In addition, it touches a further electrochemical cell 4 of a first pair of neighbors on the outer casing and possibly also a cell of a second pair of neighbors, each on its outer circumference. The respective touches run linearly and parallel to each other. However, it is not necessary for the individual electrochemical cells 4 to touch each other directly; one or more spacers can also be provided, which keep the respective electrochemical cells at a distance from one another. Appropriate insulation must of course be provided.

Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um kreiszylindrische elektrochemische Zellen, deren Längsachsen alle parallel zueinander verlaufen. In der Draufsicht von 4 nehmen die Längsachsen die Eckpunkte eines Rasters mit quadratischen Elementen ein. Die Längsachsen der elektrochemischen Zellen 4 zweier benachbarter Paare liegen in der Draufsicht entlang der Längsachsen genau auf den Eckpunkten eines Quadrats. Bei alternativen Ausführungsformen kann es sich auch um ein Rechteck handeln. Da die einzelnen elektrochemischen Zellen 4 kreiszylinderförmig sind, ergibt sich in der Mitte der vier elektrochemischen Zellen 4 ein Freiraum. Dieser Freiraum wird hier für genau zwei zylinderförmige, elektrische Kondensatoren 6 genutzt, die in Serie miteinander verbunden sind und deren Längsachsen identisch verlaufen. Vorzugsweise handelt es sich bei den Kondensatoren 6 um Doppelschichtkondensatoren, die ebenfalls einen Pluspol 7 und einen Minuspol (in den Fig. nicht sichtbar) besitzen.The present example involves circular-cylindrical electrochemical cells whose longitudinal axes all run parallel to one another. In the top view of 4 the longitudinal axes occupy the corners of a grid with square elements. The longitudinal axes of the electrochemical cells 4 of two adjacent pairs lie exactly on the corner points of a square along the longitudinal axes in the plan view. In alternative embodiments, it can also be a rectangle. Since the individual electrochemical cells 4 are circular-cylindrical, there is a free space in the middle of the four electrochemical cells 4 . This free space is used here for exactly two cylindrical electrical capacitors 6, which are connected to one another in series and whose longitudinal axes are identical. The capacitors 6 are preferably double-layer capacitors, which also have a positive pole 7 and a negative pole (not visible in the figures).

Wie aus den 3 und 4 hervorgeht, weisen die Pluspole 7 des in den Zeichnungen linken Paars von Kondensatoren 6 jeweils nach oben und sind somit genauso ausgerichtet wie die elektrochemischen Zellen 4 des angrenzenden Paars von elektrochemischen Zellen. Dieses Paar von elektrochemischen Zellen 4 zusammen mit dem angrenzenden Paar von elektrischen Kondensatoren 6 bildet eine Komponentengruppe bzw. ein Modul. Die Pluspole sämtlicher Komponenten dieser Gruppe weisen in die gleiche Richtung. Im vorliegenden Beispiel weisen die Pluspole 5, 7 sämtlicher Komponenten der linken Komponentengruppe in den 3 und 4 nach oben. Bei der unmittelbar anschließenden Komponentengruppe aus zwei elektrochemischen Zellen 4 und zwei Kondensatoren 6 weisen die Pluspole nach unten. Bei der nächsten Komponentengruppe weisen sie wieder nach oben und so weiter. Benachbarte Komponentengruppen sind also antiparallel ausgerichtet.How from the 3 and 4 As can be seen, the plus poles 7 of the pair of capacitors 6 on the left in the drawings each point upwards and are thus aligned in the same way as the electrochemical cells 4 of the adjacent pair of electrochemical cells. This pair of electrochemical cells 4 together with the adjacent pair of electrical capacitors 6 form a component group or module. The positive poles of all components in this group point in the same direction. In the present example, the positive poles 5, 7 of all components of the left component group in the 3 and 4 up. In the case of the immediately following component group consisting of two electrochemical cells 4 and two capacitors 6, the positive poles point downwards. For the next group of components, they point up again, and so on. Neighboring groups of components are therefore aligned antiparallel.

In der Draufsicht von 4 nehmen die Längsachsen von zwei benachbarten Paaren an elektrochemischen Zellen 4, wie oben bereits beschrieben wurde, die Eckpunkte eines Quadrats ein. Im Flächenzentrum dieses Quadrats befindet sich die gemeinsame Längsachse der zwei in Serie geschalteten zylinderförmigen elektrischen Kondensatoren 6. Der Durchmesser der Kondensatoren 6 kann so angepasst sein, dass die Kondensatoren genau den Raum in der Mitte der zwei Paare von elektrochemischen Zellen 4 ausfüllen. Die beiden koaxial ausgerichteten zylinderförmigen Kondensatoren 6 berühren also an ihrem Außenumfang alle vier elektrochemischen Zellen 4 um sie herum. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr kompakte Batteriezellenanordnung, die räumlich maximal ausgenutzt ist.In the top view of 4 the longitudinal axes of two adjacent pairs of electrochemical cells 4 occupy the vertices of a square, as already described above. The common longitudinal axis of the two cylindrical electrical capacitors 6 connected in series is located in the center of the area of this square. The two coaxially aligned cylindrical capacitors 6 thus touch all four electrochemical cells 4 around them on their outer circumference. This results in a very compact battery cell arrangement that is spatially utilized to the maximum extent.

Zur elektrischen Kontaktierung sind hier einfache Kontaktplättchen 8 vorgesehen. Diese Kontaktplättchen 8 verbinden in der Regel sechs Pole von zwei benachbarten, antiparallelen Gruppen von elektrochemischen Zellen 4 und elektrischen Kondensatoren 6. Beispielsweise verbindet das in 4 in der Mitte dargestellte Kontaktplättchen 8 zwei Minuspole (nicht dargestellt) von elektrochemischen Zellen 4 und einen Minuspol eines Kondensators einer Komponentengruppe mit den Pluspolen 5 zweier benachbarter elektrochemischer Zellen 4 der benachbarten Komponentengruppe und einem Pluspol 7 eines dazu gehörigen Kondensators 6. Auch das Kontaktplättchen 8 in 4 rechts verbindet entsprechende sechs Pole der jeweiligen Komponenten. Demgegenüber verbindet das linke Kontaktplättchen 8 lediglich die Pluspole 5 und 7 der ersten Komponentengruppe links. Diesem Kontaktplättchen 8 ist jedoch eine separate Kontaktzunge 9 angeformt, die den Außenkontakt (hier Pluspol) der gesamten Batteriezellenanordnung darstellt. In ähnlicher Weise sind die Kontaktplättchen 8 auf der Unterseite der Batteriezellenanordnung gemäß 3 ausgebildet. Hier besitzt das Kontaktplättchen 8 auf der rechten Seite eine Kontaktzunge 9 als Minuspol für die gesamte Batteriezellenanordnung. Mit wenigen einfachen Kontaktplättchen ist also die Batteriezellenanordnung kontaktierbar. Insbesondere kann es sich bei den Kontaktplättchen 8 um ebene, gestanzte Metallplättchen handeln.Simple contact plates 8 are provided here for electrical contact. As a rule, these contact plates 8 connect six poles of two adjacent, antiparallel groups of electrochemical cells 4 and electrical capacitors 6. For example, in 4 contact plates 8 shown in the middle have two negative poles (not shown) of electrochemical cells 4 and a negative pole of a capacitor of a component group with the positive poles 5 of two adjacent electrochemical cells 4 of the adjacent component group and a positive pole 7 of an associated capacitor 6. The contact plate 8 in 4 on the right connects corresponding six poles of the respective components. In contrast, the left contact plate 8 only connects the positive poles 5 and 7 of the first component group on the left. However, this contact plate 8 has a separate contact tongue 9 formed thereon, which represents the external contact (positive pole here) of the entire battery cell arrangement. In similar Licher way are the contact plates 8 on the underside of the battery cell assembly according to 3 educated. Here the contact plate 8 has a contact tongue 9 on the right-hand side as a negative pole for the entire battery cell arrangement. The battery cell arrangement can therefore be contacted with a few simple contact pads. In particular, the contact plates 8 can be flat, stamped metal plates.

Wie bei den obigen Ausführungsbeispielen handelt es sich bei den elektrochemischen Zellen vorzugsweise um Lithium-lonen-Zellen. Die elektrischen Kondensatoren sind vorzugsweise Doppelschichtkondensatoren. Da die obere Spannungsgrenze für Doppelschichtkondensatoren bei 2,3 bis 2,6 V und die Ladeschlussspannung der Lithium-Ionen-Zellen bei etwa 4,2 bis 4,35 V liegt, sind die zwei in Serie geschalteten Doppelschichtkondensatoren spannungsmäßig an die parallelen Lithium-Ionen-Zellen einer Komponentengruppe angepasst. Dadurch ergibt sich nicht nur eine elektrisch sehr wirksame Konfiguration, sondern auch eine geometrisch sehr kompakte Gestalt der Batteriezellenanordnung 3.As with the above embodiments, the electrochemical cells are preferably lithium ion cells. The electrical capacitors are preferably double layer capacitors. Since the upper voltage limit for double-layer capacitors is 2.3 to 2.6 V and the end-of-charge voltage of lithium-ion cells is around 4.2 to 4.35 V, the two series-connected double-layer capacitors are connected to the parallel lithium-ions in terms of voltage -Adapted cells of a component group. This not only results in an electrically very effective configuration, but also in a geometrically very compact shape of the battery cell arrangement 3.

Oftmals werden bei herkömmlichen Batteriezellenanordnungen Lithium-Ionen-Zellen in paarweiser Konfiguration im Blocksatz ohne Versatz angeordnet. Dabei entsteht immer ein bis dato nicht genutzter Zwischenraum in der Mitte zwischen vier Zellen. Genau in diesen Zwischenraum werden nun erfindungsgemäß beispielsweise EDLC-Pärchen eingebracht, wodurch sich der oben geschilderte Bauraumvorteil ergibt und sich bestehende Akkupacks in ihrer Außengeometrie kaum verändern.In conventional battery cell arrangements, lithium-ion cells are often arranged in a paired configuration in a block set with no offset. This always creates a previously unused space in the middle between four cells. According to the invention, EDLC pairs, for example, are introduced exactly into this intermediate space, resulting in the above-described installation space advantage and existing battery packs hardly changing in their external geometry.

In dem Beispiel von 4 sind immer zwei elektrochemische Zellen 4 nebeneinander angeordnet und parallel geschaltet. Prinzipiell können aber auch jeweils drei, vier, etc. elektrochemische Zellen parallel geschaltet und parallel angeordnet werden. Bei mehreren derartigen parallelen Gruppen ergibt sich wiederum ein regelmäßiges Raster ähnlich dem von 4. In den Zwischenräumen zwischen den einzelnen elektrochemischen Zellen 4 lassen sich auch hier jeweilige Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren anordnen.In the example of 4 are always two electrochemical cells 4 arranged side by side and connected in parallel. In principle, however, three, four, etc. electrochemical cells can also be connected in parallel and arranged in parallel. If there are several parallel groups of this kind, a regular grid similar to that of 4 . Here, too, respective capacitors, in particular double-layer capacitors, can be arranged in the spaces between the individual electrochemical cells 4 .

Ein großer Vorteil derartiger Batteriezellenanordnungen besteht darin, dass das Verhältnis dielektrischer Kapazitäten zu elektrochemischen Kapazitäten beliebig eingestellt werden kann. Zum Zweiten wird die elektrochemische Kapazität durch die Steigerung der dielektrischen Kapazität nicht beeinträchtigt. Zum Dritten wird bislang ungenutzter Platz zwischen den Zellen genutzt.A major advantage of such battery cell arrangements is that the ratio of dielectric capacitances to electrochemical capacitances can be adjusted as desired. Second, the electrochemical capacity is not affected by the increase in dielectric capacity. Thirdly, previously unused space between the cells is used.

BezugszeichenlisteReference List

11
Elektrowerkzeugpower tool
22
Akkupackbattery pack
33
Batteriezellenanordnungbattery cell arrangement
44
elektrochemische Zelleelectrochemical cell
55
Pluspolpositive pole
66
Kondensatorcapacitor
77
Pluspolpositive pole
88th
Kontaktplättchencontact plate
99
Kontaktzungecontact tongue
BMSBMS
Batteriemanagementsystembattery management system
C11C11
Doppelschichtkondensatordouble layer capacitor
C12C12
Doppelschichtkondensatordouble layer capacitor
C21C21
Doppelschichtkondensatordouble layer capacitor
C22C22
Doppelschichtkondensatordouble layer capacitor
M1M1
Modulmodule
M2M2
Modulmodule
5050
Hauptschaltermain switch
S1S1
Schalteinrichtungswitching device
S2S2
Schalteinrichtungswitching device
Z1Z1
Lithium-Ionen-Zellelithium ion cell
Z2Z2
Lithium-Ionen-Zellelithium ion cell
Z3Z3
Lithium-Ionen-Zellelithium ion cell
Z4Z4
Lithium-Ionen-Zellelithium ion cell

Claims (5)

Batteriezellenanordnung (3) für ein Elektrowerkzeug (1) mit - mehreren Lithium-Ionen-Zellen (Z1 bis Z4), - mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren (C11, C12, C21, C22) und - einem Batteriemanagementsystem (BMS) zum Steuern der mehreren Lithium-Ionen-Zellen (Z1 bis Z4) und der mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren (C11, C12, C21, C22), wobei - zu einer der mehreren Lithium-Ionen-Zellen (Z1 bis Z4) oder zu einem Paar von parallelgeschalteten der mehreren Lithium-Ionen-Zellen (Z1 bis Z4) jeweils genau zwei in Serie verbundene der mehreren elektrischen Doppelschichtkondensatoren (C11, C12, C21, C22) parallel geschaltet sind, um so ein Modul (M1, M2) zu bilden, - die Batteriezellenanordnung mehrere derartige Module besitzt und - jedes Modul (M1, M2) als Gesamtheit individuell von dem Batteriemanagementsystem (BMS) angesteuert ist.Battery cell arrangement (3) for a power tool (1). - several lithium-ion cells (Z1 to Z4), - several electric double layer capacitors (C11, C12, C21, C22) and - a battery management system (BMS) for controlling the plurality of lithium-ion cells (Z1 to Z4) and the plurality of electric double layer capacitors (C11, C12, C21, C22), wherein - Exactly two series-connected electric double-layer capacitors (C11, C12, C21, C22) are connected in parallel so as to form a module (M1, M2), - The battery cell arrangement has several such modules and - Each module (M1, M2) is individually controlled as a whole by the battery management system (BMS). Batteriezellenanordnung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellenanordnung (3) mehrere Module (M1, M2) der genannten Art besitzt und jedes der mehreren Module (M1, M2) separat über eine jeweilige Schalteinrichtung (S1, S2) mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) verbunden ist.Battery cell arrangement (3) after claim 1 , characterized in that the battery cell arrangement (3) has a plurality of modules (M1, M2) of the type mentioned and each of the plurality of modules (M1, M2) is connected separately via a respective switching device (S1, S2) to the battery management system (BMS). Batteriezellenanordnung (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Modul (M1, M2) oder in jedem der mehreren Module (M1, M2) jeweils mindestens eine weitere Lithium-Ionen-Zelle (Z1 bis Z4) parallel zu dem jeweiligen Paar von Lithium-Ionen-Zellen (Z1 bis Z4) geschaltet ist.Battery cell arrangement (3) after claim 1 or 2 , characterized in that in the module (M1, M2) or in each of the several modules (M1, M2) in each case at least one further lithium-ion cell (Z1 to Z4) parallel to the respective pair of lithium-ion cells ( Z1 to Z4) is connected. Batteriezellenanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem der Doppelschichtkondensatoren (C11, C12, C21, C22) jeweils eine Zenerdiode parallel geschaltet ist.Battery cell arrangement (3) according to one of the preceding claims, characterized in that a Zener diode is connected in parallel with each of the double-layer capacitors (C11, C12, C21, C22). Elektrowerkzeug (1) mit einer Batteriezellenanordnung (3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.Electric tool (1) with a battery cell arrangement (3) according to one of the preceding claims.
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In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 24. September 2019 „Schutzdiode", URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Schutzdiode&oldid =158171541 [abgerufen am 10.07.2020]

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