DE102020006064A1 - Intelligently adaptable and flexible battery pack (short: IFAP) - Google Patents

Intelligently adaptable and flexible battery pack (short: IFAP) Download PDF

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Abstract

Dieses Patent beschreibt einen Akkupack, der zusätzlich zu einem bereits vorhandenen Akkupack an zum Beispiel einem Akkuschrauber oder anderen Elektrowerkzeug zur Erhöhung der Energiemenge und oder der Leistung mit angeschlossen werden kann. Dazu verfügt der Akkupack über einen DCDC-Wandler, mit dem eine Anpassung automatisch auf die jeweilige Anwendung erfolgt. Auf diese Art und Weise kann die Energiemenge deutlich erhöht werden, weil auch mehrere zusätzliche Akkupacks gleichzeitig verwendet werden können. So kann damit die Reichweite eines E-Bikes problemlos verdoppelt werden. Mit dieser Technik ist es auch möglich, Akkupacks mit verschiedener Leistungsfähigkeit (Alterung, Größe, Chemie,...) gleichzeitig in einer Anwendung einzusetzen und dabei von jedem einzelnen Akkupack die volle Energiemenge zur Verfügung zu haben.In Figur 1 ist eine Darstellung mit Funktionsblöcken gezeigt, die den prinzipiellen Aufbau dieses intelligent anpassungsfähigen und flexibel anwendbaren Akkupack zeigt.This patent describes a battery pack which, in addition to an already existing battery pack, can be connected to, for example, a cordless screwdriver or other power tool in order to increase the amount of energy and/or the performance. For this purpose, the battery pack has a DCDC converter, which automatically adapts to the respective application. In this way, the amount of energy can be significantly increased because several additional battery packs can be used at the same time. This means that the range of an e-bike can easily be doubled. With this technology it is also possible to use battery packs with different capacities (aging, size, chemistry,...) simultaneously in one application and to have the full amount of energy available from each individual battery pack. Figure 1 shows a representation with function blocks shown, which shows the basic structure of this intelligently adaptable and flexibly applicable battery pack.

Description

Motivation:Motivation:

Auf Grund der zunehmenden Leistungsfähigkeit von Akkuzellen werden immer mehr Anwendungen durch Akkupacks mit Energie versorgt. Da die Akkus jedoch die am schnellsten alternden Bauteile einer Anwendungen sind, werden die Akkupacks meist als „auswechselbare Baugruppen“ konstruiert. Beispiele hierfür sind unter anderen die Akkuschrauber bei den Werkzeugen und die E-Bikes bei den Fahrzeugen. Wegen der zunehmenden Leistungsfähigkeit der Akkus, können nun auch größere Anwendungen mit Akkus versorgt werden, die bisher auf Bleibatterien oder noch ohne mobile elektrische Versorgung waren. Beispiele hierzu sind Flurförderfahrzeuge oder Hebezeuge wie Gabelstapler usw. Darüber hinaus bringt die Weiterentwicklung der Akkuzellen laufend neue, leistungsfähigere Zellen hervor, die mit den bereits vorhandenen Zellen im Allgemeinen nicht kompatibel und somit nicht gemeinsam in einer Anwendung nutzbar sind.Due to the increasing performance of battery cells, more and more applications are supplied with energy by battery packs. However, since the batteries are the fastest aging components in an application, the battery packs are usually designed as "replaceable assemblies". Examples of this include the cordless screwdrivers among the tools and the e-bikes among the vehicles. Due to the increasing performance of the rechargeable batteries, larger applications can now also be supplied with rechargeable batteries, which were previously based on lead batteries or without a mobile electrical supply. Examples of this are industrial trucks or hoists such as forklifts, etc. In addition, the further development of battery cells constantly produces new, more powerful cells that are generally not compatible with the existing cells and therefore cannot be used together in one application.

Wird sehr viel Energie benötigt, werden die Akkupacks groß, schwer und unhandlich. Zusätzlich erhöht der zunehmende Energieinhalt das Risiko, im Falle eines Defekts, Schaden anzurichten. Somit ergeben sich Beschränkungen für die Baugröße eines Akkupacks. Um dennoch größere Energiemenge zur Verfügung zu haben, werden mehrere Akkupacks gleichzeitig in einer Anwendung verwendet.If a lot of energy is required, the battery packs become large, heavy and unwieldy. In addition, the increasing energy content increases the risk of causing damage in the event of a defect. This results in limitations for the size of a battery pack. In order to still have a larger amount of energy available, several battery packs are used simultaneously in one application.

Somit stellt sich die Aufgabe, wie können mehrere Akkupacks, die auch aus unterschiedlichen Zellen, unterschiedlicher Größe und Alterung bestehen, gemeinsam eine Anwendung speisen? Das hier beschriebene Patent gibt eine Antwort darauf.So the task is how can several battery packs, which also consist of different cells, different sizes and aging, feed an application together? The patent described here provides an answer.

Stand der Technik:State of the art:

Akkupacks werden typischerweise durch mehrere in reihe- und parallelgeschaltete Zellen in der Konfiguration xSyP gebaut. In 1 ist mit dem Bezugszeichen 40 die schematische Verschaltung eines Zellenstapels dargestellt. Der Zellenstapel besteht dabei aus x in Reihe geschalteten Zellen und y parallel geschalteten. Dabei werden die einzelnen in Reihe geschalteten Akkuzellen durch ladungsausgleichende Beschattungen balanciert. Das ist im allgemeinen Teil des BatterieManagement-Systems, kurz BMS, das auch die Sicherheit des Akkupacks gewährleistet. Werden solche Akkupacks in Reihe geschaltet, muß darauf geachtet werden, daß alle Packs zueinander passen. Das beinhaltet nicht nur die Größe der Ladungen sondern auch den aktuellen Ladezustand (SoC), um alle Packs entsprechend ihrer Leistungsfähigkeit nutzen zu können. Werden die Akkupacks parallel geschaltet, so muß auf gleiche Klemmspannung geachtet werden. Damit ist ebenfalls der Ladezustand (SoC) relevant als auch die Anzahl der im Akkupack in Reihe geschalteten Zellenanzahl, die im Allgemeinen für alle parallelgeschalteten Packs genau gleich sein muß, sowie deren Zelltyp (Chemie). Um diese wichtigen Eigenschaften zu erfüllen, sind nur speziell für die jeweilige Anwendung entwickelte Akkupacks verwendbar, wobei zusätzlich Maßnahmen in der Anwendung erforderlich sind, um den Ladezustand abzusichern, bevor zum Beispiel die Parallelschaltung der Packs erfolgt. Solche Lösungen sind in Energiespeichern im Bereich der Photovoltaik anzutreffen. Als bedeutende Nachteile sind hierbei zu nennen: nur individuelle Akkupacks verwendbar; zusätzliche Beschaltung oder Ladungsanpassung sind bei der Installation erforderlich; kein Ausgleich der individuellen Pack- bzw. Zellalterung vorhanden; nur Akkupacks exakt gleicher Bauart gleichzeitig verwendbar. Vereintacht zusammengetasst ergibt sich, daß der schwächste Akkupack die Leistungsfähigkeit des gesamten Energiespeichers bestimmt.Battery packs are typically built using several cells connected in series and parallel in the xSyP configuration. In 1 the schematic interconnection of a cell stack is shown with the reference number 40 . The cell stack consists of x cells connected in series and y cells connected in parallel. The individual battery cells connected in series are balanced by charge-balancing shading. This is generally part of the battery management system, BMS for short, which also ensures the safety of the battery pack. If such battery packs are connected in series, care must be taken that all packs fit together. This includes not only the size of the charges but also the current state of charge (SoC) in order to be able to use all packs according to their performance. If the battery packs are connected in parallel, care must be taken to ensure that the terminal voltage is the same. The state of charge (SoC) is also relevant, as is the number of cells connected in series in the battery pack, which must generally be exactly the same for all packs connected in parallel, and their cell type (chemistry). In order to fulfill these important properties, only battery packs specially developed for the respective application can be used, whereby additional measures are required in the application to secure the state of charge before the packs are connected in parallel, for example. Such solutions can be found in energy storage devices in the field of photovoltaics. Significant disadvantages are: only individual battery packs can be used; additional wiring or charge matching is required during installation; no compensation for individual pack or cell aging; only battery packs of exactly the same design can be used at the same time. All in all, the weakest battery pack determines the performance of the entire energy store.

Die Lösung:The solution:

Mit der in dieser Patentschrift erläuterten Erfindung ist es möglich, nahezu beliebig viele und beliebige Akkupacks, die nach dieser Technik gebaut sind, in weiten Grenzen sowohl parallel als auch seriell mit einem konventionell gebauten Akkupack zu verschalten und dabei auf den gesamten Energieinhalt jedes einzelnen Packs zugreifen zu können. Dabei ist es unerheblich, in welchem Zustand (Ladezustand, Alterung, Zellchemie und in einem gewissen Rahmen die Größe des Packs) sich die einzelnen Akkupacks befinden.With the invention explained in this patent, it is possible to connect almost any number of any battery packs built using this technology, within wide limits, both in parallel and in series with a conventionally built battery pack, thereby accessing the entire energy content of each individual pack to be able to It is irrelevant in which state (charge status, aging, cell chemistry and to a certain extent the size of the pack) the individual battery packs are in.

In 1 ist der prinzipielle Aufbau anhand eines Blockschemas für einen intelligenten Akkupack, kurz IFAP dargestellt.In 1 the basic structure is shown using a block diagram for an intelligent battery pack, IFAP for short.

Wie in 1 zu erkennen ist, wird zwischen den Stapel aus Akkuzellen (40) ein bidirektionaler DCDC-Wandler (20) geschalten. Dadurch wird die Klemmenspannung (10a und 10b alias Stecker und Buchse für die Parallelschaltung) des IFAP losgelöst von der Spannung des Zellenstapels (40). Weiterhin hat die Steuer-Logik und das BMS (30) die vollständige Kontrolle über den Zellenstapel und damit über Lade- und Entladeströme der Akkuzellen sowie der nach außen abzugebenden wie aufzunehmenden Leistung. Da der DCDC-Wandler (20) auf Grund seiner Eigenschaften in der Lage ist, die maximale Leistung des Zellenstapels über einen weiten Klemmenspannungsbereich des IFAP bereitzustellen, können IFAPs dieser Bauart sowohl parallel als auch seriell verschaltet werden. Es ist lediglich zu beachten, daß die „Leerlauf-Klemmenspannung“ beim Parallelschalten der Akkupacks auf den gleichen Wert eingestellt ist und daß bei der Reihenschaltung der maximale Strom diese Funktion übernimmt. Bei der Reihenschaltung von IFAPs muß noch eine maximale Klemmenspannung bei äußerem Strom gleich Null vorgegeben werden.As in 1 can be seen, a bidirectional DCDC converter (20) is connected between the stack of battery cells (40). This separates the terminal voltage (10a and 10b aka plug and socket for the parallel connection) of the IFAP from the voltage of the cell stack (40). Furthermore, the control logic and the BMS (30) have complete control over the cell stack and thus over the charging and discharging currents of the battery cells as well as the power to be output and consumed. Since the DCDC converter (20) is able to provide the maximum power of the cell stack over a wide terminal voltage range of the IFAP due to its properties, IFAPs of this type can be connected both in parallel and in series. It should only be noted that the "open circuit terminal voltage" is set to the same value when connecting the battery packs in parallel and that when connecting in series the max male stream takes over this function. When IFAPs are connected in series, a maximum terminal voltage with an external current of zero must be specified.

Darüber hinaus hat jeder IFAP entsprechend seiner Leistungsfähigkeit einen „lnnenwiderstand“(Ri mit Bezugszeichen 21), so daß ohne weitere Kontroll- und Steuerungsfunktionen die Belastung auf alle beteiligten Akkupacks bei Parallelschaltung aufgeteilt wird. Dies ist am einfachsten bei einer Parallelschaltung mehrerer Akkupacks ersichtlich. Nimmt die Belastung, also die Stromabgabe zu, bricht die Klemmenspannung etwas ein. Diese Differenz zur Leerlaufspannung bestimmt zusammen mit dem Innenwiderstand jedes einzelnen IFAPs den Strom, den jeder einzelne IFAP beiträgt. Ist ein IFAP erschöpft, so leistet er keinen Beitrag mehr zur Stromabgabe. Der nun fehlende Strombeitrag wird durch die anderen IFAPs im Rahmen deren Leistungsfähigkeit übernommen. Wird die Belastung größer als es die Summe der einzelnen Akkupacks leisten kann, bricht die Klemmenspannung entsprechend ein. Mit Überwachungsregeln kann so auch eine Abschaltung oder andere geeignete Maßnahmen eingeleitet und die Anwendung vor Schaden bewahrt werden.In addition, each IFAP has an “internal resistance” (Ri with reference number 21) corresponding to its capacity, so that the load is shared among all the battery packs involved when connected in parallel without any further monitoring and control functions. The easiest way to see this is to connect several battery packs in parallel. If the load, i.e. the current output, increases, the terminal voltage drops somewhat. This difference from the open circuit voltage, together with the internal resistance of each individual IFAP, determines the current that each individual IFAP contributes. If an IFAP is exhausted, it no longer contributes to the electricity supply. The electricity contribution that is now missing will be taken over by the other IFAPs within the framework of their capacity. If the load is greater than the sum of the individual battery packs can handle, the terminal voltage drops accordingly. With monitoring rules, a shutdown or other suitable measures can be initiated and the application can be protected from damage.

Der gleiche Mechanismus verteilt beim Laden die Energie auf die einzelnen Akkupacks. Wird der Parallelschaltung eine leicht erhöhte Spannung von außen angeboten, wird über den Innenwiderstand (21) die Stromaufnahme des jeweiligen Akkupacks bestimmt und somit die Ladung der IFAPs gesteuert. Damit ist sichergestellt, daß die Ladeleistung gleichmäßig auf alle IFAPs verteilt wird, wodurch eine maximal schonende Ladung stattfinden. Ist ein Akkupack vollständig geladen, so nimmt er einfach keine Energie mehr auf. Damit hat das BMS (30) jedes einzelnen Akkupacks vollständig die Kontrolle über den eigenen Zellenstapel (40).The same mechanism distributes the energy to the individual battery packs when charging. If the parallel connection is supplied with a slightly higher voltage from the outside, the current consumption of the respective battery pack is determined via the internal resistance (21) and the charging of the IFAPs is thus controlled. This ensures that the charging power is distributed evenly to all IFAPs, which means that charging is as gentle as possible. If a battery pack is fully charged, it simply no longer absorbs any energy. This means that the BMS (30) of each individual battery pack has full control over its own cell stack (40).

Im Falle einer Reihenschaltung bestimmt der Strom, welcher durch die in Reihe geschaltenen IFAPs fließt, welche Klemmenspannung sich ergibt und somit welche Energie zum Entladen oder Laden verwendet wird.In the case of a series connection, the current flowing through the series-connected IFAPs determines the terminal voltage and thus the energy used for discharging or charging.

Die Kontrolle des DCDC-Wandlers (20) erfolgt durch die Steuerlogik (30). Die Pfeile (22) und (23) symbolisieren den Informationsaustausch. Um die Steuerlogik mit weiteren Informationen zu stärken, besteht auch die Möglichkeit von außen (31) einen Informationsaustausch einzurichten. Dieser ist für die beschriebene Lösung jedoch nicht erforderlich.The DCDC converter (20) is controlled by the control logic (30). The arrows (22) and (23) symbolize the exchange of information. In order to strengthen the control logic with further information, there is also the possibility of setting up an information exchange from the outside (31). However, this is not required for the solution described.

In 2 ist eine vereinfachte 3D-Ansicht eines IFAP (50) dargestellt, bei der die „Steckaufnahme“ des Packs mit Buchse (10a) und Stecker (10b) angedeutet ist. Eine derartige mechanische Realisierung gestattet es, einen oder mehrere IFAPs beispielsweise bei einem akkubetriebenen Elektrowerkzeug „zwischenzuschalten“, um damit die Energiemenge und auch die Leistung zu erhöhen. In einer solchen Anwendung mit Parallelschaltung kann sich der IFAP direkt am „herkömmlichen Akkupack“ einmessen, ohne daß eine weitere Justierung der Eigenschaften erforderlich ist. Der IFAP hat dann die gleiche Aufnahme wie sie das Elektrowerkzeug beziehungsweise der herkömmliche Akkupack hat.In 2 a simplified 3D view of an IFAP (50) is shown, in which the “plug-in socket” of the pack with socket (10a) and plug (10b) is indicated. Such a mechanical implementation allows one or more IFAPs to be "interposed" in a battery-operated power tool, for example, in order to increase the amount of energy and also the power. In such an application with parallel connection, the IFAP can be calibrated directly on the "conventional battery pack" without the need for further adjustment of the properties. The IFAP then has the same mount as the power tool or conventional battery pack.

Claims (10)

Ein Akkupack bestehend aus einem Stapel Akkuzellen, die sowohl in Serie als auch parallel angeordnet sind, einem Batteriemanagement-System und einem bidirektionalen DCDC-Wandler. Das BMS zusammen mit der Steuer-Logik steuern den bidirektionalen DCDC-Wandler so, daß sich von außen betrachtet eine sich selbst einstellende beziehungsweise voreingestellte Spannungsquelle mit einem durch die Leistungsfähigkeit der Akkuzellen und des Wandlers festgelegten Innenwiderstand ergibt, die sowohl mit anderen Akkupacks dieser Technologie (IFAP) parallel oder in Reihe verschaltet werden kann. Nach innen erfolgt durch den DCDC-Wandler eine optimale Anpassung an den Zellenstapel. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines IFAP.A battery pack consisting of a stack of battery cells arranged both in series and in parallel, a battery management system and a bidirectional DCDC converter. The BMS together with the control logic control the bidirectional DCDC converter in such a way that, viewed from the outside, there is a self-adjusting or preset voltage source with an internal resistance determined by the performance of the battery cells and the converter, which can be used with other battery packs of this technology ( IFAP) can be connected in parallel or in series. Internally, the DCDC converter optimally adapts to the cell stack. 1 shows the schematic structure of an IFAP. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der bidirektionale DCDC-Wandler sowohl zum Laden als auch zum Entladen und zum Schutz der Akkuzellen und der Anwendung benutzt wird. Die Steuerlogik wertet hierzu alle erforderlichen Signale aus.device after claim 1 characterized in that the bidirectional DCDC converter is used both for charging and for discharging and for protecting the battery cells and the application. For this purpose, the control logic evaluates all necessary signals. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das BMS unabhängig von der Außenwelt die Akkuzellen schützen, überwachen und steuern kann. Der Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Zellen ist ein Teil davon.device after claim 1 and 2 characterized in that the BMS can protect, monitor and control the battery cells independently of the outside world. The charge balance between the individual cells is part of this. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die IFAPs parallel geschaltet werden können und sich über den Innenwiderstand eine Strom- und Leistungsverteilung zwischen den parallelgeschalteten IFAPs einstellt.Device according to the preceding claims , characterized in that the IFAPs can be connected in parallel and a current and power distribution is established between the IFAPs connected in parallel via the internal resistance. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß auch beim Laden durch den Innenwiderstand eine Stromverteilung stattfindet. Dadurch wird eine maximal schonende Ladung der einzelnen IFAPs bei parallelem Betrieb erreicht.device after claim 4 characterized in that current distribution also takes place during charging through the internal resistance. This achieves maximum gentle charging of the individual IFAPs in parallel operation. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die IFAPs in Serie geschaltet werden können und sich durch den Serienstrom eine Leistungsverteilung über die IFAPs durch Anpassung der Klemmenspannung in den vorgegebenen Grenzen einstellt.device after claims 1 until 3 characterized in that the IFAPs in series can be switched and the series current results in a power distribution over the IFAPs by adjusting the terminal voltage within the specified limits. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß sich auch beim Laden durch den Serienstrom eine Energieverteilung einstellt, um eine maximal schonende Ladung zu erreichen.device after claim 6 characterized in that an energy distribution is also established when charging through the series current in order to achieve maximum gentle charging. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die IFAPs direkt aneinander gesteckt werden können, wodurch sowohl die elektrischen Energieverbindungen und deren Durchleitung als auch der mechanische Halt erreicht werden. Somit muß die Anwendung nicht zwingend mehrere Aufnahmen für Akkupacks vorhalten.Device according to the preceding claims , characterized in that the IFAPs can be plugged directly onto one another, as a result of which both the electrical energy connections and their conduction and the mechanical hold are achieved. This means that the application does not necessarily have to have several slots for battery packs. Verfahren zur Kontrolle der Akkuzellen und der Klemmenspannung ohne weitere äußere Informationen wie Steuersignale, Busse oder andere zusätzliche Informationen. Das Anlegen einer äußeren Arbeitsspannung durch zum Beispiel einen herkömmlichen Akkupack ist ausreichend. Die Leistungsfähigkeit des IFAP wird durch den innenwiderstand an den Klemmen bestimmt.Procedure for checking the battery cells and the terminal voltage without any external information such as control signals, buses or other additional information. Applying an external working voltage, for example using a conventional battery pack, is sufficient. The performance of the IFAP is determined by the internal resistance at the terminals. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand sehr verlustarm durch eine intelligente Regelung des DCDC-Wandlers realisiert wird und nicht über einen ohmschen Widerstand.procedure after claim 9 characterized in that the internal resistance is realized with very little loss by intelligent control of the DCDC converter and not via an ohmic resistor.
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