DE102021201038A1

DE102021201038A1 - Elektrochemischer Energiespeicher

Info

Publication number: DE102021201038A1
Application number: DE102021201038.5A
Authority: DE
Inventors: Goetz Braeuchle; Margarete Deutscher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-08-04

Abstract

Elektrochemischer Energiespeicher, umfassend:- mindestens zwei elektrochemische Energiespeicherzellen, wobei eine Länge der elektrochemischen Energiespeicherzellen weniger als die Hälfte einer vollen Standardlänge des elektrochemischen Energiespeichers beträgt;- mindestens ein Schaltmittel zum Umschalten zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung der elektrochemischen Energiespeicherzellen;- mindestens ein Informationsmittel zum Ausgeben einer Informationsgröße, die eine elektrische Ist-Spannung und/oder eine elektrische Soll-Spannung des elektrochemischen Energiespeichers repräsentiert.

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Energiespeicher, einem Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers, sowie einer Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Mobile elektronische Geräte werden wahlweise mit Akkumulatoren („Akkus“, Sekundärzellen) oder mit nicht-wiederaufladbaren Batterien (Primärzellen) betrieben. Akkus weisen mit 1,2V eine geringere elektrische Spannung auf als herkömmliche Batterien mit 1,5V.
Wenn nun beispielsweise bei einem Kofferradio mehrere Energiequellen in Reihe geschaltet sind, so kann bei Verwendung von Akkus die Spannung zu stark absinken, wodurch das Gerät nicht mehr funktioniert.
Bedingt durch die Bauart kann aber typischerweise nur eine begrenzte Anzahl an Akkus einer spezifizierten Größe, also beispielsweise vier Akkus vom Typ AA im Kofferradio, verwendet werden. Das elektronische Gerät funktioniert mangels ausreichender Spannung nicht oder zumindest nicht optimal.
Andere Geräte, beispielsweise Taschenlampen, tolerieren eine große Varianz an Spannungen und weisen dieses Problem nicht auf. Hier kommt es eher auf eine große Kapazität der Energiequelle an, um eine lange Betriebsdauer zu erreichen.
Beim Einsatz von beispielsweise vier normierten Zellen vom Typ AA haben Akkus eine Spannung von 4,8V (4*1,2V) und herkömmliche Batterien von 6V (4*1,5V). Das bedeutet, dass zum Erreichen der Nennspannung von Beginn an ein fünfter Akku in Reihenschaltung erforderlich wäre. Dieser lässt sich aber aufgrund von konstruktiven Begrenzungen des Geräts nicht einbauen.
Aus dem Dokument DE 10 2017 108 099 ist ein Stromrichter für Energieübertragung bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der elektrochemische Energiespeicher

- mindestens zwei elektrochemische Energiespeicherzellen, wobei eine Länge der elektrochemischen Energiespeicherzellen weniger als die Hälfte einer vollen Standardlänge des elektrochemischen Energiespeichers beträgt;
- mindestens ein Schaltmittel zum Umschalten zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung der elektrochemischen Energiespeicherzellen;
- mindestens ein Informationsmittel zum Ausgeben einer Informationsgröße, die eine elektrische Ist-Spannung und/oder eine elektrische Soll-Spannung des elektrochemischen Energiespeichers repräsentiert; umfasst.

Dadurch kann vorteilhafterweise eine elektrische Spannung des elektrochemischen Energiespeichers zwischen einer doppelten Nennspannung und halber Kapazität oder einfacher Nennspannung und voller Kapazität umgeschaltet werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Schaltmittel umfasst einen mechanischen, elektrischen und/oder elektromechanischen Schalter. Dadurch kann vorteilhafterweise mechanisch und/oder elektrisch zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der elektrochemischen Energiespeicherzellen umgeschaltet werden.
Das Schaltmittel weist Arretierungen für die Reihenschaltung und die Parallelschaltung der elektrochemischen Energiespeicherzellen auf. Dadurch kann ein versehentliches Umschalten zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der elektrochemischen Energiespeicherzellen zuverlässig verhindert werden.
Das Informationsmittel gibt die Informationsgröße optisch, akustisch, elektrisch und/oder haptisch aus.
Die Informationsgröße umfasst eine textuelle Information, eine Farbmarkierung und/oder einen Farbverlauf. Durch eine textuelle Information, beispielsweise mittels eines LCD- oder OLED-Display, kann eine elektrische Ist-Spannung und/oder elektrische Soll-Spannung des elektrochemischen Energiespeichers dargestellt werden. Die Schaltstellung wird einem Benutzer eindeutig angezeigt, wodurch vorteilhafterweise ein ungewolltes Anlegen einer zu hohen elektrischen Spannung verhindert wird.
Die Farbmarkierung repräsentiert eine elektrische Soll-Spannung des elektrochemischen Energiespeichers. Dadurch kann dem elektrochemischen Energiespeicher direkt entnommen werden, welche elektrische Spannung eingestellt ist, also ob die elektrochemischen Energiespeicherzellen in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung betrieben werden.
Der Farbverlauf repräsentiert eine elektrische Ist-Spannung des elektrochemischen Energiespeichers. Dadurch kann dem elektrochemischen Energiespeicher vorteilhafterweise direkt entnommen werden, welche elektrische Spannung aktuell an dem elektrochemischen Energiespeicher anliegt.
Vorteilhafterweise umfassen die elektrochemischen Energiespeicherzellen Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel-, Lithium-Luft-, Lithium-Polymer-, Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Cadmium- und/oder Feststoffelektrolyt-Zellen.
Das Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers umfasst folgende Schritte:

a) Erfassen eines Umschaltvorgangs, insbesondere durch eine Drehbewegung zumindest einer Gehäusehälfte des elektrochemischen Energiespeichers;
b) Umschalten zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung der elektrochemischen Energiespeicherzellen;
c) Ausgeben einer Informationsgröße, die eine elektrische Spannung des elektrochemischen Energiespeichers repräsentiert;

Vorteilhafterweise findet der erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicher Verwendung für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers;
2a eine schematische Darstellung einer Reihenschaltung von elektrochemischen Energiespeicherzellen;
2b eine schematische Darstellung einer Parallelschaltung von elektrochemischen Energiespeicherzellen;
3 eine schematische Darstellung einer Reihenschaltung von elektrochemischen Energiespeichern.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers 100. Der elektrochemische Energiespeicher 100 umfasst zwei elektrochemische Energiespeicherzellen 103, 104, welche über ein Schaltmittel 105 mit elektrischen Polen 101, 102 des elektrochemischen Energiespeichers 100 elektrisch verbindbar sind. Ferner umfasst der elektrochemische Energiespeicher 100 ein Informationsmittel 106 zum Ausgeben einer Informationsgröße, beispielsweise eine elektrische Ist-Spannung des elektrochemischen Energiespeichers 100.
Erfindungsgemäß werden mindestens zwei kombinierte elektrochemische Energiespeicherzellen (Sekundärzellen) 103, 104 der vorzugsweise halben Größe einsetzt. Diese liegen von ihren technischen Eigenschaften außerhalb der internationalen Normen und können daher nicht in Standard-Ladegeräten aufgeladen werden. Daher entspricht die Bauform des elektrochemischen Energiespeichers 100 der zwei elektrochemischen Energiespeicherzellen 103, 104 der normierten Größe eines elektrochemischen Energiespeichers 100.
Grundsätzlich sind daher alle möglichen Größen für den elektrochemischen Energiespeicher denkbar, auch Sonderbauformen wie Knopfzellen.
Durch das Schaltmittel 105, beispielsweise eine elektromechanische Umschaltvorrichtung, werden die zwei elektrochemischen Energiespeicherzellen 103, 104 des elektrochemischen Energiespeichers 100 - je nach Bedarf - entweder elektrisch in Reihe (doppelte Spannung) oder parallel (hohe Kapazität) geschaltet.
Zum Aufladen in einem Standard-Ladegerät wird eine elektrische Parallelschaltung gewählt, um die Kompatibilität des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers 100 zu gewährleisten.
2a zeigt eine schematische Darstellung einer Reihenschaltung von elektrochemischen Energiespeicherzellen 203, 204 eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers 200a. Zwischen elektrischen Polen 201, 202 des elektrochemischen Energiespeichers 200a liegt die doppelte Nennspannung an, beispielsweise 2,4V (2*1,2V).
2b eine schematische Darstellung einer Parallelschaltung von elektrochemischen Energiespeicherzellen 203, 204 eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers 200b. Zwischen elektrischen Polen 201, 202 des elektrochemischen Energiespeichers 200b liegt die Nennspannung an, beispielsweise 1,2V, wobei aber aufgrund der Parallelschaltung der elektrochemischen Energiespeicherzellen 203, 204 eine höhere Kapazität zur Verfügung steht.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Reihenschaltung von elektrochemischen Energiespeichern 300(1), 300(2), 300(3). Da elektronische Geräte typischerweise auf einen definierten Spannungsbereich ausgelegt sind, ist ein Betrieb mit doppelter Spannung ab drei elektrochemischen Energiespeichern 300(1), 300(2), 300(3) (3*1,2V=4,8 V statt 3*1,5V=4,5V) vorteilhaft.
Dabei werden von zwei elektrochemischen Energiespeichern 300(2), 300(3) die elektrochemischen Energiespeicherzellen in Parallelschaltung (Nennspannung, beispielsweise 1,2V) und von einem elektrochemischen Energiespeicher 300(1) die elektrochemischen Energiespeicherzellen in Reihenschaltung (doppelte Nennspannung, beispielsweise 2,4V) betrieben.
Bei elektronischen Geräten mit sechs oder sieben elektrochemischen Energiespeichern könnten dann bei zwei oder drei elektrochemischen Energiespeichern die elektrochemischen Energiespeicherzellen in Reihenschaltung als „Boostzellen“ eingesetzt werden (beispielsweise 4*1,2V+5*1,2V=10,8V statt 10,5V).
Ein Nutzer der elektrochemischen Energiespeicher 300(1), 300(2), 300(3) kann selbstständig entscheiden, welche Anzahl von „Boostzellen“ eingesetzt wird und damit verschiedene elektrische Spannungen mit der gleichen Anzahl von elektrochemischen Energiespeichern eingestellt werden. Die erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeicher 300(1), 300(2), 300(3) sind mit normierten Akkus (Sekundärzellen) und nicht wiederaufladbaren Batterien (Primärzellen) frei kombinierbar. Damit können elektronische Geräte vorteilhafterweise mit einer längeren Nutzungsdauer und für einen längeren Zeitraum in einem für das elektronische Gerät optimalen elektrischen Spannungsbereich betrieben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017108099 [0007]

Claims

Elektrochemischer Energiespeicher (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)), umfassend: - mindestens zwei elektrochemische Energiespeicherzellen (103, 104, 203, 204), wobei eine Länge der elektrochemischen Energiespeicherzellen (103, 104, 203, 204) weniger als die Hälfte einer vollen Standardlänge des elektrochemischen Energiespeichers (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) beträgt; - mindestens ein Schaltmittel (105) zum Umschalten zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung der elektrochemischen Energiespeicherzellen (103, 104, 203, 204); - mindestens ein Informationsmittel (106) zum Ausgeben einer Informationsgröße, die eine elektrische Ist-Spannung und/oder eine elektrische Soll-Spannung des elektrochemischen Energiespeichers (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) repräsentiert.
Elektrochemischer Energiespeicher (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) gemäß Anspruch 1, wobei das Schaltmittel (105) einen mechanischen, elektrischen und/oder elektromechanischen Schalter umfasst.
Elektrochemischer Energiespeicher (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltmittel (105) Arretierungen für die Reihenschaltung und die Parallelschaltung der elektrochemischen Energiespeicherzellen (103, 104, 203, 204) aufweist.
Elektrochemischer Energiespeicher (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Informationsmittel (106) die Informationsgröße optisch, akustisch, elektrisch und/oder haptisch ausgibt.
Elektrochemischer Energiespeicher (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) gemäß Anspruch 4, wobei die Informationsgröße eine textuelle Information, eine Farbmarkierung und/oder einen Farbverlauf umfasst.
Elektrochemischer Energiespeicher (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) gemäß Anspruch 5, wobei die textuelle Information und/oder die Farbmarkierung eine elektrische Soll-Spannung des elektrochemischen Energiespeichers (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) repräsentiert.
Elektrochemischer Energiespeicher (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) gemäß Anspruch 5, wobei die textuelle Information und/oder der Farbverlauf eine elektrische Ist-Spannung des elektrochemischen Energiespeichers (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) repräsentiert.
Elektrochemischer Energiespeicher (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrochemischen Energiespeicherzellen (103, 104, 203, 204) Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel-, Lithium-Luft-, Lithium-Polymer-, Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Cadmium- und/oder Feststoffelektrolyt-Zellen umfassen.
Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend folgende Schritte: a) Erfassen eines Umschaltvorgangs, insbesondere durch eine Drehbewegung zumindest einer Gehäusehälfte des elektrochemischen Energiespeichers (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)); b) Umschalten zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung der elektrochemischen Energiespeicherzellen (103, 104, 203, 204); c) Ausgeben einer Informationsgröße, die eine elektrische Spannung des elektrochemischen Energiespeichers (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) repräsentiert;
Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichers (100, 200a, 200b, 300(1), 300(2), 300(3)) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in elektrischen Energiespeichersystemen für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.