WO2014060319A2 - Energiespeichervorrichtung und verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an energy storage device and a method of operating an energy storage device.
  • portable or battery-operated devices in particular for communication and in the artisan sector, recorded, which are operated with rechargeable batteries or cells.
  • the capacity of the rechargeable battery is a critical feature.
  • the factors that affect the capacity of the rechargeable battery on the one hand, are the geometric size, since an increase in capacity is traditionally achieved with an increase in the geometric dimensions of the cell or battery becomes.
  • the durability or the number of maximum possible charging cycles plays a crucial role, since in conventional battery-operated devices usually the battery or cell fails first, i. in the durability of the components of such devices, the rechargeable batteries or cells are among the shortest-lived components.
  • the cell will discharge up to a maximum of 20% of its capacity. That is, 20% of the actual energy stored in the cell is unavailable to the end user, as discharging below a threshold of 20% would result in irreversible cell destruction.
  • the cell is only charged up to 80% of its capacity, since further charging to 100% of the cell would require exponentially more time, since when the end-of-charge voltage is reached, the current is usually limited, resulting in the last 20% of the charge Capacity can be charged at lower currents, saving less energy per time.
  • the lithium ion cell has recently been found to be particularly advantageous since it has a long lifetime and the number of charging cycles is high compared with other technologies.
  • Lithium-ion cells also have a high storage capacity compared to other rechargeable cells.
  • the lithium-ion cells can be subdivided into high current cells and high energy cells.
  • high-current cells which are also called high-power cells, for example, a larger or thicker Abieiter is used to provide larger currents.
  • the coating with active material is thinner compared to high-energy cells than with high-energy cells, in order to improve the bonding of the active compounds and shorten the diffusion distances.
  • the different types of cells each have characteristics that are advantageous for particular applications.
  • high-current cells are used precisely when very high currents are required for a short time, for example with cordless drill drivers.
  • high-energy cells are used when a high capacity of the battery is required, but the currents are not particularly high.
  • lithium-ion high-current cells find their use in electrical equipment that quickly require a very high power, such as battery-powered cordless screwdrivers.
  • Another type of lithium-ion accumulators form the high-energy cells (HEZ), for example used in notebooks because they have a high capacity, which is released over a long period of time.
  • high-energy cells can only provide low currents for a short time.
  • the disadvantage with high-current cells is that they can only provide their high current for a short time and generally have a smaller capacity.
  • the combination of high-current cells and high-energy cells allows the advantages of both cell types to be efficiently combined, resulting in lower overall weight and a battery pack that can provide both high currents and the benefits of high-energy cells that can provide flows over a long period of time.
  • the object of the invention is to provide an energy storage arrangement and a method for operating the same, which are adapted in their properties to complex requirements and have both high-current and high-energy properties.
  • the object is solved by the features of the independent claims.
  • Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
  • the invention is based on the idea of connecting both high-energy cells and high-current cells in a battery pack and controlling the charging or discharging process such that the battery pack experiences a uniform capacitance distribution over the different cells in and after the respective load states by means of capacity equalization or charge equalization and thus a longer service life but also an increased usable capacity compared to battery packs, which consist only of high energy cells or high current cells.
  • a current pulse is advantageously used for charging or a pulsed discharge is carried out.
  • This current pulse or the timing when discharging is set depending on the characteristics and the number of cells in the battery pack, which are pauses between the current pulses, which allow a charge balance between the two types of cells.
  • the battery pack is capable of following a load demand that requires a high current to recharge the high current cells with energy from the high energy cells. This allows the high current cells to supply this current at a next high current demand without the high energy cells reaching their load limit.
  • the high current cells can recharge the high energy cells.
  • a balancing of the charge between the high-current cells and high-energy cells is achieved, which ultimately leads to an increased usability of the capacity.
  • the energy storage arrangement according to the invention has a longer life compared to conventional energy storage arrangements, in particular by the controlled and / or uniform charging / discharging operations.
  • the properties of the different cell types are optimally combined.
  • the energy storage device according to the invention can thus be provided by the combination of high-current and high energy cells in a battery pack both high currents and a high capacity.
  • a charge equalization between the two cell types can take place in a targeted manner, during which the high-energy cell can act as a load for the high-current cell during the charging pauses, resulting in an improved charging process for the high-current cell by the load of the high energy cell in the high current cell, a negative current pulse occurs, which counteracts the formation of dendrites in the high current cell. This further causes an increase in the life cycles of the energy storage arrangement according to the invention.
  • the energy storage device according to the invention can be used in applications in which high currents are needed for a short time, but also for longer periods a sustained base load is applied with lower currents.
  • the energy storage device according to the invention is particularly suitable for use in electric vehicles, since high currents are retrieved during acceleration and flow at constant speed over longer periods and lower currents.
  • the current demand profile is very different in electric vehicles, which both the properties of high-current cells, eg. When strong acceleration, as well as high-energy cells, for example, come at a constant average speed to fruition.
  • a parametrically controlled parallel connection of high-current cells and high-energy cells within this load cycle and zero-load stress promotes a charge balance between the high-current cells and high-energy cells.
  • an energy storage arrangement comprising: at least one high-current cell and at least one high-energy cell, wherein the at least one high-energy cell and the at least one high-current cell are connected in parallel, wherein the cells are charged and / or discharged with a current pulse and in the pulse pauses a charge balance between the Cells takes place.
  • the energy storage arrangement comprises a control unit for controlling the pulse lengths and / or pulse amplitudes of the current pulse for charging or discharging the cells.
  • the number of high current cells is less than the number of high energy cells, thereby controlling the charge balance between the two cells.
  • the number of high current cells is about 1/3 and the number of high energy cells is 2/3.
  • at least the high-energy cell is preceded by a first and / or at least the high-current cell is preceded by a second switching unit.
  • the switching unit controls the discharging and / or charging process of the high-energy cell and / or the high-current cell.
  • a clocking of the at least one switching unit by means of the control unit for controlling the pulse lengths and / or pulse pauses of the current pulse when charging and / or discharging the cells is advantageous.
  • the at least one switching unit allows a controlled power supply or a controlled current consumption from the associated cell for a predetermined time and causes a periodic timing of the power supply or the current drain.
  • At least one current measuring device and / or voltage measuring device and / or temperature measuring device may be provided, the measured values of which are used to control the charging or discharging process.
  • a third switching unit is arranged before the parallel connection of the at least one high-current cell and the at least one high-energy cell, which serves to limit the current for both cells.
  • the timing of the first switching unit for the at least one high-current cell is tuned to the timing of the second switching unit for the at least one high-energy cell.
  • the at least one high-current cell and the at least one high-energy cell are coupled via a fourth switching unit in order to enable or actively control charge balancing or to connect one or the other cell as a load to the other cell.
  • the fourth switching unit is closed to allow current to flow from the high current cell into the high energy cell or vice versa, and / or the fourth switching unit is pulsed to provide current limiting during discharging or charge equalization.
  • the at least one high-current cell is loaded with a load pulse.
  • the high-energy cells can also be loaded by closing the fourth switching unit with a load pulse or represent a load or sink for the high-current cells.
  • the third switching unit is controlled depending on the state of charge of the at least one high-current cell and / or the at least one high-energy cell.
  • the charging current flows via the third and fourth switching units into the at least one high-current cell and the at least one high-energy cell.
  • the first or fourth switching unit is pulsed during discharge when reaching the final discharge voltage of the high-energy cells or the high-current cells.
  • a current flows from the at least one high-energy cell into the at least one high-current cell in order to recharge it.
  • the current from the energy storage arrangement can be limited during a discharge process by means of one of the switching units.
  • At least one of the switches is controlled so that upon reaching the discharge end voltage of one of the two cell types, a current limitation by clocking one of the switches takes place.
  • the current pulse switches between a low level of zero amps and a fixed positive current value.
  • the control unit is advantageously connected to the first, second, third and / or fourth switching unit, in order to supply each a switching pulse to effect opening or closing of the respective switch, wherein the control unit further with the current, voltage, and / Temperature measuring devices is connected to receive from these measurement signals.
  • the length of the current pulses or the pauses between pulses can be adjusted depending on the measured state of the two cell types.
  • a further object of the invention is to provide a method for charging an energy storage arrangement comprising a parallel connection of at least one high-current cell and at least one high-energy cell, comprising the steps of: supplying a current pulse to the high-current cells and the high-energy cells; upon reaching the charging voltage of the high current cells or the high energy cells, switching off the supply of the current pulse to the corresponding at least one cell; Continue to charge the other of the two cells until reaching the end-of-charge voltage of the other of the two cells.
  • a switch between the two high current cells and high energy cells connected in parallel is closed to allow current to flow from the high current cells to the high energy cells.
  • a method for discharging an energy storage arrangement comprising at least one high-current cell and at least one high-energy cell connected in parallel, comprising the steps of monitoring the discharge end voltage, current flow and / or temperature of the at least one high-current cell and / or at least one high-energy cell; when a limit value of the states, eg. End of discharge voltage, current flow or temperature, limiting the discharge current from the high energy cell or from the high current cell by clocking a switch, wherein by closing a switch between the two parallel high current cells and high energy cells, a charge balance between the high current cells and high energy cells takes place.
  • the switch is controlled and / or clocked between the two parallel-connected high-current cells and high-energy cells as a function of a state of the high-current cells and / or high-energy cells.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement according to a first embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a circuit arrangement according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows an alternative circuit arrangement according to a third exemplary embodiment
  • Fig. 5 shows a pulse waveform during discharging for normal discharging (A), for discharging high demand (B) and (C) at too high a temperature at the HSZ;
  • Fig. 1 shows a circuit arrangement for an energy storage device according to the invention in a simple embodiment.
  • the energy storage arrangement comprises high-energy cells 10 and a high-current cell 20, which are preferably arranged in a battery pack, not shown. In the figures, only one cell is shown.
  • the invention also works with the parallel connection of only one high-energy cell and one high-current cell, however, the advantages of the invention can be observed in particular when using a plurality of similar cells which are connected in series and the respective parallel connection of the two different series connections.
  • the energy storage device is also connected to a control unit 30, a drive unit 40 and a charging unit 50.
  • the charging unit 50 provides the power or voltage required for charging the high-energy cells 10 and high-current cells 20.
  • a current pulse is used here.
  • the drive unit 40 includes, for example, an electric motor, but can also be represented by any other load.
  • a switch or a switching unit SM is provided, which is arranged in the supply line to the drive unit 40.
  • the switching unit SM is open in particular when charging the high-energy cells 10 and high-current cells 20, since otherwise the motor would be driven.
  • the control unit 30 (PCU Power Control UNIT) is connected to the switches S 1 and S 3 in order to control these two switches S 1 and S 3.
  • the PCU can be designed as a microcontroller.
  • the switches used in the following in all exemplary embodiments, for example, Sl, S2, S3 SP or SM, may be formed as a simple switch, or as a switching unit and be realized by an electronic circuit.
  • the switch S1 is, for example, clocked by the control unit 30 with a pulse which, when closed, allows a current pulse to flow to the high-energy cells 10 and high-current cells 20.
  • the charging unit 50 can also supply a current pulse.
  • the pulse break in which the switch Sl is opened, a charge exchange takes place between the high-energy cells 10 and the high-current cells 20.
  • the individual similar cells start a balancing process with each other, since the cells are not all identical and thus balancing between the similar cells takes place, to compensate for capacity and thermal compensation achieve.
  • the switch S3 is constantly closed, i. During the current pulse, the current flows into both the high-energy cells 10 and the high-current cells 20. If the switch S1 is open, the high-current cells 20 represent a drain for the high-energy cells 10, so that a current from the high-energy cells 10 in FIG the high current cells 20 flows. This has the advantage that the at least one high-energy cell is gently charged and the dendrite formation is prevented by the negative current pulse due to the load of the at least one high-current cell.
  • the switch S3 is opened while the switch S1 is closed, ie with the current pulse from the charging unit 50, which is generated by opening and closing the switch S1, a current pulse flows into the high-energy cells 10 and not in the high-current cells 20. Only when the switch Sl is opened, the bridge switch S3 is closed, so that a Current flow from the high energy cells 10 takes place to the high current cells 20 and thus a slow charging of the high current cells 20 takes place.
  • the time in which the switch S1 is closed ie in which current flows into one or both cell groups, is preferably longer than the time in which the switch S1 is open and the charge equalization takes place.
  • only the high-energy cells 10 can be charged separately, whereas the high-current cells 20 are not.
  • only one switch is provided for limiting the discharge current after the parallel connection of the cells, as is the switch S1 in FIG. 3.
  • the charging of such an energy storage device takes place with a current pulse generated by a charging unit and supplied to both cell types simultaneously becomes.
  • the switch in the common line is clocked to the load, wherein in the pauses in which the switch is open, and no current flows to the load, a charge equalization takes place between the two different groups of cells.
  • FIG. 2 a further embodiment of the energy storage device according to the invention is shown. Similar to FIG. 1, high-energy cells 10 and high-current cells 20, which are connected in parallel, are used in each case.
  • the energy storage device according to FIG. 2 is also connected to a control unit 30, a charging unit 50 and a drive unit 40.
  • the drive unit 40 has a similar structure to the drive unit 40 according to FIG. 1.
  • a switch or a switching unit SM is arranged in the supply line to the drive unit 40.
  • it is provided in this embodiment to switch an ammeter 41 in the supply line to the drive unit 40.
  • an ammeter 51 is connected between the charging unit 50 and the supply line to the cells.
  • the charging unit 50 includes a voltmeter 52 and a switch SP.
  • an ammeter 11 is connected in front of the high-energy cells 10 and an ammeter 21 in front of the high-current cells 20.
  • the voltage in the high energy cells 10 is monitored with a voltmeter 12 and in the high current cells 20 with a voltmeter 22.
  • the circuit further includes the switches S1, S2 and S3, which are connected to the control unit 30 and be addressed according to the charging method or discharge method according to the invention. For a better overview, the connections to these switches and the control unit are not shown.
  • the circuit according to FIG. 2 also has thermocouples 23, 24 which monitor the temperature in the two cell groups 10 and 20 and transmit their measurement results to the control unit 30. Also, the measurement results of the current and voltage meters 11, 12, 21, 22, 41, 51 and 52 are supplied to the control unit 30.
  • the switch S1 is located in the path from the charging unit 50 to the high-current cells 20.
  • the energy storage device according to FIG Motor 42 or other load connected.
  • a switch or a switching unit SM are arranged in the supply line to the drive unit 40.
  • the energy storage device is controlled by a control unit 30, which is connected to the switch Sl and the bridge switch S3 for the control thereof.
  • the bridge switch S3 is connected in the connection between the high-energy cells 10 and high-current cells 20.
  • a current pulse is supplied from the charging unit 50 or the switch S1 is clocked so that the high-current cells 20 and the high-energy cells 10 are each supplied with a current pulse for charging.
  • the bridge switch S3 is closed.
  • the switch SM When a load request, the switch SM is closed.
  • the current flow from the high-energy cells 10 or from the high-current cells 20 to the load 42 can then be controlled via the switch S1 or S3 by means of the control unit 30, wherein the switch S3 can control or limit too high a current flow from the high-energy cells 10 by clocking this switch S3. If the load decrease from the high-current cells 20 is too large, this current flow can be limited with the switch Sl, during the times in which the switch Sl is open and the switch S3 is closed, a charge exchange between the high-energy cells 10 and the high-current cells 20th takes place to recharge the high-current cells 20 with energy from the high-energy cells 10.
  • Both the exemplary embodiment according to FIG. 1 or FIG. 3 can be supplemented by elements from FIG. 2, for example by insertion of voltage and ammeters or temperature sensors.
  • FIG. 4 a method of loading cell groups 10 and 20 based on the circuit of FIG. 2 will be described.
  • a voltage is applied to the terminals in the charging unit 50 so that a current can flow when the switch SP is closed.
  • the switch SP is pulsed under the control of the control unit 30, so that a current pulse flows to the cell groups 10 and 20.
  • the switches Sl and S2 are closed.
  • the bridge switch S3 is also closed. Since the high-current cells have a lower charge end voltage U LS , for example 4.2V, this end-of-charge voltage U LS is reached faster in the high-current cells 20, ie fewer current pulses are required to charge the high-current cells 20.
  • U LS charge end voltage
  • the timing of the individual switches SP can be changed with the aid of the control unit 30 such that a total current limitation for both cell groups or by individual clocking of the switches S1, S2 or S3 restricts the current one or another group of cells is reached in order to prevent, for example, overheating of one of the cell groups.
  • FIG. 1 the current profile for the two cell groups 10 and 20 in various situations will be described in FIG.
  • situation A unloading is described for moderate requirements.
  • all switches are closed according to Figure 2, so that a current to the motor 42 can flow. Only the SP switch is open.
  • a moderate requirement means, for example, In the case of an electric vehicle, no maximum power demand or power demand is called up, but an average power demand takes place. In this case, a normal current flows from both cells within the performance limits described by the battery manufacturer.
  • situation B the maximum power is requested, for example at full acceleration.
  • the load request can also be above the manufacturer's specifications.
  • the high current cells 20 can play their properties, the high current cells 20 provide a continuous stream.
  • the high-energy cells are overwhelmed with such a maximum power requirement and are limited by a pulsating switch Sl in the current flow, so that the high-energy cells 10 are spared. Due to the pulsating switch Sl and an open bridge switch S3, the current from the high-energy cells 10 can thus be limited.
  • the invention proposes that the next current pulse flows back into both cell groups and both cell groups get the current pulse together.
  • the timing will be at discharge depending on current value, i.
  • current value i.
  • the current is limited in order to get the maximum out of the high-energy cells. While the current drain from the high energy cells is limited, the current delivered by the high current cells increases again as they can give off more current. As a result, the cells are spared and not overloaded.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung. Um eine Energiespeicheranordnung und ein Verfahren zum Betreiben derselben anzugeben, die in ihren Eigenschaften an komplexe Anforderungen angepasst sind und sowohl Hochstrom- als auch Hochenergieeigenschaften aufweisen, wird eine Energiespeicherungsanordnung angegeben, umfassend: wenigstens eine Hochstromzelle (20) und wenigstens eine Hochenergiezelle (10), wobei die wenigstens eine Hochenergiezelle (10) und die wenigstens eine Hochstromzelle (20) parallel geschaltet sind, wobei die Zellen (10, 20) mit einem Strompuls geladen und/oder entladen werden und in den Pulspausen ein Ladungsausgleich zwischen den Zellen (10, 20) stattfindet.

Description

Energiespeichervorrichtung und Verfahren zum Betreiben derselben
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung. Die Neuausrichtung bei der Gewinnung von elektrischer Energie basierend auf regenerativen Energieträgem, insbesondere mittels Photovoltaik bzw. durch Windkraft, erfordern zunehmend eine effiziente Speicherung der erzeugten Energie, um die elektrische Energie dann bereitstellen zu können, wenn sie benötigt wird. Darüber hinaus ist eine deutliche Zunahme bei tragbaren bzw. Akku-betriebenen Geräten, insbesondere zur Kommunikation und im Handwerkerbereich, zu verzeichnen, die mit wiederaufladbaren Batterien bzw. Zellen betrieben werden. Bei diesen Geräten stellt die Kapazität der wiederaufladbaren Batterie ein entscheidendes Funktionsmerkmal dar. Die Faktoren, die die Kapazität der wiederaufladbaren Batterie beeinflussen, sind einerseits die geometrische Größe, da eine Erhöhung der Kapazität herkömmlich mit einer Vergrößerung der geometrischen Abmessungen der Zelle bzw. der Batterie erreicht wird. Andererseits spielt die Haltbarkeit bzw. die Anzahl der maximal möglichen Aufladezyklen eine entscheidende Rolle, da bei üblichen Akku-betriebenen Geräten meist die Batterie oder Zelle als erstes ausfällt, d.h. bei der Haltbarkeit der Komponenten derartiger Geräte gehören die wiederaufladbaren Batterien bzw. Zellen zu den kurzlebigsten Komponenten.
Insbesondere bildet in dem sich sehr schnell entwickelnden Feld der E-mobility mit Hybrid- oder Elektrofahrzeugen die Kapazität, Haltbarkeit und Ladezeit von wiederaufladbaren Zellen einen besonderen Schwerpunkt. Außerdem spielen auch die geometrischen Abmes- sungen und das Gewicht von wiederaufladbaren Zellen eine wichtige Rolle.
Bei wiederaufladbaren Zellen wird die Zelle je nach Ausgestaltung maximal bis zu 20% ihrer Kapazität entladen. D.h., 20% der eigentlichen in der Zelle gespeicherten Energie stehen dem Endnutzer nicht zur Verfügung, da ein Entladen unter eine Schwelle von 20% zu einer unwiderruflichen Zerstörung der Zelle führen würde. Darüber hinaus wird bei heutigen wiederaufladbaren Zellen die Zelle auch nur bis 80% ihrer Kapazität geladen, da ein weiteres Aufladen auf 100% der Zelle exponentiell mehr Zeit erfordern würde, da bei Erreichen der Ladeschlussspannung üblicherweise der Strom begrenzt wird, wodurch die letzen 20% der Kapazität mit geringeren Stromstärken geladen werden, so dass pro Zeit weniger Energie gespeichert wird.
Somit wird bei den herkömmlichen Technologien für wiederaufladbare Zellen die eigentliche Kapazität der Zellen nicht ausgenutzt.
Unter den wiederaufladbaren Zellen hat sich in letzter Zeit die Lithium-Ionen-Zelle als besonders vorteilhaft herausgestellt, da sie eine lange Lebenszeit aufweist und die Anzahl der Ladezyklen verglichen mit anderen Technologien hoch ist. Lithium-Ionen-Zellen weisen zudem eine hohe Speicherkapazität im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Zellen auf. Die Lithium-Ionen Zellen lassen sich in Hochstromzellen und Hochenergiezellen unterteilen. Bei Hochstromzellen, die auch Hochleistungszellen genannt werden, wird bspw. ein größerer bzw. dickerer Abieiter verwendet, um größere Ströme bereitzustellen. Bei den Hochstromzellen ist im Vergleich zu Hochenergiezellen die Beschichtung mit Aktivmaterial dünner als bei Hochenergiezellen, um die Anbindung der Aktivmassen zu verbessern und die Diffusionsstrecken zu verkürzen.
Die verschiedenen Typen von Zellen weisen jeweils Charakteristiken auf, die für besondere Einsätze vorteilhaft sind. So werden Hochstromzellen genau dann eingesetzt, wenn kurzzeitig sehr hohe Ströme abgefordert werden, bspw. bei Akku-Bohrschraubern. Hoch- energiezellen werden dagegen eingesetzt, wenn eine hohe Kapazität der Batterie gefordert ist, die Ströme jedoch nicht besonders hoch sind.
Unter den heutzutage eingesetzten Akkumulatorzellen finden insbesondere Lithium-Ionen- Hochstromzellen (HSZ) ihren Einsatz in elektrischen Geräten, die schnell einen sehr hohen Strom erfordern, wie beispielsweise batteriegetriebene Akkuschrauber. Eine andere Art von Lithium-Ionen- Akkumulatoren bilden die Hochenergiezellen (HEZ) die beispielsweise bei Notebooks eingesetzt werden, da sie über eine hohe Kapazität verfügen, die über einen langen Zeitraum abgegeben wird.
Der Nachteil der Hochenergiezellen besteht darin, dass sie kurzzeitig nur geringe Ströme bereitstellen können. Bei den Hochstromzellen ist der Nachteil, dass sie ihren hohen Strom nur über eine kurze Zeit zur Verfügung stellen können und in der Regel über eine geringere Kapazität verfügen. Durch die Kombination von Hochstromzellen und Hochenergiezellen lassen sich die Vorteile beider Zelltypen effizient miteinander kombinieren, sodass man insgesamt auf ein geringeres Gewicht kommt und ein Akkupack erhält, bei dem sowohl hohe Ströme zur Verfügung gestellt werden können, als auch die Vorteile der Hoch- energiezellen genutzt werden können, die über einen langen Zeitraum Ströme zur Verfügung stellen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Energiespeicheranordnung und ein Verfahren zum Betreiben derselben anzugeben, die in ihren Eigenschaften an komplexe Anforderungen an- gepasst sind und sowohl Hochstrom- als auch Hochenergieeigenschaften aufweisen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung basiert auf dem Gedanken sowohl Hochenergiezellen und Hochstromzellen so in einem Akkupack zu verschalten und den Lade- bzw. Entladeprozeß so zu steuern, dass der Akkupack insgesamt eine gleichmäßige Kapazitätsverteilung über die unterschiedlichen Zellen in und nach den jeweilig auftretenden Belastungszuständen mittels Kapazitätsausgleich oder Ladungsausgleich erfährt und somit eine höhere Lebensdauer aber auch eine erhöhte nutzbare Kapazität im Vergleich zu Akkupacks, die nur aus Hochenergiezellen oder Hochstromzellen bestehen.
Dabei wird vorteilhaft ein Strompuls zum Laden eingesetzt bzw. wird ein getaktetes Entladen vorgenommen. Dieser Strompuls bzw. die Taktung beim Entladen wird abhängig von den Eigenschaften und der Anzahl der Zellen im Akkupack so eingestellt, das zwischen den Strompulsen Pausen vorhanden sind, die einen Ladungsausgleich zwischen den beiden Arten der Zellen ermöglichen. Dadurch ist der Akkupack in der Lage nach einer Lastan- forderung, die einen hohen Strom erfordert, die Hochstromzellen mit Energie aus den Hochenergiezellen nachzuladen. Dadurch können die Hochstromzellen bei einer nächsten Hochstromanforderung, diesen Strom liefern, ohne dass die Hochenergiezellen an ihre Belastungsgrenze gehen würden. Ebenso können bei einer lang anhaltenden konstanten Lastanforderung, die von den Hochenergiezellen bedient wird, die Hochstromzellen die Hochenergiezellen nachladen. Dadurch wird ein Balancing der Ladung zwischen den Hochstromzellen und Hochenergiezellen erreicht, welches letztendlich zu einer erhöhten Nutzbarkeit der Kapazität führt.
Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung weist eine im Vergleich zu herkömmli- chen Energiespeicheranordnungen verlängerte Lebenszeit insbesondere durch die gesteuerten und/oder gleichmäßigen Lade/ Entladevorgänge auf.
Dazu werden die Eigenschaften der verschiedenen Zelltypen optimal miteinander kombiniert. Mit der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung lassen sich durch die Kombi- nation von Hochstrom- und Hochenergiezellen in einem Akkupack somit sowohl hohe Ströme als auch eine hohe Kapazität bereitstellen.
Durch die Anwendung eines adaptiven Strompulses zum Laden kann durch die damit entstehenden Ladepausen gezielt ein Ladungsausgleich zwischen den beiden Zelltypen statt- finden, indem während der Ladepausen die Hochenergiezelle als Last für die Hochstromzelle wirken kann, wodurch sich für die Hochstromzelle ein verbesserter Ladevorgang ergibt, da durch die Last der Hochenergiezelle in der Hochstromzelle ein negativer Strompuls auftritt, der der Bildung von Dendriten in der Hochstromzelle entgegenwirkt. Dies bewirkt weiter eine Erhöhung der Lebenszyklen der erfindungsgemäßen Energiespeicher- anordnung.
Durch Überwachung beim Entladen und einem adaptivem Aktivieren einer Taktung beim Entladen kann gezielt ein Ladungsausgleich zwischen den beiden Zelltypen stattfinden. Die Taktung stellt somit eine kurze Strombegrenzung dar, in der die Zellen untereinander über einen gesteuerten Bridgeschalter einen Ladungsausgleich vornehmen können. Folglich lässt sich die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung bei Anwendungen einsetzen, bei denen kurzzeitig hohe Ströme benötigt werden, aber auch über längere Zeiträume eine anhaltende Grundlast mit geringeren Strömen anliegt. Neben akkubetriebenen Maschinen ist die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung insbesondere für den Einsatz bei Elektrofahrzeugen geeignet, da hier beim Beschleunigen hohe Ströme abgerufen werden und bei konstantem Tempo über längere Zeiträume auch geringere Strömen fließen. Darüber hinaus, ist das Stromanforderungsprofil bei Elektrofahrzeugen sehr unterschiedlich, wodurch sowohl die Eigenschaften von Hochstromzellen, bspw. beim starken Beschleunigen, als auch von Hochenergiezellen, bspw. bei konstantem mittleren Tempo zum Tragen kommen.
Durch eine parametriert gesteuerte Parallelschaltung von Hochstromzellen und Hochenergiezellen innerhalb dieser Lastwechsel- und Nullastbeanspruchung wird ein Ladungsausgleich zwischen den Hochstromzellen und Hochenergiezellen forciert. Durch die Verwendung eines adaptiven Strompulses zur Ladung bzw. durch eine Anpassung oder Steuerung der Entladung basierend auf den Zuständen der Zellen, lässt sich gezielt ein Kapazitätsoptimum einstellen, so dass die Zellen schnell und vollständig geladen werden, aber auch tiefer entladen werden können, als ohne eine Kombination und somit die gespeicherte Energie vollständig genutzt werden kann.
Insbesondere wird eine Energiespeicherungsanordnung angegeben, umfassend: wenigstens eine Hochstromzelle und wenigstens eine Hochenergiezelle, wobei die wenigstens eine Hochenergiezelle und die wenigstens eine Hochstromzelle parallel geschaltet sind, wobei die Zellen mit einem Strompuls geladen und/oder entladen werden und in den Pulspausen ein Ladungsausgleich zwischen den Zellen stattfindet.
Vorzugsweise, weist die Energiespeicherungsanordnung eine Steuereinheit zur Steuerung der Pulslängen und/oder Pulsamplituden des Strompulses zum Laden bzw. Entladen der Zellen aus. Vorzugsweise ist die Anzahl der Hochstromzellen geringer als die Anzahl der Hochenergiezellen, wodurch der Ladungsausgleich zwischen den beiden Zellen gesteuert wird. Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Hochstromzellen etwa 1/3 und die Anzahl der Hochenergiezellen 2/3 ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist wenigstens der Hochenergiezelle eine erste und/oder wenigstens der Hochstromzelle eine zweite Schalteinheit vorgeschaltet. Insbesondere steuert die Schalteinheit den Entlade- und/oder Ladevorgang der Hochenergiezelle und/oder der Hochstromzelle. Dabei ist eine Taktung der wenigstens einen Schalteinheit mittels der Steuereinheit zur Steuerung der Pulslängen und/oder Pulspausen des Strompulses beim Laden und/oder Entladen der Zellen vorteilhaft.
Insbesondere ermöglicht die wenigstens eine Schalteinheit eine gesteuerte Stromzufuhr bzw. eine gesteuerte Stromentnahme aus der zugehörigen Zelle für eine vorbestimmte Zeit und bewirkt eine periodische Taktung der Stromzufuhr bzw. der Stromentnahme.
Es kann wenigstens eine Strommesseinrichtung und/oder Spannungsmesseinrichtung und/oder Temperaturmesseinrichtung vorgesehen sein, wobei deren Messwerte zur Steuerung des Lade bzw. Entladevorgangs verwendet werden.
Weiter ist eine dritte Schalteinheit vor der Parallelschaltung der wenigstens einen Hochstromzelle und der wenigstens einen Hochenergiezelle angeordnet, die der Strombegrenzung für beide Zellen dient. Vorteilhafterweise ist die Taktung der ersten Schalteinheit für die wenigstens eine Hochstromzelle auf die Taktung der zweiten Schalteinheit für die wenigstens eine Hochenergiezelle abgestimmt.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die wenigstens eine Hochstromzelle und die wenigs- tens eine Hochenergiezelle über eine vierte Schalteinheit gekoppelt, um einen Ladungsausgleich zu ermöglichen bzw. aktiv zu steuern oder die eine oder andere Zelle als Last mit der anderen Zelle zu verbinden.
Die vierte Schalteinheit ist dabei geschlossen, um einen Stromfluss von der Hochstromzel- le in die Hochenergiezelle oder umgekehrt zu ermöglichen und/oder die vierte Schalteinheit wird gepulst, um eine Strombegrenzung beim Entladen oder beim Ladungsausgleich zu erzielen. Durch Schließen der vierten Schalteinheit während der Pulspausen wird die wenigstens eine Hochstromzelle mit einem Lastpuls belastet. Dabei können auch die Hochenergiezellen abhängig vom Ladezustand der wenigstens einen Hochenergiezellen durch Schließen der vierten Schalteinheit mit einem Lastpuls belastet werden bzw. eine Last oder Senke für die Hochstromzellen darstellen.
Vorzugsweise wird die dritte Schalteinheit abhängig vom Ladezustand der wenigstens einen Hochstromzelle und/oder der wenigstens einen Hochenergiezelle gesteuert. Dabei fließt der Ladestrom während eines Strompulses über die dritte und vierte Schalteinheit in die wenigstens eine Hochstromzelle und die wenigstens eine Hochenergiezelle. Die erste oder vierte Schalteinheit wird beim Entladen bei Erreichen der Entladeschluss- spannung der Hochenergiezellen oder der Hochstromzellen gepulst. Insbesondere fließt während eines getakteten Entladevorgangs in den Pulspausen oder während Ruhephasen ohne Last bei geschlossenem viertem Schalter ein Strom von der wenigstens einen Hochenergiezelle in die wenigstens eine Hochstromzelle, um diese wieder aufzuladen. Grundsätzlich ist der Strom aus der Energiespeicherungsanordnung während eines Entladevorgangs mittels einer der Schalteinheiten begrenzbar. Dazu wird wenigstens einer der Schalter so gesteuert wird, das bei Erreichen der Entladeschlussspannung eines der beiden Zelltypen, eine Strombegrenzung durch Taktung eines der Schalter erfolgt. Der Strompuls schaltet zwischen einem niedrigen Pegel von Null Ampere und einem festgelegten positi- ven Stromwert hin und her. Die Steuereinheit ist vorteilhafterweise mit der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Schalteinheit verbunden, um diesen jeweils einen Schaltimpuls zuzuführen, um ein Öffnen bzw. Schließen des jeweiligen Schalters zu bewirken, wobei die Steuereinheit weiter mit den Strom-, Spannungs-, und/oder Temperaturmesseinrichtungen verbunden ist, um von diesen Messsignale zu empfangen. Insbesondere lassen sich die Länge der Strompulse bzw. der Pulspausen abhängig vom gemessenen Zustand der beiden Zelltypen einstellen. Weiter wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren angegeben zum Laden einer Energie- speicherungsanordnung umfassend eine Parallelschaltung aus wenigstens einer Hochstromzelle und wenigstens einer Hochenergiezelle, umfassend die Schritte: Zuführen eines Strompulses zu den Hochstromzellen und den Hochenergiezellen; bei Erreichen der Lade- schlusspannung der Hochstromzellen oder der Hochenergiezellen Abschalten der Zufuhr des Strompulses zu der entsprechenden wenigstens einen Zelle; Weiterladen der anderen der beiden Zellen bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung der anderen der beiden Zellen.
Vorzugsweise wird während einer Pulspause zwischen den Strompulsen ein Schalter zwi- sehen den beiden parallel geschalteten Hochstromzellen und Hochenergiezellen geschlossen, um einen Stromfluss von den Hochstromzellen zu den Hochenergiezellen zu ermöglichen.
Außerdem wird ein Verfahren zum Entladen einer Energiespeicherungsanordnung angege- ben, umfassend wenigstens eine Hochstromzelle und wenigstens eine Hochenergiezelle, die parallel geschaltet sind, umfassend die Schritte: Überwachen von Entladeschlussspan- nung, Stromfluss und/oder Temperatur der wenigstens einen Hochstromzelle und/oder wenigstens eine Hochenergiezelle; bei Überschreiten eines Grenzwertes der Zustände, bspw. Entladeschlussspannung, Stromfluss oder Temperatur, Begrenzung des Entlade- Stroms aus der Hochenergiezelle oder aus der Hochstromzelle durch Taktung eines Schalters, wobei durch Schließen eines Schalter zwischen den beiden parallel geschalteten Hochstromzellen und Hochenergiezellen ein Ladungsausgleich zwischen den Hochstromzellen und Hochenergiezellen stattfindet. Insbesondere wird der Schalter zwischen den beiden parallel geschalteten Hochstromzellen und Hochenergiezellen abhängig von einem Zustand der Hochstromzellen und/oder Hochenergiezellen gesteuert und/oder getaktet.
Im Folgenden werden anhand von Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert, die dem allgemeinen Verständnis dienen, jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung verstanden werden sollen. Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausfuhrungsbeispiel;
Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausfuhrungsbeispiel;
Fig. 3 zeigt eine alternative Schaltungsanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbei- spiel;
Fig. 4 zeigt einen Pulsverlauf beim Laden;
Fig. 5 zeigt einen Pulsverlauf beim Entladen für normales Entladen (A), für ein Entladen mit hoher Anforderung (B) und (C) bei zu hoher Temperatur an der HSZ; Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung für eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung in einer einfachen Ausgestaltung. Wie in Fig. 1 dargestellt, umfasst die Energiespeicheranordnung Hochenergiezellen 10 und ein Hochstromzellen 20, die vorzugsweise in einem nicht dargestellten Akkupack angeordnet sind. In den Figuren ist jeweils nur eine Zelle dargestellt. Die Erfindung funktioniert auch bei der Parallelschaltung von nur jeweils einer Hochenergiezelle und einer Hochstromzelle, jedoch lassen sich die Vorteile der Erfindung insbesondere bei der Verwendung von mehreren gleichartigen Zellen, die in Reihe geschaltet sind und der jeweiligen Parallelschaltung der zwei verschiedenartigen Reihenschaltungen feststellen. Diese beiden Zellgruppen 10 und 20 sind parallel geschaltet, wobei die einzelnen Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 innerhalb der beiden Zellgruppen 10 und 20 jeweils in Reihe geschaltet sind. Die Energiespeicheranordnung ist darüber hinaus an eine Steuereinheit 30, eine Antriebseinheit 40 und eine Ladeeinheit 50 angeschlossen. Die Ladeeinheit 50 stellt den zum Laden der Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 er- forderlichen Strom bzw. die erforderliche Spannung zur Verfügung. Erfindungsgemäß wird hier ein Strompuls eingesetzt. Die Antriebseinheit 40 umfasst bspw. einen Elektromotor, kann aber auch durch jede andere Last dargestellt werden. Um den Motor 42 oder die Last benutzerabhängig zu steuern bzw. einzuschalten, ist ein Schalter oder eine Schalteinheit SM vorgesehen, die in der Zuleitung zur Antriebseinheit 40 angeordnet ist. Die Schalteinheit SM ist insbesondere beim Laden der Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 geöffnet, da sonst der Motor angetrieben werden würde. Die Steuereinheit 30 (PCU- Power Control UNIT) ist im Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit den Schaltern Sl und S3 verbunden, um diese beiden Schalter Sl und S3 zu steuern. Die PCU kann als Microcontroller ausgebildet sein. Die im Folgenden bei allen Ausfuhrungsbeispielen verwendeten Schalter, bspw. Sl, S2, S3 SP oder SM, können als einfacher Schalter, oder als Schalteinheit ausgebildet sein und durch eine elektronische Schaltung realisiert sein.
Während des normalen Ladens der Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 wird der Schalter Sl bspw. von der Steuereinheit 30 mit einem Puls getaktet, der im geschlossenen Zustand einen Strompuls zu den Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 flie- ßen lässt. Alternativ zum getaktetem Schalter Sl lässt sich von der Ladeeinheit 50 auch ein Strompuls zuführen. Während der Pulspause, in der der Schalter Sl geöffnet ist, findet zwischen den Hochenergiezellen 10 und den Hochstromzellen 20 ein Ladungsaustausch statt. Unmittelbar nachdem der Schalter Sl geöffnet wurde, d.h. dass kein Strom mehr zu den beiden Zellgruppen 10 und 20 fließt, beginnen die einzelnen gleichartigen Zellen einen Ausgleichsvorgang untereinander, da die Zellen nicht alle identisch sind und somit ein Ausgleich bzw. Balancing zwischen den gleichartigen Zellen stattfindet, um einen Kapazitätsausgleich und einen thermischen Ausgleich zu erzielen.
Während des Ladevorgangs ist der Schalter S3 andauernd geschlossen, d.h. während des Strompulses fließt der Strom sowohl in die Hochenergiezellen 10, als auch in die Hochstromzellen 20. Ist der Schalter Sl geöffnet, stellen die Hochstromzellen 20 für die Hochenergiezellen 10 eine Senke dar, so dass über den Schalter S3 ein Strom aus den Hochenergiezellen 10 in die Hochstromzellen 20 fließt. Dies hat den Vorteil, dass die wenigstens eine Hochenergiezelle schonend geladen wird und durch den negativen Strompuls aufgrund der Last der wenigstens einen Hochstromzelle eine Dendritenbildung verhindert wird.
In einer zweiten Möglichkeit zum Laden der Energiespeicheranordnung gemäß Figur 1 ist der Schalter S3 geöffnet, während der Schalter Sl geschlossen ist, d.h. mit dem Strompuls von der Ladeeinheit 50, der durch Öffnen und Schließen des Schalters Sl erzeugt wird, fließt ein Strompuls in die Hochenergiezellen 10 und nicht in die Hochstromzellen 20. Erst wenn der Schalter Sl geöffnet ist, wird der Brückenschalter S3 geschlossen, so dass ein Stromfluss von den Hochenergiezellen 10 zu den Hochstromzellen 20 stattfindet und somit ein langsames Laden der Hochstromzellen 20 erfolgt. Die Zeit, in der der Schalter Sl geschlossen ist, d.h. in der Strom in eine bzw. in beide Zellgruppen fließt, ist vorzugsweise länger, als die Zeit, in der der Schalter Sl geöffnet ist und der Ladungsausgleich stattfindet.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 können nur die Hochenergiezellen 10 separat geladen werden, die Hochstromzellen 20 dagegen nicht.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist nur ein Schalter zur Begrenzung des Ent- ladestroms nach der Parallelschaltung der Zellen vorgesehen, wie der Schalter Sl in Figur 3. Das Laden einer derartigen Energiespeichervorrichtung erfolgt mit einem Strompuls, der von einer Ladeeinheit erzeugt und beiden Zelltypen gleichzeitig zugeführt wird. Beim Entladen wird beim Überschreiten einer Entladeschlussspannung einer der beiden Zelltypen der Schalter in der gemeinsamen Leitung zur Last getaktet, wobei in den Pulspausen, in denen der Schalter geöffnet ist, und kein Strom zur Last fließt, ein Ladungsausgleich zwischen den beiden verschiedenen Zellgruppen erfolgt.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung gezeigt. Ähnlich wie in Fig. 1 werden jeweils Hochenergiezellen 10 und Hoch- Stromzellen 20 verwendet, die parallel zueinander geschaltet sind. Die Energiespeicheranordnung gemäß Fig. 2 ist auch an eine Steuereinheit 30, eine Ladeeinheit 50 und eine Antriebseinheit 40 angeschlossen. Die Antriebseinheit 40 ist ähnlich aufgebaut, wie die Antriebseinheit 40 gemäß Fig. 1. Es ist ein Schalter oder eine Schalteinheit SM in der Zuleitung zur Antriebseinheit 40 angeordnet ist. Zusätzlich ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, einen Strommesser 41 in die Zuführleitung zur Antriebseinheit 40 zu schalten. Analog ist zwischen die Ladeeinheit 50 und der Zuleitung zu den Zellen ein Strommesser 51 geschaltet. Die Ladeeinheit 50 enthält einen Spannungsmesser 52 und einen Schalter SP. Zur Überwachung ist bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils ein Strommesser 11 vor die Hochenergiezellen 10 und ein Strommesser 21 vor die Hochstromzellen 20 geschaltet. Die Spannung in den Hochenergiezellen 10 wird mit einem Spannungsmesser 12 und in den Hochstromzellen 20 mit einem Spannungsmesser 22 überwacht. Die Schaltung enthält weiter die Schalter Sl, S2 und S3, die mit der Steuereinheit 30 verbunden sind und ent- sprechend dem erfindungsgemäßen Ladeverfahren bzw. Entladeverfahren angesteuert werden. Um eine bessere Übersicht zu erhalten, sind die Verbindungen zu diesen Schaltern und der Steuereinheit nicht eingezeichnet. Die Schaltung gemäß Fig. 2 weist außerdem Thermoelemente 23, 24 auf, die die Temperatur jeweils in den beiden Zellgruppen 10 und 20 überwachen und ihre Messergebnisse an die Steuereinheit 30 übermitteln. Auch die Messergebnisse der Strom- und Spannungsmesser 11, 12, 21, 22, 41, 51 und 52 werden der Steuereinheit 30 zugeführt.
Fig. 3 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie Fig. 1. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 befindet sich der Schalter Sl in dem Pfad von der Ladeeinheit 50 zu den Hochstromzellen 20. An die Energiespeichervorrichtung gemäß Fig. 3 ist ebenso eine Antriebseinheit 40 mit einem Motor 42 oder einer anderen Last angeschlossen. Ein Schalter oder eine Schalteinheit SM sind in der Zuleitung zur Antriebseinheit 40 angeordnet ist. Die Energiespeichervorrichtung wird von einer Steuereinheit 30 gesteuert, die mit dem Schalter Sl und dem Brückenschalter S3 zu deren Steuerung verbunden ist. Der Brückenschalter S3 ist in die Verbindung zwischen den Hochenergiezellen 10 und Hochstromzellen 20 geschaltet. Während des Ladens wird entweder ein Strompuls von der Ladeeinheit 50 zugeführt oder der Schalter Sl wird so getaktet, dass den Hochstromzellen 20 und den Hochenergiezellen 10 jeweils ein Strompuls zum Laden zugeführt wird. Während des Ladens ist der Brückenschalter S3 geschlossen.
Bei einer Lastanforderung wird der Schalter SM geschlossen. Dann kann über den Schalter Sl bzw. S3 mittels der Steuereinheit 30 der Stromfluss aus den Hochenergiezellen 10 bzw. aus den Hochstromzellen 20 zur Last 42 gesteuert werden, wobei durch den Schalter S3 ein zu hoher Stromfluss aus den Hochenergiezellen 10 gesteuert bzw. begrenzt werden kann, indem dieser Schalter S3 getaktet wird. Wenn die Lastabnahme aus den Hochstromzellen 20 zu groß ist, kann dieser Stromfluss mit dem Schalter Sl begrenzt werden, wobei während der Zeiten, in denen der Schalter Sl geöffnet ist und der Schalter S3 geschlossen ist, ein Ladungsaustausch zwischen den Hochenergiezellen 10 und den Hochstromzellen 20 stattfindet, um die Hochstromzellen 20 mit Energie aus den Hochenergiezellen 10 nachzuladen. Sowohl das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 oder Fig. 3 kann um Elemente aus Figur 2 ergänzt werden, bspw. durch Einfügung von Spannungs - und Strommessern bzw. Temperaturfühlern.
Gemäß Fig. 4 wird ein Verfahren zum Laden der Zellgruppen 10 und 20 basierend auf der Schaltung gemäß Figur 2 beschrieben. Während des normalen Ladevorgangs wird eine Spannung an die Anschlüsse in der Ladeeinheit 50 angelegt, so dass ein Strom fließen kann, wenn der Schalter SP geschlossen ist. Der Schalter SP wird unter Steuerung der Steuereinheit 30 pulsend betrieben, so dass ein Strompuls zu den Zellgruppen 10 und 20 fließt. Dabei sind die Schalter Sl und S2 geschlossen. Auch der Brückenschalter S3 ist geschlossen. Da die Hochstromzellen eine geringere Ladeschlussspannung ULS aufweisen, beispielsweise 4,2V, ist diese Ladeschlussspannung ULS bei den Hochstromzellen 20 schneller erreicht, d.h. es sind weniger Strompulse erforderlich, um die Hochstromzellen 20 zu laden. Wenn, wie in Fig. 4 gezeigt, die Ladeschlussspannung ULS der Hochstromzellen 20 erreicht ist, werden der Schalter S2 und der Brückenschalter S3 geöffnet. Der Schal- ter SP wird weiter pulsend betrieben und der Schalter Sl ist geschlossen. Mit dieser Konstellation wird erreicht, dass die Hochenergiezellen 10 weiter geladen werden, bis sie ihre Ladeschlussspannung ULS, beispielsweise 4,3 V erreichen. Mit Hilfe der Steuereinheit 30 lassen sich die Strom- und Spannungswerte der Zellgruppen überwachen und mit den Thermoelementen 23 und 24 jeweils auch die Temperaturen der beiden Zelltypen in den jeweiligen Zellgruppen. Sollte einer der erfassten Werte außerhalb von vorgegebenen Werten liegen, kann mit Hilfe der Steuereinheit 30 die Taktung der einzelnen Schalter SP so verändert werden, dass eine Gesamt-Strombegrenzung für beide Zellgruppen oder durch individuelle Taktung der Schalter Sl, S2 oder S3 eine Strombegrenzung für die eine oder andere Zellgruppe erreicht wird, um somit beispielsweise ein Überhitzen einer der Zell- gruppen zu verhindern.
Im Folgenden wird in Fig. 5 der Stromverlauf für die beiden Zellgruppen 10 und 20 in verschiedenen Situationen beschrieben. In Situation A wird der Entladevorgang bei gemäßigten Anforderungen beschrieben. Dazu sind alle Schalter gemäß Figur 2 geschlossen, so dass ein Strom zum Motor 42 fließen kann. Nur der Schalter SP ist geöffnet. Eine gemäßigte Anforderung bedeutet beispielswei- se bei einem Elektrofahrzeug, dass keine Maximalstromanforderung oder Leistungsabfor- derung abgerufen wird, sondern eine mittlere Leistungsabforderung stattfindet. In diesem Fall fließt ein normaler Strom aus beiden Zellen innerhalb der vom Akkuhersteller beschriebenen Leistungsgrenzen. In Situation B wird die maximale Leistung, beispielweise bei voller Beschleunigung abgefordert. Die Lastanforderung kann auch über den Herstellerangaben liegen. Da insbesondere in diesem Fall die Hochstromzellen 20 ihre Eigenschaften ausspielen können, liefern die Hochstromzellen 20 einen kontinuierlichen Strom. Die Hochenergiezellen sind mit einer derartigen maximalen Leistungsabforderung überfordert und werden durch einen pulsen- den Schalter Sl im Stromfluss begrenzt, so dass die Hochenergiezellen 10 geschont werden. Aufgrund des pulsenden Schalters Sl und eines geöffneten Brückenschalters S3 lässt sich somit der Strom aus den Hochenergiezellen 10 begrenzen.
In Situation C ist dargestellt, dass der Temperatursensor 24 an den Hochstromzellen 20 einen erhöhten Temperaturwert festgestellt hat. In einem derartigen Zustand wird der Schalter Sl geschlossen und der Schalter S2 wird pulsend betrieben, so dass der Stromfluss aus den Hochstromzellen begrenzt ist und diese somit geschont werden. Die Hochenergiezellen liefern einen kontinuierlichen Strom, der über den geschlossenen Schalter Sl zum Motor 42 fließt.
Beim Laden ist es auch möglich, einen Strompuls nur in die Hochenergiezellen fließen zu lassen und in der Pulspause, die Hochstromzellen von den Hochenergiezellen zu laden. Da der Ladepuls in die Hochenergiezellen jedoch länger ist, als der Senkenpuls oder die Pulspause, können die Hochstromzellen auf diese Art und Weise nicht vollständig geladen werden. Deshalb wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das der nächste Strompuls wieder in beide Zellgruppen fließt und beide Zellgruppen den Strompuls gemeinsam bekommen.
Die Taktung erfolgt bei Entladung abhängig von Stromwert, d.h. bei den Hochenergiezellen wird der Strom begrenzt, um somit akkuschonend ein Maximum aus den Hochenergie- zellen herauszubekommen. Während die Stromentnahme aus den Hochenergiezellen begrenzt wird, steigt der von den Hochstromzellen abgegebene Strom wieder, da diese mehr Strom abgeben können. Dadurch werden die Zellen geschont und nicht überbelastet.

Claims

Ansprüche
1. Energiespeicherungsanordnung, umfassend:
wenigstens eine Hochstromzelle (20) und wenigstens eine Hochenergiezelle (10), wobei die wenigstens eine Hochenergiezelle (10) und die wenigstens eine Hochstromzelle (20) parallel geschaltet sind, wobei die Zellen (10, 20) mit einem Strompuls geladen und/oder entladen werden und in den Pulspausen ein Ladungsausgleich zwischen den Zellen (10, 20) stattfindet.
2. Energiespeicherungsanordnung nach Anspruch 1, weiter enthaltend:
eine Steuereinheit (30) zur Steuerung der Pulslängen und/oder Pulsamplituden des
Strompulses zum Laden bzw. Entladen der Zellen (10, 20).
3. Energiespeicherungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl der Hochstromzellen (20) geringer als die Anzahl der Hochenergiezellen (10) ist, wodurch der La- dungsausgleich zwischen den beiden Zellen (10, 20) gesteuert wird.
4. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Hochstromzellen (20) etwa 1/3 und die Anzahl der Hochenergiezellen (20) 2/3 ist.
5. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils wenigstens der Hochenergiezelle (10) eine erste und/oder wenigstens der Hochstromzelle (10) eine zweite Schalteinheit (Sl, S2) vorgeschaltet ist.
6. Energiespeicherungsanordnung nach Anspruch 5, wobei die Schalteinheit (Sl, S2) die den Entlade- und/oder Ladevorgang der Hochenergiezelle (10) und/oder der Hochstromzelle (20) steuert.
7. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Taktung der wenigstens einen Schalteinheit (Sl , S2, S3, SP) mittels der Steuereinheit (30) zur Steuerung der Pulslängen und/oder Pulspausen des Strompulses beim Laden und/oder Entladen der Zellen (10, 20) vorgesehen ist.
8. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Schalteinheit (Sl, S2, S3, SP) die Stromzufuhr in bzw. die Stromentnahme aus der zugehörigen Zelle für eine vorbestimmte Zeit unterbricht und vorzugsweise eine periodische Taktung der Stromzufuhr bzw. der Stromentnahme bewirkt.
9. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Strommesseinrichtung (11, 21, 41, 51) und/oder Spannungsmesseinrichtung (12, 22, 52) und/oder Temperaturmesseinrichtung (23, 24) vorgesehen ist, wobei die Messwerte zur Steuerung des Lade bzw. Entladevorgangs verwendet werden.
10. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine dritte Schalteinheit (SP) vor der Parallelschaltung der wenigstens einen Hochstromzelle (20) und der wenigstens einen Hochenergiezelle (10) angeordnet ist, die der Strombegrenzung für beide Zellen dient.
11. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 10, wobei die Taktung der ersten Schalteinheit (S2) für die wenigstens eine Hochstromzelle (20) auf die Taktung der zweiten Schalteinheit (Sl) für die wenigstens eine Hochenergiezelle (10) abgestimmt ist.
12. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Hochstromzelle (20) und die wenigstens eine Hochenergiezelle (10) über eine vierte Schalteinheit (S3) gekoppelt sind.
13. Energiespeicherungsanordnung nach Anspruch 12, wobei die vierte Schalteinheit (S3) geschlossen ist, um einen Stromfluss von der Hochstromzelle (20) in die Hochenergiezelle (10) oder umgekehrt zu ermöglichen und/oder die vierte Schalteinheit (S3) gepulst ist, um eine Strombegrenzung zu erzielen.
14. Energiespeicherungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei durch ein Schließen der vierten Schalteinheit (S3) während der Pulspausen die wenigstens eine Hochstromzelle (20) mit einem Lastpuls belastet wird.
15. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei abhängig vom Ladezustand der wenigstens einen Hochenergiezellen (10) auch die Hochenergiezellen (10) durch Schließen der vierten Schalteinheit (S3) mit einem Lastpuls belastet werden bzw. eine Senke für die Hochstromzellen (20) darstellen.
16. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Schalteinheit (SP) abhängig vom Ladezustand der wenigstens einen Hochstromzelle (20) und/oder der wenigstens einen Hochenergiezelle (10) gesteuert wird.
17. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ladestrom während eines Strompulses über die dritte und vierte Schalteinheit (SP, S3) in die wenigstens eine Hochstromzelle (20) und die wenigstens eine Hochenergiezelle (10) fließt.
18. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste oder vierte Schalteinheit (Sl, S3) beim Entladen bei Erreichen der Entladeschluss- spannung der Hochenergiezellen (10) oder der Hochstromzellen (20) gepulst wird.
19. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während eines getakteten Entladevorgangs in den Pulspausen oder während Ruhephasen ohne Last bei einer geschlossenen vierten Schalteinheit (S3) ein Strom von der wenigstens einen Hochenergiezelle (10) in die wenigstens eine Hochstromzelle (20) fließt, um diese wieder aufzuladen.
20. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strom aus der Energiespeicherungsanordnung während eines Entladevorgangs mittels einer der Schalteinheiten begrenzbar ist.
21. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strompuls zwischen einem niedrigen Pegel von Null Ampere und einem festgelegten positiven Stromwert hin und herschaltet.
22. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (30) mit der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Schalteinheit (Sl, S2, S3 SP) verbunden ist, um diesen jeweils einen Schaltimpuls zuzuführen, um ein Öffnen bzw. Schließen der jeweiligen Schalteinheit zu bewirken, wobei die Steuereinheit weiter mit den Strom-, Spannungs-, und/oder Temperaturmesseinrichtungen verbunden ist, um von diesen Messsignale zu empfangen.
23. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der Schalteinheiten (Sl, S2, S3) so gesteuert wird, das bei Erreichen der Entladeschlussspannung eines der beiden Zelltypen, eine Strombegrenzung durch Taktung eines der Schalter (S 1 , S2, S3) erfolgt.
24. Energiespeicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge der Strompulse bzw. der Pulspausen abhängig vom gemessenen Zustand der beiden Zelltypen eingestellt wird.
25. Verfahren zum Laden einer Energiespeicherungsanordnung umfassend eine Parallelschaltung aus wenigstens einer Hochstromzelle (20) und wenigstens einer Hochenergiezelle (10), umfassend die Schritte:
- Zufuhren eines Strompulses zu den Hochstromzellen (20) und den Hochenergie- zellen (10);
- bei Erreichen der Ladeschlusspannung von den Hochstromzellen (20) oder von den Hochenergiezellen (10) Abschalten der Zufuhr des Strompulses zu der entsprechenden Zelle;
- Weiterladen der anderen der beiden Zellen bis zum Erreichen der Ladeschluss- Spannung der anderen der beiden Zellen.
26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei während einer Pulspause zwischen den Strompulsen eine Schalteinheit (S3) zwischen den beiden parallel geschalteten Hochstromzellen (20) und Hochenergiezellen (10) geschlossen ist, um einen Stromfiuss von den Hoch- Stromzellen (20) zu den Hochenergiezellen (10) zu ermöglichen.
27. Verfahren zum Entladen einer Energiespeicherungsanordnung umfassend wenigstens eine Hochstromzelle (20) und wenigstens eine Hochenergiezelle (10), die parallel geschaltet sind, umfassend die Schritte:
Überwachen von Entladeschlussspannung, Stromfluss und/oder Temperatur der wenigstens einen Hochstromzelle (20) und/oder wenigstens eine Hochenergiezelle (10); bei Überschreiten eines Grenzwertes der Zustände, bspw. Entladeschlussspannung, Stromfluss oder Temperatur,
Begrenzung des Entladestroms aus der Hochenergiezelle (10) oder aus der Hochstromzelle (20) durch Taktung einer Schalteinheit (Sl, S2), wobei durch Schließen einer Schalteinheit (S3) zwischen den beiden parallel geschalteten Hochstromzellen (20) und Hochenergiezellen (10) ein Ladungsausgleich zwischen den Hochstromzellen (20) und Hochenergiezellen (10) stattfindet.
28. Verfahren zum Entladen einer Energiespeicherungsanordnung nach Anspruch 27, wobei die Schalteinheit (S3) zwischen den beiden parallel geschalteten Hochstromzellen (20) und Hochenergiezellen (10) abhängig von einem Zustand der Hochstromzellen (20) und/oder Hochenergiezellen (10) gesteuert und/oder getaktet wird.
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