CN108075209A - 具有区域性温度控制的电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池模块（10），该电池模块具有：多个电池单元（11）、尤其是多个固体电解质单元，用于控制和/或调节所述电池单元（11）的电池管理系统（12）。所述电池单元（11）在区段（13）中被综合，其中，这些区段形成加热区域（14）并且具有至少一个配属的加热元件（15），其中，所述加热元件（15）能够由所述电池管理系统（12）如此控制和/或调节，使得所述区段（13）的、区域性温度控制通过相应的加热元件（15）能够被实现。

Description

具有区域性温度控制的电池
技术领域
本发明涉及一种根据第一独立权利要求的前序部分的电池模块、根据另外的独立权利要求的电池以及根据独立方法权利要求的方法。
背景技术
电存储器单元是已知的，所述电存储器单元在升高的温度（即，高于室温）的情况下运行。这种电池的优点能够例如在成本方面、在特定的能源含量的方面或者也在安全方面。升高的温度水平的原因大多在于：参与的单元部件的、充分大的传导能力和存储能力的实现，并且在于充分大的交换电流密度结合参与的、电化学的电池反应（Zellreaktionen）的实现。根据前序部分的能量存储器单元如有必要必须在运行中或者在调试时被加热。与此相应地，对于在升高的温度时才达到其最佳的性能的能量存储器来说，例如在车辆启动时需要用于加热存储器单元的能量。此外，可能的是：在存储器单元的使用期限期间，在无运行或者仅受限的运行的情况下，始终需要能量来加热，以便为电池的继续运行做准备。这消耗能量并且必要时能够放空电池。用于加热机动车辆的电池的方法例如在DE102012022553A1中被公开，其中，所述方法导致电池在此期间加热，所述方法用于通过放电电流加热机动车辆的电池并且利用至少一个电流吸收器（Stromsenke）加热所述电池的耦合器（Kopplung）。
发明内容
现在，根据本发明提出了根据相应的独立要求的电池模块、用于至少能够电力驱动的车辆的电池和用于控制根据本发明的电池温度的方法，所述电池模块具有多个电池单元（尤其是固体-电解质单元）和用于控制和/或调节电池单元的电池管理系统，所述电池具有多个根据本发明的电池模块。
本发明的、其他的特征和细节由从属权利要求、说明书和附图中得出。在此，与根据本发明的电池模块相关联地描述的特征和细节当然也与根据本发明的电池和/或根据本发明的方法相关联，并且分别反之亦然，使得关于各个发明方面的公开始终是相互参照的或者能够是相互参照的。通过在从属权利要求中列出的措施，在独立权利要求中所说明的发明主题的、有利的改型方案和改进方案是可能的。
根据本发明，电池模块的特征在于，所述电池单元在区段中被综合，所述区段形成加热区域并且具有至少一个配属的加热元件，其中，所述加热元件能够由所述电池管理系统如此控制和/或调节，使得所述区段的、区域性温度控制能够通过相应的加热元件被实现。在此，所述电池单元能够机械地（尤其是在几何方面）以及电地在区段中被综合，所述区段形成加热区域，其中，至少一个加热元件被分配给所述区段。与此相应地，区段的电池单元能够彼此机械地连接和/或在几何方面被如此布置在模块壳体中，使得它们形成加热区域并且与其他的区段机械地、几何地和/或电地分开。根据本发明，加热元件由电池管理系统如此控制和/或调节，使得区段的电池单元能够根据所期望的温度水平以及运行策略被相应地控制温度。在此，能够设想的是：例如在受限的运行中（例如，就停泊的车辆而言），只有唯一的区段或者所选择的区段通过所述加热元件被控制温度，从而形成加热区域，所述加热区域具有能够定义的数目的电池单元。在此，所述区段能够在电池单元的数目上变化。在本发明的框架中，温度调节既能够被理解为加热也能够被理解为冷却。这样，能够设想的是，加热元件实现了加热功能、保温功能和/或冷却功能。这样，所述加热元件例如能够被如此构造，使得热能能够经由这种加热元件被散发。然而，优选的是，所述加热元件将热能输送至在加热区域中的电池单元，以便尤其为了电池模块的继续运行做准备。通过电池单元的、分区段的温度控制，例如用于行驶运行的电池模块的、快速的使用能够被实现。同时，需要更小的能量消耗来实现对电池模块的预先加热。由此，能够得到电池模块的、更大的航程并且因而得到车辆的、更大的航程。在本发明的框架中，加热元件能够是能够被动和/或主动运行的。被动构造的加热元件通过下述方式实现了对区段的区域性温度控制：例如用于电池单元的充电的能量导致相应的电池单元的升温，并且加热元件存储和/或传递由此产生的热能。因此，充电的电池单元的热能能够被传递至其他的区段的电池单元处。
有利地，各个区段的所述电池单元经由传导大电流的连接元件彼此导电地连接，由此，用于所述温度控制的和/或用于所述加热元件的能量能够被传递。因此，用于电池单元的温度控制的电能和/或热能能够经由所述传导大电流的连接元件被传递，使得相应的加热区域能够相应地被控制温度。在此，根据本发明的加热元件能够例如被构造为加热膜、加热丝和/或调温板。在此，所述加热元件能够被布置在区段的至少一个电池单元处或者中、优选在区段的多个电池单元处。此外，能够设想的是，加热元件被布置在电池单元的至少一侧处、尤其是在电池单元壳体处。此外，加热元件能够沿着区段的多个或者所有电池单元至少部段地延伸。在此，加热膜实现了电池单元的和/或区段的、按面积的温度控制。调温板也实现了电池单元的或者区段的、按面积的温度控制，使得各个加热区域能够经由所述调温板被形成。加热丝实现了在电池单元的部分区域中的、快速的加热。因此，电池单元的电能能够经由传导大电流的连接元件被传递用于外部的耗电器的充电和/或电力供应。能够设想的是，电能经由传导大电流的连接元件被传递来用于各个区段的电池单元的充电，使得所述各个区段的所述电池单元升温并且能够形成加热区域。在此，配属的加热元件能够用于热能的存储和/或传递，由此，在加热区域中的电池单元的、快速的加热被实现或者用于加热相邻的区段的热能能够被传递。此外，能够设想的是，用于传热的流体经由传导大电流的连接元件也能够被传导。在此，所述流体能够是已经被加热的或者能够通过在电池单元的充电和/或放电时的热能被加热。由此，可能的是，各个区段的电池单元均匀地被控制温度，由此，电池模块的、快速的使用能够被实现。与此相应地，在电池模块内的热能的再分配（Umverteilung）能够通过所形成的加热区域被实现。
在本发明的框架中，所述区段的所述电池单元的数目能够彼此不同地、尤其是可变地被切换。优选地，这能够优选经由电池管理系统实现，使得电池单元根据温度水平和所需要的运行策略被接通或者切断。因此，区段的尺寸能够不同地被构造、尤其是可变地能够被切换。与此相应地，也能够通过下述方式得到不同大小的加热区域：在区段处，加热元件的数目和/或尺寸被不同地构造。这导致更小的能量消耗，所述能量消耗用于预先加热电池单元并且因而用于预先加热电池模块。在此，能够设想的是，在电池单元的运行中或者在电池单元的调试时，首先，具有较小数目的电池单元的区段（尤其是，具有较小的表面积的区段）被联接和/或通过加热元件被控制温度，使得首先形成具有小的表面的加热区域，所述加热区域能够利用少的能量消耗被控制温度。因此，所控制温度的加热区域能够更快地被使用或者能够提供相应提高的功率。然后，具有较大数目的电池单元的区段依次地与其接通，其中，其他的区段能够通过先前较小地确定尺寸的加热区域被控制温度。因此，能够产生加热过程/加热模式，其中，较小数目的电池单元首先被温度控制，并且，在进一步的过程中，较大数目的电池单元通过较小构造的加热区域被温度控制。
有利的是，当所述加热区域球状地、长方体状地或者柱状地被构造时。因此，具有相应的加热元件的电池单元的区段几何上、机械地和/或电地被如此综合成加热区域，从而得到加热区域的基本上球状地、长方体状地或者柱状的构造。在此，加热区域能够彼此相邻地或者彼此错开地被布置在电池模块中。有利的是，当就多个加热区域而言时，这些加热区域被不同大小地确定尺寸。在此，加热区域的电池单元的数目和/或电池单元的几何形状能够是不同大小的。能够设想的是，加热区域至少部段地重叠（überschneiden）或者被布置在彼此之中。因此，在球状的几何形状时，第一加热区域能够由至少一个壳形的加热区域包围。与此类似地，柱状构造的加热区域能够由另一个柱状的加热区域包围，所述另一个柱状的加热区域具有较多数目的电池单元。也能够设想的是，尤其是长方体状的加热区域彼此相邻地被构造，并且因此能够附加地控制彼此相邻的区段的温度。
在本发明的框架中，至少一个内部的加热区域和至少一个外部的加热区域能够被设置。因此，产生核心运行和边缘运行，其中，所述内部的加热区域能够构造电池模块的核心运行，并且至少一个外部的加热区域能够构造电池模块的边缘运行。在此，优选的是，在加热模式的第一级中，核心运行利用区段的、小的数目的电池单元以及利用配属的加热元件被形成。在另一个级中，能够围绕第一加热区域的核心区段产生第二加热区域，所述第二加热区域例如在柱状的几何形状时作为环形的/甜甜圈形的几何形状围绕核心加热区域延伸。与此相应地，在核心运行之后（至少一个区段在所述核心运行中已经被置于运行温度上），环形的第二加热区域能够被控制温度。在第三级中，所谓的边缘运行是能够设想的，所述边缘运行在几何方面围绕第二加热区域延伸。在此，电池单元分别分区段地被运行并且由加热元件温度控制，从而产生相应的加热区域。因而，在长方体状的加热区域中，各个电池单元如此彼此连接并且被至少一个配属的加热元件控制温度，从而在第一级中产生核心加热区域（核心运行），所述核心加热区域例如以立方体的形式。中间加热区域在第二级中能够围绕核心加热区域被构造，并且边缘区域（边缘运行）在第三级中能够围绕中间加热区域被构造。与此相应地，根据运行模式或者运行策略，电池模块的、逐级的部分运行能够被实现。在此，各个区段或者加热区域的、不同的可寻址性（Adressierbarkeit）能够通过电池管理系统被实现。为此所应用的原理能够与洋葱皮的几何形状相比较。
此外，能够设想的是，所述加热区域的所述加热元件和/或各个区段的所述电池单元的数目能够温度相关地被控制和/或被调节。区段的、根据温度水平能够控制和/或能够调节的温度控制需要小的能量消耗，所述能量消耗用于预先加热所述电池模块。因此，根据电池模块的待机-持续时间（即，少的直至甚至没有电能取出（Energieentnahme）以及因此电池单元的、更快的冷却），加热区域的加热元件和/或各个区段的电池单元的数目是能够控制和/或能够调节的。如果电池单元在低温区域中并且因此仅仅实现了小的功率输出，那么，电池单元的数目是可变化地能够控制和/或能够调节的，所述电池单元由加热元件控制温度。用于供应加热元件的能量也能够温度相关地是能够控制和/或能够调节的。相应地，就所冷却的电池模块而言，用于加热元件的能量能够被提高并且各个区段的电池模块的数目能够被减小，使得它们能够更快地被加热并且更块地和/或以更高的功率地实现部分运行。随后，加热区域的加热元件的数目和/或电池单元的数目能够被增加，从而得到具有更多数目的电池单元的、更大的加热区域。然而，如果电池单元已经在与功率相符合的温度运行窗口上，则需要更少的能量来运行加热元件。此外，多个电池单元能够被联接成各个区段并且通过加热元件被综合成大的加热区域，或者在已经控制温度的区域中的加热元件能够被关闭。
根据本发明，能够设置的是，所述加热区域在所述电池模块中分层地被构造。在此，电池模块与此相应地具有多个电池单元，其中，它们分层地被布置在电池模块壳体中。在此，加热区域能够包括电池模块的层的部分或者所有电池单元。同样能够设想的是，电池模块的多个层被构造为加热区域，使得在电池模块中的、相邻的区段能够通过加热区域的加热元件被控制温度。因此，三明治型的电池模块能够通过加热区域被构造，所述加热区域分层地被布置。
根据本发明的第二方面，要求保护至少一个用于至少能够电力驱动的车辆的电池，其中，所述电池具有多个根据本发明的电池模块。在此，能够设想的是，电池模块同样也能够形成区段，所述区段通过加热元件被综合成加热区域。在此，电池的各个区段或者加热区域也能够不同地被寻址并且因此能够被控制温度。与此相应地，根据运行策略和/或升温模式，电池的部分以及因而电池模块的、不同的数目能够被控制温度。因此，对于根据本发明的电池而言得出所有的优点，如它们已经与根据本发明的电池模块相关联地被描述的那样。
根据本发明的第三方面，要求保护用于根据本发明的电池的温度控制的方法，其中，所述电池具有至少一个加热模式，其中，在所述加热模式中，所定义数目的电池单元和/或电池模块通过传导大电流的连接元件彼此导电地连接并且能够由电池管理系统如此控制和/或调节，使得电池的、区域性温度控制被实现。因此，用于根据本发明的电池的温度控制的方法具有多个根据本发明的电池模块，从而对于根据本发明的方法而言得出所有的优点，如它们已经与根据本发明的电池以及与根据本发明的电池模块相关联地所描述的那样。
附图说明
从下面的、关于本发明的一些实施例的描述中得出其他的、改进本发明的措施，所述实施例在附图中示意性地被示出。由权利要求书、说明书或者附图得出的、所有的特征和优点（包括结构上的细节、空间上的布置以及方法步骤）对于自身和在各种的组合中都能够是发明基本的。在此，应当注意的是，附图仅仅具有描述的特性并且不考虑以任何形式限制本发明。附图示出：
图1在第一实施方式中的、根据本发明的电池模块，
图2a根据本发明的电池模块几何形状的第一实施方式，
图2b电池模块几何形状的、另一种能够设想的实施方式，
图2c根据本发明的电池模块几何形状的、另一种可能的实施方式，
图3a根据本发明的第一加热模式的实施方式，
图3b根据本发明的加热模式的第二实施方式，
图3c根据本发明的加热模式的第三实施方式，
图4就不同数目的、所加热的/所运行的电池单元而言的能量使用。
具体实施方式
在以下附图中，对于不同的实施例的、同样的技术特征使用了相同的附图标记。
在图1中示出了电池模块10的、根据本发明的实施方式，其中，电池模块10具有多个电池单元11。电池单元11经由传导大电流的连接元件16彼此串联或者并联连接。电池模块10具有模块壳体10.1，其中，在电池模块壳体10.1之内的电池单元11彼此平行地被布置。在图1中，具有加热元件15的区段13被示出，使得加热区域14被形成在电池模块10的模块壳体10.1的中心。在此，加热元件15与电池管理系统12信号连接。此外，电池管理系统12与电池单元11信号连接。加热元件15经由电池管理系统12能够彼此独立地被控制和/或被调节。在此，加热元件15被布置在两个电池单元11之间，使得至少电池单元11能够沿着长边被温度控制。在图1中所示出的、区段13的加热区域14包括六个电池单元11，并且，具有四个加热元件15，所述加热元件被布置在电池单元11之间。在图1中示出了另一个区段13，所述区段具有总共八个电池单元11，其中，第二区段13不具有单独的加热元件15。在此，第二区段13被布置在电池模块10的边缘区域处，并且，在至少两个侧边处被电池壳体10.1包围。根据本发明能够设想的是，加热区域14在第一级被控制温度并且接着将热能传递至相邻的电池单元11，使得电池模块10的区段13依次被控制温度并且因而能够是准备好使用的。根据本发明能够设想的是，在此，加热元件15被构造为加热箔15、调温板15或者被构造为加热丝。在图1中，加热元件15优选被构造为加热箔或者调温板15，并且，被布置在所电池模块10的电池单元11之间。在此，加热功率和加热持续时间能够经由电池管理系统12被控制和/或被调节，使得区段13的、区域性温度控制能够通过相应的加热元件15被实现。此外，在图1中能够识别出，区段13的电池单元11的数目能够是彼此不同的。这样，第一区段13包括六个电池单元11，并且，第二区段13已经包括了八个电池单元11，所述第一区段形成加热区域14。加热区域14在图1中长方体状地被构造并且实现了电池模块10的核心运行，六个电池单元11在所述核心运行中通过加热元件15被控制温度，所述六个电池单元被布置在区段13中。
图2a、2b和2c公开了电池模块10的区段13的几何形状，所述几何形状在本发明的框架中是能够设想的。在图2a中，电池模块10的区段13具有球状的几何形状。在图2b中，示出了区段13的以及电池模块10的加热区域14的、长方体状的几何形状。在此，加热元件15被布置在加热区域14的电池单元处，其中，在此加热元件15线状地被构造。在图2c中，区段13以及加热区域14柱状地被构造，其中，区段13具有边缘区域和在其中柱状构造的加热区域14。加热元件15在电池模块10的电池单元处被布置在加热区域14中，其中，在图2c中，加热元件15也作为加热丝被布置在电池单元处。
图3a、3b和3c示出了可能的、根据本发明所设置的升温模式（aufwärmmodi），其中，区段13和加热区域14在此柱状地被构造。在图3a中，用于中间区域14的加热模式被示出，其中，加热区域14在此被两个区段13包围。第一区段13形成核心区域13，并且，第二区段13形成边缘区域13。在此，只有加热区域14通过加热元件15被控制温度。在图3b中，核心运行被示出为升温模式，其中，加热区域14被布置在区段13的中心并且被加热元件15包围。根据图3b能够设想的是，首先将核心区域14构造为加热区域14，并且，经由加热元件15控制核心区域温度。于是，热能能够至少部分地被传递至区段13上，其中，加热区域14的电池单元11能够是首先准备好运行的并且能够被置于相应的温度上。图3c示出了作为加热模式的边缘运行，其中，区段13在此现在不被加热元件15控制温度。只有外壳被加热元件15控制温度，所述外壳以加热区域14的形式。在此，图3a、3b和3c的、所示出的所有三个升温模式能够以任意的顺序依次和/或同时被运行。优选地，在第一步骤中，根据图3b的升温模式能够被执行，随后是图3a的升温模式并且接着图3c的升温模式能够被执行。
图4示出就不同数目的、所加热的以及所运行的电池单元11而言的能量使用。在此，图表示出了不同区段13的运行，其中，根据加热能量可能的电池功率被实现，所述加热能量在X-轴上被示出，所述电池功率在Y-轴上以百分比示出。在此，在图4中所示出的电池模块被分成四个区段13。如果第一区段13以总的加热能量的大约25%的加热能量被驱动，则通过所温度控制的第一区段13已经实现了30%的电池功率，所述总的加热能量被需要以便完全控制电池模块10的温度。如果接着另一个区段13被相应地控制温度，并且因而被升温为准备好运行的，则50%的电池功率已经是可用的。在接通第三区段13时，就大约50%的、所需要的加热能量而言，超过60%的电池功率已经是可用的。如果现在第四区段13被相应地控制温度，则100%的电池功率是可用的。因此，能够识别的是，电池模块的、分区段的温度控制实现了分区段的部分运行。在此，对于分区段的运行/温度控制而言，用于加热区域的能源需求被减小。通过分区段的、能够控制和/或能够调节的温度控制以及附加的电池单元的接通，在节约能源的情况下，例如能够电力驱动的车辆的、更高的航程能够被实现。通过在区段13之内的电池单元的、分区段的能够寻址性，电池模块的和/或电池的、快速的使用例如在行驶运行之前是可能的。同时，需要更小的能量消耗来预先加热，因为（如在图4中所示出的）已经有30%的电池功率是可使用的，当只需要大约25%的加热能量时。
前述的、对实施方式的阐述仅仅在示例的框架中描写本发明。当然，只要技术上是有意义的，实施方式的各个特征能够自由地彼此组合，而不脱离本发明的框架。

Claims (9)

1.电池模块（10），具有多个电池单元（11）、尤其是多个固体电解质单元，用于控制和/或调节所述电池单元（11）的电池管理系统（12），
其特征在于，
所述电池单元（11）在区段（13）中被综合，所述区段形成加热区域（14）并且具有至少一个配属的加热元件（15），其中，所述加热元件（15）能够由所述电池管理系统（12）如此控制和/或调节，使得所述区段（13）的、区域性温度控制能够通过相应的加热元件（15）被实现。
2.根据前述权利要求所述的电池模块（10），其特征在于，各个区段（13）的所述电池单元（11）经由传导大电流的连接元件（16）彼此导电地连接，由此，用于所述温度控制的和/或用于所述加热元件（15）的能量能够被传递。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电池模块（10），其特征在于，所述区段（13）的所述电池单元（11）的数目能够彼此不同地、尤其是可变地被切换。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池模块（10），其特征在于，所述加热区域（14）球状地、长方体状地或者柱状地被构造。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池模块（10），其特征在于，至少一个内部的加热区域（14）和至少一个外部的加热区域（14）被设置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池模块（10），其特征在于，所述加热区域（14）的所述加热元件（15）和/或各个区段（13）的所述电池单元（11）的数目能够温度相关地被控制和/或被调节。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电池模块（10），其特征在于，所述加热区域（14）在所述电池模块（10）中分层地被构造。
8.用于至少能够电力驱动的车辆的电池（100），该电池具有多个根据前述权利要求中任一项所述的电池模块（10）。
9.用于控制根据前述权利要求所述的电池（100）的温度的方法，其中，所述电池（100）具有至少一个加热模式，其中，在所述加热模式中，被定义数目的电池单元（11）和/或电池模块（10）通过传导大电流的连接元件（16）彼此导电地连接并且能够由电池管理系统（12）如此控制和/或调节，使得所述电池（100）的、区域性温度控制被实现。
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