CN109950657A - 电池系统和用于电池系统的加热设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于机动车的电池系统(1)，所述电池系统包括用于容纳电池单池(4)的壳体(2)，包括用于保持和接触容纳在壳体(2)中的电池单池(2)的系统部件，并且包括用于加热容纳在壳体(2)中的电池单池(4)的加热设备(6)，其中加热设备(6)材料配合地施加在系统部件上和/或施加在壳体(2)和/或电池单池(4)上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的电池系统以及一种用于机动车电池的加热设备。
背景技术
已知用于机动车的电池系统，其中电池系统不仅用作为辅助电池系统而且用作为主电池系统。
借助于辅助电池系统对在机动车中的耗电器供应电能，所述电能不直接用于驱动机动车。这种辅助电池系统例如作为用于内燃机的起动电池已知。此外，只要不经由其他来源提供电能，例如在内燃机运转时经由发电机提供电能，就经由这种辅助电池系统例如对机动车的控制设备、车载计算机、关闭设备和其他耗电器供应电能。
此外，在机动车中已知的是：提供主电池系统，所述主电池系统也称作为牵引用电池系统，所述牵引用电池系统储存电能，所述电能设置用于驱动电动发动机，所述电动发动机用于真正地驱动机动车以使其向前运动。经由牵引用电池系统馈电的电动发动机，能够在混合驱动器的情况下或者作为辅助发动机或第二发动机与内燃机共同设置，但是或者机动车能够在纯电动驱动器的情况下仅经由一个或多个电动发动机驱动。
电池系统，尤其牵引用电池系统典型地包括壳体，在所述壳体中容纳有多个电池单池。电池单池经由容纳在壳体中的、用于固定和接触的系统部件来固定和接触。
系统部件例如包括固定部件，所述固定部件例如构成为固定框架，借助于所述固定框架将电池单池组装成电池模块。固定部件还能够用于：将电池模块固定在壳体中。
系统部件例如还包括接触部件，电池模块的电池单池或电池模块彼此间借助所述接触部件电接触，以便以这种方式将容纳在壳体中的电池单池共同连接成牵引用电池系统，使得所述牵引用电池系统提供期望的电压和期望的容量。
作为电池单池，在牵引用电池中例如使用锂离子电池单池，所述锂离子电池单池由于其功率输出、容量和充电能力是优选的。锂离子电池单池也具有仅小的记忆效应。
电池单池和尤其锂离子电池单池具有优选的温度范围，在该温度范围内所述电池单池能够尽可能好地吸收和发出功率。因此，在温度低的情况下例如在电池单池中的化学过程减慢并且在锂离子电池单池中使用的电解质的粘度强烈地增加，使得在冷的情况下电池单池的内电阻提高，进而可用的或可提取的功率降低。在温度非常低的情况下，电解质甚至可能冻结进而使功率输出和功率吸收变得不可行。
此外，通过在温度非常低的情况下对锂离子电池单池充电会出现在电池单池中的强烈的老化过程，所述老化过程可能伴随着不可逆的容量损耗。因此，对于多个锂离子电池单池对相应的充电循环设有0℃的最低温度。
同样，过高的温度对于锂离子电池单池是有害的并且过高的运行温度能够在电池单池中造成电解质分解并且例如层沉积在阳极上，所述阳极强烈地提高单池内电阻。因此，设有大约60℃的在锂离子电池单池的充电和放电过程中的最大温度。
相应地已知对电池系统调温的设备，所述设备尝试将电池系统的和尤其电池单池的运行保持在规定的温度范围内。优选地，对于多个电池单池而言温度保持在18℃和25℃之间。
因此，例如从DE 10 2015 223 085A1中已知一种陶瓷的冷却和加热体，所述冷却和加热体能够用于对电动车中的功率电子装置和电池单池调温和尤其用于加热和/或冷却。提出的陶瓷的冷却和加热体板状地构成并且与分别要调温的构件接触。
发明内容
基于已知的现有技术，本发明的目的是，提出一种电池系统和一种用于这种电池系统的加热设备，所述电池系统具有更紧凑的结构并且能够实现有效地加热电池单池。
所述目的通过具有权利要求1的特征的电池系统实现。有利的改进方案由从属权利要求、本说明书以及附图中得出。
相应地，提出一种用于机动车的电池系统，所述电池系统包括用于容纳电池单池的壳体、用于保持和接触容纳在壳体中的电池单池的系统部件和用于加热容纳在壳体中的电池单池的加热设备。根据本发明，加热设备材料配合地施加在系统部件上和/或施加在壳体和/或电池单池上。
加热设备优选构成为电的加热设备。
由于加热设备材料配合地施加在系统部件上和/或施加在壳体和/或电池单池上而可行的是：加热设备灵活地匹配到电池系统中。
通过将加热设备材料配合地施加在电池系统的系统部件上能够建立在加热设备和系统部件之间的非常好的热传导并且能够实现到系统部件的有效的且直接的热传递。因此，能够进行相应的系统部件的快速加热，所述快速加热存在小的热量损耗。
此外，通过材料配合地施加加热设备引起在加热设备和要加热的系统部件之间的小的温度差。由此也能够简化加热设备的控制或调节，并且系统部件的加热的惯性尤其在其调节时小于在如下系统中的情况，所述系统仅建立在调温元件和相应的系统部件之间的接触。
此外，所提出形式的加热设备的空间要求小，并且加热设备能够直接施加到已经在结构方面设计的系统部件上。
优选地，加热设备层状地构成。特别优选地，加热设备具有0.05mm至1mm的层厚度，使得加热设备的空间要求特别小的。此外，加热特性的和热损耗的惯性在将薄层作为加热设备时是小的。由于系统的惯性小，能够实现快速地加热电池单池，使得电池系统的电池单池也可快速地置于如下状态，在该状态中所述电池单池最佳地准备功率输出或准备功率吸收。此外，以这种方式也可优化电池系统的使用寿命，因为由于电池系统在过低的运行温度下的运行可以减少或避免老化过程。
在一个优选的构成方案中，加热设备具有用于电绝缘的绝缘层和容纳在绝缘层中的欧姆电阻加热装置。加热设备的绝缘层是如下层，该层提供电绝缘，以便相应地能够实现将欧姆电阻加热装置简单地嵌入在绝缘层中。
特别优选地，绝缘层具有导热的且电绝缘的材料。
例如，绝缘层能够由陶瓷材料构成，所述陶瓷材料作为薄层施加在相应的系统部件上，所述薄层例如具有0.05mm至1mm的层厚度。相应的欧姆电阻加热元件能够完全电绝缘地容纳在所述绝缘层中，或者部分地或完全地设置在绝缘层上。
加热设备例如能够具有如下结构，其中首先将增附剂施加到真正的承载件上——即例如施加到系统部件上和/或壳体和/或电池单池上——。增附剂例如能够是包括镍铬(NiCr)的层，所述层施加到承载件上。增附剂用于，实现或辅助将加热设备材料配合地施加在承载件上并且相应地提供加热设备与承载件的材料配合的连接。增附剂或用作为增附剂的层能够视作为加热设备的一部分。
在一个有利的结构中，在增附剂上施加电绝缘层——例如由氧化铝(Al2O3)构成的电绝缘层——。电绝缘层用于：承载件——即例如系统部件和/或壳体和/或电池单池——在加热设备运行时不受热流或热应力损害。例如，应当至少关于施加的热应力或流过的热流，将承载件保持为是无应力的或无流的。
电阻加热元件，例如由镍铬(NiCr)构成的电阻加热元件例如能够施加到电绝缘层上。电阻加热元件能够在如下几何构成方案中提供：在电流流过电阻加热元件时一方面提供期望的电阻并且另一方面将产生的热量以期望的几何形状分布通过加热设备输出。
电阻加热元件能够相应地在加热设备的几何延伸之上——尤其在通过承载件的表面构成的平面中，其中加热设备材料配合地施加在表面上——构成，使得在运行时产生预设的热量分布。例如，电阻加热元件能够蜿蜒形地、条形地、扇形地设有唯一的或多个、优选平行的带/条和/或以其他几何形式或以这些形式的组合，以便相应地在加热设备运行时实现所设的热分布。
电阻加热元件例如能够嵌入电绝缘层中，施加在所述电绝缘层上或部分地嵌入所述电绝缘层中。
电阻加热元件也能够用另外的陶瓷层覆盖，以便相应地提供向外的电绝缘和机械保护层。
在所述陶瓷层上也能够施加覆盖电极——所述覆盖电极例如呈镍铬(NiCr)的形式，以便以这种方式实现电阻加热元件的接触，其中到外部的供电装置的接触例如能够经由电接触部位实现——所述电接触部位例如由铜(Cu)构成——。
代替层状的电阻加热元件也能够使用电阻丝或其他导电部件，即例如薄膜或棒作为电阻加热元件。
因此也可行的是：加热设备直接施加到电池系统的不弯曲的表面以及弯曲的表面上。
因为加热系统优选经由电阻加热装置加热，所以能够整体上提高运行安全性，因为泄漏、如在基于流体的调温系统中会出现的泄漏，不会在所述加热系统中出现。
在一个构成方案中，系统部件包括用于将电池单池固定在壳体中的固定部件，其中固定部件优选以固定框架和/或固定支柱和/固定罩和/或模块壳体和/或系统壳体的形式存在。在另一优选的构成方案中，系统部件包括用于电池单池的电接触的接触部件，所述电池单池优选以接触板和/或汇流排的形式存在。
附图说明
本发明的优选的其他实施方式通过附图的下述描述来详细阐述。在此示出：
图1示出贯穿用于机动车的电池系统的示意剖面图；
图2示出电池系统的示意的部分剖视图；
图3示出电池系统的模块的示意的剖视图；以及
图4示出承载件连同施加的加热设备的示意俯视图。
具体实施方式
下面根据附图描述优选的实施例。在此，相同的、类似的或起相同作用的元件在不同附图中设有相同的附图标记，并且部分地不重复对这些元件进行描述，以避免冗繁。
在图1中示意地示出用于机动车的电池系统1，所述电池系统包括壳体2、电池模块3以及分别容纳在电池模块3中的电池单池4。
在示出的实施例中，电池系统1构成为用于机动车的牵引用电池进而设置用于：提供设置用于驱动机动车的电动发动机的电能。
在电池模块3中，在示出的实施例中分别设有四个单独的电池单池4，所述电池单池借助于固定部件30机械地连接成相应的电池模块3。固定部件30例如能够以固定框架、固定支柱、固定罩或模块壳体的形式设置。
在电池模块3中，电池单池4的执行真正储存电能的极借助于接触部件32电接触。接触部件32例如能够以接触板或汇流排的形式构成，借助于所述接触板或汇流排将电池单池4的一些或所有同名极彼此连接。
在电池系统1中能够将多个电池模块3经由另外的接触部件32电地彼此连接，以便提供用于电池系统1的电功率接口，所述电功率接口于是最后能够与机动车的功率电子装置连接。
电池单池4例如能够是锂离子电池单池，所述锂离子电池单池随后共同地分组成电池模块3。电池模块3随后能够连接在一起，以便提供用于驱动机动车的电池系统1的特定的容量和功率。
在壳体2中在剖视图中容纳有三个电池模块3。
电池模块3能够或者以各一个模块壳体的形式设置，但是也能够通过开放的框架结构构成，使得相应地各个电池单池4与环境处于空气交换中，所述电池单池容纳在电池模块3中并且保持在所述电池模块中。
在图1中，在壳体2的底部区域中设有呈空调板5形式的另外的系统部件，借助于空调板能够对壳体2的内部空间调温。空调板5能够具有冷却设备，其例如呈在此未示出的介质冷却装置的形式。
空调板5具有加热设备6，所述加热设备材料配合地施加在空调板5上。加热设备6在局部放大图中再次示意地示出。
加热设备6具有绝缘层60，所述绝缘层由陶瓷材料制造，所述绝缘层材料配合地施加到空调板5上。绝缘层60以0.05mm至1mm的层厚度构成。
在绝缘层60中引入呈电阻加热元件62形式的欧姆电阻加热装置。电阻加热元件62在绝缘层60中优选蜿蜒形地或以其他几何结构引入，所述欧姆电阻加热装置在使用加热设备6时将空调板5在期望的部位处加热或整面地加热。
电阻加热元件62的几何结构相应地能够实现：将热能在期望的部位处输送给空调板5，使得能够实现电池单池4的调温。
电阻加热元件62在此以完全嵌入在绝缘层60中的方式存在，使得仅电阻加热元件62的电接口从绝缘层60中伸出，电阻加热元件62能够经由所述电接口连接到相应的外部的或内部的、在此未示出的电流源上。
电阻加热元件62能够以加热丝的形式或以用于欧姆电阻加热的其他结构的形式构成，即例如电阻膜或电阻棒或其他导电的、然而具有电阻的结构、即如例如导电的、然而具有欧姆电阻的层。
加热设备6材料配合地直接施加在空调板5上，例如直接生长在空调板5上，其中加热设备6非常薄地构成。例如，加热设备6能够具有0.05mm至1mm的层厚度。
因此，从加热设备6到空调板5的非常直接的热传递是可行的，并且在加热设备6和空调板5之间的温度差非常小，使得对于温度调节而言能够基于：空调板5基本上具有与加热设备6相同的温度。换言之，通过加热设备6的体积带来的惯性原则上是可忽略的。
绝缘层60例如以陶瓷材料的形式构成，所述陶瓷材料能够直接材料配合地施加到电池系统1的相应的系统部件、壳体2或电池单池4上。在绝缘层和相应的承载件，即系统部件、电池或壳体之间，能够设置构成为增附剂的层。所述层随后被视为加热设备的一部分。
在此，加热设备6能够以相应的电阻加热元件62的形式装入绝缘层60中或施加到所述绝缘层中或施加到所述绝缘层上，使得其上施加绝缘层60系统部件还有离开用绝缘层60覆层的系统部件指向的外侧都没有显示出电阻加热元件62的自由的部分。相应地，能够实现电阻加热元件62的以及用绝缘层60覆层的系统部件的良好的电绝缘。
另一加热设备6在图1中示例性地安置在固定部件30处的电池模块3中，使得在电池模块3中的电池单池4能够借助于加热设备6加热，其中所述固定部件呈电池模块3的壳体的形式。加热设备6的绝缘层60再次材料配合地施加在固定部件30上，使得加热设备6相应地与固定部件30材料配合地设置。
加热设备6也能够直接材料配合地施加到电池单池4上，使得能够实现电池单池4的直接加热。
在图2中示例性地示出电池模块3，所述电池模块容纳在壳体2中并且所述电池模块相应地将电池单池4组合成真正的电池模块3。
电池单池4的同名接触部借助于接触部件32彼此连接，其中接触部件32例如以所谓的汇流排的形式构成。
在接触部件32上同样材料配合地设有加热设备6，所述加热设备具有绝缘层60，所述绝缘层具有嵌入其中的电阻加热元件62。相应地，能够借助于加热设备6加热接触部件32并且以这种方式实现电池单池4的调温。
在图3中示意地示出电池模块3的另一构成方案，其中在此各个电池单池4分别借助于导热型材42保持，并且在导热型材42上分别材料配合地施加有加热设备6。
因此，能够实现各个电池单池4的直接的调温或加热。
经由将加热设备6以所提出材料配合的方式直接施加到电池系统1的系统部件上，能够实现加热设备6的特别紧凑的构成方案，因为所述加热设备能够施加在电池系统1的总归已经设置的系统部件上，所述系统部件设置用于保持电池单池4，用于接触电池单池4，用于将电池单池4组合为电池模块3或用于将电池模块3组合为在壳体2中的整个电池系统1。
此外，对总归设置的空调板5同样能够以简单的方式设有所提出的加热设备6，所述空调板例如设置用于冷却电池系统1，在电阻加热元件62嵌入的同时能够在所述加热设备中进行用绝缘层60来覆层进而也能够实现电池单池4的加热。
通过加热设备6材料配合地与相应的系统部件连接的方式，发生直接的热传递，所述热传递具有小的惯性并且由于绝缘层60的层厚度非常小也提供在加热设备6和本来的系统部件之间的小的温度差。
相应地，能够可靠地且快速地操控加热设备6，以便以这种方式实现电池单池4的可靠的调温。
加热设备6优选由彼此连接的子层构成，所述子层由陶瓷和金属构成，其中陶瓷确保电绝缘并且金属设置为用于加热的欧姆电阻。加热设备6能够根据欧姆电阻加热装置的结构在直至800V的不同的电压范围中运行。
绝缘层60进而加热设备6其厚度能够是可变的并且其厚度优选构成为在0.05mm和1mm之间。加热设备6能够相应地安置到电池系统1的系统部件上的不同的弯曲的和不弯曲的表面上。
加热设备6能够以控制温度的方式设置在电池系统1之内并且提供相应的温度控制，借助于所述温度控制能够可靠地地实现调温。
因此，电池单池4能够加热到指定的温度，以便在外部温度低的情况下实现电池系统1在机动车运行时的可靠的功率输出或实现电池系统1在电池系统1充电时的安全的功率吸收。
另一电的加热设备6以示意俯视图在图4中示出。
根据所述实施方式的加热设备6设计为，用于加热系统部件和/或壳体2和/或电池单池4。示例性地，加热设备6以施加在空调板5上的方式示出，其中空调板5相应地构成承载件。
电的加热设备6在此尤其设计为用于以如下运行电压来运行的高压加热，所述运行电压处于150伏和900伏之间的范围内，尤其在200伏和600伏之间的范围内。然而例如也可行的是，电的加热设备6设计为用于以如下运行电压来运行的低压加热，所述运行电压处于例如12伏和48伏之间的范围内。
电的加热设备6施加在承载件上，其中承载件例如是系统部件的和/或壳体2的和/或电池单池4的表面。在具体示出的实施例中，在承载件上沉积有电绝缘层，所述电绝缘层具有高的导热性。电绝缘层在此例如能够优选尤其由氧化铝形成。例如，电绝缘层能够以热喷涂法沉积在承载件上。尤其在基底例如具有由铝构成的表面的情况下，电绝缘层也能够通过使承载件表面有针对性地氧化来形成。
电绝缘层构成为用于：将承载件相对于下面所描述的电阻加热元件电绝缘，但是在此能够实现到承载件的材料上的良好的热传递。电的加热设备6还具有在承载件(或在承载件上构成的绝缘层上)沉积的电阻加热元件62。电阻加热元件62由金属材料形成并且例如尤其能够具有镍铬合金。电阻加热元件优选能够以热喷涂法沉积。但是替选地例如也可行的是，将电阻加热元件以印刷法或浇注法沉积。
将电阻加热元件62优选结构化为，使得构成至少一个热导体带64，所述热导体带设计用于：当在其相反的端部之间施加电压并且电流流过时释放欧姆热量。
在电加热设备6的边缘区域处设有用于将热导体带64与电功率供应装置连接的接口7a、7b、7c。在具体示出的实施方式中，总共三个这种接口7a、7b、7c彼此电绝缘地、并排地设置在承载件5的边缘上。在此，在具体的实施方式中，中间的接口7a设计用于电接触两个热导体带64。在两个另外的接口7b、7c上例如同样能够施加相同的电势，以便设定与共同的接口7a的期望的电势差。因为这两个热导体带64彼此对称地构成，所以下面仅对两个热导体带64之一进行更准确地描述。
将热导体带64结构化为，使得其以双线图案在承载件上延伸。将热导体带64结构化为，使得其具有多个彼此并排地在承载件上构成的带部段，所述带部段由绝缘中断部66彼此分开进而相对于彼此电绝缘。例如，绝缘中断部66优选能够通过如下方式构成：即电阻加热元件62首先面地沉积在承载件上并且接着在绝缘中断部66的区域中有针对性地剥离电阻加热元件62的材料，尤其例如通过激光加工剥离。在图4的上部区域中，在热导体带64中的相应的电流流动方向示意地通过箭头示出，以便使热导体带64更清楚。
如在图4中示意地示出，在相应的带部段之间构成的绝缘中断部66在其纵向延伸上具有至少基本上保持不变的宽度。以这种方式实现：热导体带64的带部段大面积地覆盖承载件的表面，使得所提供的面尽可能最优地用于构成提供加热功率的带部段。
只要可应用，在实施例中示出的所有单个特征能够彼此组合和/或交换，而不脱离本发明的保护范围。
附图标记列表
1 电池系统
2 壳体
3 电池模块
30 固定部件
32 接触部件
4 电池单池
42 保持型材
5 空调板
6 加热设备
60 绝缘层
62 电阻加热元件
64 热导体带
66 绝缘中断部
7a 接口
7b 接口
7c 接口
Claims (9)
1.一种用于机动车的电池系统(1)，所述电池系统包括用于容纳电池单池(4)的壳体(2)，包括用于保持和接触容纳在所述壳体(2)中的电池单池(2)的系统部件并且包括用于加热容纳在所述壳体(2)中的电池单池(4)的加热设备(6)，
其特征在于，
所述加热设备(6)材料配合地施加在所述系统部件上和/或施加在所述壳体(2)和/或电池单池(4)上。
2.根据权利要求1所述的电池系统(1)，其特征在于，所述加热设备(6)层状地构成。
3.根据权利要求1或2所述的电池系统(1)，其特征在于，所述加热设备(6)具有用于电绝缘的绝缘层(60)和存在于所述绝缘层(60)中和/或所述绝缘层(60)上的电阻加热元件(62)，其中所述电阻加热元件(62)优选具有由镍铬(NiCr)构成的电阻加热元件。
4.根据权利要求3所述的电池系统(1)，其特征在于，所述绝缘层(60)具有如下材料，所述材料是导热的和电绝缘的，优选具有陶瓷材料，尤其优选氧化铝(Al2O3)。
5.根据权利要求3或4所述的电池系统(1)，其特征在于，在所述绝缘层(60)与所述系统部件和/或所述壳体(2)和/或所述电池单池(4)之间设有增附剂，其中所述增附剂优选包括镍铬(NiCr)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电池系统(1)，其特征在于，所述加热设备(6)具有0.05mm至1mm的层厚度。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电池系统(1)，其特征在于，所述系统部件包括用于将所述电池单池(4)固定在所述壳体(2)中的固定部件，其中所述固定部件优选以固定框架和/或固定支柱和/或固定罩和/或模块壳体和/或系统壳体的方式设置。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电池系统(1)，其特征在于，所述系统部件包括用于电接触所述电池单池(4)的接触部件，其中所述接触部件优选以接触板和/或汇流排的形式设置。
9.根据上述权利要求中任一项所述的电池系统(1)，其特征在于，将一个电池单池(4)容纳在所述壳体(2)中并且所述加热设备(6)材料配合地施加到所述电池单池(4)上。
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