CN117795809A - 电池加热方法和电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于加热由多个电池单体(2.1‑2.n)构成的电池(1)的方法，其中，在所述电池单体(2.1‑2.n)的极(5,6)之间设置有半导体开关元件((r),(p),(m),(bp),(bm))。本发明的特点是，电池单体(2.1‑2.n)为了加热而通过所述半导体开关元件((r),(p),(m),(bp),(bm))被短路，其中，电池单体(2.1‑2.n)被短路的时间阶段和电池单体(2.1‑2.n)未被短路的时间阶段交替进行。还说明一种用于执行该方法的电池(1)。

Description

电池加热方法和电池
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所详细限定类型的用于加热由各个电池单体构成的电池的方法。本发明还涉及一种设计成牵引电池的设立用于执行该方法的电池。
背景技术
目前，电池越来越多地应用在至少部分电驱动的车辆中。在此，电池大多由多个电池单体——它们例如作为电池单池以锂离子技术来实现——构成。这样的电池需要一定工作温度以便能良好发挥功能。在显著低于工作温度的极低温度的情况下，例如在显著低于冰点的温度的情况下，故需要加热电池单体以保证其整个功能能力。常见的结构在此是使用例如在WO 2019/137670A1中描述的一种电加热。在那里，加热垫被置入各电池单体之间并且电池被电加热。热随后必须经过电池壳体进入电池内部，因而这总体上是一种极其复杂、很费时且能量密集的电池加热途径。
从关于这种电池的其它现有技术中也知道了，电池单体通过相应的开关、尤其是半导体开关相互连接，以便例如提供在以或许不同强度充电或放电的电池单体之间的所谓的电池单体平衡、即电荷平衡。与此相关地，例如可以参照EP2559094B1或就类似主题也参照WO2019/214824A1。
US2007/0160900A1公开一种通用的方法，在此，电池单体通过时间有限的短路被加热。CN112531855A描述一种结构，其也将原则上允许这种做法。
此外，关于其它现有技术，可以参照US201/0380697A1。其中描述了布置在薄箔上的柔性导线元件。
发明内容
本发明的任务是提供一种用于加热由电池单体构成的电池的方法，其相比于使用本身已知的加热垫得到改善。另外，应该提出一种适用于该方法的电池。
就方法而言，该任务通过一种根据本发明的具有权利要求1中的特征的方法来完成。有利的设计和改进方案来自其从属权利要求。在权利要求5中描述一种适于执行该方法的电池。在这里，电池的有利设计和改进方案也来自其从属权利要求。
根据本发明的用于加热由电池单体构成的电池的方法利用布置在各个电池单体的极之间的半导体开关元件，类似于在上述现有技术中的电池单体平衡用结构。在本发明的方法中现在是这样的：电池单体通过半导体开关元件被短路以便加热，其中，电池单体短路的时间阶段和电池单体非短路的时间阶段交替进行。电池单体的短路促成了以来自电池单体本身的电能在电池单体中、确切说在其内电阻上产生热。这具有以下重大优点，即，以尽量小的能量耗用可以准确地在也需要热来加热电池单体之处产生热，即，在电池单体本身内产生热。与“穿过电池单体壳体传导热”、“或许从冷却介质到电池单体传热”等无关地，因此正好在最终需要热之处实现电池单体变热。根据本发明的用于加热电池单体的方法因此极其高效，并且可以尤其在本来就有用于电池单体平衡的半导体开关元件时以尽量低的附加额外支出来简单实现。
在此，本发明规定，电池单体短路的时间阶段最长为100毫秒，其中，电池单体非短路的时间阶段在1至20秒范围内。根据一个有利的改进方案，电池单体非短路的时间阶段尤其最好在5至15秒范围内。
在最长100毫秒的相对短的时间段内就已可以通过使该电池单体短路来产生显著的热量。随后，暂停短路，以便接着重新将电池单体短路。
根据本发明方法的一个极其有利的改进方案，在此还可以规定，电池单体非短路的时间阶段由第一弛豫/放松时间段与紧随其后的第二充电时间段组成，其中，该充电时间段的持续时间比该弛豫时间段长。因此在电池单体非短路的阶段内给电池单体提供弛豫时间段，在弛豫时间段内，电荷又能均匀分布在电池单体中。在电池单体非短路的下一时间段内，电池接着被充电，从而尽管有加热方法，该电池的荷电状态总体上至少未下降，或许甚至还可以通过电池单体的充电被提高。
根据本发明方法的一个很有利的改进方案，在此如此选择所述半导体开关元件，即，它们所具有的内电阻小于其各自所属的电池单体的内电阻，故在电阻处产生的热大部分在电池单体内产生，而不是在半导体开关元件区域中产生。
半导体开关元件本身在此可以通过几乎任何方式来实现，例如晶闸管、IGBT等。尤其是，在此应该采用MOSFET。
本发明的电池现在设计成用于至少部分电驱动的车辆例如混动车或电池电动车的牵引电池。它具有由其电池单体组成的连接结构和设立用于实施上述方法的控制装置。
因此，这种电池可以具备借助于半导体开关例如像MOSFET的、合适的电池单体连接结构，以相应实现该方法。
在此，在本发明电池中，每个电池单体配属有三个半导体开关元件，它们能选择性地或共同地将各自电池单体的极连接至正汇流导线/汇流排、负汇流导线或相邻电池单体的相应的另一极。因此这些电池单体可以具备三个半导体开关元件。其中一个半导体开关元件将相邻电池单体的相应相邻的且极性相反的极相应地连接，以便因此总体上在电池内或电池模块内实现各电池单体的串联。接着，可通过其他的(半导体开关)元件将相应的正极连接至正汇流导线，将各负极连接至负汇流导线。因而总体上例如为了电池单体的充电和放电可将电池单体串联。如果这些半导体开关元件为了串联电池单体而被断开并且所有正极连接至正汇流导线并将所有负极连接至负汇流导线，则电池单体可以分别短路，以实现如上所述的根据本方法的加热。
根据本发明，这些半导体开关元件形成在柔性导体箔上。这种其上布置有半导体开关元件的柔性导体箔是节省空间的结构，其可以相对简单地被集成到电池的总体结构中。
现在，根据本发明电池的另一个很有利的设计还可以规定，在该正汇流导线和负汇流导线中在通向各电池单体的半导体开关元件的连接点之间分别设有另一个半导体开关元件。由此允许例如各电池单体从总电池组件断开，以便例如因此能跨接有缺陷的电池单体。此外，通过这种连接结构以及因此给每个电池单体配属的五个半导体开关元件，也能够相应同时实现在前言所述现有技术中描述的电池单体平衡、即在电池的这些电池单体之间的电荷平衡。
本发明电池的一个极其有利的改进方案现在可以规定，电池单体被设计成棱柱形电池单体，其电极布置在对置侧棱上，其中，相邻的电池单体的电极通过该柔性导体箔连接到半导体开关元件。这种结构特别简单高效并且可以将柔性导体箔一方面用于连接电池单体的极且另一方面将所需开关元件直接集成到该连接中。
尤其在此可以根据本发明电池的一个很有利的改进方案而规定，电池单体与位于其间的柔性导体箔相互堆叠并连接形成一个电池模块或电池，例如在壳体内或在端板之间被夹紧。柔性导体箔接着可以基本上呈Z形在电池表面之间延伸，从而总体上该结构几乎不需要附加结构空间。如果现在在半导体开关元件区域内尤其在用于电池加热的短路期间出现热损失，则这也直接在电池单体区域中出现，确切说不是在其内部，而是在每两个相邻的电池单体之间，从而在此情况下出现的热损失也最终可能有助于电池加热。
附图说明
本发明方法以及根据本发明的用于执行该方法的电池的其它有利设计也来自以下参照图所详细说明的实施例，其中：
图1示出用于执行本发明方法的电池的第一可能实施方式的示意视图；
图2示出在本发明方法中的在一短暂时间段内的电压和电流的图示；
图3以曲线图示出与之相关的加热的示意图；
图4以曲线图示出示例性电池单体在本方法期间内的荷电状态的示意图；
图5示出在多个制造步骤中的电池单体可能结构及其连接的图示；
图6按照与图1的图示相似的方式示出电池的替代实施方式。
具体实施方式
在图1的图示中示意性示出示例性电池1的电连接。电池由多个电池单体2.1-2.n构成，其中，每个电池单体1的相邻且相反的各极可分别通过一个半导体开关例如像MOSFET可切换地连接。这些半导体开关用(r)标示。此外，每个电池单体2.1-2.n的相应正极通过一个带有标记(p)的半导体开关(例如又是MOSFET)连接至正汇流导线3，相应负极通过一个半导体开关(m)连接至负汇流导线4。
为了电池1内的电池单体2.1-2.n的自加热，现在可以使用每个电池单体2.1-2.n的内电阻。为此，所有三种半导体开关元件(r)、(p)、(m)被置于接通状态，由此实现各电池单体2.1-2.n的短路。如果半导体开关元件(r)、(p)、(m)在此被选择成其自身串联电阻小于电池单体2.1-2.n的内电阻，则由短路产生的热基本上只出现在电池单体2.1-2.n的内电阻上，电池单体也直接在需要热的地方被加热。
为了电池1的充电和放电，半导体开关(p)和(m)接着被相应断开，从而通过这些半导体开关(r)仅维持电池单体2.1-2.n的串联。
为了高效且温和地加热该电池1，系统现在在这两个状态之间切换。因此总是针对初始时间阶段产生电池单体2.1-2.n的短路，接着是弛豫时间段。短路时间段在此最好可以位于1毫秒到100毫秒之间，弛豫时间段可以为多秒，如1至5秒，尤其是约为1.5秒。在图2的两个曲线图中，现在示出示例性过程，其中，具有相应小的在例如10Ω数量级内的外电阻的电池单体2.1-2.n被加载达50毫秒。接着进行弛豫约1.5秒，随后是各电池单体2.1-2.n被充电约7秒。这于是导致由图2的曲线图表明的特性。在此，左侧曲线图描述电池单体2.1-2.n关于时间t的电压U，右侧曲线图描述关于时间t的电流I。在此，放电、即最终的短路在曲线图中用实线表示，而充电用虚线表示。比之充电时的电压，电压在短路时略微下降，随后在弛豫阶段近乎下降至零。在弛豫之后，接着如尤其依据右侧所示的电流-时间曲线能清楚看到地以恒定电流强度充电，使得电压相应升高，随后整个过程接着能重新开始。
由此得到的结果是各个相应的电池单体2.1-2.n的加热，如能通过图3中的关于时间t的温度(T)曲线图看到的那样。温度基本上分阶段上升，因为在短路期间总是出现电池单体2.1-2.n的相对强烈的变热，其中，在随后的充电过程期间内温度虽然也上升，但相比于短路时的升温仅以很小程度上升。在所示实施例中，温度从-30℃的开始温度起在约40秒内升高约8K，进一步变热至例如40℃工作温度因此将在在此随时间而出现的平均呈线性的升温情况下需要约250秒的时间。电池1因此可利用该方法在几分钟内从极低温度被加热到适当的工作温度。
电荷特性在此就像从图4的示出关于荷电状态SOC的时间t的曲线图中看到的那样。在短路期间，主要消耗的是表面电荷，因此在这里在表面得到用实线表示的荷电状态特性。在弛豫期间和充电期间内，接着又出现“基本上从电池1的各电极的内部补充提供的且因此又在表面区内可供下一次短路所用”的电荷的平衡。
用于构造性实现电池1(它如尤其在图1中示意性示出的那样)的示例性结构现在依据图5被相应示出。这些图5a-5d在此示出电池单体2.1-2.n堆叠时的不同加工步骤。在图5a的图示中以立体视图示出其中的第一电池单体2.1。电池单体2.1布置在棱柱形壳体内并且在其两个端侧具有呈接线片、即所谓端子接片形式的两个极5、6。接着在图5b的图示中示出柔性导体箔7，其相应连接至端子接片6且包括所述半导体开关元件(p)、(m)、(r)以及或许其它半导体开关元件、导体线路和电子元器件。在此结构上，现在如图5c所示地堆叠其中的第二电池单体2.2，其中，其端子接片5、6相反布置，因此端子接片6向前突出而端子接片5向后突出。柔性导体箔在此被夹入到这两个后侧的在此无法再看到的端子接片6、5之间并且相应地与之接触。在前侧区域中，如在图5c的图示中能看到的那样，柔性导体箔7接着又被翻折且向后引导到现在靠上的电池单体2.2上，随后如在图5d的图示中能看到的那样堆叠另一电池单体2.3，以便在其端子接片5与电池单体2.2的端子接片6之间夹入柔性导体箔7，然后该过程接着又重复，直到通过足够多的电池单体2.1-2.n实现电池的期望尺寸。
在图6的图示中现在示出电池1的一个替代变型实施方式。在这里，也又相应地安装各不同的电池单体2.1-2.n，以及在这里按照与图1的图示相似的方式使用相应的半导体开关。针对每个电池单体2.1-2.n，这些半导体开关由(r)、(p)、(m)来标示。除了用于每个电池单体2.1-2.n的三个半导体开关元件(p)、(r)、(m)之外，还在两个汇流导线3、4的区域中设置有附加的半导体开关元件(bp)和(bm)。半导体开关元件(bp)、(bm)在此布置在相邻电池单体2.1-2.n的相应支路之间，使得所述开关元件(bp)设置在其半导体开关(p)连接至正汇流导线3的点之间。相似结构也在负汇流导线4上实现，故在此所述半导体开关元件(bm)布置在相邻电池单体2.1-2.n的半导体开关元件(m)的相应连接点之间。
除了根据本发明的用于加热电池单体2.1-2.n的方法外，还可以利用所述结构实现电池单体2.1-2.n之间的电荷平衡。这些电池单体2.1-2.n例如在各相应的电池单体有缺陷、具有很低电压、极性转换等时也能够从电池1断开。

Claims (8)

1.一种用于加热由多个电池单体(2.1-2.n)构成的电池(1)的方法，其中，在所述电池单体(2.1-2.n)的极(5,6)之间设置半导体开关元件((r),(p),(m),(bp),(bm))，其中，所述电池单体(2.1-2.n)为了加热而通过所述半导体开关元件((r),(p),(m),(bp),(bm))被短路，其中，电池单体(2.1-2.n)被短路的时间阶段和电池单体(2.1-2.n)未被短路的时间阶段交替地进行，
其特征是，
所述电池单体(2.1-2.n)被短路的时间阶段长达100毫秒，其中，所述电池单体(2.1-2.n)未被短路的时间阶段在1至20秒范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述电池单体(2.1-2.n)未被短路的时间阶段位于5至15秒范围内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述电池单体(2.1-2.n)未被短路的时间阶段由第一弛豫时间段与紧随其后的第二充电时间段组成，其中，该充电时间段的持续时间比该弛豫时间段长。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征是，相应的半导体开关元件((r),(p),(m),(bp),(bm))的电阻被选择成其小于配属于相应的半导体开关元件的电池单体(2.1-2.n)的内电阻。
5.一种电池(1)，其作为用于至少部分电驱动的车辆的牵引电池，所述电池具有由其电池单体(2.1-2.n)组成的连接结构和设立用于执行根据权利要求1至4之一所述的方法的控制装置，其中，每个所述电池单体(2.1-2.n)配属有三个半导体开关元件((r),(p),(m))，这些半导体开关元件能选择性地或共同地将极(5,6)连接至正汇流导线(3)、负汇流导线(4)或相邻电池单体(2.1-2.n)的相应另一极(6,5)，
其特征是，
所述半导体开关元件((r),(p),(m),(bp),(bm))形成在柔性导体箔(7)上。
6.根据权利要求5所述的电池(1)，其特征是，在该正汇流导线(3)和该负汇流导线(4)中在通至各电池单体(2.1-2.n)的半导体开关元件((p),(m))的连接点之间分别设有另一个半导体开关元件((bp),(bm))。
7.根据权利要求5或6所述的电池(1)，其特征是，所述电池单体(2.1-2.n)设计成棱柱形电池单体，其电极(5,6)布置在对置的侧棱上，其中，相邻的电池单体(2.1-2.n)的电极(5,6)通过该柔性导体箔(7)连接。
8.根据权利要求7所述的电池(1)，其特征是，所述电池单体(2.1-2.n)与位于其间的柔性导体箔(7)堆叠。
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