DE102008005891A1 - Energy storage e.g. lithium ion battery, for use in hybrid vehicle, has heating elements i.e. laminar element, arranged on electrical positive poles and electrically insulated with respect to electrical poles - Google Patents

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Abstract

The storage i.e. battery (1), has heating elements (4a-4c) i.e. laminar element, arranged on electrical positive poles (3a-3c), where the heating elements are electrically insulated with respect to the electrical poles. The heating elements cover 50 percentage of the electrical poles. A switching device (8) automatically selects an external energy source or the storage as an energy supply for the heating elements. A heating- and discharge controller (9) controls an automatic heating process, with which the heating elements are supplied with an electrical power fro the storage. An independent claim is also included for a method for heating energy storage.

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to an energy store according to the preamble of the claim 1.

Bekannte Fahrzeugbatterien, z. B. NiMH-Batterien oder LiIonen-Batterien bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen, die jeweils eine Teilspannung von wenigen Volt, z. B. 2 V, erzeugen. Die Anzahl der Zellen bestimmt dabei die Nennspannung der Batterie, die z. B. 12 V oder 42 V, bei Hybrid-Fahrzeugen auch 500 V betragen kann.Known Vehicle batteries, z. B. NiMH batteries or LiIonen batteries exist consisting of several series-connected single cells, each one Partial voltage of a few volts, z. B. 2 V generate. The number of Cells determines the rated voltage of the battery, the z. B. 12 V or 42 V, for hybrid vehicles can also be 500V.

NiMH- und LiIonen-Batterien arbeiten typischerweise nur bei Temperaturen von mehr als –20°C. Unterhalb dieser Temperatur ist der Innenwiderstand der Batterie so groß, dass kein oder nur ein schwacher Batteriestrom möglich ist.NiMH and Li ion batteries typically only operate at temperatures of more than -20 ° C. Below At this temperature, the internal resistance of the battery is so great that no or only a weak battery power is possible.

Um den Einsatzbereich der Batterien auf Temperaturen von bis zu –55°C zu erweitern, werden bekannte Batterien von außen durch eine externe Wärmequelle geheizt. Aufgrund des relativ hohen Wärmewiderstandes der Batterie dauert das Aufheizen jedoch sehr lange, in der Regel etwa 10 min bis 20 min. Diese Zeitdauer ist im Falle von Fahrzeugen nicht akzeptabel.Around extend the range of application of the batteries to temperatures of up to -55 ° C, Be known batteries from the outside by an external heat source heated. Due to the relatively high thermal resistance of the battery However, the heating takes a long time, usually about 10 min up to 20 min. This period of time is unacceptable in the case of vehicles.

Das Problem der mangelnden Verfügbarkeit bei niedrigen Temperaturen besteht auch bei anderen Energiespeichern, wie z. B. Kondensatoren.The Problem of lack of availability Low temperatures also exist with other energy storage systems, such as B. capacitors.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Energiespeicher mit einer Heizvorrichtung zu schaffen, der wesentlich schneller aufgeheizt werden kann. Darüber hinaus soll ein Verfahren zum Aufheizen eines Energiespeichers entwickelt werden, das wesentlich schneller und effektiver ist.It is thus the object of the present invention, an energy storage with a heater to create that much faster can be heated. About that In addition, a method for heating an energy store is being developed which is much faster and more effective.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1, sowie im Anspruch 6 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.Is solved this task according to the invention by the features specified in claim 1, as well as in claim 6. Further embodiments of the invention are the subject of dependent claims.

Bezüglich des konstruktiven Aufbaus des Energiespeichers besteht ein wesentlicher Aspekt der Erfindung darin, den Energiespeicher bzw. wenigstens eine Zelle des Energiespeichers mit einem Heizelement zu versehen, das direkt auf einem Pol angeordnet ist. Wenn die Heizelemente so ausgelegt sind, dass zwischen Pol und Heizelement ein großflächiger thermischer Kontakt besteht, kann der Energiespeicher sehr schnell aufgeheizt werden.Regarding the constructive structure of the energy storage is an essential Aspect of the invention therein, the energy storage or at least to provide a cell of the energy store with a heating element, which is arranged directly on a pole. If the heating elements like that are designed that between pole and heating element, a large-scale thermal Contact, the energy storage can be heated up very quickly become.

Die einzelnen Heizelemente sind gegenüber ihrem jeweiligen Pol vorzugsweise elektrisch isoliert. Hierzu ist vorzugsweise eine sehr dünne, thermisch gut leitfähige Isolationsschicht zwischen Heizelement und Pol vorgesehen.The individual heating elements are preferably opposite to their respective pole electrically isolated. For this purpose, preferably a very thin, thermally good conductive Insulating layer between heating element and pole provided.

Bei den Heizelementen handelt es sich vorzugsweise um großflächige Elemente, die wenigstens 50% der Fläche des Pols bedecken.at the heating elements are preferably large-area elements, the at least 50% of the area of the pole.

Um einen (beliebigen) Energiespeicher mit Heizvorrichtung möglichst effektiv aufzuheizen wird folgendes Verfahren vorgeschlagen: Gemäß der Erfindung wird die Heizvorrichtung bei sehr niedrigen Temperaturen zunächst von einer externen Energiequelle mit elektrischer Leistung versorgt. Der Energiespeicher wird dadurch geringfügig erwärmt. Sobald der Energiespeicher genügend Leistung bereitstellen kann, um sich selbst weiter aufzuheizen, wird die Energieversorgung von der externen Quelle auf den Energiespeicher umgeschaltet. Dadurch findet eine Selbsterwärmung statt, bei der sich der Energiespeicher aufgrund seines ohmschen Innenwiderstandes (Verlustleistung) selbst aufheizt. Gleichzeitig wird der Energiespeicher noch durch die Heizvorrichtung aufgeheizt. Der Aufheizvorgang vollzieht sich daher sehr rasch.Around a (arbitrary) energy storage with heater as possible To effectively heat the following method is proposed: According to the invention The heater is initially used at very low temperatures powered by an external power source with electrical power. The energy storage is thereby heated slightly. Once the energy store enough Can provide power to further fuel itself, the energy supply from the external source to the energy storage switched. As a result, a self-heating takes place, in which the Energy storage due to its ohmic internal resistance (power dissipation) itself heats up. At the same time the energy storage is still through heated the heater. The heating process takes place therefore very fast.

Zum Umschalten der Versorgung zwischen der externen Energiequelle und dem Energiespeicher ist vorzugsweise eine entsprechende externe Beschaltung mit einer Schalteinrichtung vorgesehen.To the Switching the supply between the external power source and the energy store is preferably a corresponding external circuit provided with a switching device.

Der Prozess der Selbsterwärmung wird vorzugsweise durch eine Heiz- und Entladesteuerung oder -Regelung kontrolliert.Of the Process of self-heating is preferably by a heating and discharging control or regulation controlled.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be exemplified below with reference to the accompanying drawings explained in more detail. It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung einer Batterie mit externer Beschaltung; 1 a schematic representation of a battery with external circuitry;

2a, 2b verschiedene Ansichten eines Batteriepols mit aufgebrachtem Heizelement; und 2a . 2 B different views of a battery with applied heating element; and

3 den zeitlichen Verlauf von Strom und Temperatur der Batterie. 3 the time course of current and temperature of the battery.

1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Batterie, wie z. B. einer NiMH- oder LiIonen-Batterie 1, mit mehreren Zellen 2a–2c. Die einzelnen Zellen 2a–2c sind dabei mittels eines elektrischen Leiters 5 seriell verbunden. 1 shows a schematic side view of a battery, such. B. a NiMH or LiIonen battery 1 , with several cells 2a - 2c , The individual cells 2a - 2c are here by means of an electrical conductor 5 connected serially.

Jede der Zellen 2a–2c umfasst einen Plus- und einen Minuspol 3 bzw. 10. Auf den Pluspolen 3a–3c ist jeweils ein Heizelement 4a–4c angeordnet, das dazu dient, die zugehörige Zelle 2a–2c bei sehr niedrigen Außentemperaturen von insbesondere weniger als –20°C aufzuheizen. Wahlweise könnten die Heizelemente 4 auch auf beiden Polen 3, 10 der Zellen 2 angeordnet sein.Each of the cells 2a - 2c includes a plus and a minus pole 3 respectively. 10 , On the plus poles 3a - 3c each is a heating element 4a - 4c arranged, which serves the associated cell 2a - 2c to heat up at very low outdoor temperatures, in particular less than -20 ° C. Optionally, the heating elements could 4 also on both poles 3 . 10 the cells 2 be arranged.

2a zeigt eine Aufsicht auf einen Pol 3 mit aufgebrachtem Heizelement 4 und elektrischem Leiter 5. Wie zu erkennen ist, ist das Heizelement 4 ein großflächiges Element, das nahezu die gesamte Oberfläche des Pols 3 bedeckt, mit Ausnahme eines kleineren ausgesparten Bereichs für den elektrischen Leiter 5. Der Pol 3 der Zelle 2 ist hier rund ausgebildet und nimmt beinahe den gesamten Querschnitt der Zelle 2 ein. 2a shows a view of a pole 3 with applied heating element 4 and electrical conductor 5 , As can be seen, the heating element is 4 a large-scale element that covers almost the entire surface of the pole 3 covered, except for a smaller recessed area for the electrical conductor 5 , The pole 3 the cell 2 is here formed around and takes almost the entire cross-section of the cell 2 one.

2b zeigt einen Querschnitt durch den Pol von 2a. Wie zu erkennen ist, ist zwischen dem Heizelement 4 und dem Pol 3 eine Isolationsschicht 7 vorgesehen, die das Heizelement 4 vom Pol 3 elektrisch isoliert, aber eine sehr gute thermische Leitfähigkeit aufweist. 2 B shows a cross section through the pole of 2a , As can be seen, is between the heating element 4 and the pole 3 an insulation layer 7 provided that the heating element 4 from the pole 3 electrically isolated, but has a very good thermal conductivity.

Der elektrische Leiter 5 hat im Kontaktbereich 6 mit dem Pol 3 einen konvexen Vorsprung. Der Kontaktbereich 6 ist so ausgebildet, dass er den Pol 3 nur mit kleiner Fläche, nahezu punktförmig, kontaktiert. Dadurch wird erreicht, dass die vom Heizelement 4 erzeugte Wärmeenergie hauptsächlich in das Innere der Batteriezelle 2 geleitet und nicht über den elektrischen Leiter 5 abgeführt wird. Der Kontaktquerschnitt ist andererseits wenigstens so groß gewählt, dass ein ausreichend großer elektrischer Strom fließen kann.The electrical conductor 5 has in the contact area 6 with the pole 3 a convex projection. The contact area 6 is designed to hold the pole 3 only with small area, almost punctiform, contacted. This will ensure that the heating element 4 generated heat energy mainly in the interior of the battery cell 2 guided and not over the electrical conductor 5 is dissipated. On the other hand, the contact cross section is at least chosen so large that a sufficiently large electrical current can flow.

Die einzelnen Heizelemente 4a–4c in 1 sind über einen separaten Stromkreis 11 miteinander verbunden.The individual heating elements 4a - 4c in 1 are via a separate circuit 11 connected with each other.

Die in 1 dargestellte Batterie 1 wird vorzugsweise in einem zweistufigen Verfahren betrieben, bei dem die Heizelemente 4a–4c zunächst über einen Versorgungsanschluss 12 von einer externen Energiequelle (nicht gezeigt) versorgt und in einer zweiten Phase aus der Batterie 1 selbst mit elektrischer Leistung versorgt werden.In the 1 illustrated battery 1 is preferably operated in a two-stage process in which the heating elements 4a - 4c initially via a supply connection 12 powered by an external power source (not shown) and in a second phase from the battery 1 even be supplied with electrical power.

Zum Umschalten zwischen der externen Energiequelle und der Batterie 1 ist hier eine Schalteinrichtung 8 vorgesehen.To switch between the external power source and the battery 1 here is a switching device 8th intended.

3 zeigt den zeitlichen Verlauf von Batteriestrom und -Temperatur in den einzelnen Phasen des Aufheizvorgangs. In Phase 1 werden die Heizelemente 4a–4c aus der externen Energiequelle (Anschluss 12; 1) versorgt. Die Batterietemperatur T steigt leicht an. Sobald die Batterie 1 selbst einen ausreichend großen Strom für den Betrieb der Heizelemente 4a– 4c bereitstellen kann, schaltet die Schalteinrichtung 8 auf die Batterie 1 um. Das Umschalten kann beispielsweise auch zeitgesteuert erfolgen. Der Batteriestrom I heizt dann in der Phase 2 die Heizelemente 4a–4c und führt außerdem wegen des ohmschen Innenwiderstands zu einer Verlustwärme in den Zellen 2a–2c selbst, die die Batterie 1 weiter aufheizt. Mit zunehmender Temperatur T sinkt der Innenwiderstand der Batterie, so dass der Strom I und die Temperatur T in Phase 3 weiter ansteigen. 3 shows the time course of battery current and temperature in the individual phases of the heating process. In phase 1 become the heating elements 4a - 4c from the external energy source (connection 12 ; 1 ) provided. The battery temperature T rises slightly. Once the battery 1 even a sufficiently large current for the operation of the heating elements 4a - 4c can provide, switches the switching device 8th on the battery 1 around. The switching can also be timed, for example. Battery current I then heats in phase 2 the heating elements 4a - 4c and also leads to loss of heat in the cells due to the ohmic internal resistance 2a - 2c itself, the battery 1 continues to heat up. As the temperature T increases, the internal resistance of the battery decreases, so that the current I and the temperature T are in phase 3 continue to rise.

In Phase 4 wird der Entladestrom I geregelt, so dass eine vorgegebene maximale Stromdichte nicht überschritten wird. Hierzu ist eine Heiz- und Entladesteuerung 9 vorgesehen, die den Stromfluss regelt.In phase 4 the discharge current I is regulated, so that a predetermined maximum current density is not exceeded. This is a heating and discharge control 9 provided that regulates the flow of current.

Der Heizvorgang wird beendet, wenn die Temperatur T einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Zur Messung der Temperatur T kann die Batterie 1 beispielsweise pulsförmig belastet, der Pulsstrom gemessen und daraus der Innenwiderstand der Batterie gemessen werden. Aus dem Innenwiderstand kann wiederum die Batterietemperatur T ermittelt werden.The heating process is terminated when the temperature T has reached a predetermined value. To measure the temperature T, the battery can 1 For example, pulsed loaded, the pulse current measured and used to measure the internal resistance of the battery. From the internal resistance, in turn, the battery temperature T can be determined.

Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Anordnung kann die Gesamtdauer des Aufheizvorgangs auf weniger als 2 Minuten verkürzt werden.With Help of the arrangement described above, the total duration of the heating process can be shortened to less than 2 minutes.

11
Batteriebattery
22
Zellencell
33
PolePole
44
Heizelementeheating elements
55
Leiterladder
66
Kontaktbereichcontact area
77
Isolationsschichtinsulation layer
88th
Schalteinrichtungswitching device
99
Heiz- und Entladesteuerungheating and unloading control
1010
PolePole
1111
Leiterladder
1212
Anschluss für externe Energieconnection for external energy
TT
Temperaturtemperature
II
Stromelectricity

Claims (7)

Energiespeicher (1) mit wenigstens einem elektrischen Pol (3), dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Pol (3) ein Heizelement (4) angeordnet ist.Energy storage ( 1 ) with at least one electrical pole ( 3 ), characterized in that on the pole ( 3 ) a heating element ( 4 ) is arranged. Energiespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) gegenüber dem Pol (3) elektrisch isoliert ist.Energy storage ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the heating element ( 4 ) opposite the pole ( 3 ) is electrically isolated. Energiespeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) ein flächiges Element ist und wenigstens 50% der Fläche des Pols (3) bedeckt.Energy storage ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the heating element ( 4 ) is a planar element and at least 50% of the area of the pole ( 3 ) covered. Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (8) zum Auswählen einer externen Energiequelle oder des Energiespeichers (1) selbst als Energieversorgung für die Heizelemente (3).Energy storage ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized by a switching device ( 8th ) for selecting an external energy source or the energy storage device ( 1 ) itself as a power supply for the heating elements ( 3 ). Energiespeicher (1) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Heiz- und Entladesteuerung oder -Regelung (9), die den Selbsterwärmungsvorgang, bei dem die Heizelemente (3) vom Energiespeicher (1) selbst mit elektrischer Leistung versorgt werden, steuert bzw. regelt.Energy storage ( 1 ) according to claim 4, gekenn characterized by a heating and discharging control or regulation ( 9 ), the self-heating process in which the heating elements ( 3 ) from the energy store ( 1 ) are supplied with electrical power, controls or regulates. Verfahren zum Aufheizen eines Energiespeichers (1) mit Heizvorrichtung (4) bei niedrigen Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (4) in einer ersten Aufheizphase von einer externen Energiequelle, und in einer zweiten Aufheizphase vom Energiespeicher selbst mit elektrischer Leistung versorgt wird, so dass der Energiespeicher (1) gleichzeitig über die Heizvorrichtung (4) und durch Selbsterwärmung aufgeheizt wird.Method for heating an energy store ( 1 ) with heating device ( 4 ) at low temperatures, characterized in that the heating device ( 4 ) is supplied in a first heating phase of an external power source, and in a second heating phase of the energy storage itself with electrical power, so that the energy storage ( 1 ) simultaneously via the heating device ( 4 ) and is heated by self-heating. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Versorgung der Heizvorrichtung (4) zu einem bestimmten Zeitpunkt von der externen Energiequelle auf den Energiespeicher (1) umgeschaltet wird.Method according to claim 6, characterized in that the electrical supply of the heating device ( 4 ) at a certain time from the external energy source to the energy store ( 1 ) is switched.
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