DE102010011916A1 - Battery i.e. lithium ion battery, for use in e.g. hybrid vehicle for storing electrical power, has battery modules that are connected in parallel with cooling device, where cooling of modules is influenced by charging state through valves - Google Patents

Battery i.e. lithium ion battery, for use in e.g. hybrid vehicle for storing electrical power, has battery modules that are connected in parallel with cooling device, where cooling of modules is influenced by charging state through valves Download PDF

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Abstract

The battery has two battery modules (1, 2) that are electrically connected in parallel with a cooling device for actively cooling the battery modules. Cooling of the battery modules is influenced by a charging state through valves (6, 7). A cooling medium is divided into different flow rates flowing through the valves. A cooling heat exchanger (5) is formed around a bypass pipe such that the bypass pipe is connected to cooling equipments via second valves. The cooling medium successively flows through the cooling equipments. An independent claim is also included for a method for operating a battery for storing electrical power.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie mit dem Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 8.The invention relates to a battery for storing electrical energy, according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art Furthermore, the invention relates to a method for operating a battery for storing electrical energy with the features in the preamble of claim 8.

In elektrischen Antriebssträngen, und hier insbesondere bei reinen Elektrofahrzeugen, ist die Reichweite des Fahrzeugs im Wesentlichen von der gespeicherten elektrischen Energie abhängig. Auch bei Hybridfahrzeugen trifft dies insoweit zu, als die Reichweite ohne Zuschaltung des Verbrennungsmotors und damit die Reichweite, ohne vor Ort Emissionen zu erzeugen, von der Menge der gespeicherten elektrischen Energie abhängt. Mit der Zielvorgabe, eine möglichst hohe Reichweite zu realisieren, also die Menge an gespeicherter elektrischer Energie zu erhöhen, ist man im Allgemeinen bestrebt, alle möglichen verfügbaren Bauräume mit elektrischen Energiespeichern in Form von Batterien auszurüsten. Um eine möglichst ideale Ausnutzung vorhandener Bauräume zu erreichen und dabei die Kosten für die Batterie möglichst gering zu halten, ist man bestrebt, die Batterie modular aufzubauen.In electric drive trains, and here in particular in pure electric vehicles, the range of the vehicle is essentially dependent on the stored electrical energy. This also applies in the case of hybrid vehicles insofar as the range without connection of the internal combustion engine and thus the range, without producing emissions on site, depends on the amount of stored electrical energy. With the goal to achieve the highest possible range, ie to increase the amount of stored electrical energy, it is generally endeavored to equip all possible available installation spaces with electric energy storage devices in the form of batteries. In order to achieve the best possible utilization of existing space while keeping the cost of the battery as low as possible, it is endeavored to build the battery modular.

Auf der anderen Seite gibt es entsprechende Vorgaben, insbesondere aus der Leistungselektronik, welche eine Erhöhung der Spannung begrenzen. So sind typischerweise 420 V oder 900 V als begrenzende Spannungen bei der Leistungselektronik üblich. Aus diesem Grund müssen die eingesetzten Batteriemodule parallel oder zumindest in Blöcken parallel verschaltet werden, um diese Spannungsgrenze nicht zu überschreiten.On the other hand, there are corresponding specifications, in particular from the power electronics, which limit an increase in the voltage. For example, 420 V or 900 V are typically used as limiting voltages in power electronics. For this reason, the battery modules used must be connected in parallel or at least in blocks in parallel in order not to exceed this voltage limit.

Nun ist es bei parallel geschalteten Batterien so, dass der Strom den Weg des geringsten Widerstandes, also des geringsten Innenwiderstandes, nimmt. Dies kann über die Betriebsdauer der Batterie zu einem starken Auseinanderlaufen der Innenwiderstände und damit der Kapazitäten und der Ladezustände der einzelnen Batterien bzw. Batteriemodule führen. Anders als bei einer seriellen Verschaltung von Batterien oder Batterieeinzelzellen, bei denen der Stromfluss durch jede Zelle gleich ist, kommt es also bei einer parallelen Verschaltung in der Praxis zu unterschiedlichen Stromflüssen in den unterschiedlichen Batteriemodulen. Dies wird zu einer unterschiedlichen Belastung und damit zu einer unterschiedlichen Alterung der Batteriemodule führen. Die unterschiedliche Alterung der einzelnen Batteriemodule, welche parallel zueinander verschaltet sind, führt also zu einer ungleichen Verteilung der Innenwiderstände, der Kapazität und des Ladezustandes in den einzelnen Batteriemodulen. Dadurch kommt es wiederum zu einer ungleichen Verteilung des in den Batteriemodulen fließenden Stroms. Dies führt, zumindest im Fall der Abnahme der Kapazität, zu einem selbstbeschleunigenden Effekt.Now it is with parallel connected batteries so that the current takes the path of the least resistance, ie the lowest internal resistance. This can lead to a strong divergence of the internal resistances and thus the capacity and the charge states of the individual batteries or battery modules over the operating life of the battery. Unlike a serial connection of batteries or individual cells, where the current flow through each cell is the same, it comes in a parallel interconnection in practice to different current flows in the different battery modules. This will lead to a different load and thus to a different aging of the battery modules. The different aging of the individual battery modules, which are connected in parallel with one another, thus leads to an unequal distribution of the internal resistances, the capacitance and the state of charge in the individual battery modules. This in turn leads to an uneven distribution of the current flowing in the battery modules current. This leads to a self-accelerating effect, at least in the case of decreasing the capacity.

Da die Batterien bzw. die Batteriemodule in einem Elektrofahrzeug oder auch in einem Hybridfahrzeug einen nicht unerheblichen Teil der Investition in das Neufahrzeug darstellen, ist außerdem eine möglichst lange Lebensdauer der Batterien bei hoher Ausnutzung der vorhandenen Kapazität anzustreben. Die oben beschriebenen Effekte wirken einer solchen, angestrebten langen Lebensdauer jedoch massiv entgegen.Since the batteries or the battery modules represent an insignificant part of the investment in the new vehicle in an electric vehicle or in a hybrid vehicle, as long as possible life of the batteries with high utilization of the existing capacity is also desirable. The effects described above, however, strongly counteract such a desired long service life.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie anzugeben, welche aus mehreren parallel verschalteten Batteriemodulen besteht, welche die oben genannten Probleme vermeidet und damit eine hohe Lebensdauer der Batterie ermöglicht. Ferner ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren anzugeben, welches den Betrieb einer Batterie aus mehreren parallel verschalteten Batteriemodulen in der Art ermöglicht, dass Alterungseffekte weitgehend ausgeglichen und eine gleichmäßige Belastung der einzelnen Batteriemodule erreicht werden kann.It is therefore an object of the present invention to provide a battery for storing electrical energy, which consists of several parallel-connected battery modules, which avoids the above problems and thus allows a long life of the battery. Furthermore, it is the object of the present invention to provide a corresponding method which allows the operation of a battery of several parallel-connected battery modules in the manner that aging effects largely balanced and uniform loading of the individual battery modules can be achieved.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Batterie ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil von Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus Unteranspruch 9.According to the invention this object is achieved by a battery having the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments of the battery will become apparent from the dependent claims 2 to 7. Further, the object is achieved by a method having the features in the characterizing part of claim 8. Advantageous embodiments of the method emerge from dependent claim 9.

Die erfindungsgemäße Batterie weist Mittel auf, durch welche die Kühlung der Batteriemodule jeweils in Abhängigkeit ihres Ladezustandes beeinflussbar ist. Wie oben bereits erläutert, laufen bei der Parallelverschaltung von Batteriemodulen Ladezustand, Innenwiderstand, Kapazität und Alterung der einzelnen Batteriemodule sehr leicht auseinander. Da derartige Hochleistungsbatterien, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, ohnehin über eine aktive Kühlung, beispielsweise mit einem wässrigen Kühlmittel auf der Basis von Wasser und Frostschutz, oder einer Direktkühlung mit einem Klimamedium einer Klimaanlage, beispielsweise R744 oder R134a, verfügen, können die einzelnen Batteriemodule leicht entsprechend ihrem Ladezustand gekühlt werden. Die erfindungsgemäßen Mittel sorgen dann dafür, dass die Kühlung der einzelnen Batteriemodule jeweils in Abhängigkeit ihres Ladezustandes entsprechend beeinflussbar ist.The battery according to the invention has means by which the cooling of the battery modules can be influenced depending on their state of charge. As already explained above, in the case of the parallel connection of battery modules, the state of charge, internal resistance, capacity and aging of the individual battery modules are very slightly different. Since such high-performance batteries, such as lithium-ion batteries, already have an active cooling, for example with an aqueous coolant based on water and antifreeze, or direct cooling with a climate medium of an air conditioner, such as R744 or R134a, the individual Battery modules are easily cooled according to their state of charge. The means according to the invention then ensure that the cooling of the individual battery modules can be influenced in each case depending on their charge state.

Hierfür kann es beispielsweise vorgesehen sein, durch die erfindungsgemäßen Mittel Kühlmittelströme auf die einzelnen Batteriemodule entsprechend aufzuteilen, oder die Batteriemodule bzw. deren Kühleinrichtungen über entsprechend schaltbare Leitungen so seriell nacheinander zu durchströmen, dass das Batteriemodul, welches am stärksten gekühlt werden soll, zuerst durchströmt wird, während das Batteriemodul, das weniger stark gekühlt werden soll, am Ende durchströmt wird. Außerdem wäre es selbstverständlich denkbar, auch die Vorlauftemperatur der Kühlung entsprechend zu beeinflussen, beispielsweise durch eine Bypassführung um den Kühlkreislauf, sodass jedes der Batteriemodule mit einer individuellen Vorlauftemperatur seines Kühlmediums angeströmt werden kann. Dadurch lässt sich die Kühlleistung der einzelnen Batteriemodule beeinflussen, sodass diese unterschiedlich stark gekühlt werden und sich daher aufgrund ihrer Eigenerwärmung unterschiedlich stark erhitzen. Beim seriellen Durchströmen ist es außerdem denkbar, dass das eine Batteriemodul das andere aktiv über das Kühlmedium aufheizt.For this purpose, it may be provided, for example, by the means according to the invention Distribute coolant flows to the individual battery modules accordingly, or to flow through the battery modules or their cooling devices via appropriately switchable lines serially in succession, that the battery module, which is to be cooled most, is first flowed through, while the battery module, which should be less cooled , flows through at the end. In addition, it would of course be conceivable to influence the flow temperature of the cooling accordingly, for example by a bypass guide to the cooling circuit, so that each of the battery modules can be flowed with an individual flow temperature of its cooling medium. As a result, the cooling capacity of the individual battery modules can be influenced so that they are cooled to different degrees and therefore heat to different degrees due to their self-heating. During the serial flow, it is also conceivable that one battery module actively heats the other via the cooling medium.

Der Ladezustand, welcher auch als SOC (State Of Charge) bezeichnet wird, kann dabei für jedes Batteriemodul in an sich bekannter Art und Weise erfasst werden. Dabei sind verschiedene Arten der Erfassung möglich und denkbar. So könnte beispielsweise eine Erfassung des jeweiligen Ladezustands über die Leerlaufspannung während eines (kurzzeitigen) Leerlaufbetriebs der Zelle erfolgen. Es ist ebenso denkbar, Verfahren wie beispielsweise die Impedanzspektroskopie oder Simulationsmodelle, welche den Ladezustand der Batteriemodule erfassen und kontinuierlich fortschreiben, einzusetzen. Dies liegt jedoch nicht im Kern der Erfindung, sodass hierauf auf das allgemeine Fachwissen verwiesen wird und für den weiteren Verlauf lediglich davon ausgegangen wird, dass der Ladezustand der einzelnen Batteriemodule zur Weiterverarbeitung erfasst worden ist und beispielsweise in einem CAN-Bussystem als Wert zur Verfügung steht.The state of charge, which is also referred to as SOC (State Of Charge), can be detected for each battery module in a manner known per se. Different types of detection are possible and conceivable. Thus, for example, a detection of the respective state of charge via the open-circuit voltage during a (short-term) idling operation of the cell could take place. It is also conceivable to use methods such as, for example, impedance spectroscopy or simulation models, which record and continuously update the state of charge of the battery modules. However, this is not at the heart of the invention, so that reference is made to the general expertise and is only assumed for the rest of the process that the state of charge of the individual battery modules has been detected for further processing and is available as a value in a CAN bus system, for example ,

Der Ladezustand selbst als Maß für die Kühlung des einzelnen Batteriemoduls hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass er gegenüber beispielsweise einer Erfassung des Stroms beziehungsweise des Innenwiderstands eine gewisse Dämpfung aufweist, da diese Werte zwar in den Ladezustand eingehen, diesem aber nicht direkt proportional sind. Außerdem ermöglicht die Ansteuerung der Kühlleistung der einzelnen Batteriemodule anhand des Ladezustands die Möglichkeit, die einzelnen Batteriemodule weitgehend hinsichtlich der in ihnen verfügbaren Kapazität der Ladung auszunutzen. Dies wäre bei einem analog denkbaren Modell, welches auf dem Innenwiderstand beziehungsweise dem Strom basiert, so nicht ohne Weiteres denkbar.The state of charge itself as a measure of the cooling of the individual battery module has the decisive advantage that it has a certain attenuation compared to, for example, a detection of the current or the internal resistance, since these values are indeed in the state of charge, but this is not directly proportional. In addition, the control of the cooling capacity of the individual battery modules on the basis of the state of charge allows the ability to exploit the individual battery modules largely in terms of the available capacity of the charge. This would not be readily conceivable in an analogously conceivable model which is based on the internal resistance or the current.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht entsprechend vor, dass die Kühlung der einzelnen Batteriemodule jeweils in Abhängigkeit ihres Ladezustandes erfolgt. Hierfür gilt im Wesentlichen das, was schon oben, bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Batterie, entsprechend gesagt wurde.The inventive method accordingly provides that the cooling of the individual battery modules takes place in each case depending on their state of charge. This is essentially what has been said above, in the description of the battery according to the invention, accordingly.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens über einen längeren Zeitraum erlaubt dabei eine sehr einfache Regelung durch die gedämpfte Regelgröße des Ladezustands. Außerdem können über einen längeren Betrieb gesehen durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Batterie Kapazitätstoleranzen und Innenwiderstandstoleranzen, welche typischerweise fertigungsbedingt oder durch Alterung zwischen den einzelnen Batteriemodulen auftreten, mit der Zeit ausgeglichen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also über einen längeren Betriebszeitraum hinweg einen Angleich der Kapazitäts- und Innenwiderstandswerte der einzelnen Batteriemodule, dadurch, dass diese während des Betriebs entsprechend ihres jeweiligen Ladezustands gekühlt werden.The application of the method according to the invention over a longer period allows a very simple control by the damped control variable of the state of charge. In addition, seen over a longer period of operation by the application of the method according to the invention for operating the battery, capacity tolerances and internal resistance tolerances, which typically occur due to production or aging between the individual battery modules, can be compensated for over time. The method according to the invention thus makes it possible over a longer period of operation to match the capacitance and internal resistance values of the individual battery modules, in that they are cooled during operation in accordance with their respective state of charge.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen, welche anhand der beigefügten Figuren näher erläutert sind.Further advantageous embodiments of the battery according to the invention and the method according to the invention will become apparent from the embodiments illustrated below, which are explained in more detail with reference to the accompanying figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie; 1 a first embodiment of the battery according to the invention;

2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie; 2 a second embodiment of the battery according to the invention;

3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie; 3 a third embodiment of the battery according to the invention;

4 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie; und 4 a fourth embodiment of the battery according to the invention; and

5 eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie. 5 A fifth embodiment of the battery according to the invention.

In 1 ist nun ein Aufbau der erfindungsgemäßen Batterie dargestellt. Dieser zeigt im Wesentlichen ein erstes Batteriemodul 1 und ein zweites Batteriemodul 2. Diese sind elektrisch parallel geschaltet, was in den Figuren so nicht näher dargestellt ist. Eine solche Parallelschaltung von Batteriemodulen wird jedoch als allgemein bekannt und geläufig vorausgesetzt.In 1 Now, a construction of the battery according to the invention is shown. This essentially shows a first battery module 1 and a second battery module 2 , These are electrically connected in parallel, which is not shown in detail in the figures. However, such a parallel connection of battery modules is assumed to be generally known and well-known.

Die Batteriemodule 1, 2 sollen dabei jeweils als Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet sein. Diese sind über eine hier nicht explizit dargestellte Kühleinrichtung aktiv kühlbar. Auch eine solche Kühleinrichtung ist aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt. Sie kann beispielsweise als Kühlplatte ausgebildet sein, welche auf einer Seite der Batterieeinzelzellen eines solchen Batteriemoduls 1, 2 angeordnet ist. Beispielsweise können die Batterieeinzelzellen als Rahmenflachzellen ausgebildet sein, welche auf einer solchen Kühlplatte angeordnet sind. Über wärmeleitende Elemente, wie beispielsweise metallische Hüllbleche der Rahmenflachzellen, kann die Wärme aus den Batterieeinzelzellen in den Bereich dieser Kühleinrichtung abgeführt werden. Die Batterieeinzelzellen des Batteriemoduls 1, 2 sind dabei seriell verschaltet, sodass durch sie jeweils der gleiche Strom fließt. Beispielhaft soll für den Aufbau einer derartigen Batterie auf die deutsche Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2007 063 179 A1 verwiesen werden.The battery modules 1 . 2 should each be designed as lithium-ion batteries. These are actively coolable via a cooling device not explicitly shown here. Such a cooling device is also known in principle from the prior art known. It may for example be formed as a cooling plate, which on one side of the battery individual cells of such a battery module 1 . 2 is arranged. For example, the battery individual cells may be formed as Rahmenflachzellen, which are arranged on such a cooling plate. By means of heat-conducting elements, such as metallic cover plates of the frame flat cells, the heat can be dissipated from the battery individual cells into the region of this cooling device. The battery cells of the battery module 1 . 2 are connected in series, so that the same current flows through them. By way of example, for the construction of such a battery to the German application with the file number DE 10 2007 063 179 A1 to get expelled.

In den Figuren ist neben den Batteriemodulen 1, 2 außerdem ein Kühlkreislauf 3 zu erkennen, welcher im Wesentlichen aus einer entsprechenden Verrohrung, einer Kühlmittelfördereinrichtung 4 und einem Kühlwärmetauscher 5 zum Abgeben der durch ein Kühlmedium aufgenommenen Energie, beispielsweise an die Umgebung, besteht. Der Kühlkreislauf 3 selbst kann beispielsweise von einem wässrigen Kühlmittel durchströmt werden, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel, wie Diethylenglykol. Daneben wäre auch eine Direktkühlung über ein Klimamedium, wie beispielsweise R744, R134a oder CO2, denkbar. In diesem Fall würde das Klimamedium dann im Bereich der Batteriemodule 1, 2 entsprechend verdampfen. Auch hier ist eine entsprechende Verdichtung und Rückkühlung des Klimamediums notwendig, sodass im Wesentlichen ein vergleichbarer Aufbau des Kühlkreislaufs 3 entstehen würde. In den Ausführungsbeispielen, welche hier dargestellt sind, soll zur Vereinfachung jeweils auf einen Kühlkreislauf mit einem wässrigen Kühlmittel zurückgegriffen werden. Es ist dabei für den Fachmann klar und selbstverständlich, dass die Aufbauten analog auch bei der Verwendung von Klimamedien, welche im Bereich der Batteriemodule 1, 2 verdampfen oder zumindest teilweise verdampfen, analog angewendet werden können.In the figures is next to the battery modules 1 . 2 also a cooling circuit 3 to recognize which essentially from a corresponding piping, a coolant conveyor 4 and a cooling heat exchanger 5 for discharging the absorbed by a cooling medium energy, for example, to the environment exists. The cooling circuit 3 itself can be flowed through, for example, by an aqueous coolant, for example a mixture of water and an antifreeze, such as diethylene glycol. In addition, direct cooling via a climate medium, such as R744, R134a or CO 2 , would be conceivable. In this case, the climate medium would then be in the range of the battery modules 1 . 2 evaporate accordingly. Here, too, a corresponding compression and recooling of the environmental medium is necessary, so that essentially a comparable structure of the cooling circuit 3 would arise. In the exemplary embodiments which are illustrated here, a cooling circuit with an aqueous coolant is to be used in each case for the sake of simplicity. It is clear to the person skilled in the art and understood that the abutments analogously also in the use of climate media, which in the field of battery modules 1 . 2 evaporate or at least partially evaporate, can be applied analogously.

In der Darstellung der 1 sind die beiden Batteriemodule 1, 2 nun parallel in den Kühlkreislauf 3 eingebunden. Jeder der Kühlstränge für die einzelnen Batteriemodule 1, 2 weist dabei eine eigene Ventileinrichtung 6, 7 auf. Diese Ventileinrichtung 6, 7 kann beispielsweise als regelbares Ventil ausgebildet sein, dessen Durchflussmenge kontinuierlich einstellbar ist. Alternativ dazu wäre es auch denkbar, einen Aufbau zu realisieren, bei dem die Ventileinrichtungen 6, 7 als getaktete Ventile ausgebildet sind. In diesem Fall würde sich die Durchflussmenge durch die einzelnen Stränge des Kühlkreislaufs 3 beispielsweise durch eine Batteriemodulation des Pulsweitenverhältnisses der Taktung bei einzelnen Ventileinrichtungen 6, 7 einstellen lassen.In the presentation of the 1 are the two battery modules 1 . 2 now parallel to the cooling circuit 3 involved. Each of the cooling lines for the individual battery modules 1 . 2 has its own valve device 6 . 7 on. This valve device 6 . 7 For example, it can be designed as a controllable valve whose flow rate is continuously adjustable. Alternatively, it would also be conceivable to realize a structure in which the valve devices 6 . 7 are designed as clocked valves. In this case, the flow rate through the individual strands of the cooling circuit would be 3 for example, by a battery modulation of the pulse width ratio of the timing of individual valve devices 6 . 7 can be adjusted.

Damit ist es nun möglich, über die Ventileinrichtungen 6, 7 den Volumenstrom des Kühlmittels für die einzelnen Batteriemodule 1, 2 über die Ventileinrichtungen 6, 7 individuell anzupassen. Daher kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventileinrichtungen 6, 7 eine gezielte Kühlung der einzelnen Batteriemodule 1, 2 unabhängig voneinander erfolgen. Beim erfindungsgemäßen Aufbau wird die Ansteuerung der Ventileinrichtungen 6, 7 nun in Abhängigkeit des Ladezustandes der jeweiligen Batteriemodule 1, 2 gesteuert oder geregelt. Dabei wird dem Batteriemodul 1, 2 mit dem kleineren Ladezustand eine größere Menge an Kühlmittel zugeleitet, sodass eine stärkere Kühlung erfolgt. Dadurch wird erreicht, dass die bekanntermaßen temperaturabhängigen Innenwiderstände Ri der Batteriemodule 1, 2 so angepasst werden, dass sich ein Stromfluss einstellt, welcher eine gleichmäßige Ladung beziehungsweise Entladung der einzelnen Batteriemodule 1, 2 ermöglicht. Dies bedeutet, dass bei unterschiedlichen Kapazitäten der parallelgeschalteten Batteriemodule 1, 2 der Stromfluss aus dem Batteriemodul 1, 2 mit der größeren Kapazität entsprechend größer ist. Bei unterschiedlichen Kapazitäten der Batteriemodule 1, 2 bedeutet dies, dass das Batteriemodul 1, 2 mit der höheren Kapazität demnach durch die stärkere Belastung schneller altert, bis sich die Kapazitäten durch die unterschiedliche Alterung der Batteriemodule 1, 2 aneinander angeglichen haben. Bei gleichen Kapazitäten der parallelgeschalteten Batteriemodule 1, 2 werden durch die erfindungsgemäße Kühlung die inneren Widerstände Ri aneinander angeglichen und es kommt aufgrund der angeglichenen Kapazitäten zu einer gleichmäßigen Belastung der einzelnen Batteriemodule 1, 2. Die einzelnen Batteriemodule 1, 2 altern dann gleichmäßig. Letztlich wird dadurch eine höhere Lebensdauer der gesamten Batterie erzielt.So it is now possible, via the valve devices 6 . 7 the volume flow of the coolant for the individual battery modules 1 . 2 over the valve devices 6 . 7 individually adapt. Therefore, by a corresponding control of the valve devices 6 . 7 a targeted cooling of the individual battery modules 1 . 2 independently of each other. In the construction according to the invention, the control of the valve devices 6 . 7 now depending on the state of charge of the respective battery modules 1 . 2 controlled or regulated. This is the battery module 1 . 2 supplied with the smaller state of charge a larger amount of coolant, so that more cooling takes place. It is thereby achieved that the known temperature-dependent internal resistances R i of the battery modules 1 . 2 be adjusted so that adjusts a current flow, which is a uniform charge or discharge of the individual battery modules 1 . 2 allows. This means that at different capacities of the parallel battery modules 1 . 2 the current flow out of the battery module 1 . 2 correspondingly larger with the larger capacity. With different capacities of the battery modules 1 . 2 this means that the battery module 1 . 2 Thus, with the higher capacity, the higher the load, the faster it ages, until the capacities are due to the different aging of the battery modules 1 . 2 have aligned with each other. For the same capacities of the parallel-connected battery modules 1 . 2 the internal resistances R i are matched to one another by the cooling according to the invention and, due to the equalized capacitances, uniform loading of the individual battery modules is achieved 1 . 2 , The individual battery modules 1 . 2 then age evenly. Ultimately, this results in a longer life of the entire battery.

In 2 ist nun eine alternative Ausführungsform dargestellt. Anstelle der Ventileinrichtungen 6, 7 wird hier ein Proportionalventil 8, als Drei-Wege-Ventil, eingesetzt. Ansonsten ist der Aufbau in der Darstellung der 2 mit dem der 1 identisch. Über das Proportionalventil 8 kann nun ebenfalls der Volumenstrom des Kühlmittels beispielsweise anhand des Verhältnisses der Innenwiderstände Ri der Batteriemodule 1, 2 auf die jeweiligen Batteriemodule 1, 2 aufgeteilt werden. Hierdurch wird wiederum eine gleichmäßigere Belastung bzw. Ladung und Entladung der einzelnen Batteriemodule 1, 2 der Batterie erreicht, sodass die Batterie insgesamt eine höhere Lebensdauer erreicht.In 2 an alternative embodiment is shown. Instead of the valve devices 6 . 7 here becomes a proportional valve 8th , used as a three-way valve. Otherwise, the structure in the representation of 2 with the 1 identical. Via the proportional valve 8th can now also the volume flow of the coolant, for example, based on the ratio of the internal resistance R i of the battery modules 1 . 2 to the respective battery modules 1 . 2 be split. This in turn results in a more uniform load or charge and discharge of the individual battery modules 1 . 2 reaches the battery, so that the battery has a longer life overall.

In der Darstellung der 3 ist nun ein etwas anderer Aufbau des Kühlkreislaufs 3 zu erkennen. Die einzelnen Batteriemodule 1, 2 sind bei der Ausführung gemäß 3 nicht parallel zueinander von dem Kühlmittel durchströmt, sondern sind seriell hintereinander geschaltet und werden von dem Kühlmittel in einer vorgegebenen Reihenfolge durchströmt. Hierfür sind entsprechende Verrohrungen mit mehreren Ventileinrichtungen 9, 10 sowie 11, 12 vorgesehen. Durch diese Ventileinrichtungen 9, 10, 11, 12, welche beispielsweise als Magnetventile ausgebildet sein können, kann die Reihenfolge der Durchströmung der Batteriemodule 1, 2 entsprechend angepasst werden. Ist beispielsweise die Ventileinrichtung 9 geöffnet, während die Ventileinrichtung 10 geschlossen ist, so kommt es bei gleichzeitiger geöffneter Ventileinrichtung 11 und geschlossener Ventileinrichtung 12 zu einer Durchströmung der Batteriemodule 1, 2 in der Reihenfolge, dass zuerst das erste Batteriemodul 1 durchströmt wird, während danach das zweite Batteriemodul 2 durchströmt wird. Wird der Zustand aller vier Ventile 9, 10, 11, 12 nun geändert, so strömt das Kühlmittel zuerst über die Ventileinrichtung 10 durch das zweite Batteriemodul 2 und dann durch das erste Batteriemodul 1, und zwar in umgekehrter Reihenfolge und Strömungsrichtung wie zuvor. Erst dann strömt das Kühlmittel über die Ventileinrichtung 12 wieder zurück zur Kühlmittelfördereinrichtung 4. Durch ein Schalten der hier dargestellten Ventileinrichtungen 9, 10 und 11, 12 kann also eine Umkehr der Strömung erreicht werden. Bei diesem Aufbau, welcher in seiner konstruktiven Ausgestaltung rein beispielhaft zu verstehen ist, wird also erreicht, dass die Batteriemodule 1, 2 in einer vorgegebenen Reihenfolge durchströmt werden. Kommt es nun zu einem entsprechenden Auseinanderlaufen der Ladezustände (SOC) der Batteriemodule 1, 2 so kann die Reihenfolge der Durchströmung dem Verhältnis der Ladezustände (SOC) angepasst werden. Insbesondere soll das Batteriemodul 1, 2 mit dem kleinsten Ladezustand (SOC) zuerst durchströmt werden, also vom kälteren Kühlmittel gekühlt werden, als das Batteriemodul 2, 1 mit dem größeren Ladezustand (SOC). Passen sich die Ladezustände aneinander an, oder kehrt sich das Verhältnis der Ladezustände um, so wird auch die Reihenfolge der Durchströmung der einzelnen Batteriemodule 1, 2 angepasst oder umgekehrt.In the presentation of the 3 is now a slightly different structure of the cooling circuit 3 to recognize. The individual battery modules 1 . 2 are in accordance with the execution 3 are not flowed through in parallel to each other by the coolant, but are connected in series one behind the other and are of the coolant in a predetermined order flows through. For this purpose, appropriate piping with multiple valve devices 9 . 10 such as 11 . 12 intended. Through these valve devices 9 . 10 . 11 . 12 , which may be formed, for example, as solenoid valves, the order of flow through the battery modules 1 . 2 be adjusted accordingly. If, for example, the valve device 9 opened while the valve device 10 is closed, it comes with simultaneous open valve device 11 and closed valve means 12 to a flow through the battery modules 1 . 2 in the order that first the first battery module 1 is passed through, while then the second battery module 2 is flowed through. Will the condition of all four valves 9 . 10 . 11 . 12 now changed, the coolant flows first over the valve device 10 through the second battery module 2 and then through the first battery module 1 , in reverse order and flow direction as before. Only then does the coolant flow over the valve device 12 back to the coolant conveyor 4 , By switching the valve devices shown here 9 . 10 and 11 . 12 Thus, a reversal of the flow can be achieved. In this construction, which is purely exemplary in its structural design, it is thus achieved that the battery modules 1 . 2 flows through in a predetermined order. Now comes to a corresponding divergence of the charge states (SOC) of the battery modules 1 . 2 Thus, the order of flow can be adjusted to the ratio of state of charge (SOC). In particular, the battery module 1 . 2 With the smallest state of charge (SOC) flowed through first, so be cooled by the colder coolant than the battery module 2 . 1 with the larger state of charge (SOC). If the state of charge adjusts to one another, or if the ratio of the states of charge reverses, so does the sequence of the flow through the individual battery modules 1 . 2 adapted or vice versa.

Eine weitere Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Aufbaus der Batterie ist in 4 zu erkennen. Auch hier werden die Batteriemodule 1, 2 von dem Kühlmittel seriell durchströmt. Dabei ist um das erste Batteriemodul 1 jedoch eine Bypassleitung 13 mit einer Ventileinrichtung 14 realisiert. Durch diese Bypassleitung 13 kann je nach Öffnung des Ventils 14, welches wiederum als getaktetes Ventil oder als Proportionalventil ausgeführt sein kann, ein entsprechendes Umströmen des Batteriemoduls 1 von dem kalten Kühlmittel erreicht werden. Nach dem Durchströmen des ersten Batteriemoduls 1 wird das durch das Batteriemodul 1 strömende Kühlmittel mit dem durch die Bypassleitung 13 strömenden Kühlmittel wieder vermischt, bevor es das zweite Batteriemodul 2 durchströmt. Dadurch ist die Temperatur des Kühlmittels beim Einströmen in das zweite Batteriemodul 2 bis zu einem gewissen Grad durch das Ventil 14 in der Bypassleitung 13 anpassbar. Ebenso wird durch die Bypassleitung 13 und das Ventil 14 die im Bereich des ersten Batteriemoduls 1 realisierte Kühlleistung angepasst. Alternativ oder ergänzend könnte eine weitere Bypassleitung samt Ventil auch um das zweite Batteriemodul 2 vorgesehen werden, um auch hier die realisierte Kühlleistung anpassen zu können. Auch die Anpassungen in diesem konstruktiven Ausführungsbeispiel sollen wiederum in Abhängigkeit des Ladezustandes der einzelnen Batteriemodule 1, 2 erfolgen. Hierfür kann vorzugsweise ein Kennfeld in einer Steuerungselektronik hinterlegt sein, welche die Anpassung umsetzt. Alternativ dazu wäre auch eine entsprechende Simulationsrechnung denkbar, welche für die Anpassung geeignete Werte liefert.A further embodiment variant of the construction of the battery according to the invention is shown in FIG 4 to recognize. Again, the battery modules 1 . 2 flows through the coolant in series. This is the first battery module 1 however, a bypass line 13 with a valve device 14 realized. Through this bypass line 13 may vary depending on the opening of the valve 14 which in turn may be designed as a clocked valve or as a proportional valve, a corresponding flow around the battery module 1 be reached by the cold coolant. After flowing through the first battery module 1 This will be done by the battery module 1 flowing coolant with the through the bypass line 13 flowing coolant is mixed again before the second battery module 2 flows through. As a result, the temperature of the coolant when flowing into the second battery module 2 to some extent through the valve 14 in the bypass line 13 customizable. Likewise, by the bypass line 13 and the valve 14 in the area of the first battery module 1 adjusted cooling capacity adjusted. Alternatively or additionally, a further bypass line including valve could also be around the second battery module 2 be provided to adjust the realized cooling capacity here too. Also, the adjustments in this constructive embodiment, in turn, depending on the state of charge of the individual battery modules 1 . 2 respectively. For this purpose, a map may be stored in a control electronics, which implements the adaptation. Alternatively, a corresponding simulation calculation would be conceivable which provides suitable values for the adaptation.

In 5 ist nun eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt. Hier ist eine Bypassleitung 15 um den Kühlwärmetauscher 5 realisiert. Diese Bypassleitung 15 teilt sich dann in zwei Stränge 16, 17 auf, welche jeweils über eine Ventileinrichtung 18, 19 verfügen. Der eine Strang 16 läuft mit der Kühlmittelleitung zu dem ersten Batteriemodul 1 zusammen, während der andere Strang 17 mit der Kühlmittelleitung für das zweite Batteriemodul 2 zusammenläuft. Dadurch, dass nun erwärmtes, nicht in dem Kühlwärmetauscher 5 abgekühltes Kühlmittel, mit abgekühltem Kühlmittel vermischt werden kann, je nach Öffnung der Ventileinrichtungen 18, 19, kann die Vorlauftemperatur des Kühlmittels für die einzelnen Batteriemodule 1, 2 individuell eingestellt werden. Dies erfolgt dann wiederum in Abhängigkeit des Ladezustandes der einzelnen Batteriemodule 1, 2.In 5 Now another alternative embodiment is shown. Here is a bypass line 15 around the cooling heat exchanger 5 realized. This bypass line 15 then divides into two strands 16 . 17 on, which in each case via a valve device 18 . 19 feature. The one strand 16 runs with the coolant line to the first battery module 1 together, while the other strand 17 with the coolant line for the second battery module 2 converges. Because now heated, not in the cooling heat exchanger 5 cooled coolant can be mixed with cooled coolant, depending on the opening of the valve devices 18 . 19 , the flow temperature of the coolant for the individual battery modules 1 . 2 be set individually. This then takes place in turn depending on the state of charge of the individual battery modules 1 . 2 ,

Damit lässt sich auch so ein Aufbau realisieren, welcher die einzelnen Batteriemodule 1, 2 jeweils in Abhängigkeit ihres Ladezustandes entsprechend kühlt, sodass eine gleichmäßige Belastung der Batteriemodule 1, 2 mit dem Strom beim Laden oder Entladen der Batterie auftritt. Dadurch kommt es wiederum zu einer Vergleichmäßigung der Kapazitäten der einzelnen Batteriemodule 1, 2 untereinander. Dadurch kann verhindert werden, dass einzelne Batteriemodule 1, 2 durch eine entsprechende Überalterung und Überlastung vorzeitig ausfallen. Insgesamt kann somit eine höhere Lebensdauer der Batterie erreicht werden kann.In this way, it is also possible to realize such a design which the individual battery modules 1 . 2 respectively depending on their state of charge accordingly cools, so that a uniform load on the battery modules 1 . 2 with the current when charging or discharging the battery occurs. This in turn leads to a homogenization of the capacities of the individual battery modules 1 . 2 among themselves. This can be prevented that individual battery modules 1 . 2 due to a corresponding aging and overloading fail prematurely. Overall, therefore, a longer life of the battery can be achieved.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Batterie sind dabei rein beispielhaft zu verstehen. Insbesondere können auch mehr als zwei Batteriemodule jeweils parallel zu der Gesamtbatterie verschaltet werden. Auch hier gelten im Wesentlichen die gleichen Ausführungen. Auch ist es denkbar, eine Parallelschaltung und eine serielle Verschaltung der Kühleinrichtungen von einzelnen Batteriemodulen entsprechend zu kombinieren, sodass beispielsweise in mehreren parallelen Strängen jeweils mehrere seriell durchströmte Batteriemodule angeordnet sind. Diese können dann in einer festen oder gegebenenfalls auch einer veränderbaren Reihenfolge durchströmt werden. Dabei können einzelne oder alle Elemente mit Bypassleitungen versehen werden, welche entweder um den Kühlwärmetauscher und/oder die Batteriemodule selbst führen. Im Extremfall kann auch die Anzahl der Batterieeinzelzellen je Batteriemodul auf eins reduziert werden, sodass der Aufbau analog auch auf eine bedarfsgerechte Kühlung von Batterieeinzelzellen in Abhängigkeit ihres jeweiligen Ladezustands erweiterbar ist.The illustrated embodiments of the battery according to the invention are to be understood as purely exemplary. In particular, more than two battery modules can each be connected in parallel to the overall battery. Here too, essentially the same explanations apply. It is also conceivable to combine a parallel circuit and a serial interconnection of the cooling devices of individual battery modules accordingly, so that, for example, in each case a plurality of parallel strands, a plurality of flows through them in series Battery modules are arranged. These can then be flowed through in a fixed or possibly also a variable sequence. In this case, individual or all elements can be provided with bypass lines, which lead either to the cooling heat exchanger and / or the battery modules themselves. In extreme cases, the number of individual battery cells per battery module can be reduced to one, so that the structure can be extended analogously to a need-based cooling of battery cells depending on their respective state of charge.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007063179 A1 [0022] DE 102007063179 A1 [0022]

Claims (9)

Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie, mit wenigstens zwei Batteriemodulen, welche elektrisch parallel geschaltet sind, mit wenigstens einer Kühleinrichtung zur aktiven Kühlung der Batteriemodule, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, durch welche die Kühlung der Batteriemodule (1, 2), jeweils in Abhängigkeit ihres Ladezustandes beeinflussbar ist.Battery for storing electrical energy, having at least two battery modules, which are electrically connected in parallel, with at least one cooling device for active cooling of the battery modules, characterized in that means are provided, by which the cooling of the battery modules ( 1 . 2 ), in each case depending on their state of charge can be influenced. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (1, 2) jeweils wenigstens eine Kühleinrichtung aufweisen, welche von einem Kühlmedienstrom durchströmbar ist.Battery according to claim 1, characterized in that the battery modules ( 1 . 2 ) each have at least one cooling device, which can be flowed through by a cooling medium flow. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als wenigstens eine Ventileinrichtung (6, 7, 8) ausgebildet sind, durch welche der Kühlmedienstrom in unterschiedlichen Volumenströmen auf die Kühleinrichtungen aufteilbar ist.Battery according to claim 2, characterized in that the means as at least one valve device ( 6 . 7 . 8th ) are formed, through which the cooling medium flow can be divided in different flow rates on the cooling devices. Batterie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel wenigstens eine steuerbare Bypassleitung (13, 15) um wenigstens eines der Batteriemodule (1, 2) und/oder einen Kühlwärmetauscher (5) zum Abkühlen des Kühlmedienstroms aufweist.Battery according to claim 2 or 3, characterized in that the means at least one controllable bypass line ( 13 . 15 ) around at least one of the battery modules ( 1 . 2 ) and / or a cooling heat exchanger ( 5 ) for cooling the cooling medium stream. Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (15) um den Kühlwärmetauscher (5) ausgebildet ist, und dass die Bypassleitung (15) über wenigstens eine weitere Ventileinrichtung (17, 19) mit zumindest einigen der Kühleinrichtungen verbunden ist.Battery according to claim 4, characterized in that the bypass line ( 15 ) around the cooling heat exchanger ( 5 ) is formed, and that the bypass line ( 15 ) via at least one further valve device ( 17 . 19 ) is connected to at least some of the cooling devices. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtungen von dem Kühlmedienstrom nacheinander durchströmt sind, wobei die Mittel Leitungselement und Ventileinrichtungen (9, 10, 11, 12) aufweisen, welche eine Änderung der Reihenfolge der Durchströmung ermöglichen.A battery according to claim 2, characterized in that the cooling means are flowed through by the cooling medium flow successively, wherein the means conduit member and valve means ( 9 . 10 . 11 . 12 ), which allow a change in the order of flow. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Lithium-Ionen-Batterie.Battery according to one of claims 1 to 6, characterized by the design as a lithium-ion battery. Verfahren zum Betreiben einer Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie, welche in wenigstens zwei Batteriemodulen aufgeteilt ist, welche elektrisch parallel geschaltet sind, wobei eine aktive Kühlung der Batterie erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der einzelnen Batteriemodule (1, 2) jeweils in Abhängigkeit ihres Ladezustandes erfolgt.Method for operating a battery for storing electrical energy, which is divided into at least two battery modules, which are electrically connected in parallel, wherein an active cooling of the battery takes place, characterized in that the cooling of the individual battery modules ( 1 . 2 ) takes place in each case depending on their state of charge. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (1, 2) mit kleinerem Ladezustand (SOC) stärker gekühlt wird, als das Batteriemodul (1, 2) mit größerem Ladezustand (SOC).Method according to claim 8, characterized in that the battery module ( 1 . 2 ) with a lower state of charge (SOC) than the battery module ( 1 . 2 ) with a larger state of charge (SOC).
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