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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie sind aus dem allgemeinen Stand der Technik vielfältig bekannt. Sehr häufig handelt es sich dabei um Batterien, welche mit einer Vielzahl von Speicherzellen aufgebaut sind. Die einzelnen Speicherzellen beziehungsweise Batteriezellen sind dabei in Reihe zueinander oder in parallelen Blöcken, welche dann in Reihe zueinander geschaltet sind, verschaltet, je nach gewünschter Ausgangsspannung der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie.
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Im Bereich der Fahrzeugtechnik gewinnen derartige Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie zunehmend Bedeutung, insbesondere in ihrer Ausbildung als Hochleistungsbatterien, welche zur Speicherung von Traktionsenergie in Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt werden.
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An derartige Vorrichtungen sind nun besondere Anforderungen zu richten. Insbesondere ist es wichtig, dass diese bereits beim Start eines Fahrzeugs die volle Leistungsfähigkeit besitzen beziehungsweise sehr schnell entfalten, da insbesondere beim Start eines Fahrzeugs Energie aus der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie entnommen werden soll, um anzufahren beziehungsweise das Anfahren durch einen Verbrennungsmotor entsprechend zu unterstützen. Nun ist es jedoch so, dass bei niedrigeren Außentemperaturen und damit resultierend auch einer niedrigeren Temperatur der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie deren Leistungsfähigkeit nicht in vollem Umfang gegeben ist. Zwar erwärmt sich die Vorrichtung auch bei der Entnahme eines Stroms, dennoch kann die volle Leistungsfähigkeit erst nach dem Erreichen bestimmter Temperaturen sichergestellt werden.
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In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 03 312 A1 ist daher ein Verfahren beschrieben, welches zur Verbesserung der Lade- und Entladefähigkeit von Akkumulatoren dient. Das Verfahren beschreibt dabei, dass in Situationen, welche der oben geschilderten Situation vergleichbar sind, eine Erwärmung des Akkumulators über zwei Mechanismen vorgesehen ist. Der erste Mechanismus ist dabei die Tatsache, dass dem Akkumulator ein Strom entnommen wird, was diesen aufgrund seines Innenwiderstands erwärmt. Dieser entnommene Strom wird dann zur elektrischen Beheizung des Akkumulators eingesetzt, sodass dieser weiter erwärmt wird. Damit lässt sich insgesamt eine sehr schnelle Erwärmung des Akkumulators erzielen, da sämtliche aus dem Akkumulator entnommene Energie zumindest mittelbar zu seiner Erwärmung dient. Im Rahmen der
DE 198 03 312 A1 ist dabei lediglich ein Verfahren angegeben, ohne dass ein hierfür geeigneter konstruktiver Aufbau genannt wird.
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In der sehr viel älteren
US 3,623,916 findet sich eine Speicherbatterie, welche in diesem Fall als Bleiakkumulator ausgebildet ist. Diese ist über integrierte Flächenheizelemente entsprechend beheizbar und erlaubt damit eine Durchführung des durch die oben genannte DE-Schrift beschriebenen Verfahrens. Der Nachteil ist dabei, dass die Flächenheizelemente vergleichsweise aufwändig sind und bei der Herstellung der Batterie in die einzelnen Zellen mit integriert werden müssen. Dies erfordert einen dichten Aufbau der Flächenheizelemente, sodass diese nicht von dem Elektrolyt, mit dem sie in Berührung kommen, geschädigt werden können.
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Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie zu schaffen, bei welcher die Speicherzellen elektrisch beheizbar sind, und welche die oben genannten Nachteile vermeidet und einen einfachen und zuverlässigen Aufbau, insbesondere für die Beheizung von Speicherzellen einer Hochleistungsbatterie, bereitstellt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Das unmittelbare Aufbringen eines Heizdrahts, isoliert gegen das Gehäuse der Speicherzelle, sofern dieses leitend ausgebildet ist, erlaubt es, einen sehr einfachen und effizienten Aufbau zu realisieren. Dadurch, dass der Heizdraht dann von einer den Heizdraht und das Gehäuse umgebenden Hülle gegenüber anderen Speicherzellen und/oder anderen Bauteilen in der Vorrichtung isoliert wird, kann ein sowohl elektrisch als auch thermisch abgekoppelter Aufbau jeder einzelne Speicherzelle realisiert werden. Außerdem hält die Hülle den Heizdraht in seiner Position, sodass auf eine Fixierung des Heizdrahts verzichtet werden kann. Diese kann dann einfach und effizient beheizt werden, ohne dass viel Bauraum für die elektrische Beheizung benötigt wird. Der Aufbau ist darüber hinaus sehr einfach und kostengünstig herstellbar, da die einzelne Speicherzelle lediglich von dem Heizdraht umwickelt und dann mit einer isolierenden Hülle versehen werden muss.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es ferner vorgesehen, dass das Gehäuse selbst aus einem leitenden Material ausgebildet ist und durch eine innere Hülle gegenüber dem Heizdraht isoliert ist.
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Dieser Aufbau mit metallischen Gehäusen der Speicherzellen, welcher typischerweise bei zylinderförmigen Batteriezellen, beispielsweise in Nickelmetallhydrid-Technologie oder Lithium-Ionen-Technologie, auftritt, ist sehr verbreitet. Dabei bildet das Gehäuse einen der Pole und ist dementsprechend aus einem leitenden Material ausgebildet. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es daher vorgesehen, dass dieses Gehäuse mit einer inneren Hülle versehen ist, welche dieses leitende Gehäuse gegenüber dem Heizdraht elektrisch isoliert. Eine thermische Isolierung durch die innere Hülle wird typischerweise unvermeidlich sein, sollte aber durch eine geeignete Materialwahl der inneren Hülle minimiert werden. Auf diese innere Hülle wird dann der Heizdraht aufgebracht, beispielsweise indem die Speicherzelle mit dem Heizdraht umwickelt wird. Danach wird der Heizdraht über die ihn erfindungsgemäß umgebende äußere Hülle nach außen hin zusammen mit der Speicherzelle isoliert.
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In einer weiteren besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es dabei vorgesehen, dass der Heizdraht flach ausgebildet ist.
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Eine solche flache Ausbildung des Heizdrahts, beispielsweise in Form eines Kupferbands oder dergleichen, lässt sich sehr einfach und effizient um die Speicherzelle anordnen, beispielsweise indem diese mit dem Band umwickelt wird. Das Band liegt dann, ohne sich zu berühren, flächig an dem Gehäuse der Speicherzelle auf und hat somit eine vergleichsweise große Anlagefläche, um die in ihm entstehende Wärme in das Innere der Speicherzelle zu leiten. Außerdem braucht ein flächig ausgebildeter Heizdraht nur minimalen Bauraum, sodass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie durch den Einsatz eines Heizdrahts nicht oder nur unwesentlich mehr Bauvolumen benötigt.
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Prinzipiell ist es dabei selbstverständlich möglich, dass die elektrische Energie zur Beheizung der Speicherzellen aus der Vorrichtung selbst stammt. Dies ist besonders vorteilhaft und effizient, da wie eingangs bereits erwähnt, dann durch die Entnahme des zur Beheizung benötigten Stroms aufgrund des in den einzelnen Speicherzellen auftretenden Innenwiderstands eine zusätzliche Beheizung der Batterie aufgrund der elektrochemischen Vorgänge in ihrem Inneren erfolgt. Prinzipiell wäre jedoch auch eine Stromzufuhr von außen denkbar.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung stammt die elektrische Energie zur Beheizung der jeweiligen Speicherzelle aus genau dieser Speicherzelle selbst.
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Damit entsteht ein sehr einfacher und effizienter Aufbau, da jede der Speicherzellen beziehungsweise ihre Pole unmittelbar mit ihrem eigenen Heizdraht verbunden werden können. Über eine einfache Elektronik oder über einen durch die Temperatur selektiv selbständig aktivierbaren Schalter kann dann die Beheizung entsprechend ein- oder ausgeschaltet werden. Der Aufbau der einzelnen Speicherzelle der Vorrichtung ist damit autark und muss nicht über ein Bus-System, eine Zentralelektronik oder dergleichen angesteuert werden.
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Eine besonders günstige und vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es vor, dass die Speicherzellen rund ausgebildet sind, wobei die Hülle/Hüllen durch Schrumpfschlauch gebildet sind.
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Dieser einfache und sehr effiziente Aufbau sieht es vor, dass, beispielsweise bei einer Speicherzelle mit einem metallischen Gehäuse, welches einen der Pole bildet, dieser mit einem Schrumpfschlauch ummantelt wird. Nachdem dieser Schrumpfschlauch entsprechend erwärmt und geschrumpft ist, wird der Heizdraht angebracht und in einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung um die Speicherzelle gewickelt.
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Nachdem der Heizdraht um die Speicherzelle gewickelt und angeschlossen ist, wird ein weiterer Schrumpfschlauch als umgebende Hülle um diesen Aufbau gelegt und ebenfalls geschrumpft. Damit ist der Aufbau nach außen sowohl elektrisch als auch thermisch isoliert und der lose aufgewickelte Heizdraht wird durch den Schrumpfschlauch der umgebenden Hülle sicher und zuverlässig in Position gehalten. Damit kann mit einfachsten Mitteln ein Aufbau erzielt werden, welcher sicher und zuverlässig eine Erwärmung der Speicherzelle bei entsprechend niedrigen Temperaturen ermöglicht und damit eine hohe Leistungsfähigkeit der Vorrichtung bei allen Umgebungstemperaturen sicherstellt.
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Dementsprechend ist eine besonders bevorzugte Verwendung der Vorrichtung darin zu sehen, dass diese in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug eingesetzt wird.
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In einem solchen Fahrzeug sind, wie eingangs bereits erwähnt, insbesondere in der Startphase bereits hohe Anforderungen an die Vorrichtung zur Speicherung von elektrische Energie zu stellen. Das Fahrzeug, welches beispielsweise als Elektrofahrzeug oder als Hybridfahrzeug ausgebildet ist, benötigt die Energie zum Anfahren oder zum Unterstützen des Anfahrens mittels des Verbrennungsmotors. Damit muss auch unter Kaltstartbedingungen bereits von Anfang an die volle Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie gegeben sein. Da diese in einem besonders einfachen und effizienten Aufbau durch die Beheizung in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung erzielt wird, ist die Verwendung einer derartigen Vorrichtung in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug besonders vorteilhaft.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine beispielhafte Batterie, wie sie als Traktionsbatterie in einem Hybridfahrzeug eingesetzt werden kann;
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2 eine einzelne Batteriezelle der Batterie aus 1 in einer erfindungsgemäßen Ausführung; und
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3 einen Ausschnitt III aus der Batteriezelle gemäß 2 in einer Schnittdarstellung.
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In der Darstellung der 1 ist eine Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie, in diesem Fall eine Batterie 1 zu erkennen. Diese Batterie 1 soll als Hochleistungsbatterie, insbesondere in Lithium-Ionen-Technologie, ausgebildet sein. Sie ist in der hier gewählten beispielhaften Darstellung aus einer Vielzahl von einzelnen Speicherzellen 2 beziehungsweise Batteriezellen 2 aufgebaut. Diese sind im Bereich einer Platine 3 miteinander verschaltet und über Elektronikelemente 4 beispielsweise an den elektrischen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs angekoppelt. Wie bei Lithium-Ionen-Batterien allgemein bekannt und üblich, weist die Batterie 1 außerdem eine Kühlvorrichtung 5 auf, um die Batterie 1 bei entsprechender Belastung zu kühlen.
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Nun ist im Betrieb eine solche Batterie 1 in einem Hybridfahrzeug, in dem sie beispielsweise zur Speicherung von beim Abbremsen gewonnener Energie eingesetzt wird, welche dann für Anfahrvorgänge wieder entnommen wird, einer sehr hohen Belastung ausgesetzt. In dieser Belastungssituation wird die Lithium-Ionen-Batterie 1 entsprechend heiß und muss über die Kühlvorrichtung 5 gekühlt werden. In anderen Situationen, beispielsweise unmittelbar nach dem Kaltstart eines Fahrzeugs bei niedrigen oder sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, besteht nun jedoch das Problem, dass die einzelnen Batteriezellen 2 sehr kalt sind und unter diesen Temperaturbedingungen nicht die volle Leistung zur Verfügung stellen können. Die Elektrochemie einer solchen Batteriezelle 2 benötigt bestimmte Temperaturen, beispielsweise Temperaturen oberhalb von 20°C, um eine befriedigende Leistungsfähigkeit insbesondere beim Entladen zu gewährleisten. Wird nun jedoch in einem Fahrzeug nach dem Kaltstart elektrisch angefahren oder ein über einen Verbrennungsmotor erfolgender Anfahrvorgang elektrisch unterstützt, so sollte die Batterie 1 auch in dieser Situation eine entsprechend hohe Leistungsfähigkeit aufweisen und einen vergleichsweise hohen Strom zur Verfügung stellen können. Hierfür ist es dann notwendig, dass die einzelnen Batteriezellen 2 der Batterie schnellstmöglich auf Betriebstemperatur sind.
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In der Darstellung der 2 ist nun eine Möglichkeit dargestellt, dies schnellstmöglich nach dem Kaltstart zu erreichen. Hierfür ist ein Heizdraht 6 um die Batteriezelle 2 angebracht, welcher sich, wenn ein Strom durch ihn geleitet wird, entsprechend erwärmt und damit die Batteriezelle 2 beheizt. Die Batteriezelle 2 in der 2 soll dabei als übliche Rundzelle in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet sein. Sie besitzt im Allgemeinen einen metallischen Becher 8 als Gehäuse, welcher gleichzeitig einen der Pole bildet und mit dem beispielsweise negativen Anschlusspol 7 verbunden ist. Dieser Becher ist in der vergrößerten Schnittdarstellung der 3 zu erkennen und mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet. Dabei ist der Becher in der Darstellung der 3 selbst nicht geschnitten, um durch sein für die hier vorliegende Erfindung nicht relevantes Innenleben nicht vom Gedanken der Erfindung abzulenken.
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Der Heizdraht 6 ist in der Darstellung der 2 dann um die Batteriezelle 2 herum gewickelt. Die Wicklung ist dabei so gestaltet, dass sich der Heizdraht 6 nicht selbst berührt, was einen Kurzschluss gleich käme. Da das Gehäuse der Batteriezelle 2, also der Becher 8, elektrisch leitend ausgebildet ist, muss eine entsprechende Isolationsschicht vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise auf den Heizdraht 6 direkt aufgebracht werden, indem dieser mit einer Lackschicht oder dergleichen versehen wird. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll jedoch eine innere Hülle 9, welche in 3 zu erkennen ist, um den Becher 8 herum angeordnet sein. Diese Hülle 9 kann beispielsweise als Schrumpfschlauch ausgebildet sein, welcher um die becherförmige Batteriezelle 2 gelegt und durch Erwärmen geschrumpft wird. Er hält dann durch Reibschluss sicher an der Batteriezelle 2 fest. Auf diesen Schrumpfschlauch wird dann der Heizdraht 6 entsprechend aufgewickelt. Wie aus der vergrößerten Darstellung der 3 zu erkennen ist, ist der Heizdraht 6 flach ausgebildet. Dies bedeutet, dass er nicht als Runddraht hergestellt ist, sondern in einer flächigen Ausgestaltung. Damit wird eine größere Anlagefläche an der Oberfläche der inneren Hülle 9 beziehungsweise der Batteriezelle 2 erreicht. Der Wärmeübergang zwischen dem sich aufgrund eines Stromflusses erwärmenden Heizdrahts 6 und der Batteriezelle 2 wird dadurch verbessert. Außerdem ist der Platzbedarf bei vergleichbarem Querschnitt des Heizdrahts 6 in Richtung des Durchmessers der Batteriezelle 2 geringer, sodass die in 1 dargestellte Variante des Aufbaus nicht modifiziert werden muss. Wie in der Darstellung der 3 weiter zu erkennen ist, ist um den Heizdraht 6 und die innere Hülle 9 eine äußere Hülle 10 angeordnet, auf deren Darstellung in 2 verzichtet wurde. Diese äußere Hülle 10 dient wiederum der elektrischen Isolierung des Heizdrahts 6 nach außen und isoliert diesen auch thermisch, sodass die in ihm entstehende Wärmeenergie bestmöglich in den Bereich der Batteriezelle 2 eindringen kann. Hierfür sollte die innere Hülle 9 aus einem geeigneten elektrisch isolierenden, aber gut wärmeleitenden Material ausgebildet werden und/oder eine entsprechend geringe Materialstärke aufweisen.
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Wie nun wiederum in der 2 zu erkennen ist, ist der Heizdraht 6 an seinem einen Ende mit dem negativen Pol 7 der Batteriezelle 2 verbunden. Sein anderes Ende ist mit einem positiven Pol 11 der Batteriezelle 2 verbunden. Damit ergibt sich ein ständiger Stromfluss durch den Heizdraht. Aufgrund seines vergleichsweise hohen Widerstands, welcher zur Erzeugung der benötigten Wärme dient, kommt es jedoch nicht zu einem Kurzschluss der Batteriezelle 2, sondern lediglich zu einem leichten Entladen aufgrund des durch den Heizdraht 6 fließenden Stroms. Da nun die Erwärmung der Batterie nur in den Situationen sinnvoll und gewünscht ist, in denen die Batterie 1 vergleichsweise kalt ist, kann außerdem eine Schalteinrichtung 12 vorgesehen sein, welche den Stromfluss durch den Heizdraht und damit die Beheizung der Batterieeinzelzelle 2 entsprechend steuert. Diese Schalteinrichtung 12 kann beispielsweise über ein Bussystem von einer zentralen Elektronik aus gesteuert werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Schalteinheit 12 so ausgebildet ist, dass über einen Temperatursensor die Umgebungstemperatur der Batteriezelle 2 erfasst wird. Sobald diese unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt, wird der Stromfluss durch den Heizdraht 6 aktiviert, sodass die Batteriezelle 2 sich durch einen aus ihr entnommenen Strom über den Heizdraht 6 selbst beheizt. Damit kommt es zu zwei Beheizungseffekten gleichzeitig. Einerseits wird durch den entnommenen Strom eine Beheizung aufgrund des Innenwiderstands der Batteriezelle 2 erreicht. Außerdem wird der entnommene Strom in dem Heizdraht 6 aufgrund des dort herrschenden Widerstands in Wärme umgewandelt, welche ebenso der Batteriezelle 2 zugute kommt. Damit ist eine sehr schnelle Erwärmung der Batteriezelle 2 über die vorgegebene Grenztemperatur möglich, sodass sehr schnell die volle Leistung aus der Batteriezelle 2 und damit aus der gesamten Batterie 1 entnommen beziehungsweise in diese eingeladen werden kann. Nach Erreichen der gewünschten Temperatur schaltet die Schalteinheit 12 den Stromfluss dann wieder ab.
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Der Aufbau ist dabei besonders einfach, kostengünstig und hinsichtlich des benötigten Bauraums minimal. Er kann problemlos in bestehende Konzepte integriert werden, wobei ein vergleichbarer Aufbau auch bei eckig ausgeführten Batterieeinzelzellen 2 denkbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19803312 A1 [0005, 0005]
- US 3623916 [0006]
