DE102010050997A1 - Battery e.g. lithium-ion battery, for e.g. partially electrically driven vehicle, has prismatic single cells joined together to form cell stack, where contact surfaces of adjacent cells are in contact with different metal layers - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit zwei im Wesentlichen prismatischen Batterieeinzelzellen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a battery with two substantially prismatic battery individual cells, according to the closer defined in the preamble of
Derartige Batterien sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die Batterien können dabei insbesondere als Hochvoltbatterien oder Hochleistungsbatterien ausgebildet sein, welche beispielsweise als Traktionsbatterien in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden. Derartige Batterien sind dabei in einer Technologie ausgeführt, welche eine sehr hohe Speicherdichte erlaubt. Geeignete Technologien sind beispielsweise die Nickel-Metallhydrid-Technologie oder insbesondere und bevorzugt die Lithium-Ionen-Technologie. Die Batterieeinzelzellen können dabei prinzipiell in jeder beliebigen Form ausgebildet werden. In bekannter Technik üblich sind sogenannte Rundzellen mit aufgewickelten Wickeln aus Elektrodenfolie und sogenannte Flachzellen. Diese Flachzellen, welche im Wesentlichen prismatisch ausgebildet sind, weisen die Elektrodenfolien als Stapel im Inneren der Zelle auf. Sie sind dann beispielsweise über einen Rahmen, eine Folie oder dergleichen umschlossen und werden mit Folie oder metallischen Kontaktplatten eingeschlossen, sodass im Wesentlichen prismatische Batterieeinzelzellen entstehen. Diese prismatischen Batterieeinzelzellen können dann zu einem Stapel aufeinandergelegt werden. Dieser Zellenstapel bildet dann die eigentliche Batterie. Die einzelnen Pole der prismatischen Batterieeinzelzellen sind in dem Zellenstapel beispielsweise in Reihe miteinander verschaltet, sodass bei einem entsprechend großen Zellenstapel eine entsprechend große Spannung zur Verfügung steht. Die Zellenstapel weisen typischerweise 30–200 Batterieeinzelzellen auf.Such batteries are known from the general state of the art. The batteries can be designed in particular as high-voltage batteries or high-performance batteries, which are used, for example, as traction batteries in at least partially electrically driven vehicles. Such batteries are designed in a technology that allows a very high storage density. Suitable technologies are for example the nickel-metal hydride technology or in particular and preferably the lithium-ion technology. The individual battery cells can be formed in principle in any form. Common in known technique are so-called round cells with wound coils of electrode foil and so-called flat cells. These flat cells, which are formed substantially prismatic, have the electrode films as stacks in the interior of the cell. They are then enclosed, for example, by means of a frame, a foil or the like, and are enclosed with foil or metallic contact plates, so that substantially prismatic individual battery cells are formed. These single prismatic battery cells can then be stacked in a stack. This cell stack then forms the actual battery. The individual poles of the prismatic individual battery cells are interconnected in the cell stack, for example, in series, so that with a correspondingly large cell stack, a correspondingly large voltage is available. The cell stacks typically have 30-200 battery cells.
Hochleistungsbatterien, welche beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet sind, müssen dabei während des Betriebs im Allgemeinen aktiv gekühlt werden.High-performance batteries, which are formed for example in lithium-ion technology, have to be actively cooled during operation in general.
Außerdem sollte zur Erhöhung der Lebensdauer der Betrieb in engen vordefinierten Leistungsbereichen stattfinden. Um eine entsprechende Kühlung effizient und zielgenau realisieren zu können und ebenso um vorgegebene Leistungsbereiche einzuhalten, ist es dabei unerlässlich, die Temperatur der Batterie oder zumindest einiger der Batterieeinzelzellen zu kennen. Anhand dieser Temperaturwerte lassen sich dann die Kühlung und die Verwendung der Batterie in vorgegebenen Leistungsbereichen entsprechend steuern beziehungsweise regeln. Insbesondere bei einer Anwendung in einem Fahrzeug spielt die Batterietemperatur außerdem eine entscheidende Rolle bei der Vorausberechnung der in der Batterie noch enthaltenen Energie, um hieraus Aussagen über die Reichweite eines rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugs oder die Möglichkeit einer reinen Elektrofahrt eines Hybridfahrzeugs zu kennen. Bereits geringfügige Abweichungen im Temperaturwert können hier zu erheblichen Fehlberechnungen führen, sodass Reichweitevorhersagen nicht zutreffen oder die rein elektrische Fahrt in einem Hybridfahrzeug unerwartet und ungewollt abgebrochen werden muss.In addition, to increase the life of the operation should take place in narrow predefined power ranges. In order to realize a corresponding cooling efficiently and accurately and also to comply with predetermined power ranges, it is essential to know the temperature of the battery or at least some of the battery individual cells. On the basis of these temperature values, the cooling and the use of the battery in predetermined power ranges can then be controlled or regulated accordingly. In particular, in an application in a vehicle, the battery temperature also plays a crucial role in the prediction of the energy still contained in the battery to know from this statements about the range of a purely electrically driven vehicle or the possibility of pure electric drive a hybrid vehicle. Even minor deviations in the temperature value can lead to significant miscalculations, so that range forecasts do not apply or the purely electric drive in a hybrid vehicle must be stopped unexpectedly and unintentionally.
Um dieser Problematik zu begegnen, werden Temperatursensoren in das Innere der Batterie und im Bereich der Batterieeinzelzellen verwendet. Diese Temperatursensoren sind typischerweise als PTC- oder NTC-Widerstände ausgebildet. Sie sitzen typischerweise im Bereich von Oberflächen der Batterieeinzelzelle, also beispielsweise im Bereich eines Rahmens, einer Außenhülle oder dergleichen. Sie haben dabei den Nachteil, dass sie eine vergleichsweise geringe Kontaktfläche zu der Batterieeinzelzelle aufweisen, sodass nur eine ungefähre Temperaturmessung möglich ist. Insbesondere bei Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung über den Zellenstapel aufgrund von hoch dynamischer elektrischer Belastung oder aufgrund der aktiven Kühlung kann es dabei zu erheblichen Messfehlern in der Temperatur kommen. Eine größere Anzahl an Sensorelementen im Bereich von mehreren Zellen kann diese Problematik zwar geringfügig verbessern, stellt aber einen erheblichen Aufwand hinsichtlich der Montage und der Verkabelung dar.To counteract this problem, temperature sensors are used in the interior of the battery and in the area of the battery individual cells. These temperature sensors are typically designed as PTC or NTC resistors. They typically sit in the area of surfaces of the single battery cell, that is, for example, in the region of a frame, an outer shell or the like. They have the disadvantage that they have a relatively small contact surface with the battery single cell, so that only an approximate temperature measurement is possible. Particularly in the case of inhomogeneities in the temperature distribution over the cell stack due to highly dynamic electrical load or due to the active cooling, considerable measurement errors in the temperature can occur. Although a larger number of sensor elements in the range of several cells can slightly improve this problem, but represents a considerable effort in terms of assembly and wiring.
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und eine Batterie anzugeben, welche einen einfachen Aufbau hat und dennoch eine sichere und zuverlässige Erfassung der in der Batterie beziehungsweise im Bereich der Batterieeinzelzellen der Batterie vorliegenden Temperatur gewährleistet.It is now the object of the present invention to avoid these disadvantages and to provide a battery which has a simple structure and yet ensures a reliable and reliable detection of the temperature present in the battery or in the region of the individual battery cells of the battery.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie sind dabei in den abhängigen Ansprüchen angegeben.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of
Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Batterie ist im Anspruch 7 angegeben, vorteilhafte Weiterbildungen hiervon ergeben sich aus dem abhängigen Unteranspruch.A preferred use of the battery according to the invention is specified in claim 7, advantageous developments of which emerge from the dependent subclaim.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht also vor, dass zumindest ein Teil der sich berührenden Flächen von zwei benachbarten Batterieeinzelzellen in dem Zellenstapel mit metallischen Schichten versehen sind, welche so ausgebildet sind, dass die benachbarten sich berührenden Flächen mit unterschiedlichen Metallen in Kontakt zueinander kommen und bei Berührung ein Thermoelement ausbilden. An einem solchen Thermoelement, welches beispielsweise aus einer Metallpaarung von Chrom und Nickel oder einer Nickel-Chromlegierung auf der einen Seite und Nickel auf der anderen Seite bestehen könnte, können dann die Temperaturen zwischen den beiden involvierten Batterieeinzelzellen gemessen werden. Alternative Materialpaarungen, wie sie für Thermoelemente bekannt sind, sind selbstverständlich ebenso denkbar, beispielsweise die Kombination einer Eisen-Kupferlegierung auf der einen Seite und einer Nickellegierung auf der anderen Seite, welche zwar einen etwas geringeren, hier aber bei weitem ausreichenden Messbereich aufweist, dafür aber genauere Werte liefert. Alternative Metalle wie beispielsweise Platin-Rhodium, Gold, Eisen-Nickel, Eisen-Gold oder Silber als sind selbstverständlich ebenso denkbar.The solution according to the invention thus provides that at least a part of the contacting surfaces of two adjacent battery individual cells in the cell stack are provided with metallic layers which are designed such that the adjacent contacting surfaces come into contact with different metals and contact each other Form thermocouple. On such a thermocouple, which For example, if a pair of chromium and nickel or a nickel-chromium alloy on one side and nickel on the other side could exist, then the temperatures between the two battery cells involved could be measured. Alternative material pairings, as they are known for thermocouples, are of course also conceivable, for example, the combination of an iron-copper alloy on the one hand and a nickel alloy on the other side, which has a somewhat lower, but here by far sufficient measuring range, but provides more accurate values. Alternative metals such as platinum-rhodium, gold, iron-nickel, iron-gold or silver as are of course also conceivable.
Durch die Ausgestaltung von zumindest Teilen der Seitenflächen von wenigstens zwei der Batterieeinzelzellen mit Schichten von geeigneten Metallen entsteht beim Stapeln automatisch ein Thermoelement, welches direkt im Inneren des Zellenstapels angeordnet ist und so sehr direkt und mit großflächigem Kontakt zum Zellenstapel sehr genau die Temperatur der benachbarten Batterieeinzelzellen erfassen und als Temperaturwert zur Verfügung stellen kann.Due to the design of at least parts of the side surfaces of at least two of the battery cells with layers of suitable metals stacking automatically creates a thermocouple, which is located directly in the interior of the cell stack and so very directly and with large contact with the cell stack very closely the temperature of the adjacent battery cells can capture and provide as a temperature value.
Der Aufbau ist dabei vergleichsweise einfach und kommt zum Beispiel bei entsprechend beschichteten Batterieeinzelzellen beim Stapeln der Zellen zu dem Zellenstapel automatisch zustande, sodass lediglich eine Kontaktierung vorgesehen werden muss, um die Thermospannung abzugreifen. Der Aufbau kann daher nicht nur bei einer Paarung von Batterieeinzelzellen in dem Zellenstapel angewandt werden, sondern problemlos auch bei mehreren, sodass durch eine Mittelwertbildung der Temperaturen an verschiedenen Stellen des Zellenstapels eine Durchschnittstemperatur ermittelt werden kann.The structure is comparatively simple and comes automatically, for example, in accordance with coated battery cells when stacking the cells to the cell stack, so that only a contact must be provided to tap the thermoelectric voltage. The design can therefore be applied not only in the case of a pairing of battery individual cells in the cell stack, but also without difficulty in the case of several, so that an average temperature can be determined by averaging the temperatures at different points in the cell stack.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee ist es dabei vorgesehen, dass jede der Batterieeinzelzellen im Bereich der sich berührenden Flächen auf ihrer einen Seite mit dem ersten Metall und auf ihrer zweiten Seite mit dem zweiten Metall versehen ist. Dieser Aufbau erlaubt es mit standardisierten Batterieeinzelzellen zu arbeiten, welche jeweils an der gesamten oder einem Teilbereich ihrer Seitenflächen auf der einen Seite das eine und auf der anderen Seite das andere Metall aufweisen. Beim Stapeln der Batterieeinzelzellen zu dem Zellenstapel entsteht so zwischen jeweils zwei der Batterieeinzelzellen ein Thermoelement, welches zur Erfassung der Temperatur geeignet ist. Diese Thermoelemente können dann alle oder auch nur zum Teil genutzt werden, um anhand der Thermospannung die Temperatur im Bereich der Batterieeinzelzellen zu erfassen. Dadurch entsteht mit wenig Montageaufwand ein Aufbau, welcher in der Lage ist, die Temperatur jeder einzelnen Batterieeinzelzelle aus einer Mittelwertbildung des rechts neben ihr und des links neben ihr gemessenen Temperaturwerts vergleichsweise exakt anzugeben. In Kombination mit einer geeigneten Leistungsmessung, beispielsweise den Einzelzellspannungen und einem Batteriestrom, lässt sich so eine temperaturabhängige Berechnung von Einzelwerten für jede einzelne Batteriezelle realisieren.In a particularly favorable and advantageous development of the idea according to the invention, it is provided that each of the battery individual cells is provided in the region of the contacting surfaces with the first metal on one side and with the second metal on its second side. This construction makes it possible to work with standardized battery individual cells, which have the one metal on the one side and the other metal on the entire side or a partial region of their side surfaces on the other side. When stacking the battery individual cells to the cell stack so arises between each two of the battery cells a single thermocouple, which is suitable for detecting the temperature. These thermocouples can then all or only partially be used to detect the basis of the thermoelectric voltage, the temperature in the area of the battery individual cells. As a result, with little installation effort, a structure is created which is able to specify the temperature of each individual single cell of the battery by averaging the value to the right of it and the temperature value measured to the left of it. In combination with a suitable power measurement, for example the single-cell voltages and a battery current, a temperature-dependent calculation of individual values for each individual battery cell can thus be realized.
Prinzipiell funktioniert dieser Aufbau dabei bei Batterien mit einem elektrisch isolierenden Gehäuse ebenso wie bei bipolaren Rahmenflachzellen, welche mit entsprechend beschichteten metallischen Endplatten ausgeführt sein können, sodass zumindest, wenn der Batterie keine Leistung entnommen wird oder diese nicht geladen wird, die benachbarten Seiten der dann als Rahmenflachzellen ausgebildeten bipolaren Batterieeinzelzellen als Thermoelement genutzt werden, sodass zumindest zeitweise die Erfassung der Temperatur möglich ist, beispielsweise in Phasen, in denen anhand einer Leerlaufspannung beispielsweise die Kapazität beziehungsweise Restladung der Batterie bestimmt wird.In principle, this construction works in batteries with an electrically insulating housing as well as in bipolar Rahmenflachzellen, which can be designed with corresponding coated metallic end plates, so at least if the battery is not taken power or this is not loaded, the adjacent sides of then as Frame flat cells trained bipolar battery cells are used as a thermocouple, so that at least temporarily the detection of the temperature is possible, for example in phases in which, for example, the capacity or residual charge of the battery is determined based on an open circuit voltage.
Die metallischen Schichten können dabei nur einen Teil der jeweiligen Seitenflächen der Batterieeinzelzellen umfassen oder können diese gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie vollständig bedecken. Durch die vollständige Bedeckung der Seitenflächen der Batterieeinzelzelle mit der metallischen Beschichtung entsteht der Vorteil, dass ein sehr großflächiges Thermoelement entsteht, welches eine sehr exakte Messung der Temperatur ermöglicht.The metallic layers may comprise only a part of the respective side surfaces of the battery individual cells or may completely cover these according to a particularly favorable and advantageous development of the battery according to the invention. The complete coverage of the side surfaces of the battery cell with the metallic coating has the advantage that a very large-area thermocouple is created, which allows a very accurate measurement of the temperature.
Die Schichten können dabei gemäß einer günstigen Weiterbildung als metallische Schichten einseitig mit einer Klebeschicht versehen sein und als metallische Folie mit der einseitigen Klebeschicht auf die Seitenflächen der prismatischen Batterieeinzelzellen aufgeklebt werden, sodass sich die metallischen Flächen beim Stapeln der Batterieeinzelzellen berühren.The layers can be provided on one side with an adhesive layer according to a favorable development as metallic layers and glued as metallic foil with the single-sided adhesive layer on the side surfaces of the prismatic battery individual cells, so that the metallic surfaces touch when stacking the battery cells.
Aufgrund des Klebers ist es dabei einfach, die metallische Schicht gegenüber den elektrischen Polen der Batterieeinzelzelle entsprechend zu isolieren, wenn nicht ohnehin ein elektrisch isolierendes Gehäuse eingesetzt wird, auf welches die Metalle zur Ausbildung des Thermoelements entsprechend aufgebracht sind.Due to the adhesive, it is easy to insulate the metallic layer corresponding to the electrical poles of the battery single cell accordingly, if not anyway an electrically insulating housing is used, to which the metals are applied to form the thermocouple accordingly.
Prinzipiell ist es möglich, wie oben bereits beschrieben, bei einer bipolaren Flachzelle das Thermoelement einzusetzen und dann zumindest in Situationen, in denen kein Strom zwischen den benachbarten Zellen fließt, dieses als Thermoelement zu nutzen. Um das Thermoelement während des gesamten Betriebs nutzen zu können, ist es gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass die metallischen Schichten gegenüber den elektrischen Polen der Batterieeinzelzelle isoliert ausgebildet sind. Durch diese elektrische Isolierung gegenüber den elektrischen Polen der Batterieeinzelzellen kann eine Nutzung des Thermoelements während allen Betriebssituationen der Batterieeinzelzellen gewährleistet werden, sodass insbesondere auch beim Laden und Entladen die Temperatur der Batterieeinzelzellen exakt und zuverlässig erfasst werden kann.In principle, it is possible, as already described above, to use the thermocouple in a bipolar flat cell and then, at least in situations in which no current flows between the adjacent cells, to use this as a thermocouple. In order to use the thermocouple during the entire operation, it is according to a particularly favorable and advantageous development provided that the metallic layers are formed isolated from the electrical poles of the battery single cell. Through this electrical insulation against the electrical poles of the battery individual cells, use of the thermocouple can be ensured during all operating situations of the individual battery cells, so that the temperature of the individual battery cells can be detected precisely and reliably, especially during charging and discharging.
Eine besonders günstige und vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Batterie in einer der oben genannten Ausgestaltungen liegt dabei in der Verwendung als Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug. Wie eingangs bereits erwähnt, ist insbesondere für elektrisch angetriebene Fahrzeuge oder Hybridfahrzeuge die Kenntnis der Restenergie in der Batterie von entscheidender Bedeutung, um beispielsweise Aussagen über die Reichweite oder die Möglichkeit einer rein elektrischen Fahrt treffen zu können. Außerdem ist eine möglichst exakte Kenntnis der Temperatur wichtig, um die Traktionsbatterie in ihren leistungsoptimalen Punkten betreiben zu können und so eine ideale Performance hinsichtlich der Ladung und Entladung der Batterie einerseits und einer möglichst lange Lebensdauer der Batterie andererseits zu erzielen.A particularly favorable and advantageous use of the battery according to the invention in one of the above embodiments is in the use as a traction battery in an at least partially electrically driven vehicle. As already mentioned, in particular for electrically driven vehicles or hybrid vehicles, the knowledge of the residual energy in the battery is of crucial importance, for example, to be able to make statements about the range or the possibility of a purely electric drive. In addition, as accurate as possible a knowledge of the temperature is important to operate the traction battery in their performance-optimal points and so to achieve an ideal performance in terms of charging and discharging the battery on the one hand and the longest possible life of the battery on the other.
Die bevorzugte Anwendung ist dabei bei Traktionsbatterien in Lithium-Ionen-Technologie gegeben, da diese auf thermische Schwankungen besonders empfindlich reagieren.The preferred application is given in traction batteries in lithium-ion technology, since they are particularly sensitive to thermal fluctuations.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich dabei aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
Die Batterieeinzelzellen
Die metallischen Schichten
Wie bereits angedeutet und in
Die in
Durch das Aufeinanderstapeln der Flachzellen
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| DE102010050997A Withdrawn DE102010050997A1 (en) | 2010-11-10 | 2010-11-10 | Battery e.g. lithium-ion battery, for e.g. partially electrically driven vehicle, has prismatic single cells joined together to form cell stack, where contact surfaces of adjacent cells are in contact with different metal layers |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013143757A1 (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-03 | Robert Bosch Gmbh | Temperature sensor and method for detecting a temperature of a battery cell |
| CN104577239A (en) * | 2013-10-17 | 2015-04-29 | 福特全球技术公司 | Electric vehicle battery thermocouple |
| CN106898838A (en) * | 2017-03-21 | 2017-06-27 | 联想(北京)有限公司 | The detection method of electronic equipment and battery surface temperature |
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-
2010
- 2010-11-10 DE DE102010050997A patent/DE102010050997A1/en not_active Withdrawn
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| WO2013143757A1 (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-03 | Robert Bosch Gmbh | Temperature sensor and method for detecting a temperature of a battery cell |
| US9853333B2 (en) | 2012-03-30 | 2017-12-26 | Robert Bosch Gmbh | Temperature sensor and method for detecting a temperature of a battery cell |
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| US10454145B2 (en) | 2013-10-17 | 2019-10-22 | Ford Global Technologies, Llc | Electric vehicle battery thermocouple |
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| CN106898838B (en) * | 2017-03-21 | 2020-06-23 | 联想(北京)有限公司 | Electronic device and method for detecting surface temperature of battery |
| CN114122540A (en) * | 2021-11-15 | 2022-03-01 | 电子科技大学 | Temperature detector, preparation method thereof and lithium battery structure combination |
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