DE102012111817A1 - Elektrischer Energiespeicher - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, Elektrischer Energiespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mehreren Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle ein Zellenterminal mit jeweils einem Pluspol und einem Minuspol aufweist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass eine Kühleinrichtung zur direkten Kühlung des/der Zellenterminals bzw. des Pluspols und/oder des Minuspols vorgesehen ist. Hierdurch kann ein leistungsstarker Energiespeicher geschaffen werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mehreren Batteriezellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem derartigen elektrischen Energiespeicher.
  • Aus der WO 2012/120090 A1 ist ein gattungsgemäßer elektrischer Energiespeicher mit mehreren Batteriezellen bekannt, wobei jede Batteriezelle ein Zellenterminal mit jeweils einem Pluspol und einem Minuspol aufweist. Um die Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers steigern zu können, ist zwischen zumindest zwei der Batteriezellen ein vorzugsweise flexibles elektrisches Heizelement angeordnet, welches insbesondere bei tiefen Umgebungstemperaturen die Batteriezelle und damit den elektrischen Energiespeicher beheizt.
  • Aus der DE 10 2006 001 714 A1 ist eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei erste Mittel zur Umsetzung von elektrischer Energie in Wärmeenergie vorgesehen sind sowie zweite Mittel zur Erfassung der aktuellen Temperatur des Energiespeichers. In Abhängigkeit der erfassten Temperatur entnehmen dabei die ersten Mittel elektrische Energie aus dem Energiespeicher und setzen diese in Wärmeenergie um und beheizen dadurch den elektrischen Energiespeicher. Auch hierdurch soll die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers insbesondere bei tiefen Außentemperaturen verbessert werden.
  • Aus der DE 10 2010 000 267 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeugbatterie bekannt, wobei über zumindest zwei Temperatursensoren eine Temperatur der Fahrzeugbatterie gemessen wird. Eine Kontrolleinheit bestimmt anschließend die Temperaturen an den Messpunkten und an dem mindestens einen weiteren Ort auf elektrischem oder numerischem Weg. Des Weiteren bestimmt die Kontrolleinheit eine Heizleistung und eine Heizdauer, mit welcher die Fahrzeugbatterie beaufschlagt wird. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis die an den Messpunkten über die zwei Temperatursensoren ermittelten Temperaturen an mindestens einem weiteren Ort über einen vorgegebenen Mindestwert ansteigen.
  • Aus der DE 10 2010 013 026 A1 ist ein elektrischer Energiespeicher mit einer Vielzahl von Batteriezellen bekannt. Letztere sind dabei elektrisch beheizbar. Auf einem Gehäuse der Batteriezellen ist dabei ein Heizdraht angeordnet und zugleich elektrisch gegenüber dem Gehäuse isoliert. Der Heizdraht und das Gehäuse sind von einer sie umgebenden Hülle gegenüber der Umgebung isoliert.
  • Aus der WO 2012/019740 A1 ist ein elektrischer Energiespeicher mit einem Elektrodenstapel, wenigstens einem Stromableiter, der mit dem Elektrodenstapel verbunden ist, und einer Umhüllung bekannt, die den Elektrodenstapel zumindest teilweise umschließt. In die Umhüllung des Energiespeichers ist wenigstens eine Heizvorrichtung integriert, die wenigstens eine vorzugsweise flächige Heizzone aufweist, die sich zumindest über einen Teilbereich der Umhüllung erstreckt.
  • Aus der WO 2012/016890 A1 ist ein Kombi-Wärmetauscher zum Heizen oder Kühlen einer Komponente eines Fahrzeuges bekannt. Dieser Kombi-Wärmetauscher kann dabei insbesondere zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie eingesetzt werden, wodurch deren Leistungsfähigkeit gesteigert werden kann.
  • Schließlich sind aus der EP 2 362 464 A1 , aus der US 2008/0226969 A1 sowie aus der US 2010/0151307 A1 weitere elektrische Energiespeichereinrichtungen, zum Teil mit Heizeinrichtungen, bekannt.
  • Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Energiespeichern ist, dass diese zwar kühlbar sind, die Kühlenergie zum Kühlen der Energiespeicher jedoch nicht optimal eingesetzt wird.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen elektrischen Energiespeicher der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine hohe Leistungsfähigkeit bei niedrigen Umgebungstemperaturen auszeichnet.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Leistungsfähigkeit eines elektrischen Energiespeichers, beispielsweise einer Traktionsbatterie in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug, durch eine Kühleinrichtung, die zum Kühlen des Energiespeichers insbesondere bei hohen Außentemperaturen dient, zu steigern, wobei die Kühleinrichtung nicht wahllos, beispielsweise zwischen einzelnen Batteriezellen des elektrischen Energiespeichers angeordnet ist, sondern einen Zellenterminal einer jeweiligen Batteriezelle mit jeweils einem Pluspol und einem Minuspol direkt kühlt und dadurch insbesondere den Energiefluss verbessert. Durch die erfindungsgemäße direkte Kühlung des Zellenterminals kann insbesondere bei hohen Außentemperaturen und hohen geforderten elektrischen Energieströmen, beispielsweise zum Starten des Kraftfahrzeugs, eine hohe Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers gewährleistet werden. Das Kühlen des Zellenterminals bzw. des Pluspols und/oder des Minuspols erfolgt dabei vorzugsweise über eine externe Spannung, das heißt nicht durch den Energiespeicher selbst.
  • Zweckmäßig ist zwischen den einzelnen Batteriezellen eine Heizeinrichtung zum Beheizen der Batteriezellen vorgesehen. Die Heizeinrichtung ist dabei in der Lage, die einzelnen dazu benachbarten Batteriezellen flächig zu beheizen, wodurch diese vergleichsweise schnell auf ihre Betriebstemperatur kommen und dadurch ihre maximale Leistungsfähigkeit entfalten können. Die Heizeinrichtung kann dabei als Heizfolie ausgebildet sein, welche sich problemlos flächig an die einzelnen Batteriezellen anlegt, sogar wenn diese als sogenannte Beutelzellen (pouch cells) ausgebildet sind. Bei einer Ausbildung als prismatische Batteriezellen bzw. quaderförmige Batteriezellen mit eigenem Gehäuse lässt sich die als Heizfolie ausgebildete Heizeinrichtung flächig und wärmeübertragend mit dem jeweiligen Gehäuse der Batteriezelle verbinden, wodurch ebenfalls eine vergleichsweise effektive Beheizung erfolgen kann.
  • Zweckmäßig ist eine weitere Kühleinrichtung zum Kühlen der Batteriezellen bzw. des elektrischen Energiespeichers, vorgesehen. Neben einem Beheizen der Batteriezellen bzw. des elektrischen Energiespeichers bei tiefen Außentemperaturen ist auch ein Kühlen der Batteriezellen bzw. des elektrischen Energiespeichers bei vergleichsweise hohen Außentemperaturen oder bei lang andauerndem Betrieb von Vorteil, da sich oberhalb einer vordefinierten Temperatur die Widerstände innerhalb des elektrischen Energiespeichers erhöhen und dadurch dessen Leistungsfähigkeit absinkt. Durch die aktive Kühlung des elektrischen Energiespeichers ist dieser selbst im Hochsommer bei Dauerbetrieb äußerst leistungsfähig.
  • Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein in besonderer Weise auf elektrische Energie angewiesenes Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Hybrid- oder ein Elektrofahrzeug, mit einem derartigen erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher als Traktionsbatterie auszustatten. Da Hybrid- oder Elektrofahrzeuge in besonderer Weise abhängig von der Leistungsfähigkeit ihrer elektrischer Energiespeicher sind, schafft die erfindungsgemäß in dem elektrischen Energiespeicher vorgesehene Kühleinrichtung zur direkten Kühlung des/der Zellenterminals eine spürbare Verbesserung hinsichtlich beispielsweise der Reichweite des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs.
  • Ist das Kraftfahrzeug beispielsweise als Hybridfahrzeug ausgebildet und weist somit einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor zum Antrieb auf, ist auch zum Kühlen des Verbrennungsmotors eine Kühleinrichtung vorgesehen, wobei die Kühleinrichtung zum Kühlen der Batteriezellen thermisch über einen Wärmetauscher mit der Kühleinrichtung für den Verbrennungsmotor gekoppelt sein kann. Ist dies der Fall, ist es möglich, mit dem vergleichsweise heißen Kühlmedium der Kühleinrichtung des Verbrennungsmotors nunmehr das Kühlmedium des Batteriekühlkreislaufs zu erwärmen, wodurch eine schnellere Erwärmung des elektrischen Energiespeichers, insbesondere bei tiefen Außentemperaturen erzielt werden kann.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
  • Dabei zeigen, jeweils schematisch
  • 1 eine Ansicht auf eine erfindungsgemäße Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers,
  • 2 eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher.
  • Entsprechend der 2, weist ein elektrischer Energiespeicher 1 mehrere Batteriezellen 2 auf, wobei jede Batteriezelle 2 einen Zellenterminal 3 mit jeweils einem Pluspol 4 und einem Minuspol 5 besitzt (vergleiche auch 1). Um nun die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 1 bei hohen Außentemperaturen steigern zu können, ist eine Kühleinrichtung 6 zur direkten Kühlung des Zellenterminals 3, das heißt zur direkten Kühlung des Plus- und Minuspols 4, 5, das heißt der Ableitungen der Batteriezelle 2 vorgesehen. Durch ein Kühlen des Zellenterminals 3 kann die Leistungsfähigkeit bei hohen Außentemperaturen und hohen geforderten elektrischen Strömen positiv beeinflusst werden.
  • Selbstverständlich kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 1 zwischen den einzelnen Batteriezellen 2 eine Heizeinrichtung 7 zum Beheizen der Batteriezellen 2 vorgesehen sein. Die Heizeinrichtung 7 kann beispielsweise als Heizfolie ausgebildet sein und sich flächig an eine Außenkontur der jeweiligen zu beheizenden Batteriezellen 2 anlegen. Die Batteriezellen 2 selbst können eine quaderförmige oder eine prismatische Außenkontur aufweisen, sie können jedoch aber auch als Beutelzellen ausgebildet sein, wobei in diesem Fall die Ausbildung der Heizeinrichtung 7 als Heizfolie von besonderem Vorteil ist. Beutelzellen (pouch cells) besitzen gegenüber anderen Batteriezellen mit einem festen Gehäuse den großen Vorteil, dass diese wesentlichen kostengünstiger zu fertigen sind.
  • Generell kann zusätzlich eine weitere Kühleinrichtung 8 vorgesehen sein, die die Batteriezellen 2 bei zu hohen Temperaturen kühlt und dadurch in einem für den Betrieb optimalen Temperaturfenster hält. Da der elektrische Widertand üblicherweise bei Metallen mit steigender Temperatur ansteigt, ist es günstig die Temperatur in einem begrenzten Fenster zu halten. Der elektrische Energiespeicher 1 kann beispielsweise als Traktionsbatterie in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildet sein, wobei sich hier die Terminalkühlung besonders vorteilhaft auswirkt, da bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen hohe elektrische Ströme zum Antrieb erforderlich sind. Die weitere Kühleinrichtung 8 zum Kühlen der Batteriezellen 2 kann rein theoretisch auch mit einer Kühleinrichtung 9 zum Kühlen eines Verbrennungsmotors 10 (vergleiche 2) über einen Wärmetauscher 11 wärmeübertragend verbunden sein, so dass mit dem sich vergleichsweise rasch erwärmenden Kühlmedium der Kühleinrichtung 9 das Kühlmedium der weitere Kühleinrichtung 8 für die Batteriezellen 2 zumindest bei tiefen Außentemperaturen erwärmt werden kann, wodurch insgesamt eine schnellere Erwärmung des elektrischen Energiespeichers 1 erfolgen kann.
  • Insgesamt kann mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher 1 eine effektive Leistungssteigerung erzielt werden, da ein definiertes und gerichtetes Kühlen der jeweiligen Zellenterminals 3 der einzelnen Batteriezellen 2 möglich ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2012/120090 A1 [0002]
    • DE 102006001714 A1 [0003]
    • DE 102010000267 A1 [0004]
    • DE 102010013026 A1 [0005]
    • WO 2012/019740 A1 [0006]
    • WO 2012/016890 A1 [0007]
    • EP 2362464 A1 [0008]
    • US 2008/0226969 A1 [0008]
    • US 2010/0151307 A1 [0008]

Claims (8)

  1. Elektrischer Energiespeicher (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mehreren Batteriezellen (2), wobei jede Batteriezelle (2) ein Zellenterminal (3) mit jeweils einem Pluspol (4) und einem Minuspol (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung (6) zur direkten Kühlung des/der Zellenterminals (3) bzw. des Pluspols (4) und/oder des Minuspols (5) vorgesehen ist.
  2. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Batteriezellen (2) eine Heizeinrichtung (7) zum Beheizen der Batteriezellen (2) vorgesehen ist.
  3. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) als Heizfolie ausgebildet ist.
  4. Elektrischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (2) als Beutelzellen, als quaderförmige oder als prismatische Zellen ausgebildet sind.
  5. Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Kühleinrichtung (8) zum Kühlen der Batteriezellen (2) vorgesehen ist.
  6. Elektrischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (1) als Traktionsbatterie in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildet ist.
  7. Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, mit einem elektrischen Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet ist und eine Kühleinrichtung (9) zum Kühlen eines Verbrennungsmotors (10) aufweist, wobei die weitere Kühleinrichtung (8) zum Kühlen der Batteriezellen (2) thermisch über einen Wärmetauscher (11) mit der Kühleinrichtung (9) für den Verbrennungsmotor (10) gekoppelt ist.
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