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Die Erfindung betrifft eine heizbare Batterievorrichtung mit mindestens einer Batteriezelle und ein entsprechendes Heizverfahren.
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Stand der Technik
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Häufig ist bei Batteriesystemen eine Temperierung erforderlich, insbesondere dann, wenn unabhängig von der Umgebungstemperatur sofort hohe Leistungen bereitgestellt werden muss, wie im Automotive-Bereich. Hierbei handelt es sich typischerweise um Lithiumionen- oder NiMH-Batterien. Unabhängig von der Zellchemie kann bei kalten Umgebungsbedingungen die zulässige Leistungsabgabe der Zellen unzureichend sein. Deshalb wird eine Vortemperierung zur Erwärmung der Zellen vorgenommen, um die gewünschte Verfügbarkeit der Leistung für den Endnutzer sicherzustellen. Da die elektrischen und elektrochemischen Eigenschaften der Batteriezellen stark temperaturabhängig sind, muss beim Betrieb der Zellen außerdem sichergestellt werden, dass die Temperatur innerhalb der gesamten Batterie möglichst wenig differiert. Die Temperaturdifferenzen dürfen nur wenige Kelvin betragen.
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Beispielsweise werden zur Erwärmung der Zellen typischerweise mehrere Einzelzellen thermisch gut leitend mit einer Temperierplatte zu einem Modul verbunden. In den Temperierplatten befindet sich ein Rohrsystem wie es beispielsweise in der
CA 2234727 C beschrieben ist. Ein Batteriesystem besteht aus mehreren Modulen. Diese werden über ein Rohrsystem miteinander verbunden und im Betrieb mit einem Fluid durchströmt. Das Fluid, typischerweise eine Wasser/Glykol-Mischung, wird mit einem PTC-Element vor dem Einströmen in die Batterie erwärmt und gibt dann diese Wärme wieder an die Zellen ab.
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Des Weiteren gibt es beispielsweise luftgekühlte Systeme auf dem Markt, wobei über ein Kanalsystem vortemperierte Luft an die Zellen innerhalb der Batterie herangeführt wird und diese Wärme dann schrittweise an die Zellen abgegeben wird.
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In beiden Fällen wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt und diese Wärme wird dann über ein Medium zu den Zellen, welche erwärmt werden sollen, transportiert. Die Wärme wird nicht direkt am erforderlichen Ort erzeugt sondern muss erst über ein Medium, welches seinerseits vorher erwärmt werden muss, zu den Zellen transportiert werden. Da die Batteriezellen auf einer Platte montiert sind und somit die Wärme nur von einer Seite, typischerweise von unten, an die Zellen gelangt, erfolgt die Erwärmung der Zelle dann nur von einer Seite her und die Wärme muss sich dann noch innerhalb der Zelle verteilen. Wegen der einzuhaltenden maximalen Temperaturdifferenz innerhalb einer Batterie, darf die Temperatur des Wärmeträgermediums am Eintritt in die Batterie nur wenig höher sein als die aktuelle Zelltemperatur. Aus beiden Einschränkungen folgt, dass die Erwärmung der Zellen im Falle tiefer Umgebungstemperaturen sehr lange dauern kann und damit die Fahrbereitschaft eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bei tiefen Umgebungstemperaturen nicht oder nur eingeschränkt besteht.
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Weiterhin gelangt die Wärme stets von außen über das Gehäuse in das Zellinnere, was zwangsläufig zeitweise zu großen Temperaturgradienten führt. Deshalb ist es schwer, die geforderten geringen Temperaturunterschiede innerhalb der Zelle insbesondere beim Vortemperieren bei tiefen Umgebungstemperaturen einzuhalten.
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Es ist daher wünschenswert die elektrische Energie direkt in der zu erwärmenden Zelle in Wärme umzuwandeln und dies nicht nur punktuell sondern ausgedehnt im Volumen innerhalb der gesamten Batteriezelle.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß Anspruch 1 eine heizbare Batterievorrichtung mit mindestens einer Batteriezelle, die folgende Komponenten aufweist: mindestens eine in ein Batteriezellengehäuse der mindestens einen Batteriezelle integrierte Induktionsspule; mindestens eine metallische Einrichtung in der mindestens einen Batteriezelle, in der, durch ein von der mindestens einen Induktionsspule erzeugbares elektromagnetisches Wechselfeld, Wirbelströme induzierbar sind, so dass die mindestens eine metallische Einrichtung durch das elektromagnetische Wechselfeld heizbar ist.
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Des Weiteren schafft die Erfindung ein entsprechendes Heizverfahren gemäß Anspruch 8.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die Erwärmung der Zellen wesentlich schneller sowie mit sehr viel höherer Temperaturhomogenität als nach dem Stand der Technik erfolgt. Funktionsbedingt wird nicht das Gehäuse von außen durch ein Medium erhitzt sondern das gesamte Volumen der Zelle in Form des Zellwickels, was nahezu keine Verzögerung durch Wärmeleitung mit sich bringt und gleichzeitig erfolgt. Deshalb entstehen selbst bei schnellen Aufheizvorgängen nahezu keine Temperaturgradienten innerhalb der Zellen. Darüber hinaus ist die Reaktionszeit minimal kurz, da die Wärme weder innerhalb der Zelle noch über ein Rohrsystem über längere Strecken verteilt werden muss. Da die Wärme erfindungsgemäß fast ausschließlich in der Zelle erzeugt wird, muss insgesamt eine geringere thermische Masse als beim Stand der Technik erwärmt werden. Die Integration der Induktionsspule direkt in das Batteriezellengehäuse reduziert weiterhin den Platzbedarf.
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Vorteilhaft ist auch, dass die Zellen individuell angesteuert und temperiert werden können, wenn z.B. Temperaturunterschiede bestehen oder wenn gezielt unterschiedliche Zelltemperaturen eingestellt werden sollen wie z.B. bei Batteriemodulen bestehend aus mehreren Zellen, die in einem Batteriedirektinvertersystem betrieben werden.
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Falls es die Batteriechemie erlaubt, ohne Kühlung auszukommen, kann gänzlich auf Kühlplatten, Rohrsystem und Pumpen verzichtet werden. Durch das Weglassen des Rohrsystems und der Flüssigkeitsleitungen kann das Gewicht der Batterie reduziert werden, was zu einer Erhöhung der Energie- und Leistungsdichte der Batterie führt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, wobei die mindestens eine metallische Einrichtung aus mindestens einem Zellwickel mit metallischen Elektroden besteht bzw. wobei die mindestens eine metallische Einrichtung aus mindestens einem Zellwickel mit metallischen Elektroden besteht, wobei mindestens eine der metallischen Elektroden ferromagnetisch ist bzw. wobei die mindestens eine metallische Einrichtung aus mindestens einem Zellwickel mit metallischen Elektroden besteht, von denen mindestens eine metallische Elektrode mit einem ferromagnetischen metallischen Material beschichtet ist bzw. wobei die mindestens eine metallische Einrichtung aus mindestens einem Zellwickel mit metallischen Elektroden besteht, von denen mindestens eine metallische Elektrode mehrlagig aufgebaut ist und mindestens eine Lage aus einem ferromagnetischen metallischen Material besteht, ergibt sich der Vorteil, dass die bisherige Bauform des Batteriezellengehäuses und der Batteriezelle selbst exakt übernommen werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer heizbaren Batterievorrichtung mit mindestens einer Batteriezelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Zellwickels einer heizbaren Batterievorrichtung mit mindestens einer Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung einer Elektrodenableiterfolie einer heizbaren Batterievorrichtung mit mindestens einer Batteriezelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
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4 eine schematische Darstellung einer heizbaren Batterievorrichtung mit mindestens einer Batteriezelle gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 ist eine schematische Darstellung einer heizbaren Batterievorrichtung mit mindestens einer Batteriezelle gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 10 ein Batteriezellengehäuse und Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Induktionsspule und 30 bezeichnet einen Zellwickel mit metallischen Elektroden.
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Kern der Erfindung ist eine direkte, interne, elektrische Heizung von Batteriezellen 10 durch eine oder mehrere im Gehäuse integrierte Induktionsspulen 20 zur Induktion von Wirbelströmen im Zellwickel 30 oder -Stapel. Entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung wird mittels der integrierten Induktionsspulen 20 die elektrische Energie in Form eines elektromagnetischen Wechselfeldes auf die Elektroden und/oder optional eine zusätzliche metallische Folie im Wickel- oder Stapelverbund 30 innerhalb der Zellen übertragen und dort in Wärme umgewandelt.
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Die Induktionsspule 20 bildet mit Kondensatoren einen Schwingkreis, der von IGBT- oder MOSFET-Schalttransistoren angetrieben wird. Die Schalttransistoren werden zum Beispiel mit im Resonanzkreis liegenden Stromwandlern gesteuert und aus einer regelbaren Gleichspannung gespeist. Diese wird entweder aus der HV-Batterie entnommen oder aus einer NV-Batterie im System. Die zugehörige Regelung der Heizleistung über die Höhe der DC-Spannung wird vorzugsweise mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation umgesetzt. Übliche Frequenzen liegen im Bereich von 20 bis 50 kHz. Vorzugsweise werden mehrere Spulen parallel zusammengefasst, z.B. innerhalb eines Moduls und mit einer gemeinsam Ansteuerung versehen.
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Für einen guten Wirkungsgrad der Wandlung elektromagnetischer in Wärmeenergie muss das für die Elektroden und/oder eine zusätzliche metallische Folie eingesetzte Material einen deutlich höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen als das gut leitende HF-Kupfer der Induktionsspule 20. Daher soll vorzugsweise ferromagnetisches Material verwendet werden wie z.B. Nickel.
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Ferromagnetisches Material bündelt das elektromagnetische Wechselfeld in demselben. Die eingekoppelte elektromagnetische Energie erzeugt Wirbelströme direkt innerhalb der Batteriezelle im Wickel bzw. Stapel 30. Die Aktivmaterialien der Zellen sind dabei durchgehend nur in Abständen im µm-Bereich von der Heizquelle entfernt. Aufgrund des ohmschen Widerstandes des ferromagnetischen Materials wird ein großer Teil der elektrischen Energie in thermische Energie umgesetzt. Ein weiterer Teil der im Magnetfeld gespeicherten Energie wird im Zellgehäuse durch Ummagnetisierungsverluste (Hysterese) ebenfalls in thermische Energie gewandelt.
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Dieses ferromagnetische Material muss an sich unter den in der Zelle herrschenden Gegebenheiten elektrochemisch stabil sein (z.B. gegenüber dem Elektrolyten) oder durch eine Oberflächenbehandlung / Versiegelung entsprechend stabilisiert werden.
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Es wird eine flache, bevorzugt einlagige, stromdurchflossene Induktionsspule 20 z.B. aus Hochfrequenzlitze gemäß 1 innerhalb des gesamten Batteriezellengehäuses 10 oder in Teilbereichen integriert, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses induziert durch Induktion direkt innerhalb dem Batteriezellengehäuse 10 über das ganze Volumen verteilt in einer oder mehreren Elektroden und/oder zusätzlichen metallischen Folien Wirbelströme. Das Gehäuse besteht außer der Induktionsspule 20 aus einem nichtleitenden Material, z.B. aus Kunststoff. Die metallischen ferromagnetischen Folien sind Teil eines Wickelverbunds 30 oder Stapels und durchziehen somit das gesamte Zellinnere, was zu einer sehr gleichförmigen und sehr schnellen Erwärmung führt. Als Träger dieser Funktion können auch die ohnehin vorhandenen Elektroden herangezogen werden, wobei mindestens eine davon aus metallischem Material mit ferromagnetischen Eigenschaften besteht. So kann auf der negativen Seite zum Beispiel eine Nickelfolie als Träger eingesetzt werden.
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2 ist eine schematische Darstellung eines Zellwickels einer heizbaren Batterievorrichtung mit mindestens einer Batteriezelle gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In 2 bezeichnet Bezugszeichen 10 ein Batteriezellengehäuse, Bezugszeichen 30 einen Zellwickel mit metallischen Elektroden 40, 50 und Bezugszeichen 40 eine positive Elektrode, Bezugszeichen 50 eine negative Elektrode. Bezugszeichen 60 ist eine metallische ferromagnetische Einrichtung, beispielsweise eine ferromagnetische metallische Folie oder eine ferromagnetische metallische Schicht auf der negativen Elektrode 50. Separator, Elektrolyt sind nicht dargestellt. Die in dem Batteriezellengehäuse 10 untergebrachte Induktionsspule zur Erregung des elektromagnetischen Wechselfeldes ist ebenfalls nicht dargestellt.
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Die zweite Ausführungsform der Erfindung ist grundsätzlich analog der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der auch eine zusätzliche Folie 60 aus ferromagnetischem Material in den Wickel/Stapel 30 gemäß 2 eingebracht werden kann oder eine/beide der Elekrodenableiterfolien der Elektroden 40, 50 aus einem mehrlagigen Material hergestellt werden kann/können, wobei ein ferromagnetisches Material, welches dann in der Zelle vor allem für die Entstehung der Wärme sorgt, mit einem weiteren Metall beschichtet ist, welches wiederum eine optimale Anbindung des Elektrodenmaterials erlaubt und mit diesem dauerhaft verträglich ist. Gleichermaßen kann einer der Elektrodenableiter der Elektroden 40, 50 mit ferromagnetischem Material 60 beschichtet werden.
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3 ist eine schematische Darstellung einer Elektrodenableiterfolie einer heizbaren Batterievorrichtung mit mindestens einer Batteriezelle gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
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In 3 bezeichnet Bezugszeichen 70 eine Elektrodenableiterfolie, 60a eine ferromagnetische metallische Schicht und Bezugszeichen 80 eine Elektrodenkontaktierung.
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Die dritte Ausführungsform der Erfindung ist grundsätzlich analog der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei hier das ferromagnetische Material als metallische ferromagnetische Schicht 60a an einem oder beiden Rändern einer Elektrodenableiterfolie 70 der Elektrode mitgeführt wird, etwa in Form eines Nickelbandes an den Kanten eines Kupfer-Ableiters wie aus 3 hervorgeht. Die Elektrodenableiterfolie 70, die am Rande mit einer metallischen ferromagnetischen Schicht 60a verbunden ist, wird für den Einbau in die Zelle mit der aktiven Elektrode beschichtet, anschließend in den Zellwickel eingewickelt oder gefaltet und im Zellgehäuse verbaut.
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4 ist eine schematische Darstellung einer heizbaren Batterievorrichtung mit mindestens einer Batteriezelle gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung.
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In 4 bezeichnet Bezugszeichen 10 ein Batteriezellengehäuse und Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Induktionsspule und 30 bezeichnet einen Zellwickel mit metallischen Elektroden.
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Die vierte Ausführungsform der Erfindung ist grundsätzlich analog der ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei wie in 4 dargestellt ist auch mehrere Zellwickel 30 oder Bizellen in einem gemeinsamen Batteriezellengehäuse 10 untergebracht sein können, diese mechanische Einheit kann immer äußerlich als eine Zelle erscheinen oder aber auch schon als Zellenmodul in Erscheinung treten, etwa indem die Zellpole von außen sichtbar angeordnet sind. Bei einem solchen Aufbau können dann durch eine, in diesem Batteriezellengehäuse 10 befindliche Induktionsspule 20 mehrere Zellwickel 30 bzw. Einzelzellen umfasst werden, so dass mit einer Induktionsspule 20 gleichzeitig in mehreren elektrochemischen Speicherzellen Wärme erzeugt werden kann.
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Die Anschlüsse der im Batteriezellengehäuse 10 integrierten Induktionsspule 20 können entweder auf derselben Zellenseite oder Zellenkante positioniert sein, sie können aber auch an verschiedenen Seiten, Ecken oder Kanten des Batteriezellengehäuses 10 angeordnet sein. Teile der Induktionsspulen Zu- oder Ableitungen oder auch der Induktionsspule 20 selber, können so im Batteriezellengehäuse 10 positioniert und fixiert sein, dass sie neben der Funktion des Erzeugens des elektromagnetischen Feldes auch noch mechanische Funktionen abdecken können, etwa indem sie das Gehäuse mechanisch Stabilisieren.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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