-
Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug.
-
Stand der Technik
-
Im Allgemeinen ist bei Batteriesystemen eine Temperierung erforderlich, insbesondere dann, wenn unabhängig von der Umgebungstemperatur sofort hohe Leistungen bereitgestellt werden sollen, wie im Automotive-Bereich. Hierbei handelt es sich typischerweise um Lithiumionen-Batterien oder NiMH-(Nickel-Metallhydrid)-Batterien.
-
Unabhängig von der Zellchemie kann bei kalten Umgebungsbedingungen die zulässige Leistungsabgabe der Batterie unzureichend sein, weshalb eine Vortemperierung zur Erwärmung vorgenommen wird, um die gewünschte Verfügbarkeit für den Endnutzer sicherzustellen. Dazu werden typischerweise mehrere Einzelzellen gut leitend auf einer Temperierplatte angeordnet, was allgemein als Modul bezeichnet wird. Ein Batteriesystem besteht u.a. aus mehreren Modulen. In den Temperierplatten befindet sich normalerweise ein Rohrsystem. Die Module werden über ein weiteres Rohrsystem miteinander verbunden und im Betrieb mit einem Fluid durchspült. Es entstehen hierbei jedoch lange Wege bis die Wärme zu allen Modulen und Zellen transportiert wurde. Das Fluid, typischerweise eine Wasserglykol-Mischung, kann z.B. mit einem PTC-Element erwärmt werden.
-
Des Weiteren gibt es luftgekühlte Systeme auf dem Markt, wobei über ein Kanalsystem vortemperierte Luft an die Zellen innerhalb der Batterie herangeführt wird. Hierbei wird ebenfalls elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt und die Wärme wird über das Medium Luft transportiert. Dabei entstehen ebenfalls lange Wege.
-
Da die elektrischen und elektrochemischen Eigenschaften der Batteriezellen stark temperaturabhängig sind, muss insbesondere beim Betrieb der Zellen sichergestellt werden, dass die Temperatur innerhalb der gesamten Batterie möglichst wenig differiert. Typischerweise sollen die auftretenden Temperaturdifferenzen kleiner sein als 3K bis 5K.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung schafft ein Batteriesystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Induktionsspule mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
-
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung schafft ein Batteriesystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, aufweisend: wenigstens eine Induktionsspule, wobei ein Teil des Batteriesystems mittels der Induktionsspule beheizbar ausgebildet ist.
-
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein Batteriesystem bereitzustellen, dass direkt an den benötigten Stellen gezielt erwärmt werden kann. Dazu weist ein Zellgehäuse einer Zelle des Batteriesystems ein mittels Induktion beheizbares Material auf und/oder ein Temperierelement, welches benachbart oder in Kontakt mit dem Zellgehäuse angeordnet ist zum Heizen des Zellgehäuses. Auf diese Weise kann elektrische Energie direkt am benötigten Ort, also an den Batteriezellen in ihrer Gesamtheit oder zumindest einem Teil, in Wärme umwandelt werden.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das mittels der wenigstens einen Induktionsspule beheizbare Teil des Batteriesystems wenigstens ein Zellgehäuse einer Zelle des Batteriesystems und/oder ein Temperierelement. Dadurch kann einerseits das Zellgehäuse der Batteriezelle direkt induktiv geheizt werden oder ein Zellgehäuse, welches beispielsweise nicht aus einem induktiv beheizbaren Material besteht, zumindest mittels eines Temperierelements geheizt werden, das z.B. in Kontakt zu dem Zellgehäuse angeordnet ist.
-
Das Zellgehäuse und/oder das Temperierelement bestehen in Ausführungsformen der Erfindung aus einem mittels der Induktionsspule beheizbaren Material oder weisen wenigstens eine Schicht dieses Materials auf. Bei einem Schichtaufbau kann beispielsweise einen Innenschicht des Zellgehäuses aus einem für die Batteriezelle geeigneten chemisch resistenten Material hergestellt sein und die umgebende äußere Schicht aus einem induktiv heizbaren Material, z.B. eine ferromagnetischen Material.
-
In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist eine elektrisch isolierende Platte oder eine elektrisch isolierende Folie zwischen der Induktionsspule und dem Zellgehäuse der wenigstens einen Zelle und/oder zwischen der Induktionsspule und dem Temperierelement vorgesehen. Eine solche elektrisch isolierende Platte oder elektrisch isolierende Folie dient dazu einen Kurzschluss zwischen der Induktionsspule und der Zelle des Batteriesystems zu verhindern.
-
Die Induktionsspule kann in Ausführungsformen der Erfindung ein magnetisches Wechselfeld erzeugen. Dadurch werden Wirbelströme in dem induktiv beheizbaren Material des Zellgehäuses und der Temperierplatte erzeugt und diese Elemente dadurch schnell erwärmt.
-
Das Zellgehäuse der wenigstens einen Zelle weist in Ausführungsformen der Erfindung wenigstens eine innere Schicht aus einem wärmeleitenden Material, z.B. Aluminium, und eine äußere Schicht aus einem mittels Induktion beheizbaren Material auf, z.B. ein ferromagnetisches Material. Die Aluminiumschicht ist einerseits wärmeleitend und andererseits geeignet um eine Korrosion zu verhindern oder entgegenzuwirken. Die äußere Schicht aus einem mittels Induktion beheizbaren Material erwärmt wiederum das Zellgehäuse, wobei die äußere Schicht durch die innere Schicht aus einem wärmeleitenden und optional zusätzlich korrosionsbeständigen Material vor Korrosion geschützt ist und daher selbst beispielsweise nicht unbedingt korrosionsbeständig sein muss.
-
Die wenigstens zwei Schichten weisen in Ausführungsformen der Erfindung den gleichen oder einen möglichst ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dadurch dehnen sich die Schichten gleich oder im Wesentlichen gleich stark aus.
-
Die Induktionsspule weist in Ausführungsformen der Erfindung wenigstens einen Schalttransistor auf, welcher mittels eines Stromwandlers steuerbar und durch eine Gleichspannungsquelle speisbar ist. Dadurch kann beispielsweise auf einem im Fahrzeug vorhandene Gleichspannungsquelle zurückgegriffen werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Perspektivansicht eines Batteriesystems mit einer Induktionsspule gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
-
2 eine Draufsicht auf ein zweischaliges Zellgehäuse eines Batteriesystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
-
3 eine Perspektivansicht eines Batteriesystems mit einer Induktionsspule gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In 1 ist eine Perspektivansicht eines Batteriesystems 1 für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Induktionsspule 2 zum Heizen des Batteriesystems 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Batteriesystem 1 und die Induktionsspule 2 sind zum besseren Verständnis rein schematisch und stark vereinfach dargestellt.
-
Bei einem derartigen Batteriesystem 1, wie es in dem Ausführungsbeispiel in 1 gezeigt ist, werden einzelne Batteriezellen 3 oder Akkumulatorzellen zu einem Modul 4 zusammengeschaltet. Das Batteriesystem 1 kann beispielsweise zum Antrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, z.B. eines Elektroautos usw., eingesetzt werden, ohne jedoch auf diesen speziellen Anwendungsfall beschränkt zu sein.
-
Wie zuvor mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben wurde, kann bei kalten Umgebungsbedingungen die zulässige Leistungsabgabe eines Batteriesystems unzureichend sein.
-
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse 5 der Zellen 3 aus einem mittels Induktion beheizbaren Material, beispielsweise aus einem geeigneten Metall oder einer Metalllegierung. Das Gehäuse oder Zellgehäuse 5 ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel massiv ausgebildet, z.B. aus einer Eisenlegierung. Des Weiteren weist das Batteriesystem 1 die wenigstens eine Induktionsspule 2 auf, mit der das Batteriesystem 1 geeignet erwärmt werden kann.
-
Die wenigstens eine elektrische Spule oder Induktionsspule 2 zum Induktionsheizen von wenigstens einer Zelle des Batteriesystems 1 überträgt elektrische Energie in Form beispielsweise eines elektromagnetischen Wechselfeldes auf die Wände des Gehäuses 5 einer jeweiligen Zelle 3 des Batteriesystems 1, wobei die elektrische Energie dort in Wärme umgewandelt wird.
-
Wie in 1 dargestellt ist, ist beispielsweise unterhalb der Zellen 3 des Batteriesystems 1 und deren Zellgehäuse 5, z.B. Metallgehäuse, die wenigstens eine Induktionsspule 2 angeordnet. Die Induktionsspule 2 ist dabei, wie in dem Ausführungsbeispiel in 1 gezeigt ist, beispielsweise flach, einlagig und ausreichend groß, um sich z.B. hier über die gesamte Bodenfläche des Batteriesystems 1 mit seinen Zellen 3 zu erstrecken. Die stromdurchflossene Induktionsspule 2 kann hierbei beispielsweise als Hochfrequenzlitze vorgesehen sein, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Das magnetische Wechselfeld induziert in den darüber angeordneten Zellgehäusen 5 des Batteriesystems 1 durch Induktion Wirbelströme, die das induktiv heizbare Material der Gehäuse 5 und damit durch Wärmeübertragung das Zellinnere aufheizen.
-
Optional kann zusätzlich eine elektrisch isolierende Platte, insbesondere eine dünne Platte, oder eine elektrisch isolierende Folie 12 (mit einer gestrichelten Linie in 1 angedeutet) zwischen der Induktionsspule 2 und wenigstens einer oder allen Zellen 3 vorgesehen werden. Dadurch kann zusätzlich einem elektrischen Kurzschluss zwischen dem Batteriesystem 1 und der Induktionsspule 2 entgegengewirkt werden. Die Leiterbahnen der Spulen sollen nicht in direkten elektrischen Kontakt mit den metallischen Zellgehäusen 5 kommen. Deshalb wird für eine elektrische Isolierung gesorgt, z.B. durch eine Platte aus Glaskeramik, temperaturbeständigem Kunststoff, Glas und/oder Keramik. Eine geeignete Konstruktion mit Abstandshaltern zwischen Spule und Zellen und Luft als Isolationsschicht ist ebenfalls möglich. Alternativ oder zusätzlich kann die Spule außerdem durch einen geeigneten Lack elektrisch isoliert werden.
-
Optional kann eine derartige Platte zusätzlich eine mechanische Trägerfunktion für die Zellen 3 übernehmen. Prinzipiell ist eine Umsetzung vergleichbar mit einem Induktionsherd möglich, wobei die Zellen 3 auf der Platte (z.B. aus Glaskeramik) stehen und auf dieser mechanisch befestigt oder fixiert sind.
-
Die Induktionsspule 2 bildet, z.B. mit einem oder mehreren Kondensatoren (nicht dargestellt), einen Schwingkreis, der beispielsweise von IGBT-Schalttransistoren bzw. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode angetrieben wird. Die Schalttransistoren werden des Weiteren z.B. mit im Resonanzkreis liegenden Stromwandlern gesteuert und aus einer regelbaren Gleichspannung gespeist.
-
Die Gleichspannung kann beispielsweise aus einer an Bord des Fahrzeugs vorhandenen elektrischen Energiequelle entnommen werden, beispielsweise entweder aus einer HV-(Hochvolt) Batterie oder aus einer NV-(Niedervolt)Batterie des Fahrzeugs, in welchem das Batteriesystem 1 vorgesehen ist. Ebenso kann die Gleichspannung auch aus an dem Fahrzeug vorhandenen Solarzellen entnommen werden. Die zugehörige Regelung der Heizleistung der Induktionsheizvorrichtung erfolgt durch Einstellen oder Anpassen der DC-Spannung bzw. Gleichspannung. Die Höhe der Gleichspannung kann beispielsweise mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation eingestellt oder angepasst werden. Übliche Frequenzen liegen hierbei z.B. in einem Bereich von 20kHz bis 50kHz.
-
Für einen guten Wirkungsgrad der Wandlung elektromagnetischer Energie in Wärmeenergie weist das für das Zellgehäuse 5 eingesetzte Material einen höheren, vorzugsweise deutlich höheren, spezifischen elektrischen Widerstand auf als das Material der Induktionsspule 2, welche beispielsweise ein gut leitendes HF-(Hochfrequenz)-Kupfer aufweist. Das Zellgehäuse 5 wird daher beispielsweise aus einem ferromagnetischen Material gefertigt, z.B. einer Eisenlegierung. Dabei kann der Gehäuseboden der jeweiligen Zelle 3 des Batteriesystems 1 beispielsweise die gleiche oder eine größere Dicke wie die Gehäuseseitenwände und/oder der Gehäusedeckel der Zelle aufweisen.
-
Das ferromagnetische Material im Zellgehäuse 5 bündelt das elektromagnetische Wechselfeld in dem Zellgehäuse 5. Die eingekoppelte elektromagnetische Energie erzeugt Wirbelströme in den Außenflächen der Zelle 3. 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.
-
In 2 ist eine Draufsicht auf ein zweischaliges Zellgehäuse 5 eines Batteriesystems 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Zellgehäuse 5 weist dabei einen Gehäuseboden 8, Seitenwände 9 und einen Deckel 10 auf. Die Induktionsspule 2 zum Heizen der Zellgehäuse 5 ist dabei aus Gründen der Übersicht in 2 nicht dargestellt.
-
Wie in dem Ausführungsbeispiel in 2 gezeigt ist, kann alternativ zu massiven Zellgehäusen z.B. aus einem ferromagnetischem Material, wie einer Eisenlegierung in 1, auch ein Zellgehäuse 5 aus einem Schichtverbund mit mehreren Schichten eingesetzt werden. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, ist das Zellgehäuse 5 aus wenigstens zwei Schichten 6, 7 aufgebaut.
-
Die erste oder innere Schicht 6 des Gehäuses 5 ist beispielsweise aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Aluminium, und die zweite oder äußere Schicht 7 ist aus einem mittels Induktion beheizbaren Material, beispielsweise einem ferromagnetischen Material. Die innere Schicht 6 ist hierbei beispielsweise dünner als die äußere Schicht 7. Beide Schichten 6 und 7 weisen des Weiteren beispielsweise den gleichen oder einen möglichst ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Bei einem beispielsweise wenigstens zweischichtigen Aufbau wird dadurch für eine ausreichende mechanische Langzeitstabilität des Verbundes im Temperaturbereich von typischerweise –40°C bis 85°C gesorgt. Zusätzlich oder alternativ kann z.B. durch eine geeignete Legierung der Schichten für eine geeignete Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten gesorgt werden. Zusätzlich oder alternativ können die Zellen 3 mit einer Folien aus Aluminium umschlossen werden (wie bei Coffeebag-Zellen) und sich das ferromagnetische Gehäuse darum befinden, welches hierzu nur darüber geschoben wird.
-
In einer alternativen Ausführungsform des Batteriesystems 1 ist auch eine zusätzliche innere Beschichtung des Gehäuses beispielsweise aus ferromagnetischem Material vorsehbar, falls dies aus elektrochemischer Sicht erforderlich ist. Die Beschichtung selbst ist vorzugsweise chemisch resistent oder korrosionsbeständig sowie gut wärmeleitend.
-
In 3 ist des Weiteren eine Perspektivansicht eines Batteriesystems 1 mit einer Induktionsspule 2 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
-
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Batteriesystem 1 mehrere Batteriezellen 3 oder Akkumulatorzellen auf, die zu einem Modul 4 zusammengeschaltet sind. Wie die Zellgehäuse des Batteriesystems gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 sind die Zellgehäuse in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem induktiv beheizbaren Material, z.B. einem ferromagnetischen Material wie einer Eisenlegierung. Die Zellgehäuse 5 können statt massiv alternativ ebenso einen Schichtaufbau mit wenigstens zwei Schichten aufweisen, wie das zuvor mit Bezug auf 2 beschriebene Batteriesystem 1 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
-
Wie in dem Ausführungsbeispiel in 3 gezeigt ist, kann, wenn eine zusätzliche Temperierplatte 11 vorgesehen ist, auch diese aus einem mittels Induktion beheizbaren Material bestehen oder dieses zumindest aufweisen, z.B. ein ferromagnetisches Material. Auf der Temperierplatte 11 sind dabei die Zellen 3 des Batteriesystems 1 angeordnet, wie in dem Ausführungsbeispiel in 3 gezeigt ist. Die Temperierplatte 11 und die aus einem z.B. ferromagnetischen Material bestehenden Zellgehäuse 5 können über das Induktionsprinzip geheizt werden. Die Induktionsspule 2 ist dabei, wie in dem Ausführungsbeispiel in 3 gezeigt ist, beispielsweise flach, einlagig und ausreichend groß, um sich über die gesamte oder zumindest einen Teil der Bodenfläche der Temperierplatte 11 des Batteriesystems 1 mit seinen Zellen 3 zu erstrecken. Wie zuvor mit Bezug auf 1 beschrieben, kann die Induktionsspule 2 beispielsweise als Hochfrequenzlitze vorgesehen sein, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Das magnetische Wechselfeld induziert hierbei in der Temperierplatte 11 und den darauf angeordneten Zellen 3 des Batteriesystems 1 mit ihren Gehäusen 5 aus einem induktiv beheizbaren Material durch Induktion Wirbelströme, die das Material der Temperierplatte 11 und der Gehäuse 5 und damit durch Wärmeübertragung das Zellinnere aufheizen.
-
Alternativ kann in der Ausführungsform 3 die Induktionsheizung auf die Temperierplatte beschränkt werden und es können dann Zellen nach dem Stand der Technik, typischerweise mit einem reinen Aluminiumgehäuse verwendet werden. In der Temperierplatte wird dann die Wärme erzeugt und verteilt.
-
Wahlweise zusätzlich kann eine elektrisch isolierende Platte, insbesondere eine dünne Platte, oder eine elektrisch isolierende Folie (nicht dargestellt) zwischen der Temperierplatte 11 und wenigstens einer oder allen Zellen 3 vorgesehen werden und/oder eine elektrisch isolierende Platte und/oder elektrische Folie zwischen der Induktionsspule 2 und der Temperierplatte 11.
-
Die Induktionsspule 2 bildet beispielsweise mit einem oder mehreren Kondensatoren (nicht dargestellt) einen Schwingkreis, der z.B. von IGBT-Schalttransistoren bzw. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode angetrieben wird. Wie zuvor beschrieben können die Schalttransistoren z.B. mit im Resonanzkreis liegenden Stromwandlern gesteuert und aus einer regelbaren Gleichspannung gespeist werden.
-
Die direkte, elektrische Heizung von Batteriemodulen in einem Batteriesystem 1 basierend auf dem Induktionsprinzip hat die Vorteile, dass die Erwärmung der Zellen 3 schneller sowie deutlich homogener erfolgt. Insbesondere kann die Wärme direkt am erforderlichen Ort erzeugt werden, wodurch die Erwärmung sehr viel schneller und gezielter erfolgen kann und des Weiteren eine homogenere Temperaturverteilung mit einem niedrigen Temperaturgradienten erzielt werden kann. Auf diese Weise können geringe Temperaturunterschiede innerhalb des Batteriesystems 1, insbesondere beim Vortemperieren bei kalten Umgebungsbedingungen, eingehalten werden.
-
Funktionsbedingt wird nicht nur der Boden jeder Batteriezelle 3 erhitzt oder erwärmt sondern auch die Seitenwände, was eine bessere und schnellere Verteilung der Wärme zur Folge hat. Darüber hinaus ist die Reaktionszeit sehr kurz, da die Wärme beispielsweise nicht über ein Rohrsystem verteilt werden muss. Da die Wärme gemäß Ausführungsformen der Erfindung fast ausschließlich in der Zelle erzeugt wird, muss insgesamt eine geringere thermische Masse erwärmt werden.
-
Vorteilhaft ist auch, dass in Ausführungsformen der Erfindung die Module individuell angesteuert werden können, wenn z.B. Temperaturunterschiede bestehen oder wenn gezielt unterschiedliche Modultemperaturen eingestellt werden sollen.
-
Falls es die Batteriechemie erlaubt, ohne Kühlung auszukommen, kann des Weiteren gänzlich auf Kühlplatten, Rohrsysteme und Pumpen verzichtet werden. Durch das Weglassen des Rohrsystems und der Flüssigkeitsleitungen kann das Gewicht des Batteriesystems reduziert werden, was sich wiederum positiv auf die Energiedichte des Batteriesystems und damit auf dessen Leistungsfähigkeit auswirkt.
-
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems können eine oder mehrere elektrische Spulen oder Induktionsspulen 2 aufweisen. Die jeweilige Induktionsspule 2 kann dabei am Boden des Zellgehäuses 5 der Zellen 3 des Batteriesystems 1 vorgesehen sein, wie in den Ausführungsbeispielen in 1 und 3 gezeigt ist, an wenigstens einer Seitenwand (nicht dargestellt) und/oder dem Deckel (nicht dargestellt).
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere können die zuvor anhand der 1–3 beschriebenen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, insbesondere einzelne Merkmale.
