DE102012210146A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Heizen einer Batterie, Batterie und Kraftfahrzeug mit Batterie - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Heizen einer Batterie, Batterie und Kraftfahrzeug mit Batterie Download PDF

Info

Publication number
DE102012210146A1
DE102012210146A1 DE201210210146 DE102012210146A DE102012210146A1 DE 102012210146 A1 DE102012210146 A1 DE 102012210146A1 DE 201210210146 DE201210210146 DE 201210210146 DE 102012210146 A DE102012210146 A DE 102012210146A DE 102012210146 A1 DE102012210146 A1 DE 102012210146A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
battery
heating element
heating
cell
temperature sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE201210210146
Other languages
English (en)
Inventor
Eckart Reihlen
Jens Schneider
Anne Heubner
Christian Pankiewitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH, Samsung SDI Co Ltd filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE201210210146 priority Critical patent/DE102012210146A1/de
Priority to PCT/EP2013/061422 priority patent/WO2013186079A1/de
Publication of DE102012210146A1 publication Critical patent/DE102012210146A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/615—Heating or keeping warm
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/654—Means for temperature control structurally associated with the cells located inside the innermost case of the cells, e.g. mandrels, electrodes or electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/657—Means for temperature control structurally associated with the cells by electric or electromagnetic means
    • H01M10/6571—Resistive heaters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/63—Control systems
    • H01M10/637—Control systems characterised by the use of reversible temperature-sensitive devices, e.g. NTC, PTC or bimetal devices; characterised by control of the internal current flowing through the cells, e.g. by switching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Heizen einer Batterie (200) beschrieben, welche ein Heizelement (218), einen Temperatursensor (224), eine Spannungsversorgung (200) und ein Schaltelement (220), das die Spannungsversorgung (200) mit dem Heizelement (218) verbindet oder davon trennt, umfasst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Heizelement (218) in die Batterie (200) integriert ist. Ferner wird eine Batterie (200) mit wenigstens einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (200) vorgeschlagen, wobei die Lithium-Ionen-Batteriezelle (200) die Vorrichtung zum Heizen umfasst. Außerdem werden ein Kraftfahrzeug mit Batterie (200) und ein Verfahren zum Heizen einer Batterie (200) beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heizen einer Batterie und eine Batterie, mit wenigstens einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, wobei die Lithium-Ionen-Batteriezelle die Vorrichtung zum Heizen umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Heizen einer Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie und der Vorrichtung zum Heizen.
  • Stand der Technik
  • Viele herkömmliche Batterien weisen Temperaturabhängigkeiten auf. So reduzieren Umgebungstemperaturen unterhalb der Raumtemperatur, insbesondere unter 0 °C, die Batteriekapazität von Bleibatterien, von NiMH-Batterien und von Lithium-Ionen-Batterien. Bei Lithium-Ionen-Batterien wird dieser Effekt beispielsweise durch die temperaturabhängige Leitfähigkeit des Elektrolyten und des Innenwiderstands hervorgerufen. In der 1 sind Entladekurven einer herkömmlichen 18650 Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer 0,5C-Rate bei verschiedenen Temperaturen gezeigt. Bei Temperaturen unter 10 °C erfährt diese bekannte Batteriezelle bereits erkennbare Einbußen ihrer Kapazität.
  • Um solche Batteriezellen trotzdem effizient betreiben zu können, werden deren Gehäuse üblicherweise über einen externen Fluidkreislauf indirekt beheizt. Dazu ist eine erhebliche Energiemenge nötig, um die Temperatur im Batterieinneren anzuheben, da zunächst das Gehäuse der Batteriezelle und erst dann das Batterieinnere beheizt werden. Die Anwendung dieser bekannten indirekten Batterieheizungen, etwa bei Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen, verursacht eine verzögerte Inbetriebnahme der Traktionsbatterien und einen schlechten Wirkungsgrad, da die indirekte Batterieheizung Peripherie mitheizt.
  • Die DE 10 2008 054 943 A1 beschreibt ferner eine Batterieanordnung mit mehreren quaderförmigen Batterieelementen, die von Wärmetransportelementen umgeben sind und die von diesen geheizt oder gekühlt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Heizen einer Batterie zur Verfügung gestellt, welche ein Heizelement, einen Temperatursensor und eine Spannungsversorgung umfasst. Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Schaltelement, das die Spannungsversorgung mit dem Heizelement verbindet oder davon trennt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Heizelement in die Batterie integriert ist.
  • Eine erfindungsgemäße Batterie umfasst wenigstens eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, wobei die Lithium-Ionen-Batteriezelle die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heizen umfasst.
  • Außerdem wird ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, das eine Batterie und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heizen umfasst, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Heizen einer Batterie umfasst wenigstens folgende Schritte: Erfassen einer Temperatur in der Batterie mittels eines in der Batterie angeordneten Temperatursensors, Verbinden oder Trennen einer Spannungsversorgung mit bzw. von einem Heizelement mittels eines Schaltelements und Heizen der Batterie mittels des Heizelements, wobei das Heizelement in die Batterie integriert ist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das Integrieren des Heizelements in die Batterie umfasst vorzugsweise ein Einbauen in die Batterie bzw. ein darin Anordnen. Der Begriff Batterie umfasst insbesondere auch eine Batteriezelle oder eine sekundäre bzw. eine wiederaufladbare Batteriezelle. Ist die Batterie eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder eine Lithium-Polymer-Batteriezelle, so umfasst das Integrieren des Heizelements insbesondere ein Anordnen des Heizelements innerhalb der Batteriezelle, beispielsweise innerhalb eines Zellwickels einer solchen Batteriezelle.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch die integrierte Anordnung des Heizelements in der Batterie direkt heizen und vermeidet so weitgehend ein Mitheizen von Peripherie, z. B. Batteriegehäuse, Batteriesockeln etc. Dadurch kann sich der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöhen und die Batterie kann schneller auf eine bestimmte Betriebstemperatur geheizt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausbildung kann die Batterie selbst die Spannungsversorgung des Heizelements bilden. Alternativ kann eine weitere Batterie, beispielsweise eine Niedervoltbatterie, die Spannungsversorgung bilden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann das Heizelement eine Widerstandsschicht umfassen und die Batterie kann einen Separator oder einen ersten Polymerträger umfassen, auf dem die Widerstandsschicht angeordnet ist. Die Widerstandsheizschicht umfasst insbesondere Metall oder Cermet. Cermet ist im Allgemeinen ein Verbundwerkstoff aus Metall und Keramik, der unter anderem eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweist. Die Temperaturwechselbeständigkeit ist eine für Heizelemente vorteilhafte Eigenschaft.
  • Die Widerstandsschicht kann auf den ersten Polymerträger oder den Separator aufgedruckt, laminiert, aufgedampft oder auf ähnliche Weise darauf angeordnet sein, wobei der erste Polymerträger bzw. der Separator innerhalb der Batterie, der Batteriezelle bzw. des Zellwickels angeordnet ist. Der erste Polymerträger bzw. der Separator nimmt im Allgemeinen auch Elektrolyt der Batterie auf und kann dadurch eine Doppelfunktion in der Batterie übernehmen.
  • Ferner kann die Batterie eine wärmeleitfähige Zwischenschicht aufweisen, auf der die Widerstandsschicht angeordnet ist. Die Zwischenschicht weist vorzugweise eine Wärmeleitfähigkeit auf, die höher ist als die Wärmeleitfähigkeit umgebender Batteriebestandteile, wie z. B. Separator, positive Elektrode, negative Elektrode, Zellwickelfolie und dergleichen.
  • Ferner kann der Temperatursensor auf vorteilhafte Weise als flächiger resistiver Berührungs-Temperatursensor ausgebildet sein und die Batterie kann eine Zellwickelfolie oder einen zweiten Polymerträger umfassen, auf dem der Berührungs-Temperatursensor angeordnet ist. Die Zellwickelfolie ist insbesondere eine Verkleidung, Umhüllung oder Kapselung von flächigen Batteriebestandteilen.
  • Bei Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymerbatterien ist es im Allgemeinen notwendig, die Batteriebestandteile, das heißt insbesondere die flächigen Elektroden und den Elektrolyten wasserfrei mittels der Zellwickelfolie zu kapseln, da das Lithium in den Batteriebestandteilen ansonsten mit dem Wasser heftig reagieren würde. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und der Anordnung von Batteriepolen werden die gekapselten flächigen Batteriebestandteile aufgewickelt, das heißt, sie bilden also im Wesentlichen einen Zellwickel und werden vorzugsweise in einem quaderförmigen Metallgehäuse oder dergleichen angeordnet.
  • Die Zellwickelfolie kann eine vorteilhafte Doppelfunktion erfüllen, indem sie als Verkleidung, Umhüllung bzw. Kapselung von flächigen Batteriebestandteilen sowie als Träger des flächigen resistiven Berührungs-Temperatursensors wirkt.
  • Der zweite Polymerträger kann neben dem ersten Polymerträger bzw. Separator einen weiteren innerhalb des Zellwickels angeordneten Polymerträger bilden. Ferner kann der zweite Polymerträger im Zellkern des Zellwickels angeordnet bzw. Zellwickel umwickelt sein.
  • Bevorzugt weist das Heizelement einen positiven Temperaturkoeffizienten auf und wirkt als das Schaltelement. Materialien mit positivem Temperaturkoeffizienten, auch Kaltleiter oder PTC-Widerstand genannt, sind im Allgemeinen bei tiefen Temperaturen gut stromleitend, bei hohen Temperaturen jedoch schlecht leitend. Vorzugsweise ist das Heizelement aus einem Kaltleiter gebildet, der beim Aufheizen nahe einer bestimmten Solltemperatur, z. B. 35 °C, einen so hohen Widerstand aufweist, dass praktisch kein Strom mehr durch ihn fließen kann und das Heizelement dadurch abgeschaltet bzw. abgeregelt wird, das heißt im Wesentlichen von der Spannungsversorgung getrennt ist. Der positive Temperaturkoeffizient des Heizelements kann außerdem als Überhitzungsschutzmechanismus wirken. Das Heizelement und die Batterie können dadurch vor einem Überheizen geschützt werden.
  • Das Heizelement kann eine vorteilhafte Doppelfunktion erfüllen, indem es heizt und zusätzlich als das Schaltelement wirkt, das heißt ein ansonsten erforderliches diskretes Schaltelement ersetzt. Zusätzlich kann das Heizelement als Regelelement wirken, das durch seine Kaltleitercharakteristik den Strom durch das Heizelement je nach Temperatur kontinuierlich auf- oder abregelt.
  • Ferner wird eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, bei der das Heizelement, der Temperatursensor und das Schaltelement einen geschlossenen Regelkreis bilden können. Der Temperatursensor kann die Momentantemperatur bzw. IST-Temperatur innerhalb des Zellwickels ermitteln, das Heizelement ist währenddessen vorzugsweise über das geschlossene Schaltelement mit der Spannungsversorgung verbunden und heizt direkt in der Batterie. Wenn der Temperatursensor eine IST-Temperatur ermittelt, die einer gewünschten SOLL- bzw. Ziel-Temperatur entspricht, dann trennt das Schaltelement das Heizelement von der Spannungsversorgung, es wird dann nicht mehr geheizt. Die Batterie ist im aufgeheizten Zustand vorzugweise betriebsbereit.
  • Ferner ist es vorteilhaft, das Heizelement, den Temperatursensor und das Schaltelement in der Batterie bzw. im Zellwickel anzuordnen, das heißt nahe beieinander, da so Störungen des Regelkreises verringert werden können.
  • Als Regelkreis wird im Allgemeinen ein in sich geschlossener Wirkungsablauf für die Beeinflussung einer physikalischen Größe in einem technischen Prozess bezeichnet. Die physikalische Größe in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Temperatur, der technische Prozess ist das Heizen in der Batterie. Charakteristisch für den Regelkreis ist hierbei im Wesentlichen die Rückkopplung des aktuellen Temperaturmesswertes an einen Regler, insbesondere eine negative Rückkopplung, sowie ein kontinuierlicher bzw. bei digitalen Reglern ein zeitdiskreter Soll-Ist-Vergleich. Der Regler kann beispielsweise von einer Batteriemanagementeinheit gebildet sein.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass das Heizelement wechselweise als der Temperatursensor wirken kann. Wenn das Heizelement ein temperaturempfindliches Material, z. B. Platin umfasst, kann eine Batteriemanagementeinheit intermittierend das Heizelement für eine vorbestimmte erste Zeitdauer mit der Spannungsquelle verbinden und die Batterie heizen sowie nach Ablauf der ersten Zeitdauer das Heizelement von der Spannungsquelle trennen und anschließend für eine vorbestimmte zweite Zeitdauer mit einer Temperaturerfassungseinheit verbinden. Die Temperaturerfassungseinheit kann die physikalischen Eigenschaften des Heizelements ermitteln, beispielsweise den ohmschen Widerstand des Heizelements, und daraus Rückschlüsse auf die Temperatur innerhalb des Zellwickels ziehen.
  • Besonders können sich Lithium-Ionen-Batteriezellen für die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heizen eignen, da diese bei geringen Temperaturen, z. B. Temperaturen unter 10 °C oder unter 0 °C, starke Einbußen in ihrer Batteriekapazität erleiden.
  • Werden Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, in Kraftfahrzeugen eingesetzt, so kann die erfindungsgemäße Vorrichtung die Batterie beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen vor dem Anlassen oder während der Fahrt des Kraftfahrzeugs heizen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dafür sorgen, dass die Kraftfahrzeug-Batterien auf energiesparende Weise geheizt werden und schnell betriebsbereit sind.
  • Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung die Batterie im Kraftfahrzeug zeitgesteuert heizen. Es ist außerdem bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Anzeigevorrichtung, beispielsweise im Kraftfahrzeugarmaturenbrett, umfasst, die den Temperaturzustand der gesamten Batterie, einzelner Batteriemodule oder einzelner Batteriezellen signalisieren kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren regelt insbesondere das Heizelement mittels des Schaltelements in einem wenigstens teilweise geschlossenen Regelkreis.
  • Das Verfahren umfasst vorzugweise ein Festlegen einer unteren Grenztemperatur Tug und einer oberen Grenztemperatur Tog, wobei die Solltemperatur einer Batterie durch das Verfahren zum Heizen bevorzugt auf einen Bereich zwischen Tug gleich 10 °C und Tog gleich 35 °C geheizt wird.
  • Bevorzugt umfasst das Verfahren ein variables Auswählen der Solltemperatur in Abhängigkeit von einer weiteren Stellgröße, etwa der Umgebungstemperatur, der IST-Fluidtemperatur eines anderen Batterie-Heiz- bzw. Kühlsystems oder des Innendrucks der Batteriezelle.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt am Heizelement eine konstante Spannung der Spannungsversorgung an, die insbesondere gleich der Batteriespannung ist. Alternativ kann am Heizelement eine variable Spannung anliegen, die beispielsweise durch pulsweitenmoduliertes Ein- und Ausschalten der Batteriespannung mittels des Schaltelements oder eines weiteren Schaltelements erzeugt werden kann.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Diagramm einer temperaturabhängigen Batteriekapazität,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie, und
  • 3 eine Detailansicht des Ausführungsbeispiels von 2.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 2 ist eine Lithium-Ionen-Batteriezelle 200 gezeigt. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle 200 umfasst ein quaderförmiges Aluminiumgehäuse 202, das an wenigstens einer Stirnseite eine Öffnung aufweist. Die Öffnung ist mit einem Deckel verschließbar, in der 2 jedoch geöffnet gezeichnet. Im Inneren des Aluminiumgehäuses 202 ist ein Zellwickel 204 angeordnet. Der Zellwickel 204 umfasst ein aufgewickeltes bandförmiges Schichtmaterial, das mehrere schichtartige Batteriebestandteile aufweist.
  • Da Lithium-Ionen-Batteriezellen bei Temperaturen unter 10 °C und insbesondere unter 0 °C häufig starke Einbußen in Ihrer Batteriekapazität aufweisen, ist ein Heizen der Batteriezellen bei solchen Temperaturen erforderlich. Herkömmliche Batteriezellenheizungen heizen den Zellwickel jedoch nicht direkt, sondern sind außen am Aluminiumgehäuse angeordnet und heizen den Zellwickel nur indirekt.
  • In der 3 ist ein Abschnitt 206 des Zellwickels 204 gezeigt. Der Abschnitt 206 umfasst einen ersten Ableiter 208 zum Ableiten von Strömen. Der erste Ableiter 208 ist beispielsweise als Kupferfolie mit einer Dicke von etwa 10 µm ausgebildet. Am ersten Ableiter 208 ist eine Anodenschicht 210 angeordnet. Die Anodenschicht 210 ist beispielsweise aus Graphit gebildet und weist eine Dicke von etwa 60 µm auf. Dem ersten Ableiter 208 liegt ein zweiter Ableiter 212 gegenüber, der auch zum Ableiten von Strömen dient. Der zweite Ableiter 212 ist beispielsweise als Aluminiumfolie mit einer Dicke von etwa 15 µm ausgebildet. Am zweiten Ableiter 212 ist eine Kathodenschicht 214 angeordnet. Die Kathodenschicht 212 umfasst beispielsweise LiCoO2 und weist eine Dicke von etwa 150 µm auf. Die Anodenschicht 210 und die Kathodenschicht 214 liegen einander gegenüber, sind jedoch durch eine dazwischen angeordnete elektrisch isolierende Separatorschicht 216 getrennt. Die Separatorschicht 216 ist beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen gebildet und bildet einen ersten Polymerträger oder einen Separator. Zwischen erstem Ableiter 208 und zweitem Ableiter 212 liegt die Batteriezellenspannung Ubat an. Über entsprechende Klemmen an den Ableitern 208, 212 kann die Batteriezellenspannung Ubat beispielsweise an das Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs abgegeben werden.
  • An der Separatorschicht 216 ist eine Widerstandsschicht 218 angeordnet, die ein Heizelement bildet. Die Widerstandsschicht 218 ist mit dem ersten Ableiter 208 über ein Schaltelement 220 verbunden. Außerdem ist die Widerstandsschicht 218 mit dem zweiten Ableiter 212 verbunden. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle 200 bildet also eine Spannungsversorgung für das Heizelement.
  • Die Anordnung aus dem ersten Ableiter 208, der Anodenschicht 210, der Separatorschicht 216, der Kathodenschicht 214 und dem zweiten Ableiter 212 ist von einer Zellwickelfolie 222 umgeben, die beispielsweise ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel 204 verhindert. Zwischen der Zellwickelfolie 222 und dem ersten Ableiter 208 ist ein Berührungs-Temperatursensor 224 angeordnet. Der Berührungs-Temperatursensor 224 ist mit einer Temperaturerfassungseinheit 226 verbunden, zusammen ermöglichen die beiden die direkte Messung der Temperatur des Zellwickels 204.
  • Die Lithium-Ionen-Batterie 200 umfasst ferner einen Temperatur-Regelkreis, der wenigstens folgende Elemente aufweist: das Heizelement, das Schaltelement 220, den Berührungs-Temperatursensor 224, die Temperaturerfassungseinheit 226 und eine Batteriemanagementeinheit.
  • Der Regelkreis arbeitet mit folgendem Verfahren. Mittels des Berührungs-Temperatursensors 224 wird die IST-Temperatur des Zellwickels 204 regelmäßig erfasst. Liegt die IST-Temperatur über einer bestimmten oberen Grenztemperatur von beispielsweise 35 °C, wird der Zellwickel 204 nicht geheizt. Dazu steuert die Batteriemanagementeinheit das Schaltelement 220 derart an, dass die Widerstandsschicht 218 stromlos ist, das heißt nicht heizt. Liegt die IST-Temperatur unter einer unteren Grenztemperatur von beispielsweise 10 °C oder in einem Temperaturzwischenbereich von beispielsweise 10 °C bis 35 °C, steuert die Batteriemanagementeinheit das Schaltelement 220 derart an, dass die Widerstandsschicht 218 mit der Batteriezellenspannung Ubat verbunden ist, das heißt, sie heizt den Zellwickel 204 auf. Überschreitet die gemessene IST-Temperatur die obere Grenztemperatur, wird der Zellwickel 204 nicht mehr geheizt.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Widerstandsschicht 218 nicht mit der Batteriezellenspannung Ubat, sondern mit einer weiteren Kleinspannungsbatterie verbunden.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Widerstandsschicht 218 nicht an der Separatorschicht 216, sondern an einer wärmeleitfähigen Zwischenschicht 228 angeordnet, die beispielsweise zwischen der Separatorschicht 216 und dem zweiten Ableiter 212 angeordnet ist. Die Zwischenschicht 228 kann jedoch auch an der Zellwickelfolie 222, am ersten Ableiter 208, zwischen erstem Ableiter 208 und der Separatorschicht 216 oder dergleichen angeordnet sein. Die Widerstandsschicht 218 ist unabhängig von der genauen Anordnung direkt am oder innerhalb des Zellwickels 204 angeordnet, so dass der Zellwickel 204 direkt heizbar ist. Der Anordnung der Widerstandsschicht 218 an der Zwischenschicht 228 ist in der 3 durch die unterbrochen gezeichneten Leitungsstücke 230 Rechnung getragen.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel wirkt die Widerstandsschicht 218 je nach Beschaltung sowohl als Heizelement als auch als Berührungs-Temperatursensor. In diesem Ausführungsbeispiel können der separate Berührungs-Temperatursensor 224 und die Temperaturerfassungseinheit 226 entfallen. Die Widerstandsschicht 218 weist ferner einen positiven Temperaturgradienten auf und ist derart gebildet, dass sie bei Temperaturen über beispielsweise 35 °C einen derart hohen Widerstand aufweist, dass praktisch kein Strom mehr durch sie fließen kann, das heißt, die Widerstandsschicht 218 heizt dann nicht mehr. Der positive Temperaturgradient der Widerstandsschicht 218 ersetzt dadurch auch das Schaltelement 220 und die Steuerung des Schaltelements 220 durch die Batteriemanagementeinheit. Die Widerstandsschicht 218 ist stattdessen auf einfache Weise direkt mit der Batteriezellenspannung Ubat verbunden.
  • 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
    • DE 102008054943 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Heizen einer Batterie (200) mit einem Heizelement (218), einem Temperatursensor (224), einer Spannungsversorgung (200), einem Schaltelement (220), das die Spannungsversorgung (200) mit dem Heizelement (218) verbindet oder davon trennt, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (218) in die Batterie (200) integriert ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Heizelement (218) eine Widerstandsschicht (218) umfasst und bei welcher die Batterie (200) einen Separator (216) oder einen ersten Polymerträger (216) umfasst, auf dem die Widerstandsschicht (218) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Heizelement (218) eine Widerstandsschicht (218) umfasst und bei welcher die Batterie (200) eine wärmeleitfähige Zwischenschicht (228) aufweist, auf der die Widerstandsschicht (218) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Temperatursensor (224) als flächiger resistiver Berührungs-Temperatursensor (224) ausgebildet ist, und bei welcher die Batterie (200) eine Zellwickelfolie (222) oder einen zweiten Polymerträger (222, 228) umfasst, auf dem der Berührungs-Temperatursensor (224) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Heizelement (218) einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und als das Schaltelement (220) wirkt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher das Heizelement (218), der Temperatursensor (224) und das Schaltelement (220) einen geschlossenen Regelkreis bilden.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Heizelement (218) wechselweise als der Temperatursensor (224) wirkt.
  8. Batterie (200) mit wenigstens einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (200), wobei die Lithium-Ionen-Batteriezelle (200) die Vorrichtung zum Heizen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
  9. Kraftfahrzeug mit einer Batterie (200) und einer Vorrichtung zum Heizen der Batterie (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Batterie (200) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  10. Verfahren zum Heizen einer Batterie umfassend wenigstens folgende Schritte: Erfassen einer Temperatur in der Batterie mittels eines in der Batterie angeordneten Temperatursensors, Verbinden oder Trennen einer Spannungsversorgung mit bzw. von einem Heizelement mittels eines Schaltelements und Heizen der Batterie mittels des Heizelements, wobei das Heizelement in die Batterie integriert ist.
DE201210210146 2012-06-15 2012-06-15 Vorrichtung und Verfahren zum Heizen einer Batterie, Batterie und Kraftfahrzeug mit Batterie Ceased DE102012210146A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE201210210146 DE102012210146A1 (de) 2012-06-15 2012-06-15 Vorrichtung und Verfahren zum Heizen einer Batterie, Batterie und Kraftfahrzeug mit Batterie
PCT/EP2013/061422 WO2013186079A1 (de) 2012-06-15 2013-06-04 Vorrichtung und verfahren zum heizen einer batterie, batterie und kraftfahrzeug mit batterie

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE201210210146 DE102012210146A1 (de) 2012-06-15 2012-06-15 Vorrichtung und Verfahren zum Heizen einer Batterie, Batterie und Kraftfahrzeug mit Batterie

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102012210146A1 true DE102012210146A1 (de) 2013-12-19

Family

ID=48570146

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE201210210146 Ceased DE102012210146A1 (de) 2012-06-15 2012-06-15 Vorrichtung und Verfahren zum Heizen einer Batterie, Batterie und Kraftfahrzeug mit Batterie

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102012210146A1 (de)
WO (1) WO2013186079A1 (de)

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9478829B2 (en) 2013-05-16 2016-10-25 Ec Power, Llc Rechargeable battery with multiple resistance levels
DE102015106382A1 (de) 2015-04-24 2016-10-27 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Batterietemperierungsvorrichtung sowie deren Verwendung, Batteriesystem und Fahrzeug mit einem solchen, sowie Verfahren zum Heizen und/oder Kühlen einer Batterie
US9502708B2 (en) 2013-10-11 2016-11-22 Ec Power, Llc Ohmically modulated battery
DE102016208063A1 (de) * 2016-05-11 2017-11-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Beheizbare Batterie
DE102016208064A1 (de) * 2016-05-11 2017-11-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Beheizbare Batterie
DE102016208062A1 (de) * 2016-05-11 2017-11-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Beheizbare Batterie
DE102016208066A1 (de) * 2016-05-11 2017-11-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur einer Batteriezelle
US9882197B2 (en) 2013-10-11 2018-01-30 Ec Power, Llc All climate battery and manufacturing and using the same
DE102016214337A1 (de) * 2016-08-03 2018-02-08 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Festkörperbatterie
US10033071B2 (en) 2013-10-11 2018-07-24 Ec Power, Llc Ohmically modulated battery
US10186887B2 (en) 2014-07-28 2019-01-22 Ec Power, Llc Systems and methods for fast charging batteries at low temperatures
WO2019206563A1 (de) 2018-04-25 2019-10-31 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum betreiben einer lithiumionenbatterie, lithiumionenbatterie und kraftfahrzeug
WO2020001861A1 (de) * 2018-06-26 2020-01-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Batteriezelle mit integriertem heizelement
US10587021B2 (en) 2014-12-01 2020-03-10 Ec Power, Llc All solid state lithium battery
DE102018123910A1 (de) * 2018-09-27 2020-04-02 Webasto SE Batterie, insbesondere Lithium-Ionen Batterie
DE102021209949A1 (de) 2021-09-09 2023-03-09 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Vorrichtung zur Erwärmung einer Traktionsbatterie und Verfahren zur Erwärmung einer Traktionsbatterie
DE102022000888A1 (de) 2022-03-14 2023-09-14 Mercedes-Benz Group AG Batterieeinzelzelle, Batterie und Betriebsverfahren
US11936028B1 (en) 2020-07-13 2024-03-19 Ampcera Inc. Systems and methods for heating electrochemical systems

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018200581A1 (de) * 2018-01-15 2019-07-18 Audi Ag Batterie, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, und Verfahren zum Betreiben einer Batterie
WO2023039902A1 (zh) * 2021-09-18 2023-03-23 宁德新能源科技有限公司 一种电化学装置和电子装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008054943A1 (de) 2008-12-19 2010-07-01 Robert Bosch Gmbh Batterieanordnung

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2700064A (en) * 1950-12-22 1955-01-18 John D Akerman Self-heating wet storage cell battery
GB1204789A (en) * 1967-03-02 1970-09-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd Storage battery
JP2006351386A (ja) * 2005-06-16 2006-12-28 Mitsubishi Electric Corp 電池及びその製造方法
JP2008243708A (ja) * 2007-03-28 2008-10-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解質二次電池および非水電解質二次電池の製造方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008054943A1 (de) 2008-12-19 2010-07-01 Robert Bosch Gmbh Batterieanordnung

Cited By (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9478829B2 (en) 2013-05-16 2016-10-25 Ec Power, Llc Rechargeable battery with multiple resistance levels
US9882197B2 (en) 2013-10-11 2018-01-30 Ec Power, Llc All climate battery and manufacturing and using the same
US9502708B2 (en) 2013-10-11 2016-11-22 Ec Power, Llc Ohmically modulated battery
US9692087B2 (en) 2013-10-11 2017-06-27 Ec Power, Llc Ohmically modulated battery
US10033071B2 (en) 2013-10-11 2018-07-24 Ec Power, Llc Ohmically modulated battery
US10186887B2 (en) 2014-07-28 2019-01-22 Ec Power, Llc Systems and methods for fast charging batteries at low temperatures
US10587021B2 (en) 2014-12-01 2020-03-10 Ec Power, Llc All solid state lithium battery
DE102015106382A1 (de) 2015-04-24 2016-10-27 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Batterietemperierungsvorrichtung sowie deren Verwendung, Batteriesystem und Fahrzeug mit einem solchen, sowie Verfahren zum Heizen und/oder Kühlen einer Batterie
US20190081371A1 (en) * 2016-05-11 2019-03-14 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Heatable Battery
US10957952B2 (en) 2016-05-11 2021-03-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Heatable battery
DE102016208066A1 (de) * 2016-05-11 2017-11-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur einer Batteriezelle
CN108604714A (zh) * 2016-05-11 2018-09-28 宝马股份公司 可加热的电池
CN108701874A (zh) * 2016-05-11 2018-10-23 宝马股份公司 可加热的蓄电池
DE102016208062A1 (de) * 2016-05-11 2017-11-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Beheizbare Batterie
DE102016208064A1 (de) * 2016-05-11 2017-11-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Beheizbare Batterie
CN108604714B (zh) * 2016-05-11 2021-11-30 宝马股份公司 可加热的电池
DE102016208063A1 (de) * 2016-05-11 2017-11-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Beheizbare Batterie
DE102016214337A1 (de) * 2016-08-03 2018-02-08 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Festkörperbatterie
DE102018206383A1 (de) * 2018-04-25 2019-10-31 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Lithiumionenbatterie, Lithiumionenbatterie und Kraftfahrzeug
WO2019206563A1 (de) 2018-04-25 2019-10-31 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum betreiben einer lithiumionenbatterie, lithiumionenbatterie und kraftfahrzeug
WO2020001861A1 (de) * 2018-06-26 2020-01-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Batteriezelle mit integriertem heizelement
DE102018210417A1 (de) * 2018-06-26 2020-01-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Batteriezelle mit integriertem heizelement
DE102018123910A1 (de) * 2018-09-27 2020-04-02 Webasto SE Batterie, insbesondere Lithium-Ionen Batterie
DE102018123910B4 (de) 2018-09-27 2024-03-21 Webasto SE Batterie, bevorzugt Lithium-Ionen Batterie
US11936028B1 (en) 2020-07-13 2024-03-19 Ampcera Inc. Systems and methods for heating electrochemical systems
DE102021209949A1 (de) 2021-09-09 2023-03-09 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Vorrichtung zur Erwärmung einer Traktionsbatterie und Verfahren zur Erwärmung einer Traktionsbatterie
WO2023036510A1 (de) 2021-09-09 2023-03-16 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und verfahren zur erwärmung einer traktionsbatterie
DE102022000888A1 (de) 2022-03-14 2023-09-14 Mercedes-Benz Group AG Batterieeinzelzelle, Batterie und Betriebsverfahren

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013186079A1 (de) 2013-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102012210146A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Heizen einer Batterie, Batterie und Kraftfahrzeug mit Batterie
DE69908803T2 (de) Verbundelektrode mit ptc polymer
DE10202807B4 (de) Vorrichtung zur Temperierung von Hochleistungs-Sekundärbatterien für Fahrzeuganwendungen
DE102012215056B4 (de) Batteriesystem und Kraftfahrzeug
EP0933829B1 (de) Verfahren zur Verbesserung der Lade- und Entladefähigkeit von Akkumulatoren
DE112017007094T5 (de) Selbstheizende Batterie
DE112008001424T5 (de) Elektrische Speichervorrichtung und Fahrzeug
DE102014204245A1 (de) Energiespeichereinheit mit einer Mehrzahl von galvanischen Zellen, Batteriezelle für eine solche Energiespeichereinheit und Verfahren zur Herstellung der Batteriezelle
DE102015010925A1 (de) Zellverbindereinheit und/oder Zellspannungsabgriffseinheit
DE3002721A1 (de) Batterie und verfahren zum wiederaufladen einer batterie
DE102013221747A1 (de) Zellwickelfolie mit integrierter Heizung
EP2226886A1 (de) Batterie mit Ableiteinrichtung
DE102017110047A1 (de) Lithiumionenbatterie
DE102013012164A1 (de) Traktions-Batteriesystem und Verfahren zum Erwärmen einer Hochvolt-Batterie eines Traktions-Batteriesystems
DE102007031558A1 (de) Akkumulator und Akkupack
WO2011009619A1 (de) Elektrochemischer energiespeicher und verfahren zum kühlen oder erwärmen eines elektrochemischen energiespeichers
DE102013203196A1 (de) Batterie und Kraftfahrzeug
EP0310982B1 (de) Verfahren zur Vermeidung einer Überhitzung von Hochtemperatur-Speicherbatterien
DE102016213142A1 (de) Batteriezelle, Batteriemodul und Verfahren zur Herstellung
DE102013017397A1 (de) Rahmen für eine Rahmenflachzelle mit integriertem Überladeschutz und Rahmenflachzelle
DE102012018339A1 (de) Batterie
DE102015205153A1 (de) Schutzschaltung zum Ladungsausgleich von Batteriezellen einer Batterie sowie Batteriezelle
DE102010013026A1 (de) Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie
DE102021104787A1 (de) Batteriezelle für eine Batterie, Batterie und Verfahren zum Fertigen einer Batteriezelle
WO2015052006A1 (de) Batteriezelle und herstellungsverfahren für diese, sowie batterie

Legal Events

Date Code Title Description
R082 Change of representative

Representative=s name: BEE, JOACHIM, DIPL.-ING., DE

R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0010500000

Ipc: H01M0010650000

R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0010500000

Ipc: H01M0010650000

Effective date: 20131211

R012 Request for examination validly filed
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final