DE102012213855A1

DE102012213855A1 - Batterieladesystem für Fahrzeuge, umfassend eine stationäre Ladestation und eine mobile, im Fahrzeug angeordnete, Batterie

Info

Publication number: DE102012213855A1
Application number: DE201210213855
Authority: DE
Inventors: Michael Gless
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2014-02-06

Abstract

Es wird ein Batterieladesystem für Fahrzeuge (10) beschrieben, das eine stationäre Ladestation (11) und eine mobile, im Fahrzeug (10) angeordnete, Batterie (12) umfasst, wobei das Fahrzeug (10) mit einem Ladekabel (13) und einer Temperierleitung (14) an die Ladestation (11) anschließbar ist. Kennzeichnend ist, dass die Ladestation (11) einen Temperierkörper (15) aufweist, in welchem Temperiermittel aufnehmbar ist und die Batterie (12) Kühlelemente umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batterieladesystem für Fahrzeuge, umfassend eine stationäre Ladestation und eine mobile im Fahrzeug angeordnete Batterie. Die Ladestation weist einen Temperierkörper auf, in welchem ein Temperiermittel aufnehmbar ist und die Batterie umfasst Kühlelemente. Das Fahrzeug ist dabei mit einem Ladekabel und einer Temperierleitung an die Ladestation anschließbar.
Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das eine solche Batterie enthält und ein Verfahren zur Temperierung einer Batterie.
Stand der Technik
Aufgrund der relativ hohen Energiedichte werden Lithium-Ionen-Batterien vielfältig eingesetzt. Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist die Lithium-Ionen-Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Der Lithium-Ionen-Batterie wird eine Schlüsselrolle für die Elektrifizierung des Antriebssystems zugesprochen. Wie bei den meisten anderen elektrischen Energiespeichern ist auch bei Lithium-Ionen-Batterien die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit von der Temperatur abhängig. Bei tiefen Temperaturen sind die Ladefähigkeit und die Entnahme von Energie begrenzt, wohingegen bei hohen Temperaturen der Energiespeicher schneller altert. Auch bei zukünftigen Batterietechnologien wird es voraussichtlich eine gewisse Abhängigkeit von der Temperatur geben.
Derartige Lithium-Ionen-Zellen umfassen üblicherweise eine Elektrode, die Lithium-Ionen im Zuge der sogenannten Interkalation reversibel einlagern kann oder im Zuge der sogenannten Deinterkalation wieder auslagern kann. Die Interkalation erfolgt beim Ladeprozess der Batteriezelle und die Deinterkalation erfolgt bei der Entladung der Batteriezelle zur Stromversorgung von elektrischen Aggregaten.
Batteriesysteme sind meist aus einzelnen Einheiten (sogenannten Sub-Units) aufgebaut, die sich hinsichtlich der Integrationsstufe weiter in Batteriezellenmodule untergliedern lassen. Die Batteriezellenmodule werden aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen, wie z. B. Lithium-Ionen-Zellen, aufgebaut. Zur Fixierung werden diese Module miteinander verspannt.
Die Temperatur der Zellchemie beeinflusst die Alterung der Zelle. Werden Lithium-Ionen Zellen über Temperaturen von ca. 60° erwärmt, kommt es zunächst zur beschleunigten Alterung, bei Temperaturen ab 120° besteht die Gefahr eines „Thermal Runaway“, also einer exothermen Zersetzungsreaktion der Zelle.
Deshalb wird nach dem Stand der Technik bei Fahrzeug-Batterien ein Thermo-Management-System eingesetzt. Insbesondere mit Kühlflüssigkeit arbeitende Thermo-Management-Systeme sind technisch aufwändig. Die Zuverlässigkeit und Sicherheit eines Thermo-Management-Systems, wie beispielsweise Anforderungen an die Dichtheit, Wärmeübergänge und Regelung, sind schwer zu gewährleisten. Hinzu kommt, dass das Gewicht des Kühlsystems die Reichweite des Fahrzeuges schmälert. Luftgekühlte Systeme benötigen in der Regel eine Luftaufbereitung. Es kann kein dichtes oder geschlossenes System realisiert werden. Zudem zeigt sich, dass die Notwendigkeit einer Kühlung im normalen Fahrbetrieb und damit entsprechender Reichweite der Energie im Speicher durch die hohen Wärmekapazitäten der Zellen in der Regel nicht erforderlich ist. Ein Trend, der sich mit leichteren Fahrzeugen verstärkt.
Die DE 102010007975 A1 offenbart eine Ladestation für einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeuges, die eine Kühleinrichtung mit wenigstens einer an das Kraftfahrzeug anschließbare Kühlleitung zum Zuführen eines Kühlmittels zu dem Energiespeicher aufweist.
Aus der DE 000004408961 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie während eines Ladevorgangs an einer Ladestation bekannt. Es können mehrere Batterien gleichzeitig von einer einzigen Kühleinrichtung gekühlt werden, wobei sich die Kühleinrichtung in einer Ladestation befinden kann, die den Anschluss mehrerer Batterien erlaubt, oder es kann eine gemeinsame Kühleinrichtung für mehrere Ladestationen angeordnet sein.
Offenbarung der Erfindung
Ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik werden durch die vorliegende Erfindung behoben oder zumindest gemindert. Erfindungsgemäß wird ein Batterieladesystem für Fahrzeuge zur Verfügung gestellt, das eine stationäre Ladestation und eine mobile im Fahrzeug angeordnete Batterie umfasst, wobei das Fahrzeug mit einem Ladekabel und einer Temperierleitung an die Ladestation anschließbar ist. Kennzeichnend ist, dass die Ladestation einen Temperierkörper aufweist, in welchem Temperiermittel aufnehmbar ist und die Batterie Kühlelemente umfasst.
In der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Batterie um eine Lithium-Ionen-Batterie. Durch die Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was besonders im Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verlagerung der Temperierung von Batteriezellen in die stationäre Ladestation zu einer wesentlichen Gewichtsersparnis des Fahrzeuges führt, was die Reichweite des Fahrzeuges vergrößert. Zudem werden dadurch auch die Kosten des mobilen Teils des Batterieladesystems reduziert. Mit anderen Worten, durch die Verlagerung der Temperierung wird die Aufteilung eines Batterieladesystems in einen mobilen und stationären Anteil optimiert.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass dadurch die Temperierung und damit das Thermo-Management-System im mobilen System eingespart bzw. minimiert wird. Das bedeutet, dass das mobile Teil des Batterieladesystems vereinfacht wird. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass durch die Verlagerung der Temperierung die Ladestation von mehreren Benutzern genutzt werden kann. Ähnlich wie heutige Tankstellen kann die Ladestation zentralisiert werden. Für die gewöhnliche Ladung (über mehrere Stunden) ist dagegen ein einfaches leistungsgeregeltes Ladegerät ausreichend. Weiterhin wird dadurch auch der Fixkostenanteil von einzelnen Benutzern minimiert. Es wird zudem vorteilhaft ein optimiertes Kühlsystem für den Einsatz der gewünschten Ladedauer und Ladestrategie gewährleistet. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Kühlenergieeinsparung und Gewichtsersparnis die Reichweite des Fahrzeuges vergrößert wird. Weiterhin werden vorteilhaft die Kosten und die Komplexität reduziert.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Temperierkörper ein integraler Bestandteil der Ladestation. Dadurch, dass sich der Temperierkörper innerhalb der Ladestation befindet, wird vorteilhaft das Gewicht der Batterie reduziert und damit auch die Reichweite des Fahrzeuges vergrößert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperiermittel des Temperierkörpers Wärmekapazitäten und/oder phase-change Materialien sind. Durch die Verwendung dieser Materialien wird vorteilhaft eine optimale Kühlung der Batterie erreicht.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die Batterie eine thermoelektrische Kühlung aufweist. Der Vorteil bei der thermoelektrischen Kühlung ist die lange Betriebsdauer und der minimale Wartungsbedarf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kühlelement der Batterie ein Peltier-Element ist, welches zum Temperieren der Batterie vorgesehen ist. Dadurch wird vorteilhaft gewährleistet, dass die Kühlung der Batterie wesentlich vereinfacht wird.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Temperierleitung mittels tropffreiem Schnellverschluss-Adapter an die Batterie angeschlossen wird. Dadurch wird vorteilhaft eine schnelle Ladung der Batterie ermöglicht.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Ladestation eine Stromquelle auf, die mit dem Ladekabel an die Batterie schließbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ladekabel und die Temperierleitung als eine gemeinsame Verbindungseinheit zusammengefasst sind. Dadurch wird vorteilhaft die Aufladung der Batterie vereinfacht.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Temperierung einer Batterie mittels einem Thermo-Management-System, wobei das Thermo-Management-System in einen mobilen und einen stationären Anteil derart aufgeteilt ist, dass die Batterie mit Kühlelementen in einem Fahrzeug angeordnet ist und das Fahrzeug mit einer Ladestation derart verbunden ist, dass das Kühlen einer, mehrerer oder aller Zellen, die in einer Batterie angeordnet sind, durch eine, außerhalb der Batterie, angeordnete Ladestation mit Temperierkörper realisiert wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Batterieladesystems mit einer stationären Ladestation und einer mobilen, im Fahrzeug angeordneten, Batterie.
Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt ein Batterieladesystem für Fahrzeuge 10 mit einer stationären Ladestation 11 und einer, mobilen im Fahrzeug angeordneten, Batterie 12. Das Fahrzeug 10 ist dabei mit einem Ladekabel 13 und einer Temperierleitung 14 anschließbar. Die Ladestation 11 weist einen Temperierkörper 15 auf, in welchem Temperiermittel aufnehmbar ist. Der Temperierkörper 15 ist dabei ein integraler Bestandteil der Ladestation 11. Das bedeutet, dass sich der Temperierkörper 15 innerhalb der Ladestation 11 befindet.
Die 1 zeigt, dass die Batterie 12 Kühlelemente umfasst. Die Ladestation 11 ist dabei an einer – nicht dargestellten – Stromquelle angeschlossen. Die Temperiermittel des Temperierkörpers 15 sind Wärmekapazitäten und/oder phase-change Materialien. Das Kühlelement der Batterie 12 ist dabei ein Peltier-Element. Die Vorteile eines Peltier-Elements sind die geringe Größe und die Vermeidung jeglicher bewegter Bauteile. Dadurch wird beispielsweise kein Kompressor für die Kühlung der Batterie 12 benötigt.
Die Kühlung der Batterie 12 kann in unterschiedlicher Weise geschehen. Einerseits kann die Kühlung der Batterie 12 durch die Nutzung von passiven Kühlelementen wie Wärmekapazitäten und phase-change Materialien im Batteriesystem realisiert werden. Diese Kühlung ermöglicht ein einfaches Batterie- und Ladesystem. Bei dieser Variante wird die Leistung und Ladeleistung der Batterie 12 so geregelt, dass eine aktive Kühlung der Batterie 12 nicht erforderlich ist.
Andererseits kann die Kühlung der Batterie 12 durch das Schnell-Lade-System ermöglicht werden. Dabei wird die Kühlenergie mit der Ladeenergie an den mobilen Teil des Systems (also auf die Batterie 12) übertragen. Die Kühlung wird in diesem Fall mit der Temperierleitung 14 an das zu ladende System, beispielsweise mittels tropffreien Schnellverschluss-Adapter, angeschlossen. Diese Ladung ist für Ausnahmefälle gedacht, in denen die Ladung der Batterie 12 auf Zeit optimiert wird, d. h. für ein sogenanntes Schnell-Laden. So kann die Ladestation 11 auch zentral aufgestellt werden, wie beispielsweise in Tankstellen, Einkaufszentren, Banken, Poststellen oder Restaurants.
Ein anderer Ansatz für die Kühlung der Batterie 12 wäre die Nutzung thermoelektrischer Effekte, wie beispielsweise durch Peltier-Elemente. In diesem Fall wird nur elektrische Energie an die Batterie 12 übertragen. In Ausnahmefällen kann hier die Kühlenergie auch aus der Batterie 12 selbst kommen, aber aufgrund des niedrigen Wirkungsgrades sollte es minimiert werden. Das mobile Teil wird dadurch etwas aufwändiger, der stationäre Anteil jedoch einfacher und günstiger.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010007975 A1 [0010]
DE 000004408961 C1 [0011]

Claims

Batterieladesystem für Fahrzeuge (10), umfassend eine stationäre Ladestation (11) und eine mobile, im Fahrzeug (10) angeordnete, Batterie (12), wobei das Fahrzeug (10) mit einem Ladekabel (13) und einer Temperierleitung (14) an die Ladestation (11) anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation (11) einen Temperierkörper (15) aufweist, in welchem Temperiermittel aufnehmbar ist und die Batterie (12) Kühlelemente umfasst.
Batterieladesystem nach Anspruch 1, wobei der Temperierkörper (15) ein integraler Bestandteil der Ladestation (11) ist.
Batterieladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperiermittel des Temperierkörpers (15) Wärmekapazitäten und/oder phase-change Materialien sind.
Batterieladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie (12) eine thermoelektrische Kühlung aufweist.
Batterieladesystem nach Anspruch 4, wobei das Kühlelement der Batterie (12) ein Peltier-Element ist, welches zum Temperieren der Batterie (12) vorgesehen ist.
Batterieladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperierleitung (14) mittels tropffreiem Schnellverschluss-Adapter an die Batterie (12) angeschlossen wird.
Batterieladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladestation (11) eine Stromquelle aufweist, die mit dem Ladekabel (13) an die Batterie (12) schließbar ist.
Batterieladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ladekabel (13) und die Temperierleitung (14) als eine gemeinsame Verbindungseinheit zusammengefasst sind.
Kraftfahrzeug mit einer Batterie (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Batterie (12) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
Verfahren zur Temperierung einer Batterie (12), mittels einem Thermo-Management-System, wobei das Thermo-Management-System in einen mobilen und einen stationären Anteil derart aufgeteilt ist, dass die Batterie (12) mit Kühlelementen in einem Fahrzeug (10) angeordnet ist und das Fahrzeug (10) mit einer Ladestation (11) derart verbunden ist, dass das Kühlen einer, mehrerer oder aller Zellen, die in einer Batterie (12) angeordnet sind, durch eine außerhalb der Batterie (12) angeordnete Ladestation (11) mit Temperierkörper (15) realisiert wird.