DE102013013170A1

DE102013013170A1 - Batterie mit Temperiereinrichtung und Verfahren zum Temperieren einer Batterie

Info

Publication number: DE102013013170A1
Application number: DE201310013170
Authority: DE
Inventors: Andreas Gruhle; Norbert Wiesheu
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie (1) mit einer Batterie-Einzelzelle (2, 2'), einer Temperaturüberwachungseinrichtung (3) für die Batterie und/oder die Batterie-Einzelzelle und einem Batterie-Management-System (4). Die Pole (5, 5') der Batterie-Einzelzelle (2, 2') sind elektrisch mit je einem elektrischen Leiter (6, 6'), die elektrischen Leiter (6, 6') sind elektrisch mit einem Halbleiterschalter (7, 7') und der Halbleiterschalter (7, 7') ist mit dem Batterie-Management-System (4) verbunden. Das Batterie-Management-System (4) ist dazu eingerichtet, den Halbleiterschalter (7, 7') zu schließen und zu öffnen, derart, dass bei einem Schließen des Halbleiterschalters (7, 7') die Pole (5, 5') der Batterie-Einzelzelle (2, 2') kurzgeschlossen sind, wobei als vorgebbares Kriterium für das Schließen des Halbleiterschalters (7, 7') in dem Batterie-Management-System (4) eine erste vorgebbare Schwellentemperatur der Batterie (1) und/oder der Batterie-Einzelzelle (2, 2') gespeichert ist, derart, dass unterhalb der ersten Schwellentemperatur der Halbleiterschalter (7, 7') mittels des Batterie-Management-Systems (4) geschlossen werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zum Temperieren oder Entladen einer Batterie.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Temperiereinrichtung und ein Verfahren zum Temperieren einer Batterie.
Als Traktionsspeicher bzw. Energiespeicher moderner Elektrofahrzeuge bzw. elektrisch antreibbarer Fahrzeuge (z. B. Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge) werden aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energie- und Leistungsdichte derzeit vorwiegend wiederaufladbare Lithium-Batterien (Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien) verwendet. In geringerem Umfang kommen auch andere Batterietypen zum Einsatz, wie beispielsweise wiederaufladbare Nickel-Metallhydrid-Batterien.
In diesen Traktionsspeichern werden Batterie-Einzelzellen in Reihe geschaltet, um die für die Traktion eines Elektrofahrzeugs erforderliche elektrische Spannung zu erhalten. Mehrere der so erhaltenen Batteriemodule können auch parallel zueinander geschaltet werden, um eine ausreichende Stromstärke zu gewährleisten. Die so erhaltenen Batterien werden oftmals auch als Hochvolt-Batterien (HV-Batterien) bezeichnet.
Weitgehend unabhängig von der verwendeten Technologie besitzen derartige HV-Batterien die Eigenschaft, dass die entnehmbare Leistung ihrer Batterie-Einzelzellen bei niedrigen und sehr niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, zu gering ist, um die Leistungsanforderungen (z. B. Kaltstart, Fahrleistung eines Fahrzeugs) zu erfüllen.
Daher ist es bekannt, beheizbare HV-Batterien zu verwenden, um auch bei niedrigen und sehr niedrigen Umgebungstemperaturen eine ausreichende Leistungsfähigkeit der HV-Batterien zur Verfügung zu haben. Hierbei wird eine möglichst schnelle Aufwärmung der Einzelzellen angestrebt, um die Einzelzellen auf die definierte Betriebstemperatur/Leistungsfähigkeit zu bringen.
Da HV-Batterien während des regulären Betriebs vergleichsweise viel Abwärme erzeugen und sich beispielsweise die Lebensdauer von Lithium-Batterien bei zu hohen Betriebstemperaturen stark verkürzt, sind HV-Batterien in aller Regel mit einem Kühlsystem versehen. Bei diesen Kühlsystemen wird häufig ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel zum Temperieren der HV-Batterie verwendet.
Bei HV-Batterien, welche ein solches Kühlsystem aufweisen, kann das zur Kühlung genutzte Kühlmittel beim Start der HV-Batterie zum Aufheizen der HV-Batterie verwendet werden. Hierfür wird in das Kühlmedium typischerweise über einen Heizwiderstand oder eine externe Heizvorrichtung Wärme eingetragen, welche dann zur Temperierung der HV-Batterie verwendet werden kann.
Bei diesem Vorgehen wird jedoch die komplette HV-Batterie mit allen Komponenten erwärmt, wobei die Batterie-Einzelzellen als letztes Element auf Betriebstemperatur kommen. Neben dem damit verbundenen Zeitaufwand wird hierbei Batterieenergie benötigt, und das zu einem Zeitpunkt, an dem diese von der Batterie nur bedingt bereitgestellt werden kann.
Aus dem US-Patent US 6,882,061 B1 ist eine Vorrichtung bekannt, die mit einer Energiespeichereinrichtung (Batterie) zur Stromversorgung eines elektrischen Motors verbunden ist und die eine Erwärmungsfunktion für die Energiespeichereinrichtung bereitstellt. Die Vorrichtung weist eine Schaltung zum Erzeugen eines Wechselstroms auf, die mit dem Elektromotor und der Energiespeichereinrichtung verbunden ist, und Schaltmittel, die funktionsfähig mit der Schaltung verbunden sind, zum selektiven Leiten des Wechselstroms an den elektrischen Motor oder den Energiespeicher. Wird Wechselstrom durch die Batteriezellen des Energiespeichers geleitet, werden diese erwärmt.
Die US 6,072,301 A hat eine Schaltung zum Beheizen einer Energiespeichereinrichtung zum Gegenstand, wobei die Schaltung eine Schalteinrichtung mit einem geschlossenen Zustand und einen offenen Zustand umfasst. Die Schaltung umfasst auch eine Speicherschaltung zum Speichern von Energie. Die Speicherschaltung hat eine Resonanzfrequenz. Weiter ist eine Steuereinrichtung zum Betreiben der Schalteinrichtung vorgesehen. Im Betrieb wird Energie aus der Energiespeichereinrichtung zu der Speicherschaltung übertragen, während sich die Schalteinrichtung im geöffneten Zustand befindet, und zurück aus der Speicherschaltung zu der Energiespeichereinrichtung während die Schaltvorrichtung im geschlossenen Zustand befindet. Dieser Energietransfer führt zu einer Erwärmung des Energiespeichers.
Und die DE 10 2010 032 088 A1 beschreibt ein Verfahren zum Beheizen eines Batteriesystems mit wenigstens zwei Batterien oder Batterieabschnitten, wobei die Beheizung des Batteriesystems durch das abwechselnde Laden und Entladen des Batteriesystems mit einem Wechselstrom erfolgt. Die Beaufschlagung mit dem Wechselstrom ist für die eine Batterie oder den einen Batterieabschnitt phasenversetzt zur Beaufschlagung mit Wechselstrom der anderen Batterie oder des anderen Batterieabschnitts. Die Wechselströme sind so phasenversetzt, dass mit dem Batteriesystem auch während des Beheizens eine zumindest annähernd konstante Spannung bereitgestellt wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Batterie und ein einfacheres Verfahren zum raschen Temperieren einer Batterie bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst und weitere Vorteile werden erzielt durch die Batterie gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird eine Batterie mit wenigstens einer Batterie-Einzelzelle, wenigstens einer Temperaturüberwachungseinrichtung für die Batterie und/oder die Batterie-Einzelzelle und einem Batterie-Management-System vorgeschlagen. Die Batterie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pole der wenigstens einen Batterie-Einzelzelle elektrisch mit je einem elektrischen Leiter verbunden sind, die elektrischen Leiter elektrisch mit einem Halbleiterschalter verbunden sind, der Halbleiterschalter mit dem Batterie-Management-System verbunden ist, und das Batterie-Management-System dazu eingerichtet ist, den Halbleiterschalter zu schließen und zu öffnen, derart, dass bei einem Schließen des Halbleiterschalters die Pole der Batterie-Einzelzelle kurzgeschlossen sind, wobei als vorgebbares Kriterium für das Schließen des Halbleiterschalters in dem Batterie-Management-System eine erste vorgebbare Schwellentemperatur der Batterie und/oder der Batterie-Einzelzelle gespeichert ist, derart, dass unterhalb der ersten Schwellentemperatur der Halbleiterschalter mittels des Batterie-Management-Systems geschlossen werden kann.
Die erfindungsgemäße Batterie hat den Vorteil, dass beispielsweise bei einem Kaltstart eines Elektrofahrzeugs oder eines anderen elektrischen Verbrauchers die Pole der Batterie-Einzelzelle(n) einer Batterie kurzgeschlossen werden können. Der bei niedrigen Temperaturen moderate Kurzschlussstrom erwärmt aufgrund des Zellinnenwiderstands das Zellinnere, also die Batterie genau dort, wo die Wärme benötigt wird. Hierdurch kann auf schnellstmöglichem Weg erreicht werden, dass die Batterie ihre volle Leistung erbringt und beispielsweise die Kaltstartphase eines Fahrzeugs minimiert wird. Und aufgrund der in dem Batterie-Management-System hinterlegten ersten Schwellentemperatur werden die Pole der Batterie-Einzelzelle(n) nur unterhalb einer vorgebbaren definierten Schwellentemperatur kurzgeschlossen, wodurch die Betriebssicherheit der Batterie gewährleistet ist.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Batterie ist/sind als vorgebbare(s) Kriterium/Kriterien für das Öffnen des Halbleiterschalters in dem Batterie-Management-System eine zweite vorgebbare Schwellentemperatur der Batterie oder der Batterie-Einzelzelle, ein vorgebbarer Schwellenwert für die Stärke des zwischen den Polen der Batterie-Einzelzelle fließenden elektrischen Stroms, und/oder ein vorgebbarer Schwellenwert für die Zeitdauer des Stromflusses gespeichert, derart, dass bei einem Übersteigen der zweiten Schwellentemperatur, des Schwellenwerts für die Stromstärke und/oder des Schwellenwerts für die Zeitdauer des Stromflusses der Halbleiterschalter geöffnet wird oder bleibt.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Batterie ist der Halbleiterschalter ein Bipolar-Schalter, ein MOS-Schalter (MOS = Metal Oxide Semiconductor; Metalloxid-Halbleiter) oder ein IGBT-Schalter (IGBT = Insulated-Gate Bipolar Transistor; Bipolar-Transistor mit isolierter Gate-Elektrode). Halbleiterschalter sind für verschiedenste Stromstärken verfügbar und zeichnen sich durch ihre hohe Verschleißfreiheit und kurze Schaltgeschwindigkeiten aus.
Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Batterie ist zum Schalten des Halbleiterschalters ein Optokoppler vorgesehen. Mittels eines Optokopplers kann die Signal- und die Leistungsseite des Halbleiterschalters voneinander getrennt und gleichzeitig ein sicheres Schalten des Halbleiterschalters unabhängig von der daran anliegenden Spannung erreicht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Batterie ist diese eine Hochvolt-Lithium-Batterie oder eine Hochvolt-Nickel-Metallhydrid-Batterie mit mehreren Batterie-Einzelzellen, sind die Pole jeder Batterie-Einzelzelle elektrisch mit je einem elektrischen Leiter verbunden, sind diese elektrischen Leiter jeder Batterie-Einzelzelle elektrisch mit je einem Halbleiterschalter verbunden, und sind die Halbleiterschalter in Parallelschaltung mit dem Batterie-Management-System verbunden.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn bei der erfindungsgemäßen Batterie ein zum Halbleiterschalter seriell geschalteter Widerstand vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Temperieren oder Entladen einer erfindungsgemäßen Batterie. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Batterie und/oder wenigstens einer Batterie-Einzelzelle der Batterie gemessen wird und bei einem Einschalten eines elektrischen Verbrauchers, der zu seinem Betreiben Strom von der Batterie benötigt, oder bei Signalisierung eines Schadensereignisses bezüglich des elektrischen Verbrauchers, der Batterie, einer Batterie-Einzelzelle und/oder einer den elektrischen Verbraucher und/oder die Batterie enthaltenden Vorrichtung, die Pole der Batterie-Einzelzelle(n) mittels eines Halbleiterschalters kurzgeschlossen werden, sofern die gemessene(n) Temperatur(en) kleiner ist/sind als eine in dem Batterie-Management-System der Batterie gespeicherte erste vorgebbare Schwellentemperatur.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird oder bleibt das Kurzschließen der Pole der Batterie-Einzelzelle(n) bei Übersteigen einer vorgebbaren zweiten Schwellentemperatur der Batterie oder von wenigstens einer Batterie-Einzelzelle, eines vorgebbaren Schwellenwerts für die Stärke des Stromflusses zwischen den Polen der Batterie-Einzelzelle, und/oder eines vorgebbaren Schwellenwerts für die Zeitdauer des Stromflusses beendet.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist/sind bei Signalisierung eines Schadensereignisses bezüglich des elektrischen Verbrauchers, der Batterie, einer Batterie-Einzelzelle und/oder einer den elektrischen Verbraucher und/oder die Batterie enthaltenden Vorrichtung (ein) höhere(r)/größere(r) Wert(e) für die erste Schwellentemperatur der Batterie oder von wenigstens einer Batterie-Einzelzelle, die zweite Schwellentemperatur der Batterie oder von wenigstens einer Batterie-Einzelzelle, den Schwellenwert für die Stärke des Stromflusses zwischen den Polen der Batterie-Einzelzelle, und/oder den Schwellenwert für die Zeitdauer des Stromflusses vorgebbar, als bei einem Einschalten eines elektrischen Verbrauchers, der zu seinem Betreiben Strom von der Batterie benötigt.
Und gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist die Länge des Schwellenwerts für die Zeitdauer des Stromflusses in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Batterie und/oder wenigstens einer Batterie-Einzelzelle der Batterie vor dem Schließen des/der Halbleiterschalter(s) variierbar.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt in schematischer Ansicht einen möglichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterie.
Die Darstellungen in der Figur sind rein schematisch und nicht maßstabsgerecht. Innerhalb der Figur sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Wie in der Figur schematisch dargestellt ist, weist eine erfindungsgemäße Batterie 1 wenigstens eine Batterie-Einzelzelle 2, 2', wenigstens eine Temperaturüberwachungseinrichtung 3 für die Batterie 1 und/oder die Batterie-Einzelzelle 2, 2' und ein Batterie-Management-System 4 auf. Die Pole 5, 5' der wenigstens einen Batterie-Einzelzelle 2, 2' sind elektrisch mit je einem elektrischen Leiter 6, 6' verbunden und die elektrischen Leiter 6, 6' sind wiederum elektrisch mit einem Halbleiterschalter 7, 7' verbunden. Der Halbleiterschalter 7, 7' ist mit dem Batterie-Management-System 4 verbunden ist, und das Batterie-Management-System 4 ist dazu eingerichtet, den Halbleiterschalter 7, 7' zu schließen und zu öffnen, derart, dass bei einem Schließen des Halbleiterschalters 7, 7' die Pole 5, 5' der Batterie-Einzelzelle 2, 2' kurzgeschlossen sind.
Als vorgebbares Kriterium für das Schließen des Halbleiterschalters 7, 7' ist in dem Batterie-Management-System 4 eine erste Schwellentemperatur der Batterie 1 und/oder der Batterie-Einzelzelle 2, 2' gespeichert, derart, dass unterhalb der ersten Schwellentemperatur der Halbleiterschalter 7, 7' mittels des Batterie-Management-Systems 4 geschlossen werden kann.
Wie oben bereits erwähnt, besitzen derzeitig verfügbare Batterien, wie sie beispielsweise für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs verwendbar sind, die Eigenschaft, dass die entnehmbare Leistung ihrer Batterie-Einzelzellen mit sinkenden Temperaturen geringer wird und bei niedrigen und sehr niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, so gering ist, dass beispielsweise die Fahrzeuganforderungen (Kaltstart, Fahrleistung) nicht mehr erfüllt werden können.
Daher wird als erste Schwellentemperatur eine Temperatur gewählt werden, von der in Abhängigkeit von der jeweiligen Batterietechnologie und der gegebenen Leistungsanforderung an die Batterie 1 bekannt oder durch eine wenige Versuche herausfindbar ist, dass unterhalb dieser Temperatur die Batterie 1 die Leistungsanforderung nicht erfüllt.
Als erste Schwellentemperatur kann beispielsweise eine Temperatur von –30°C, –25°C, –20°C, –15°C, –10°C, –5°C, 0°C, +5°C oder +10°C festgelegt sein. Selbstverständlich kann auch jeder andere, hier nicht explizit genannte Temperaturwert innerhalb des Bereichs von –30°C bis +10 C als erste Schwellentemperatur festgelegt sein.
Unterhalb der ersten Schwellentemperatur weisen die Batterie-Einzelzellen 2, 2' einer Batterie 1 einen so hohen Zellinnenwiderstand auf, dass bei einem Kurzschluss zwischen den Polen 5, 5' der Batterie-Einzelzelle 2, 2' nur ein vergleichsweise moderater Kurzschlussstrom fließt. Dieser vergleichsweise moderate Kurzschlussstrom schädigt einerseits die Batterie-Einzelzelle 2, 2' nicht, führt andererseits jedoch zu einer raschen Erwärmung der Batterie-Einzelzelle 2, 2', was mit einer Erhöhung der Zellspannung bzw. einer Erniedrigung des Zellinnenwiderstands und damit mit einer Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Batterie 1 verbunden ist.
Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird erfindungsgemäß also die Batterie 1 genau dort erwärmt, wo die Wärme gebraucht wird, nämlich in der/den Batterie-Einzelzelle(n) 2, 2'. Und es kann so auf schnellstmöglichem Weg erreicht werden, dass die Batterie 1 ihre volle Leistungsfähigkeit zur Verfügung stellen kann. Hierdurch kann beispielsweise die Kaltstartphase eines Fahrzeugs minimiert werden.
Wie gerade erwähnt, fließt, wenn erfindungsgemäß mittels des Batterie-Management-Systems 4 die Pole 5, 5' einer Batterie 1 durch den/die Halbleiterschalter 7, 7' kurzgeschlossen wurden, ein Kurzschlussstrom durch die Batterie-Einzelzellen 2, 2' und die Batterie-Einzelzellen 2, 2' werden hierdurch erwärmt. Mit steigender Temperatur sinkt der Zellinnenwiderstand, was wiederum den fließenden Kurzschlussstrom erhöht. Um eine Beschädigung der Batterie-Einzelzellen 2, 2' durch den Kurzschlussstrom und die damit verbundene Erhöhung der Temperatur der Batterie-Einzelzellen 2, 2' zu verhindern, und um einen unnötigen Energieverlust zu vermeiden, sollten ein oder mehrere Abbruchkriterien definiert sein, d. h. Kriterien, bei denen der Kurzschluss zwischen den Polen 5, 5' durch das Batterie-Management-System 4 aufgehoben wird oder bleibt.
Als vorgebbare(s) Kriterium/Kriterien für das Öffnen des/der Halbleiterschalters 7, 7' kann in vorteilhafter Weise in dem Batterie-Management-System 4 eine zweite vorgebbare Schwellentemperatur der Batterie 1 oder der Batterie-Einzelzelle 2, 2', ein vorgebbarer Schwellenwert für die Stärke des Stromflusses zwischen den Polen 5, 5' der Batterie-Einzelzelle(n) 2, 2', und/oder ein vorgebbarer Schwellenwert für die Zeitdauer des Stromflusses gespeichert sein, derart, dass bei einem Übersteigen der zweiten Schwellentemperatur, des Schwellenwerts für die Stärke des Stromflusses und/oder des Schwellenwerts für die Zeitdauer des Stromflusses der/die Halbleiterschalter 7, 7' geöffnet wird/werden oder bleibt/bleiben.
Die zweite Schwellentemperatur ist aufgrund der Charakteristika der Batterie 1 bzw. der Batterie-Einzelzellen 2, 2', nämlich bei einer höheren Temperatur einen geringeren Zellinnenwiderstand aufzuweisen, höher als die erste Schwellentemperatur. Als zweite Schwellentemperatur kann eine Temperatur gewählt werden, von der in Abhängigkeit von der jeweiligen Batterietechnologie und der gegebenen Leistungsanforderung an die Batterie 1 bekannt oder durch eine wenige Versuche herausfindbar ist, dass ab dieser Temperatur die Batterie 1 die Leistungsanforderung erfüllt. Ein weiteres Kriterium für die zweite Schwellentemperatur ist selbstverständlich, dass eine solche zweite Schwellentemperatur gewählt wird, bei deren Erreichen die Stärke des sich einstellenden Kurzschlussstroms noch zu keiner Schädigung der Batterie 1 bzw. von Batterie-Einzelzellen 2, 2' führen kann.
Die zweite Schwellentemperatur kann entweder als Absolutwert gespeichert sein (z. B. –25°C, –20°C, –15°C, –10°C, –5°C, 0°C, +5°C, +10°C, +15°C, +20°C, wobei selbstverständlich auch jeder andere, hier nicht explizit genannte Temperaturwert innerhalb des Bereichs von –25°C bis +20 C als zweite Schwellentemperatur festgelegt sein kann), oder als Differenzwert zur ersten Schwellentemperatur (z. B. als eine um 1°C, 5°C, 10°C, 15°C, 20°C, 25°C, 30°C, 35°C, 40°C, 45°C oder 50°C höhere Temperatur als die erste Schwellentemperatur, wobei selbstverständlich auch jede andere, hier nicht explizit genannte Differenz innerhalb des Bereichs von bis zu 50°C Differenz für die zweite Schwellentemperatur festgelegt sein kann).
Wie in der Figur angedeutet ist, wird mittels einer Temperaturüberwachungseinrichtung 3 die Temperatur der Batterie 1 und/oder die Temperatur der Batterie-Einzelzelle(n) 2, 2' überwacht. Hierzu können ein oder mehrere mit der Temperaturüberwachungseinrichtung 3 verbundene Temperatursensoren 8 im Inneren eines in der Figur nicht dargestellten Batterie-Gehäuses verwendet werden, und/oder ein oder mehrere mit der Temperaturüberwachungseinrichtung 3 verbundene Temperatursensoren 8', 8'' in oder an einer/den Batterie-Einzelzelle(n) 2, 2'.
Bei derzeitig gebräuchlichen HV-Batterien wird oftmals nicht die Temperatur jeder Batterie-Einzelzelle 2, 2' überwacht, sondern es sind beispielsweise pro 20 bis 30 Batterie-Einzelzellen 2, 2' zwischen 2 und 4 Temperatursensoren 8, 8', 8'' vorgesehen. Die Anzahl und Anordnung der Temperatursensoren 8, 8, 8'' ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt und es kann jede geeignete Anzahl und Anordnung verwendet werden.
Da aufgrund des bei einem Kurzschluss der Pole 5, 5' fließenden Kurzschlussstroms eine sehr rasche Temperaturerhöhung in den Batterie-Einzelzellen 2, 2' erfolgen kann, sind sehr rasch reagierende Temperatursensoren 8, 8, 8'' vorteilhaft. Weiter kann es von Vorteil sein, insbesondere die Werte der Temperatursensoren 8', 8'' in oder an einer/den Batterie-Einzelzelle(n) 2, 2' zu berücksichtigen. Übersteigt die gemessene Temperatur den Wert der zweiten Schwellentemperatur, wird/werden mittels des Batterie-Management-Systems 4 der/die Halbleiterschalter 7, 7' geöffnet und bleiben geöffnet, zumindest bis die gemessene Temperatur nicht wieder einen Wert unterhalb der ersten Schwellentemperatur erreicht.
Alternativ oder ergänzend zur Temperaturüberwachung kann nach dem Schließen des/der Halbleiterschalter(s) 7, 7' die Stärke des Stroms überwacht werden, der durch die elektrischen Leiter 6, 6' und den/die Halbleiterschalter 7, 7' fließt. Der aktuelle Stromstärke durch die elektrischen Leiter 6, 6' und den/die Halbleiterschalter 7, 7' kann verzögerungsfrei oder quasi verzögerungsfrei mit Hilfe einer geeigneten (in der Figur nicht dargestellten) Strommesseinrichtung gemessen und die gemessenen Werte können ebenfalls verzögerungsfrei oder quasi verzögerungsfrei an das Batterie-Management-System 4 signalisiert werden. Übersteigt die gemessene Stromstärke einen vorgebbaren Schwellenwert, wird/werden mittels des Batterie-Management-Systems 4 der/die Halbleiterschalter 7, 7' geöffnet und bleiben geöffnet, zumindest bis die Temperatur der Batterie 1 und/oder der Batterie-Einzelzellen 2, 2' nicht wieder einen Wert unterhalb der ersten Schwellentemperatur erreicht hat.
Ebenso kann alternativ oder ergänzend zur Temperaturüberwachung und/oder Messung der aktuellen Stromstärke der Kurzschluss-Zeitraum mittels einer Zeitüberwachung des fließenden Stroms geregelt werden. Hierbei kann ein Schwellenwert für den Zeitraum, nach dem der/die Halbleiterschalter 7, 7' geöffnet werden, entweder als eine feste Zeitdauer festgelegt werden oder als eine Zeitdauer, deren Länge in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Batterie 1 und/oder der Batterie-Einzelzellen 2, 2' vor dem Schließen des/der Halbleiterschalter 7, 7' variiert. Dabei gilt der Grundsatz, dass die Zeitdauer umso kürzer ist, umso höher die gemessenen Temperatur der Batterie 1 und/oder der Batterie-Einzelzellen 2, 2' vor dem Schließen des/der Halbleiterschalter(s) 7, 7' ist. Als vorgebbare Zeitdauer für den Stromfluss kann dabei ein Zeitraum von etwa 1 ms, 5 ms, 10 ms, 20 ms, 30 ms, 40 ms, 50 ms, 100 ms, 200 ms, 300 ms, 400 ms, 500 ms, 600 ms, 700 ms, 800 ms, 900 ms, 1 s, 1,2 s, 1,4 s, 1,6 s, 1,8 s oder 2 s gewählt werden, wobei selbstverständlich auch jede andere, hier nicht explizit genannte Zeitdauer innerhalb des Bereichs von 1 ms bis 2 s als Schwellenwert für die Zeitdauer festgelegt sein kann.
Erfindungsgemäß können selbstverständlich die Temperatur der Batterie 1 und/oder der Batterie-Einzelzelle(n) 2, 2', die Stromstärke zwischen den kurzgeschlossenen Polen 5, 5' und die Zeitdauer des Stromflusses zwischen den kurzgeschlossenen Polen 5, 5' überwacht bzw. gemessen werden, und der/die Halbleiterschalter 7, 7' geöffnet werden bzw. bleiben, sobald einer der entsprechenden Schwellenwerte überschritten wird/ist.
Die in der erfindungsgemäßen Batterie 1 verwendbaren Halbleiterschalter 7, 7' sind nicht besonders beschränkt, sind bevorzugt jedoch ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Bipolar-Schalter, MOS-Schalter und IGBT-Schalter. Die Halbleiterschalter 7, 7' müssen entsprechend dem zu erwartenden kurzfristigen Kurzschlussstrom ausgelegt sein, der beispielsweise etwa zwischen 200 und 500 A betragen kann. Halbleiterschalter zeichnen sich durch ihre hohe Verschleißfreiheit und kurze Schaltgeschwindigkeiten aus.
In bevorzugter Weise ist bei der erfindungsgemäßen Batterie 1 zum Schalten des/der Halbleiterschalter(s) 7, 7' ein Optokoppler vorgesehen. Mittels eines Optokopplers kann die Signal- und die Leistungsseite des Halbleiterschalters 7, 7' voneinander getrennt und gleichzeitig ein sicheres Schalten des Halbleiterschalters 7, 7' unabhängig von der daran anliegenden Spannung erreicht werden. Beispielsweise können bei der erfindungsgemäßen Batterie 1 der/die Halbleiterschalter 7, 7' in Parallelschaltung an einer entsprechenden (optischen) Ringleitung angeschlossen sein.
Die erfindungsgemäße Batterie 1 ist in bevorzugter Weise eine Hochvolt-Lithium-Batterie oder eine Hochvolt-Nickel-Metallhydrid-Batterie mit mehreren Batterie-Einzelzellen 2, 2', bei der die Pole 5, 5' jeder Batterie-Einzelzelle 2, 2' elektrisch mit je einem elektrischen Leiter 6, 6' und die elektrischen Leiter 6, 6' jeder Batterie-Einzelzelle 2, 2' elektrisch mit je einem Halbleiterschalter 7, 7', und die Halbleiterschalter 7, 7' in Parallelschaltung mit dem Batterie-Management-System 4 verbunden sind.
Ist dem Halbleiterschalter 7, 7' ein Widerstand in Serie geschaltet, kann hierdurch auch bei höheren Temperaturen der Strom begrenzt werden und werden damit kleinere Halbleiterschalter ermöglicht. Bei geeigneter Wahl des Widerstandswertes R_ext (z. B. gleich dem Innenwiderstand der Batterie-Einzelzelle 2, 2' bei 5°C), wird bei niedrigen Temperaturen (bei diesem Beispiel unter 0°C) die Leistung wie gewünscht in der Batterie-Einzelzelle 2, 2' erzeugt. Bei Raumtemperatur dagegen ist die Leistung auf U_zell·U_zell/R_ext begrenzt (der Zellinnenwiderstand verändert sich pro 10°C exponentiell ca. um den Faktor 2) und sie wird hauptsächlich im Widerstand „erzeugt”, der entsprechend ausgelegt bzw. gekühlt werden muss. Der Halbleiterschalter 7, 7' kann bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie 1 bei einem Schadensfall auch bei einer erhöhten Temperatur geschlossen bleiben, um eine gezielte Zellentladung zu bewirken. In einem solchen Fall spielt der Ort der Wärmeerzeugung keine Rolle.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Temperieren oder Entladen einer erfindungsgemäßen Batterie 1 mit den Schritten: Messen der Temperatur der Batterie 1 und/oder wenigstens einer Batterie-Einzelzelle 2, 2' der Batterie 1 und Kurzschließen der Pole 5, 5' der Batterie-Einzelzelle(n) 2, 2' mittels eines Halbleiterschalters 7, 7', sofern die gemessene(n) Temperatur(en) kleiner ist/sind als eine in dem Batterie-Management-System 4 der Batterie 1 gespeicherte erste vorgebbare Schwellentemperatur. Weitere Voraussetzung für das Kurzschließen ist, dass ein Einschalten eines elektrischen Verbrauchers erfolgt, der zu seinem Betreiben Strom von der Batterie 1 benötigt, oder dass ein Schadensereignis bezüglich des elektrischen Verbrauchers, der Batterie 1, einer Batterie-Einzelzelle 2, 2' und/oder einer den elektrischen Verbraucher und/oder die Batterie 1 enthaltenden Vorrichtung signalisiert wird.
Wie oben bereits in Bezug auf die erfindungsgemäße Batterie 1 erläutert, wird auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in vorteilhafter Weise das Kurzschließen der Pole 5, 5' der Batterie-Einzelzelle(n) 2, 2' bei Übersteigen einer vorgebbaren zweiten Schwellentemperatur der Batterie 1 oder von wenigstens einer Batterie-Einzelzelle 2, 2', eines vorgebbaren Schwellenwerts für die Stromstärke zwischen den Polen 5, 5' der Batterie-Einzelzelle(n) 2, 2', und/oder eines vorgebbaren Schwellenwerts für die Zeitdauer des Stromflusses beendet oder bleibt beendet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann nach dem Öffnen des/der Halbleiterschalter(s) 7, 7' nach Ablauf des vorgegebenen Schwellenwerts für die Zeitdauer des Stromflusses die Temperatur der Batterie 1 und/oder der Batterie-Einzelzelle(n) 2, 2' gemessen werden, und für den Fall, dass die gemessene(n) Temperatur(en) den vorgebbaren zweiten Schwellenwert noch nicht erreicht oder überschritten hat/haben, der/die Kurzschlussschalter 7, 7' erneut geschlossen werden. Dieser Vorgang kann gegebenenfalls öfters wiederholt werden. Gegebenenfalls kann nach jedem Öffnen des/der Halbleiterschalter(s) 7, 7' eine gewisse Wartezeit vorgesehen sein, beispielsweise um dem/den Temperatursensor(en) 8, 8', 8'' eine ausreichende Zeit für eine korrekte Signalisierung der in der Batterie 1 und/oder wenigstens einer Batterie-Einzelzelle 2, 2' herrschenden Temperatur(en) zur Verfügung zu stellen.
Die erfindungsgemäße Batterie 1 und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich nicht nur zur raschen Erhöhung einer niedrigen Temperatur der Batterie 1 bzw. der darin enthaltenen Batterie-Einzelzelle(n) 2, 2', beispielsweise zur Verkürzung der Kaltstartphase eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, sondern auch zur Entladung einer Batterie 1 im Falle der Feststellung eines Schadensereignisses bezüglich des elektrischen Verbrauchers, der Batterie 1, einer Batterie-Einzelzelle 2, 2' und/oder einer den elektrischen Verbraucher und/oder die Batterie 1 enthaltenden Vorrichtung. Ein solches Schadensereignis kann beispielsweise im Falle eines Fahrzeugs mittels einer Unfallerkennungseinrichtung an das Batterie-Management-System 4 signalisiert werden. Unfallerkennungssysteme sind Fachleuten allgemein bekannt und ein bekanntes Beispiel hierfür ist eine Crashsensorik. Ein Schadensereignis bei einem elektrischen Verbraucher kann beispielsweise durch Messen einer hohen Temperatur des elektrischen Verbrauchers festgestellt werden, die beispielsweise auf ein Brandereignis schließen lässt. Und bei einer Batterie 1 kann beispielsweise der Austritt von Elektrolyt oder die Verformung des Gehäuses der Batterie 1 oder einer Batterie-Einzelzelle 2, 2' mittels geeigneter Sensorik erkannt und als Schadensereignis interpretiert werden.
In solchen Fällen ist es oft von Vorteil, wenn die Batterie 1, insbesondere wenn es sich hierbei um eine Hochvolt-Batterie handelt, gezielt entladen wird, was mit Hilfe der erfindungsgemäßen Batterie 1 und des erfindungsgemäßen Verfahrens in vorteilhafter Weise möglich ist.
Im Falle einer Signalisierung eines Schadensereignisses bezüglich des elektrischen Verbrauchers, der Batterie 1, einer Batterie-Einzelzelle 2, 2' und/oder einer den elektrischen Verbraucher und/oder die Batterie 1 enthaltenden Vorrichtung kann/können in vorteilhafter Weise (ein) höhere(r)/größere(r) Wert(e) für die erste Schwellentemperatur der Batterie 1 oder von wenigstens einer Batterie-Einzelzelle 2, 2', die zweite Schwellentemperatur der Batterie 1 oder von wenigstens einer Batterie-Einzelzelle 2, 2', den Schwellenwert für die Stromstärke zwischen den Polen 5, 5' der Batterie-Einzelzelle 2, 2', und/oder den Schwellenwert für die Zeitdauer des Stromflusses vorgegeben werden, als bei einem Einschalten eines elektrischen Verbrauchers, der zu seinem Betreiben Strom von der Batterie 1 benötigt.
Dies gilt insbesondere bei Signalisierung eines Schadensereignisses, das einen vorgebbaren Grenzwert für die Schwere des Schadensereignisses überschreitet, da in einem solchen Fall die Sicherheit beispielsweise von Personen (z. B. Passagiere und/oder Rettungspersonal) Vorrang hat vor einer möglichen Schädigung der Batterie 1 und seiner darin enthaltenen Batterie-Einzelzellen 2, 2', beispielsweise durch einen vergleichsweise hohen Kurzschlussstrom und/oder eine vergleichsweise hohe Temperatur. Selbstverständlich darf auch im Falle eines Schadensereignisses die Entladung einer erfindungsgemäßen Batterie 1 nur derart erfolgen, dass beispielsweise eine Überhitzung, ein in Brand geraten oder gar eine Explosion der Batterie 1 vermieden wird.
Die entnehmbare Leistung von HV-Batterien, beispielsweise von Lithium-Ionen-Batterien bzw. von Lithium-Ionen-Einzelzellen in HV-Batterien ist bei niedrigen Temperaturen zu gering, um die etwa Fahrzeuganforderungen (Stichworte: Kaltstart, Fahrleistung) zu erfüllen. In einem solchen Fall ist eine möglichst schnelle interne Aufwärmung der Batterie-Einzelzellen anzustreben, um die Batterie-Einzelzellen auf die definierte Betriebstemperatur bzw. Leistungsfähigkeit zu bringen.
Dies kann nach dem Stand der Technik über externe Heizvorrichtungen erfolgen, mit denen Wärme in einen Kühlkreislauf (Stichwort: Smart EV) eingetragen wird. Hierbei wird und muss jedoch die komplette Batterie mit allen Komponenten parallel aufgeheizt werden, bis die Zellen als letztes Glied auf Betriebstemperatur kommen. Dies kostet Zeit und Batterieenergie zu einem Zeitpunkt, an dem diese von der Batterie nur bedingt bereitgestellt wird.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, direkt in der Batterie-Einzelzelle 2, 2' (beispielsweise einer Lithium-Ionenzelle) Energie freizusetzen, mit der die Batterie-Einzelzelle 2, 2' erwärmt wird und diese so schnellstmöglich volle Leistung bringen kann.
Jede einzelne Batterie-Zelle 2, 2' erhält hierfür einen Halbleiterschalter 7, 7' (z. B. MOS oder IGBT), der die Zelle 2, 2' bei Bedarf kurzschließt. Der bei niedrigen Temperaturen moderate Kurzschlussstrom erhitzt wegen des Zellinnenwiderstands das Zellinnere, also genau dort, wo die Wärme gebraucht wird. Und eine intelligente Ansteuerelektronik (Batterie-Management-System 4) erlaubt den Kurzschluss nur bei definierten Temperaturen.
Durch die direkte „Beheizung” der Batterie-Einzelzellen 2, 2' können diese sehr schnell ihre Betriebstemperatur erreichen und die erforderliche Energie bereitstellen. Durch die vorliegende Erfindung kann beispielsweise die Kaltstartphase eines Fahrzeugs minimiert werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sich die erfindungsgemäße Batterie 1 und das erfindungsgemäße Verfahren auch zum gezielten Entladen einer Batterie 1, beispielsweise einer HV-Batterie, etwa nach einem Defekt/Crash/etc. einsetzen lassen.
Mit der Halbleiterschaltung 7, 7' an jeder Batterie-Einzelzelle 2, 2' kann jede einzelne Zelle 2, 2' definiert entladen werden. Somit kann ein Sicherheitskonzept aufgebaut werden, das bei Unfällen mit elektrisch antreibbaren Fahrzeugen (mit HV-Batterien) eine deutlich verbesserte Sicherheit bei einer Unfallhilfe ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2, 2': Batterie-Einzelzelle
3: Temperaturüberwachungseinrichtung
4: Batterie-Management-System
5, 5': Pol der Batterie-Einzelzelle
6, 6': Elektrischer Leiter
7, 7': Halbleiterschalter
8, 8', 8'': Temperatursensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6882061 B1 [0009]
US 6072301 A [0010]
DE 102010032088 A1 [0011]

Claims

Batterie (1) mit wenigstens einer Batterie-Einzelzelle (2, 2'), wenigstens einer Temperaturüberwachungseinrichtung (3) für die Batterie und/oder die Batterie-Einzelzelle und einem Batterie-Management-System (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (5, 5') der wenigstens einen Batterie-Einzelzelle (2, 2') elektrisch mit je einem elektrischen Leiter (6, 6') verbunden sind, die elektrischen Leiter (6, 6') elektrisch mit einem Halbleiterschalter (7, 7') verbunden sind, der Halbleiterschalter (7, 7') mit dem Batterie-Management-System (4) verbunden ist, und das Batterie-Management-System (4) dazu eingerichtet ist, den Halbleiterschalter (7, 7') zu schließen und zu öffnen, derart, dass bei einem Schließen des Halbleiterschalters (7, 7') die Pole (5, 5') der Batterie-Einzelzelle (2, 2') kurzgeschlossen sind, wobei als vorgebbares Kriterium für das Schließen des Halbleiterschalters (7, 7') in dem Batterie-Management-System (4) eine erste vorgebbare Schwellentemperatur der Batterie (1) und/oder der Batterie-Einzelzelle (2, 2') gespeichert ist, derart, dass unterhalb der ersten Schwellentemperatur der Halbleiterschalter (7, 7') mittels des Batterie-Management-Systems (4) geschlossen werden kann.
Batterie (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als vorgebbare(s) Kriterium/Kriterien für das Öffnen des Halbleiterschalters (7, 7') in dem Batterie-Management-System (4) eine zweite vorgebbare Schwellentemperatur der Batterie (1) und/oder der Batterie-Einzelzelle (2, 2'), ein vorgebbarer Schwellenwert für die Stärke des zwischen den Polen (5, 5') der Batterie-Einzelzelle (2, 2') fließenden Stroms, und/oder ein vorgebbarer Schwellenwert für die Zeitdauer des Stromflusses gespeichert ist/sind, derart, dass bei einem Übersteigen der zweiten Schwellentemperatur, des Schwellenwerts für die Stromstärke und/oder des Schwellenwerts für die Zeitdauer des Stromflusses der Halbleiterschalter (7, 7') geöffnet wird oder bleibt.
Batterie (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (7, 7') ein Bipolar-Schalter, ein MOS-Schalter oder ein IGBT-Schalter ist.
Batterie (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schalten des Halbleiterschalters (7, 7') ein Optokoppler vorgesehen ist.
Batterie (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Hochvolt-Lithium-Batterie oder eine Hochvolt-Nickel-Metallhydrid-Batterie mit mehreren Batterie-Einzelzellen (2, 2') ist, die Pole (5, 5') jeder Batterie-Einzelzelle (2, 2') elektrisch mit je einem elektrischen Leiter (6, 6') verbunden sind, diese elektrischen Leiter (6, 6') jeder Batterie-Einzelzelle (2, 2') elektrisch mit je einem Halbleiterschalter (7, 7') verbunden sind, und die Halbleiterschalter (7, 7') in Parallelschaltung mit dem Batterie-Management-System (4) verbunden sind.
Batterie (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zum Halbleiterschalter (7, 7') seriell geschalteter Widerstand vorgesehen ist.
Verfahren zum Temperieren oder Entladen einer Batterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Batterie (1) und/oder wenigstens einer Batterie-Einzelzelle (2, 2') der Batterie (1) gemessen wird und bei einem Einschalten eines elektrischen Verbrauchers, der zu seinem Betreiben Strom von der Batterie (1) benötigt, oder bei Signalisierung eines Schadensereignisses bezüglich des elektrischen Verbrauchers, der Batterie (1), einer Batterie-Einzelzelle (2, 2') und/oder einer den elektrischen Verbraucher und/oder die Batterie (1) enthaltenden Vorrichtung, die Pole (5, 5') der Batterie-Einzelzelle(n) (2, 2') mittels eines Halbleiterschalters (7, 7') kurzgeschlossen werden, sofern die gemessene(n) Temperatur(en) kleiner ist/sind als eine in dem Batterie-Management-System (4) der Batterie (1) gespeicherte erste vorgebbare Schwellentemperatur.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschließen der Pole (5, 5') der Batterie-Einzelzelle(n) (2, 2') bei Übersteigen einer vorgebbaren zweiten Schwellentemperatur der Batterie (1) oder von wenigstens einer Batterie-Einzelzelle (2, 2'), eines vorgebbaren Schwellenwerts für die Stärke des Stromflusses zwischen den Polen (5, 5') der Batterie-Einzelzelle (2, 2'), und/oder eines vorgebbaren Schwellenwerts für die Zeitdauer des Stromflusses beendet wird oder bleibt.
Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Signalisierung eines Schadensereignisses bezüglich des elektrischen Verbrauchers, der Batterie (1), einer Batterie-Einzelzelle (2, 2') und/oder einer den elektrischen Verbraucher und/oder die Batterie (1) enthaltenden Vorrichtung (ein) höhere(r)/größere(r) Wert(e) für die erste Schwellentemperatur der Batterie (1) oder von wenigstens einer Batterie-Einzelzelle (2, 2'), die zweite Schwellentemperatur der Batterie (1) oder von wenigstens einer Batterie-Einzelzelle (2, 2'), den Schwellenwert für die Stärke des Stromflusses zwischen den Polen (5, 5') der Batterie-Einzelzelle (2, 2'), und/oder den Schwellenwert für die Zeitdauer des Stromflusses vorgebbar ist/sind, als bei einem Einschalten eines elektrischen Verbrauchers, der zu seinem Betreiben Strom von der Batterie (1) benötigt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Schwellenwerts für die Zeitdauer des Stromflusses in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Batterie (1) und/oder wenigstens einer Batterie-Einzelzelle (2, 2') der Batterie (1) vor dem Schließen des/der Halbleiterschalter(s) (7, 7') variierbar ist.