DE102013021112A1

DE102013021112A1 - Einzelzelle und Verfahren zum Betrieb einer Einzelzelle

Info

Publication number: DE102013021112A1
Application number: DE102013021112.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gruhle
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle (1) für eine elektrische Batterie mit zwei elektrischen Polen (2, 3). Erfindungsgemäß ist ein ansteuerbarer Schalter (4) vorgesehen, welcher derart elektrisch mit den Polen (2, 3) gekoppelt ist, dass die Pole (2, 3) elektrisch kurzschließbar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verfahren zum Betrieb einer solchen Einzelzelle (1) und eine elektrische Batterie, umfassend mehrere elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine elektrische Batterie mit zwei elektrischen Polen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Einzelzelle und eine elektrische Batterie.
Aus dem Stand der Technik sind allgemein mehrere elektrisch miteinander verschaltete Einzelzellen umfassende elektrische Batterien für Fahrzeuge bekannt. Dabei ist eine elektrische Leistungsfähigkeit der Einzelzellen und somit der elektrischen Batterie von einer Temperatur der Einzelzellen abhängig. Aus diesem Grund sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mittels welchen bei geringen Umgebungstemperaturen eine Erwärmung der Einzelzellen erfolgt. Die Erwärmung wird dabei mittels externer Heizer oder mittels eines Kühlkreislaufs einer Antriebseinheit des Fahrzeugs durchgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Einzelzelle und eine verbesserte elektrische Batterie anzugeben.
Hinsichtlich der Einzelzelle wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 5 und hinsichtlich der elektrischen Batterie durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Einzelzelle für eine elektrische Batterie mit zwei elektrischen Polen zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass ein ansteuerbarer Schalter vorgesehen ist, welcher derart elektrisch mit den Polen gekoppelt ist, dass die Pole elektrisch kurzschließbar sind.
Durch die Möglichkeit des steuerbaren Kurzschlusses kann ein Zellinneres der Einzelzelle schnell und gezielt erwärmt werden, so dass innerhalb besonders kurzer Zeiträume eine Erwärmung der Einzelzelle realisiert werden kann. Dadurch ist auch bei geringen Umgebungstemperaturen eine volle Leistungsfähigkeit der Einzelzelle sehr schnell herstellbar.
Des Weiteren ist der Schalter in besonders vorteilhafter Weise auch zum gezielten Entladen der Einzelzelle, beispielsweise nach einer Verunfallung eines die Einzelzelle umfassenden Fahrzeugs, verwendbar. Im Gegensatz zu einer externen Entladung einer elektrischen Batterie mit einer Mehrzahl von Einzelzellen, bei welcher eine Mehrzahl von Einzelzellen nicht vollständig entladen wird, ist jede Einzelzelle sicher und vollständig entladbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch eine erfindungsgemäße Einzelzelle.
In der einzigen 1 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 dargestellt. Die Einzelzelle 1 ist zu einer Verwendung in einer nicht näher dargestellten so genannten elektrischen, als Starter- und/oder Traktionsbatterie ausgebildeten Hochvolt-Batterie für ein Fahrzeug vorgesehen. Die elektrische Batterie umfasst hierbei mehrere elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen 1.
Insbesondere bei einer Ausbildung der Einzelzellen 1 als Lithium-Ionen-Zellen ist eine Leistung der Batterie bei niedrigen Temperaturen oft zu gering, um bei einer Fahrzeuganwendung die Fahrzeuganforderungen für einen Kaltstart oder entsprechende Fahrleistungen zu erfüllen. Aus diesem Grund ist eine schnelle Erwärmung der Einzellzellen um mehrere 10°C gefordert. Dies erfolgt nach dem Stand der Technik beispielsweise mittels externer Heizvorrichtungen oder mittels eines Kühlkreislaufs einer Antriebseinheit des Fahrzeugs. Diese Methoden ermöglichen jedoch lediglich eine Erwärmung der Einzelzellen 1 ”von außen”, welche lange Zeit dauert, in welchen das Fahrzeug über eine verminderte oder im schlimmsten Fall über keine Fahrleistung verfügt.
Um diese Nachteile zu überwinden, umfasst die Einzelzelle 1 einen ansteuerbaren und mit elektrischen Polen 2, 3 der Einzelzelle 1 gekoppelten Schalter 4, mittels welchem die Pole 2, 3 elektrisch kurzschließbar sind. Dabei ist der Schalter 4 als Halbleiterschalter, beispielsweise so genannter MOS-Schalter oder Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, kurz IGBT, ausgebildet und mit einer Steuereinheit 5 zur automatischen Steuerung gekoppelt.
Die Steuereinheit 5 steuert den Schalter 4 derart an, dass die Pole 2, 3 bei Unterschreitung einer Solltemperatur der Einzelzelle 1 elektrisch kurzgeschlossen werden, so dass ein bei niedrigen Temperaturen moderater Kurzschlussstrom aufgrund des elektrischen Zellinnenwiderstandes das Zellinnere der Einzelzelle 1 schnell erwärmt wird. Dabei entsteht an dem als Halbleiterschalter ausgebildeten Schalter 4 lediglich eine geringe Verlustleistung, so dass kostengünstige Bauelemente und keine Kühlkörper für den Schalter 4 verwendet werden können.
Da die Wärme im Zellinneren erzeugt wird, kann eine Erhöhung der Temperatur der Einzelzelle 1 innerhalb weniger Sekunden erfolgen, so dass sehr schnell eine geforderte Leistungsfähigkeit der Einzelzelle 1 bzw. der aus mehreren Einzelzellen 1 gebildeten elektrischen Batterie zur Verfügung steht.
In besonders vorteilhafter Weise kann der Schalter 4 mittels der Steuereinheit 5 nach einer Verunfallung des Fahrzeugs derart angesteuert werden, dass die Pole 2, 3 elektrisch kurzgeschlossen werden. Somit kann gezielt eine vollständige Entladung der Einzelzellen 1 erfolgen, wodurch eine Gefährdung für Insassen des Fahrzeugs sowie Rettungs- und Bergungskräfte signifikant verringert ist.
Bezugszeichenliste

1: Einzelzelle
2: Pol
3: Pol
4: Schalter
5: Steuereinheit

Claims

Einzelzelle (1) für eine elektrische Batterie mit zwei elektrischen Polen (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass ein ansteuerbarer Schalter (4) vorgesehen ist, welcher derart elektrisch mit den Polen (2, 3) gekoppelt ist, dass die Pole (2, 3) elektrisch kurzschließbar sind.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (4) als Halbleiterschalter ausgebildet ist.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter ein MOS-Schalter oder ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ist.
Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (5) zur automatischen Steuerung des Schalters (4) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betrieb einer Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels des ansteuerbaren Schalters (4) die Pole (2, 3) bei Unterschreitung einer Solltemperatur der Einzelzelle (1) elektrisch kurzgeschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des ansteuerbaren Schalters (4) die Pole (2, 3) nach einer Verunfallung eines die Einzelzelle (1) umfassenden Fahrzeugs elektrisch kurzgeschlossen werden.
Elektrische Batterie, umfassend mehrere elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.