DE102013203196B4 - Batterie und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Batterie (1) mit mindestens einer Batteriezelle (3-1, ..., 3-n) in einem thermisch isolierten Gehäuse (1-1), wobei weiterhin ein elektrisches Heizelement (6, 9) und ein Temperatursensor (7) in dem Gehäuse (1-1) angeordnet und so miteinander über einen Regler (8) verbunden sind, dass das Heizelement (6, 9) bei Abkühlung auf oder unter eine vorgegebene Minimaltemperatur so stark heizt, dass die Minimaltemperatur gehalten beziehungsweise wieder erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (6, 9) als flexibles Band ausgeführt ist, wobei die Batterie (1) mindestens zwei Batteriezellen (3-1, ..., 3-n) umfasst und das Heizelement (9) zumindest teilweise zwischen den Batteriezellen angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie und ein Kraftfahrzeug. Die Batterie umfasst in einer Ausführungsform mindestens eine Batteriezelle, bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
  • Stand der Technik
  • Durch verbesserte Speicherkapazität, häufigere Wiederaufladbarkeit und höhere Energiedichten finden Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien oder Nickelmetallhydrid-Batterien, immer breitere Anwendungen. Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien zeichnen sich unter anderem aus durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung.
  • Batterien mit geringerer Energiespeicherkapazität werden zum Beispiel für kleine tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Camcorder und dergleichen verwendet, während Batterien mit hoher Kapazität als Energiequelle für den Antrieb von Motoren von Kraftfahrzeugen, beispielsweise Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen, etc. oder als stationäre Batterien Verwendung finden.
  • Batterien können aus einzelnen Batteriezellen bestehen oder mehrere Batteriezellen umfassen. Dabei können die Batteriezellen zu Batteriemodulen zusammengefasst sein. Die Module umfassen dabei mindestens eine Batteriezelle, üblicherweise aber mehrere Batteriezellen und zugehörige Elektronik. Die Batteriezellen einer Batterie können seriell und/oder parallel geschaltet sein.
  • Die Leistungsabgabe und -aufnahme einer Batterie hängt von einer Betriebstemperatur der Batterie ab. Insbesondere bei einer Betriebstemperatur unterhalb einer Minimaltemperatur nimmt die Leistungsfähigkeit von Batterien stark ab.
  • In kalter Umgebung kann die Betriebstemperatur der Batterie insbesondere dann unter die Minimaltemperatur sinken, wenn keine Leistungsabgabe oder -aufnahme erfolgt. Aber selbst wenn die Batterie an eine Ladestation angeschlossen ist und Leistung aufnimmt, kann die Betriebstemperatur bei entsprechender Umgebungstemperatur unter die Minimaltemperatur fallen.
  • Aus der DE 10 2007 050 812 A1 ist ein Verfahren zur Temperaturregelung eines elektrochemischen Energiespeichers bekannt, wobei der Energiespeicher mindestens eine elektrochemische Zelle umfasst sowie mindestens einen Latentwärmespeicher, der mindestens ein Phasenwechselmaterial enthält. Bei dem Verfahren aus DE 10 2007 050 812 A1 werden folgende Schritte durchgeführt: Messen der Temperatur in den elektrochemischen Zellen des elektrochemischen Energiespeichers, Anregen eines Phasenwechselmaterials zum Phasenwechsel, wobei durch den Phasenwechsel Wärme vom Phasenwechselmaterial aufgenommen wird, wenn eine vorgegebene Maximaltemperatur in dem elektrochemischen Energiespeicher erreicht oder überschritten wird, oder durch den Phasenwechsel Wärme vom Phasenwechselmaterial abgegeben wird, wenn eine vorgegebene Mindesttemperatur in dem elektrochemischen Energiespeicher erreicht oder unterschritten wird.
  • DE 100 18 456 A1 beschreibt eine Niederspannungsversorgung, die parallel zum netzgebundenen Ladegerät betrieben wird. Diese versorgt entsprechend einer Anzahl von Batterien in Parallelschluss verbundene Widerstandsheizelemente, die in Anpassung an die Größe der Batterien dimensioniert sind, und ermöglicht, Antriebsbatterien von Elektrofahrzeugen entsprechend den optimalen Betriebsbedingungen warm zu halten.
  • DE 196 14 435 A1 befasst sich mit einem Akkumulator mit einem auf diesen abgestimmten Ladegerät und einer Heizvorrichtung. Sämtliche Einzelaggregate sind in einem Gehäuse dauerhaft wärmeisoliert untergebracht. Die Heizvorrichtung ist aus einem Heizelement und einer Temperaturregeleinrichtung zur Messung und Regelung der Temperatur des Innenraumes des Gehäuses gebildet. Die Energieversorgung des Heizelementes wird dabei über eine elektrische Verbindung im Regelfall zum Akkumulator bzw. zum Ausgang des Ladegerätes erreicht.
  • Die Druckschrift EP 2 597 721 A1 offenbart eine Heizvorrichtung für ein Fahrzeug mit einem flexiblen Material, welches die Heizvorrichtung umgibt.
  • Die Druckschrift US 2008/0 226 969 A1 offenbart ein Batteriepack, welcher elektrische Leistung zur Verfügung stellen kann. Dabei umfasst das Batteriepack eine Heizeinrichtung mit einem flexiblen Material, welches teilweise das Batteriepack bedeckt.
  • Die Druckschrift US 5 281 792 A offenbart eine Wärmeeinrichtung für eine Fahrzeugbatterie mit einer Widerstandsheizung und einer Stromversorgungseinrichtung innerhalb eines Gehäuses.
  • Die Druckschrift JP H09 213 459 A offenbart eine Batterie mit einer Heizvorrichtung.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine Batterie gemäß Anspruch 1 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 vorgeschlagen. Die Batterie umfasst mindestens eine Batteriezelle in einem thermisch isolierten Gehäuse, wobei weiterhin ein elektrisches Heizelement und ein Thermostat in dem Gehäuse angeordnet und so miteinander über einen Regler verbunden sind, dass das Heizelement bei Abkühlung auf oder unter eine vorgegebene Minimaltemperatur so stark heizt, dass die Minimaltemperatur gehalten beziehungsweise wieder erreicht wird. Die Batterie ist dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement als flexibles Band ausgeführt ist, wobei die Batterie mindestens zwei Batteriezellen umfasst und das Heizelement zumindest teilweise zwischen den Batteriezellen angeordnet ist.
  • Dies ermöglicht, das Heizelement eng anliegend an der Batteriezelle anzuordnen und die Batteriezelle so effektiv zu heizen.
  • So wird ein noch effektiveres Heizen der Module ermöglicht.
  • Der Regler kann dabei in eine Kontrollelektronik oder ein Batteriemanagementsystem der Batterie integriert sein.
  • Dann lässt sich der Regler kompakt und kostengünstig realisieren.
  • Oder ein PTC-Widerstand umfasst das Heizelement und den Regler.
  • Dies ist eine besonders kostengünstige und einfache Realisierung von Heizelement und Regler.
  • Das Heizelement kann von der mindestens einen Batteriezelle mit Energie versorgt werden. Dann ist das Temperaturmanagement der Batterie unabhängig von einer externen Ladequelle.
  • Dabei kann die Energieversorgung von dem mindestens einem Batteriezelle auf den Fall beschränkt sein, in dem die Batterie nicht an eine externe Spannungsquelle zur Aufladung der Batterie angeschlossen ist.
  • Dies verhindert unnötige Entladung der Batteriezelle.
  • Der Regler kann weiterhin ausgelegt sein, bei Versorgung durch die mindestens eine Batteriezelle eine Heizdauer zumindest unter Verwendung eines Ladezustandes der mindestens einen Batteriezelle festzulegen.
  • Dies verhindert unnötige Entladung der Batteriezelle.
  • Der Regler kann weiterhin ausgelegt sein, die Heizdauer auch unter Verwendung einer Außentemperatur und/oder einer benutzerbestimmten Zeitdauer festzulegen.
  • Dies verhindert unnötige Entladung der Batteriezelle.
  • In einer Ausführungsform, bei der die Batterie von einem Kühlsystem gekühlt werden kann, kann eine Kühlung verhindert werden, wenn das Heizelement heizt.
  • Dies ermöglicht effektives Heizen der Batteriezelle.
  • Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Fahrzeug behält seine vollständige Betriebsfähigkeit auch bei Umgebungstemperaturen, die bei Fahrzeugen nach dem Stand der Technik zu einem Absinken der Betriebstemperatur unter die Minimaltemperatur und damit zu einer Einschränkung der Betriebsfähigkeit führen würden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Außenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Batterie,
  • 2 einen Schnitt durch die in 1 dargestellte Batterie, und
  • 3 einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Batterie.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 1 ist eine Außenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Batterie 1 gezeigt. Ein Gehäuse der Batterie 1 weist eine Durchführung auf, die einen elektrischen Kontakt zu von der Batterie umfassten Batteriezellen ermöglicht. Beispielsweise lässt sich die Batteriezelle oder lassen sich die Batteriezellen an ein Hochspannungsnetz oder an ein Niederspannungsnetz anschließen.
  • In 2 ist die in 1 dargestellte Batterie 1 im Schnitt gezeigt. Im Inneren befinden sich mehrere Batteriezellen 3-1 ... 3-n, eine einzige Batteriezelle ist aber auch möglich. Im Inneren befindet sich weiterhin ein Bereich für Elektronik und Logik bzw. Regler 4, ein Heizelement 6, beispielsweise ein auch als PTC-Widerstand bezeichneter Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, und ein Temperatursensor 7. Die Batteriezellen 3-1 ... 3-n sind in einem von einem Deckel verschlossenen Gehäuse 1-1 angeordnet, wobei Gehäuse und Deckel mit einer thermischen Isolierung 5 versehen sind. Das Heizelement 6 ist dabei als flexibles Band im Inneren der Batterie 1 ausgeführt.
  • Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist in 3 gezeigt. Hier ist das Heizelement 9 um die Batteriezellen 3-1 ... 3-n herum gewickelt und insbesondere zwischen den Batteriezellen 3-1 ... 3-n angeordnet. Es kann zudem, wie in dem Beispiel dargestellt, verteilt sein.
  • Die Temperatur der Batteriezellen im Inneren des Packs wird durch das Heizelement 6 oder 9 in Verbindung mit einem beispielsweise mit PID Algorithmus realisierten Temperaturregler 8 über einer Minimaltemperatur T0 gehalten für den Fall, dass die Außentemperatur unter die Minimaltemperatur T0 fallen sollte. Hierzu wird dem Heizelement geregelt durch den Regler 8 genau die richtige Leistung entweder aus den Batteriezellen oder aus einer externen Quelle zugeführt. Das Heizelement ist dabei so platziert, dass seine Wärme möglichst nur den Batteriezellen zugutekommt, und möglichst wenig davon verloren geht, ohne Batteriezellen zu wärmen, also beispielsweise mittig zwischen den Batteriezellen.
  • Da die thermische Leitfähigkeit der Materialien im Inneren der auch als Akkupack bezeichneten Batterie deutlich besser ist als diejenige der thermischen Isolierung, und die geforderten Heizleistungen relativ gering sind, ist es nahezu unerheblich, wo das Heizelement platziert ist. Der Regler 8 kann in die übrige Kontrollelektronik bzw. das Batteriemanagementsystem des Akkupacks integriert sein.
  • Wenn das Heizelement ein PTC-Widerstand ist, dann kann das Element die Temperatur selbst regeln.
  • Die notwendige Heizleistung für eine angestrebte Temperaturdifferenz zwischen Betriebstemperatur und Umgebungstemperatur hängt ab von einer Dicke der thermischen Isolation und dem Querschnitt der elektrischen Leitungen, die zur Batterie führen. Beträgt der Querschnitt etwa 250 mm2 und die Dicke etwa 5 cm, so ist für eine Batterie nach einem Ausführungsbeispiel eine Heizleistung von 100 Watt notwendig, um eine Temperaturdifferenz von 20 Kelvin zu gewährleisten.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird ein Verlust von Wärme über ein Batteriekühlsystem, welches nicht in den Figuren gezeigt ist, vermieden, indem die Kühlung vom Regler 8 oder der Kontrollelektronik bzw. dem Batteriemanagementsystem verhindert wird.
  • Für den Fall, dass das Fahrzeug nicht an einer Ladeleitung angeschlossen ist, kann die Leistung für das Heizelement 6 aus den Batteriezellen 3-1 ... 3-n kommen.
  • Dann kann es vorteilhaft sein, eine Heizdauer zeitlich unter Verwendung von Ladezuständen der von der Batterie 1 umfassten Batteriezellen 3-1 ... 3-n zu beschränken, um eine zu starke Entladung zu verhindern.
  • Zusätzlich zum Ladezustand können eine Außen- oder Umgebungstemperatur und/oder eine Fahrerabfrage nach der Zeitdauer des Aufenthaltes zur Beschränkung der Heizdauer verwendet werden, um eine zu starke Entladung zu verhindern.

Claims (9)

  1. Batterie (1) mit mindestens einer Batteriezelle (3-1, ..., 3-n) in einem thermisch isolierten Gehäuse (1-1), wobei weiterhin ein elektrisches Heizelement (6, 9) und ein Temperatursensor (7) in dem Gehäuse (1-1) angeordnet und so miteinander über einen Regler (8) verbunden sind, dass das Heizelement (6, 9) bei Abkühlung auf oder unter eine vorgegebene Minimaltemperatur so stark heizt, dass die Minimaltemperatur gehalten beziehungsweise wieder erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (6, 9) als flexibles Band ausgeführt ist, wobei die Batterie (1) mindestens zwei Batteriezellen (3-1, ..., 3-n) umfasst und das Heizelement (9) zumindest teilweise zwischen den Batteriezellen angeordnet ist.
  2. Batterie nach Anspruch 1, wobei der Regler (8) in eine Kontrollelektronik oder ein Batteriemanagementsystem der Batterie (1) integriert ist.
  3. Batterie nach Anspruch 1, wobei ein PTC-Widerstand das Heizelement (6, 9) und den Regler (8) umfasst.
  4. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Heizelement (6, 9) von der mindestens einen Batteriezelle (3-1, ..., 3-n) mit Energie versorgt wird.
  5. Batterie nach Anspruch 4, wobei die Energieversorgung von der mindestens einen Batteriezelle (3-1, ..., 3-n) nur erfolgt, wenn die Batterie (1) nicht an eine externe Spannungsquelle zur Aufladung der Batterie (1) angeschlossen ist.
  6. Batterie nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Regler (8) ausgelegt ist, bei Versorgung durch die mindestens eine Batteriezelle (3-1, ..., 3-n) eine Heizdauer zumindest unter Verwendung eines Ladezustandes der mindestens einen Batteriezelle (3-1, ..., 3-n) festzulegen.
  7. Batterie nach Anspruch 6, wobei der Regler (8) ausgelegt ist, die Heizdauer auch unter Verwendung einer Außentemperatur und/oder einer benutzerbestimmten Zeitdauer festzulegen.
  8. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7 wobei die Batterie (1) von einem Kühlsystem gekühlt werden kann und eine Kühlung verhindert wird, wenn das Heizelement (6, 9) heizt.
  9. Kraftfahrzeug mit einer Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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