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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, zur Verwendung in einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, mit zumindest zwei der erfindungsgemäßen Batteriezellen, sowie eine derartige Batterie und ein Fahrzeug, das mit einer derartigen Batterie versehen ist.
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In verschiedenen Technologie-Bereichen kommen in letzter Zeit vermehrt hochentwickelte wiederaufladbare Batteriezellen zum Einsatz, das heißt ein paralleler oder serieller Zusammenschluss mehrerer einzelner Batteriezellen zu einem sogenannten Batteriepack oder einem sogenannten Batteriemodul, vereinfacht auch nur als Batterie oder Akkumulator bezeichnet. Anwendungsmöglichkeiten für derartige Akkumulatoren sind zum Beispiel im Kraftfahrzeugbereich zum Antrieb eines Elektromotors oder eines Elektro-Zusatzmotors zu finden, der zusätzlich zu einem herkömmlichen Verbrennungsmotor vorgesehen sein kann, beispielsweise in einem Hybridfahrzeug oder dergleichen, sowie in anderen technischen Bereichen, wie zum Beispiel bei stationären Anlagen, Mobilfunktelefonen, tragbaren Computer, Videokameras oder MP3-Playern. Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist dabei die Lithium-Ionen-Batterietechnologie, die sich mitunter durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung hervorhebt. Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht demnach aus mindestens einer, üblicherweise aus zwei und mehr Lithium-Ionen-Batteriezellen, die mindestens eine positive und eine negative Elektrode besitzen, welche Lithium-Ionen reversibel ein- oder wieder auslagern können. Eine derartige Lithium-Ionen-Batterie kann nur in einem bestimmten Temperaturfenster effizient betrieben werden. Ab einer Betriebstemperatur von 40 °C aufwärts wird beispielsweise die Batterielebensdauer signifikant reduziert. Demgegenüber steigt bei Temperaturen von unter ca. 0 °C der Innenwiderstand der Batterie stark an und die Leistungsfähigkeit der Batterie nimmt mit weiter fallenden Temperaturen kontinuierlich ab. Lithium-Ionen-Hochleistungsbatterien für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich werden beispielweise in hybriden Antriebssträngen mit einer sehr hohen Dynamik betrieben. Während den kurzzeitigen Spitzenbelastungen, wie zum Beispiel beim Bremsen, also der sogenannten Rekuperation der Bremsenergie, und beim Beschleunigen, der sogenannten Boostunterstützung, muss die Batterie in sehr kurzer Zeit eine hohe Leistung erbringen. Diese kurzen Spitzenbelastungen führen aufgrund des Innenwiderstands und der damit verbundenen Verlustleistung zu einer starken Erwärmung der Lithium-Ionen-Batteriezellen. Der Lade- und Entladewirkungsgrad ist mit etwa 95% sehr hoch, dennoch ist die entstehende Abwärme nicht vernachlässigbar. Hinzu kommt, dass in den Sommermonaten Außentemperaturen von über 40°C herrschen können und damit der Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien ohne Kühlung neben der geringeren Lebensdauer unter Umständen auch ein Sicherheitsrisiko darstellen kann. Eine Lebensdaueranforderung von zehn Jahren ist ohne hinreichende thermische Konditionierung der Batterie beziehungsweise deren Batteriezellen somit nicht realisierbar, was eine gleichmäßige Kühlung der Batteriezellen bei sowohl tiefen als auch hohen Temperaturen erfordert, da die Alterung der Batteriezellen nach Arrhenius (i.e. der Arrhenius-Gleichung) exponentiell von der Temperatur abhängt.
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Gemäß dem Stand der Technik ist es seit längerem bekannt, eine Flüssigkühlung, beispielsweise mittels eines herkömmlicherweise separaten Kühlkreislaufs, oder eine Luftkühlung als Kühlmethoden für Lithium-Ionen-Batterien zu verwenden. Bei einer Flüssigkühlung besteht die dazugehörige Kühleinrichtung dabei üblicherweise aus einem kostenintensiven komplexen System mehrerer mechanischer Komponenten, wie zum Beispiel einem Chiller, einem Kompressor, Pumpen, Leitungen, Radiatoren, einem Mischer, einem Wärmetauscher, etc., wobei einige dieser Komponenten geregelt und überwacht werden müssen. Folglich ist weder eine individuelle Zellkühlung noch eine gleichmäßige Kühlung der Batteriezelle beziehungsweise der Batterie ohne massiven Aufwand möglich, beispielsweise aufgrund des Erfordernisses mehrerer Kühlkreisläufe. Zudem ist das Gewicht dieser Komponenten nicht unerheblich und ein kompakter Aufbau wird durch die Vielzahl der Komponenten ebenfalls erschwert. Bedingt durch die Art der Flüssigkühlung kann es ferner zu Leckagen im Kühlkreislauf kommen, wodurch eine fehlerfreie Funktion der zu kühlenden Batterie, beispielsweise aufgrund der Gefährdung durch Kurzschlüsse, nicht mehr sichergestellt werden kann. Systembedingt kann eine Flüssigkühlung darüber hinaus auch träge sein, wodurch nur relativ hohe Temperaturdifferenzen kompensiert werden können. Dieses thermische Zyklisieren widerspricht jedoch dem Ziel der langen Haltbarkeit der Batteriezelle. Demgegenüber hat eine Luftkühlung zwar Vorteile, wie zum Beispiel das Vermeiden von Flüssigkeit in der Nähe der Batteriezelle sowie ein Vermeiden eines komplexen Aufbaus mit notwendiger Regelung und Überwachung der jeweiligen Komponenten, es treten dabei jedoch auf Nachteile auf, wie zum Beispiel eine im Vergleich schlechtere Wärmeabfuhr, wobei ein gleichmäßiges Kühlen einer Batterie durch eine direkte Luftkühlung oder auch eine Luftkühlung mit einem oder mehrerer Lüfter darüber hinaus auch nur schwer möglich ist. Ferner ist gerade bei Elektrofahrzeugen die hohe Geräuschentwicklung dieser Lüfter oft ein Problem. Darüber hinaus ist bei beiden bekannten Kühlverfahren ein Vorheizen der Batterie bei niedrigen Temperaturen mit zusätzlichem Aufwand, unter anderem dem Vorsehen zusätzlicher Komponenten.
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Um nun eine Kühlung der Batteriezelle zu verbessern kommen in letzter Zeit neue Batteriekonzepte vermehrt zum Einsatz, bei denen beispielsweise Peltier-Elemente als Temperiereinrichtung für die Batterie Verwendung finden. Mittels einer derartigen Peltier-Temperierung ist es möglich, die Batterie nur mit einer kompakten Regelung direkt zu temperieren. Dabei kann sehr dosiert und mit geringem Über- oder Unterschwingen der Temperierregelgröße geheizt oder gekühlt werden. Der vermeintlich schlechtere Wirkungsgrad der Peltier-Elemente wird hier mindestens dadurch kompensiert, dass bei Batterien in der Regel nur geringe Temperaturhübe ausgeglichen werden müssen. Ein Beispiel für eine derartige Peltier-Elemente-Temperierung einer Batterie kann der
US 2008/0268333 A1 entnommen werden, in der die Verwendung von Peltier-Elementen bei einer Lithium-Ionen-Batterie unter anderem zur Anwendung im Automobilbereich beschrieben ist. Wie es in
5 schematisch gezeigt ist kommt dabei bei einer Batteriezelle
7 ein Peltier-Element
8, oder eine Vielzahl derartiger Peltier-Elemente zum Einsatz, die beispielsweise an einer Bodenwand
71 der Batteriezelle
7 angeordnet sind und in direktem Kontakt mit der zu kühlenden Batteriezelle stehen, wobei die Batterie mit dem einen oder mehreren Peltier-Elementen sowohl gekühlt als auch geheizt werden kann. Das Peltier-Element
8 ist dabei zwischen Batteriezelle
7 und einer Kühlplatte
9 angeordnet. Das Peltierelement
8 besteht bekannterweise aus abwechselnd angeordneten Halbleiterbausteinen, das heißt p-dotierten Halbleiterbausteine
81 und n-dotierten Halbleiterbausteine
82 in einer Reihenschaltung, die mit Metallbrücken
84 miteinander verbunden sind. Zwischen den unteren Metallbrücken
83 und der Kühlplatte
9 ist ferner ein keramisches Isolierungsbauteil
84 angeordnet. Eine Steuerelektronik der Batteriezelle
7 misst dabei die Temperatur an einer oder mehreren Stellen und regelt auf eine für die Batterie ideale Temperatur, beispielsweise 25°C. Die Peltier-Element-Steuerung kann hier über das Batterie-Management-System erfolgen, wobei jedes Peltier-Element durch die Batterie selbst oder von einer externen Quelle gespeist werden kann. Die Kühlung besteht hier also aus einem oder mehreren Peltier-Elementen
8, die zum Beispiel am Boden der Lithium-Ionen-Batterie befestigt werden können. Bei Kühlung mit Peltier-Elementen entsteht auf einer der Seiten ein Kühleffekt, auf der gegenüberliegenden Seite entsteht Wärme. Diese Wärme muss entsprechend abgeführt werden. Bei der in
5 gezeigten Anordnung wird der Batterieboden
71 demnach zum Wärmeübertragungsbauteil, beziehungsweise die Seite der Batterie, die an der „warmen" Seite des Peltier-Elements
8 liegt. Die weitere Abfuhr der Wärme wird dadurch gewährleistet, dass der Unterboden des Fahrzeuges der Kühlplatte
9 der Batterie entspricht. Versieht man nun den Unterboden des Fahrzeugs zusätzlich mit Kühlrippen, wird durch den Fahrtwind die Batterie noch stärker gekühlt. Das Batteriegehäuse der zu kühlenden Batterie ist wärmeleitfähig und kann ferner als Wärmesenke verwendet werden. Durch die damit erreichte konstante Temperatur der zu kühlenden Batterie kann eine sehr hohe Lebensdauer erreicht werden, da die kalendarische Alterung, also die Lagerung bei hohen Temperaturen, ausschlaggebend für die Lebensdauer ist. Prinzipbedingt wird hier eine sehr gleichmäßige Temperierung erreicht. Auch kann bei dieser Art von Kühlung keine Flüssigkeit austreten, die zu einem Brand der Batterie führen kann, anders als bei einer Flüssigkühlung. Der Aufbau mit Peltier-Elementen ist zudem kompakt, leicht und kostengünstig, da unter anderem nur wenige Komponenten benötigt werden. Ein derartiges Vorsehen der Peltier-Elemente als Kühlkonzept für eine Batteriezelle hat jedoch ebenso wie die Konzepte der Flüssigkühlung sowie der Luftkühlung unter anderem den Nachteil, dass eine Kühlung der Batteriezelle im Prinzip nur eine Kühlung des Batteriegehäuses darstellt, an das die in der Batteriezelle entstehende Wärme übertragen wird, also eine „externe“ Kühlung der Batteriezelle.
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Offenbarung der Erfindung
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Um die vorhergehend behandelten Probleme zu lösen stellt die vorliegende Erfindung einen Batteriezellenaufbau mit einem teilintegralen Konzept zur Wärmeab-/zufuhr bei Sekundärbatteriezellen bereit, insbesondere bei Energiezellen auf Basis der Lithium-Ionen-Technik.
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Genauer gesagt wird mit der vorliegenden Erfindung eine Batteriezelle mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereitgestellt, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, die unter anderem ein Gehäuse und zumindest ein Peltier-Element zur Temperierung der Batteriezelle aufweist, wobei in dem Gehäuse zumindest eine negative Elektrode und eine positive Elektrode angeordnet sind. Das Peltier-Element der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist dabei teilweise innerhalb der Batteriezelle angeordnet, wobei der Teil des Peltier-Elements, der außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, mit einer Wärmeübertragungseinrichtung in thermischer Verbindung steht. Das bedeutet also, dass nur ein Teil des Peltier-Elements in der Batteriezelle, also innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, so dass der verbleibende Teil des Peltier-Elements außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und zu der Umgebung der Batteriezelle hin freiliegt. Die Temperierung der Batteriezelle, das heißt die Kühlung beziehungsweise Erwärmung der Batteriezelle besteht demnach hier aus einem oder mehreren Peltier-Elementen, welche teilweise innerhalb der Zelle liegen. Eine Seite des Peltier-Elements ist folglich innerhalb der Zelle, die andere Seite ist außerhalb angeordnet, wobei die Seite des Peltier-Elements, die außerhalb der Zelle liegt, mit der Wärmeübertragungseinrichtung in thermischer, also wärmeleitender Verbindung steht, so dass Wärme zwischen dieser und dem Peltier-Element übertragen werden kann.
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Zusätzliche vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche möglich.
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Das zumindest eine Peltier-Element der erfindungsgemäßen Batteriezelle, beziehungsweise der innerhalb des Gehäuses angeordnete Teil des zumindest einen Peltier-Elements hat vorzugsweise eine Vielzahl von Bereichen, die sich unterschiedlich weit in das Gehäuse hinein erstrecken, so dass diese an thermisch stark belasteten Zonen der Batteriezelle angeordnet sind. Ein jeweiliger Bereich der Vielzahl von Bereichen umfasst dabei vorzugsweise zumindest einen n-dotierten Halbleiterbaustein, zumindest einen p-dotierten Halbleiterbaustein oder eine Paarung aus n-dotiertem Halbleiterbaustein und p-dotiertem Halbleiterbaustein mit dazugehöriger Metallbrücke. Die einzelnen Peltier-Elemente beziehungsweise deren jeweilige Bereiche werden demnach entsprechend mit unterschiedlichen Längen und/oder mit bestimmter Verteilung in die Batteriezelle integriert. Dadurch kann eine dreidimensionale Struktur des Peltier-Elements innerhalb der Zelle bereitgestellt werden, so dass eine dreidimensionale Kühl- oder Heizverteilung innerhalb der Batteriezelle erreicht werden kann. Die Bereiche erstrecken sich dabei vorzugsweise bis hin zu thermisch stark belasteten Zonen oder thermischen Extrempunkten innerhalb der Batteriezelle, also innerhalb des Batteriezellengehäuses, sogenannte „hotspots“ im Inneren der Batteriezelle, so dass eine gesteuerte Temperierung der Batteriezelle an den kritischen Zonen oder Punkten direkt erfolgen kann.
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Um eine elektrische Verbindung zwischen den Metallbrücken, speziell der Metallbrücken des außerhalb der Batteriezelle angeordneten Teils des Peltier-Elements und der Umgebung der Batteriezelle zu verhindern, kann zwischen dem zumindest einem Peltier-Element und der Wärmeübertragungseinrichtung ein elektrisch isolierendes Isolierbauteil angeordnet sein, beispielsweise in Form einer Isolierplatte oder einer Isolierfolie, die vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff oder dergleichen hergestellt ist. Zur elektrischen Isolierung wird folglich vorzugsweise eine wie bei Peltier-Elementen übliche Keramik eingesetzt, wobei aber andere isolierfähige Materialien ebenfalls denkbar sind.
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Bei den bekannten Temperierkonzepten für Batteriezellen, wie zum Beispiel der Luftkühlung sowie der Flüssigkühlung, wird die Steuerung und Regelung der Kühlung stets von einem zentralen Steuergerät durchgeführt. Diese Art der Steuerung du Regelung findet bisher auch bei den Peltier-Element-Konzepten statt, wobei gleichzeitig die Peltier-Elemente mit der nötigen Leistung versorgt werden. In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezelle weist die Batteriezelle jedoch anders als vom Stand der Technik bekannt ferner eine Steuerungselektronik auf, die über die Spannung der Batteriezelle direkt versorgt wird, wobei eine Steuerung des zumindest einen Peltier-Elements, also eine entsprechende Versorgung des Peltier-Elements durch die Steuerungselektronik erfolgt. Eine derartige direkte Versorgung und Regelung durch die Zelle beziehungsweise das Modul selbst ermöglicht es, auf zusätzliche Steuergeräte zu verzichten, oder aber deren Regelungsaufwand zumindest zu minimieren. Die Lithium-lonen-Batteriezelle ist dazu also mit einer Elektronik ausgestattet, die sich über die Zellspannung direkt selbst versorgt. Diese Elektronik nutzt die Spannungsversorgung nun auch um einen in der Elektronik zuvor berechneten Strom durch das Peltier-Element zu treiben, wobei die Steuerungselektronik dazu vorzugsweise durch Steuerung des Peltier-Elements eine Temperaturregelung der Batteriezelle durchführt, insbesondere auf Basis der Messung der Temperatur in der Batteriezelle an zumindest einer Stelle. Die Temperaturmessung erfolgt dazu vorzugsweise anhand zumindest eines in oder an der Batteriezelle angeordneten Temperatursensors. Der zu dem Peltier-Element geführte Strom kühlt oder heizt nun die Zelle mittels des Peltier-Elements, welches dazu sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle angebracht sein kann. Durch diese autonome Temperierung der Batteriezelle ist es nicht mehr erforderlich, Daten von der Zelle zu einem zentralen Steuergerät zu versenden. Zudem kann eine Batteriezelle im Modul sehr einfach ausgetauscht werden, ohne dass in einem externen Steuergerät die Daten über die Alterung des entsprechenden Moduls beziehungsweise der auszutauschenden Zelle neu programmiert werden müssen.
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Weiter vorzugsweise ist die Wärmeübertragungseinrichtung der Batteriezelle als Kühlelement ausgebildet, vorzugsweise als eine Kühlplatte, die aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen kann, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium. Die entstehende Wärme, beispielsweise an der Unterseite der Zelle, wird demnach über die Kühlplatte abgeführt. Die Kühlplatte kann auch in Form einer flüssigkeitsführenden Platte vorgesehen sein, einer sogenannten „heat pipe“ oder dergleichen.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben zudem festgestellt, dass die Kühlung und/oder Heizung viel Platz in der Batterie einnehmen kann, und dass die wärmsten Punkte die sogenannten Terminals, also die Pole der Batteriezellen, beziehungsweise die Stromschienen zwischen den Batteriezellen sind. Aus diesem Grund wird gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung eine Batterie bereitgestellt, die zumindest zwei der vorhergehend beschriebenen Batteriezellen aufweist, wobei die zumindest zwei Batteriezellen durch eine Stromschiene in elektrischer Verbindung miteinander stehen, und zumindest ein Peltier-Element an der Stromschiene angeordnet ist und thermisch mit dieser in Verbindung steht und/oder zumindest ein Peltier-Element an einem oder beiden Polen jeder Batteriezelle angeordnet ist und thermisch mit diesen in Verbindung steht. Damit sind entsprechende Peltier-Elemente an weiteren thermisch kritischen Zonen oder Punkten an der Batterie vorgesehen, wie es eben bei dem Polen der Batteriezellen und den diese verbindenden Stromschienen der Fall sein kann, die ebenfalls sogenannte „hotspots“ ausbilden können, bei denen eine Kühlung und/oder Erwärmung notwendig sein kann. Die Peltier-Elemente sind dabei beispielsweise mittels einer Keramik galvanisch vom Hochvoltkreis getrennt.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, mit einer oben beschriebenen Batterie bereitgestellt, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung jeder Batteriezelle durch den Unterboden des Fahrzeugs ausgebildet ist. Dieser Unterboden kann dabei mit einer vorstehenden Struktur, wie zum Beispiel Kühlrippen oder dergleichen, versehen sein, die nach außen vorsteht und die bei einer Fahrt des Fahrzeugs vom Fahrtwind umströmt werden können, so dass eine Wärmeabfuhr durch die Wärmeübertragungseinrichtung jeder Batteriezelle erfolgt.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Integration der Temperierung in die Batteriezelle selbst kann sehr gezielt an den Stellen gekühlt oder geheizt werden, an denen die Wärme auftritt. Dadurch kann ein entsprechend ausgerüstetes Fahrzeug bei niedrigen Temperaturen schneller wieder einsatzfähig sein, da die Zell-Chemie direkt geheizt wird. Thermische Übergangswiderstände gibt es bei dem vorliegenden Temperierungskonzept keine mehr. Bei einer derartigen integrierten Temperierung kann die Batteriezelle schneller erwärmt oder gekühlt werden. Wird direkt in der Zelle gekühlt, wie es hier der Fall ist, ist der auszugleichende Temperaturunterschied deutlich geringer. Damit ist die Kühlung noch effizienter. Wird demgegenüber die Zelle extern gekühlt, so muss zunächst die Wärme vom Inneren der Zelle an das Gehäuse gelangen, um effektiv abgeführt werden zu können.
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Eine Batterie mit dem oben beschriebenen Kühlkonzept hat weiterhin den Vorteil, dass die Kühlung direkt an den „hotspots“ erfolgt, dass die üblicherweise gute thermische Leitfähigkeit der Terminals und der Stromschienen für eine gute Entwärmung der Batteriezelle führt, und dass der dazu notwendige Aufbau überaus platzsparend ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
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2 ist eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
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3 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterie mit zwei Batteriezellen;
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4 ist eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform; und
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5 ist eine schematische Schnittansicht durch eine Batteriezelle gemäß dem Stand der Technik.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist eine Batteriezelle 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Schnittansicht von der Seite gezeigt. Die Batteriezelle 1 hat dabei ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 11 mit einer Deckwand 111, zwei sich gegenüberliegend angeordneten Seitenwänden 112 und einer Bodenwand 113, die der Deckwand 111 gegenüberliegt. Zum Teil innerhalb sowie teilweise außerhalb des Gehäuses 11 ist ein Peltier-Element 12 angeordnet, wobei ein Teil 121 des Peltier-Elements 12, der innerhalb des Gehäuses 11 angeordnet ist, aus abwechselnd angeordneten Halbleiterbausteinen sowie diese verbindende Metallbrücken besteht, wie es bereits von dem in 5 gezeigten Peltier-Element 8 des Stands der Technik bekannt ist. Der Teil 122 des Peltier-Elements 12, der zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses 11 angeordnet ist, weist bei dieser Ausführungsform die verbleibenden notwendigen Metallbrücken auf, die an ein keramisches Isolierbauteil 13 angrenzen, welches wiederum an einer Kühlplatte 14 angeordnet ist. Der in dem Gehäuse 11 angeordnete Teil 121 des Peltier-Elements 12 besteht aus verschiedenen Bereichen, jeder vorzugsweise aufgebaut aus einem Paar n- und p-dotierter Halbleiterbausteine mit zugehöriger Metallbrücke, die bei dieser Ausführungsform alle mit gleichem Ausmaß in das Gehäuse 11 der Batteriezelle 1 hineinragen, so dass eine Kühlung/Erwärmung der Batteriezelle 1 anhand des Peltier-Elements 12 innerhalb des Gehäuses 11 der Batteriezelle 1 erfolgen kann.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Batteriezelle 2 gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Schnittansicht von der Seite, deren prinzipieller Aufbau dem Aufbau der Batteriezelle 1 entspricht. Die Batteriezelle 2 hat dabei ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 21 mit einer Deckwand 211, zwei sich gegenüberliegend angeordneten Seitenwänden 212 und einer Bodenwand 213, die der Deckwand 211 gegenüberliegt. Zum Teil innerhalb sowie teilweise außerhalb des Gehäuses 21 ist ein Peltier-Element 22 angeordnet, wobei ein Teil 221 des Peltier-Elements 22, der innerhalb des Gehäuses 21 angeordnet ist, aus abwechselnd angeordneten Halbleiterbausteinen sowie diese verbindende Metallbrücken besteht, wie es bereits von dem in 5 gezeigten Peltier-Element 8 des Stands der Technik bekannt ist. Der Teil 222 des Peltier-Elements 22, der zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses 21 angeordnet ist, weist bei dieser weiteren Ausführungsform die verbleibenden notwendigen Metallbrücken auf, die an ein keramisches Isolierbauteil 23 angrenzen, welches wiederum an einer Kühlplatte 24 angeordnet ist. Der in dem Gehäuse 21 angeordnete Teil 221 des Peltier-Elements 22 besteht aus verschiedenen Bereichen 221a, 221b, 221c und 221d, jeder vorzugsweise aufgebaut aus einem Paar n- und p-dotierter Halbleiterbausteine mit zugehöriger Metallbrücke, die bei dieser weiteren Ausführungsform unterschiedlich weit in das Gehäuse 21 der Batteriezelle 2 hineinragen, so dass eine spezifische Verteilung der Peltier-Elements-Bereiche innerhalb des Gehäuses 21 vorliegt. Die spezifischen Bereiche 221a, 221b, 221c und 221d sind dabei so angeordnet, dass sich diese bis hin zu thermisch kritischen Zonen innerhalb der Batteriezelle 2 erstrecken, um direkt an den thermisch kritischen Zonen eine Kühlung/Erwärmung der Batteriezelle 2 anhand des Peltier-Elements 22 zu erzielen.
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3 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Batterie 5 mit zwei Batteriezellen 1, die miteinander durch eine Stromschiene 51 in Verbindung stehen, wobei die Stromschiene 51 den Minuspol 15 der einen Batteriezelle 1 mit dem Pluspol 16 der anderen Batteriezelle 1 elektrisch verbindet. Um eine übermäßige Erwärmung an diesem thermisch kritischen Bauteil 51 zu verhindern, ist direkt an der Stromschiene 51 ein Peltier-Element 6 angebracht. Weitere Peltier-Elemente zur Temperierung weiterer kritischer Bauteile könnten ferner an diesen angebracht sein, wie zum Beispiel an den Polen 15, 16 jeder Batteriezelle 1. Die Batteriezelle 1 ist hier eine Batteriezelle gemäß der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform; es könnte sich aber auch um eine Batteriezelle 2 gemäß der in 2 gezeigten weiteren bevorzugten Ausführungsform handeln, oder aber aus einer Kombination der Batteriezelle 1 mit der Batteriezelle 2.
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In 4 ist die Batteriezelle 1 der ersten bevorzugten Ausführungsform gezeigt, mit der eine zugehörige Steuerelektronik 3 verbunden ist. Die Steuerelektronik 3 ist mit den Polen 15, 16 der Batteriezelle 1 verbunden, so dass die Steuerelektronik direkt durch die Batteriezelle 1 gespeist wird. Die Steuerelektronik 3 weist eine Regelelektronik 31 sowie eine Überwachungselektronik 32 auf und kann noch weitere Komponenten aufweisen. Die Überwachungselektronik 32 überwacht die Batteriezelle 1, beispielsweise die Temperatur der Batteriezelle 1 anhand eines (nicht gezeigten) Temperatursensors oder dergleichen. Die Regelelektronik 31 ist mit dem Peltier-Element 12 der Batteriezelle 1 durch eine Leitung 33 verbunden und steuert und versorgt das Peltier-Element 12 mit Strom auf Basis der Ergebnisse der Überwachungselektronik 32, so dass eine passende Temperierung der Batteriezelle 1 erreicht wird. Alternativ zu der Anordnung des Peltier-Elements 12 teilweise in der Batteriezelle 1 kann das durch die autonome Steuerungselektronik 3 geregelte Peltier-Element 12 auch vollständig außerhalb der Batteriezelle 1 oder vollständig innerhalb der Batteriezelle 1 angeordnet sein. Anstelle der Batteriezelle 1 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform kann auch eine Batteriezelle 2 gemäß der weiteren bevorzugten Ausführungsform hier zum Einsatz kommen. Eine Regelung mit einer Steuerungselektronik 3, wie es hier in 4 gezeigt ist, kann zudem bei der in 3 gezeigten Batterie 5 beziehungsweise bei jeder deren Batteriezellen 1 zur Anwendung kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0268333 A1 [0004]
