DE102015010983A1

DE102015010983A1 - Batterie

Info

Publication number: DE102015010983A1
Application number: DE102015010983.9A
Authority: DE
Inventors: Jens Meintschel; Dirk Schröter; Knut Welke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2017-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (3), umfassend eine Mehrzahl elektrisch parallel miteinander verschalteter Einzelzellen (1) oder Zellblöcke (2) und eine Grundtemperiervorrichtung (8) zur Grundtemperierung aller Einzelzellen (1). Erfindungsgemäß umfasst die Batterie (3) mindestens eine Ausgleichstemperiervorrichtung (15) zur Ausgleichstemperierung einer oder mehrerer Einzelzellen (1) oder Zellblöcke (2) dieser Mehrzahl der Einzelzellen (1) oder Zellblöcke (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 10 2013 016 616 A1 beschrieben, eine Hochvoltbatterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, von welchen einige paarweise oder in untereinander reihenverschalteten Blöcken elektrisch parallel verschaltet sind, bekannt. Die elektrisch parallel verschalteten Zellen oder Zellblöcke sind jeweils wärmeleitend direkt oder mittelbar verbunden, wobei die elektrisch parallel geschalteten Zellen oder Blöcke von Batterieeinzelzellen jeweils gegenüber den benachbarten elektrisch parallel verschalteten Zellen oder Blöcken von Batterieeinzelzellen thermisch isoliert sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Batterie umfasst eine Mehrzahl elektrisch parallel miteinander verschalteter Einzelzellen oder eine Mehrzahl elektrisch parallel miteinander verschalteter Zellblöcke, welche jeweils mehrere Einzelzellen aufweisen. Des Weiteren umfasst die Batterie eine Grundtemperiervorrichtung zur Grundtemperierung aller Einzelzellen. Erfindungsgemäß umfasst die Batterie mindestens eine Ausgleichstemperiervorrichtung zur Ausgleichstemperierung einer oder mehrerer Einzelzellen dieser Mehrzahl der Einzelzellen oder zur Ausgleichstemperierung eines oder mehrerer Zellblöcke dieser Mehrzahl der Zellblöcke. D. h. mittels der mindestens einen Ausgleichstemperiervorrichtung ist eine selektive zusätzliche Temperierung einer oder mehrerer Einzelzellen aus der Gesamtheit der elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen oder eines oder mehrerer Zellblöcke aus der Gesamtheit der elektrisch parallel miteinander verschalteten Zellblöcke der Batterie ermöglicht, so dass nicht alle elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen oder Zellblöcke auf die gleiche Weise temperiert werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Temperierung der Einzelzellen oder Zellblöcke der Batterie optimiert. Dadurch wird erreicht, dass die elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen oder Zellblöcke ein im Wesentlichen gleiches Temperaturniveau aufweisen, wodurch ein optimiertes Leistungsverhalten der Batterie erreicht ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Explosionsdarstellung eines Zellblocks,
2 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellblocks mit Zellverbindern und mit einem am Zellblock angeordneten Ausgleichsheizelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
3 schematisch eine perspektivische Darstellung mehrerer Zellblöcke und eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung,
4 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Batterie,
5 eine schematische Darstellung einer Einzelzelle, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines an der Einzelzelle angeordneten Ausgleichsheizelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
6 eine schematische Darstellung einer Einzelzelle, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines in der Einzelzelle angeordneten Ausgleichsheizelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
7 eine schematische Darstellung einer Einzelzelle, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines an der Einzelzelle angeordneten Ausgleichskühlelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
8 eine schematische Darstellung eines Zellblocks, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines am Zellblock angeordneten Ausgleichsheizelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
9 eine schematische Darstellung eines Zellblocks, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines am Zellblock angeordneten Ausgleichskühlelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
10 eine schematische Darstellung einer Einzelzelle, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines zwischen der Einzelzelle und dem Grundtemperierelement angeordneten Ausgleichsheizelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
11 eine schematische Darstellung einer Einzelzelle, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines zwischen der Einzelzelle und dem Grundtemperierelement angeordneten Ausgleichskühlelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
12 eine schematische Darstellung eines Zellblocks, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines zwischen dem Zellblock und dem Grundtemperierelement angeordneten Ausgleichsheizelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
13 eine schematische Darstellung eines Zellblocks, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines zwischen dem Zellblock und dem Grundtemperierelement angeordneten Ausgleichskühlelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
14 eine schematische Darstellung einer Einzelzelle, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines auf einer von der Einzelzelle abgewandten Seite des Grundtemperierelementes angeordneten Ausgleichstemperierelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
15 eine schematische Darstellung eines Zellblocks, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines auf einer vom Zellblock abgewandten Seite des Grundtemperierelementes angeordneten Ausgleichstemperierelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
16 eine schematische Darstellung einer Einzelzelle, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines in einem Temperiermediumströmungskanal des Grundtemperierelementes angeordneten Ausgleichsheizelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
17 eine schematische Darstellung einer Einzelzelle, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines in einem Temperiermediumströmungskanal des Grundtemperierelementes angeordneten Ausgleichskühlelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
18 eine schematische Darstellung eines Zellblocks, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines in einem Temperiermediumströmungskanal des Grundtemperierelementes angeordneten Ausgleichstemperierelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
19 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines Temperaturausgleichs zwischen elektrisch parallel miteinander verschalteten Zellblöcken einer Batterie,
20 eine schematische Darstellung eines weiteren Ablaufs eines Temperaturausgleichs elektrisch parallel miteinander verschalteten Zellblöcken einer Batterie,
21 eine schematische Darstellung zweier elektrisch parallel miteinander verschalteter Einzelzelle, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines zwischen den Einzelzellen angeordneten Ausgleichstemperierelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
22 eine schematische Darstellung zweier elektrisch parallel miteinander verschalteter Zellblöcke, zweier Grundtemperierelemente einer Grundtemperiervorrichtung und eines zwischen den Zellblöcken angeordneten Ausgleichstemperierelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
23 eine schematische Darstellung zweier elektrisch parallel miteinander verschalteter Zellblöcke, zweier Grundtemperierelemente einer Grundtemperiervorrichtung und eines zwischen den Grundtemperierelementen angeordneten Ausgleichstemperierelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
24 eine schematische Darstellung zweier elektrisch parallel miteinander verschalteter Zellblöcke, zweier Grundtemperierelemente einer Grundtemperiervorrichtung und eines zwischen Temperiermediumleitungen der Grundtemperiervorrichtung angeordneten Ausgleichstemperierelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
25 eine schematische Darstellung zweier elektrisch parallel miteinander verschalteter Zellblöcke, zweier Grundtemperierelemente einer Grundtemperiervorrichtung und eines Ausgleichstemperierelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung, welches mit Wärmeleitelementen thermisch gekoppelt ist, die in Temperiermediumleitungen der Grundtemperiervorrichtung hineinragen,
26 eine schematische Darstellung zweier elektrisch parallel miteinander verschalteter Zellblöcke, zweier Grundtemperierelemente einer Grundtemperiervorrichtung und eines Ausgleichstemperierelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung, welches in Temperiermediumleitungen der Grundtemperiervorrichtung hineinragt,
27 eine schematische Darstellung zweier elektrisch parallel miteinander verschalteter Einzelzellen, eines Grundtemperierelementes einer Grundtemperiervorrichtung und eines Ausgleichstemperierelementes einer Ausgleichstemperiervorrichtung, welches mit einem Wärmeleitelement zwischen den Einzelzellen angeordnet ist,
28 eine schematische Darstellung von zwischen Temperiermediumleitungen einer Grundtemperiervorrichtung angeordneten Ausgleichstemperierelementen einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
29 eine weitere schematische Darstellung von zwischen Temperiermediumleitungen einer Grundtemperiervorrichtung angeordneten Ausgleichstemperierelementen einer Ausgleichstemperiervorrichtung,
30 eine schematische Darstellung von zwischen Temperiermediumleitungen einer Grundtemperiervorrichtung angeordneten Ausgleichstemperierelementen einer Ausgleichstemperiervorrichtung, welche mittels eines Wärmeleitelementes miteinander thermisch gekoppelt sind,
31 eine schematische Darstellung einer Grundtemperiervorrichtung mit mehreren Grundtemperierelementen und zwischen Temperiermediumleitungen der Grundtemperiervorrichtung angeordneten Ausgleichstemperierelementen einer Ausgleichstemperiervorrichtung, und
32 eine schematische Darstellung einer Grundtemperiervorrichtung mit einem Grundtemperierelement und zwischen Temperiermediumleitungen der Grundtemperiervorrichtung angeordneten Ausgleichstemperierelementen einer Ausgleichstemperiervorrichtung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Anhand der 1 bis 32 werden im Folgenden verschiedene Optimierungsmöglichkeiten einer Temperierung elektrisch parallel miteinander verschalteter Einzelzellen 1 oder elektrisch parallel miteinander verschalteter Zellblöcke 2 einer Batterie 3 beschrieben, wobei die Zellblöcke 2 jeweils mehrere Einzelzellen 1 aufweisen, die zweckmäßigerweise elektrisch seriell miteinander verschaltet sind. Ein Ausführungsbeispiel der Batterie 3 mit einer Mehrzahl elektrisch parallel miteinander verschalteter Zellblöcke 2, welche jeweils eine Mehrzahl von Einzelzellen 1 aufweisen, ist in 4 dargestellt. Die Einzelzellen 1 des jeweiligen Zellblocks 2 sind dabei zweckmäßigerweise elektrisch seriell miteinander verschaltet.
Die Batterie 3 ist ein zweckmäßigerweise wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher, auch als Akkumulator bezeichnet. Sie ist zweckmäßigerweise als eine so genannte Hochvoltbatterie ausgebildet, insbesondere als eine Fahrzeugbatterie, zum Beispiel als eine Traktionsbatterie für ein hier nicht näher dargestelltes Fahrzeug, beispielsweise für ein Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug. Die Traktionsbatterie dient dabei der elektrischen Energieversorgung zumindest einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs. Alternativ oder zusätzlich kann die Batterie 3 beispielsweise für Stationäranwendungen vorgesehen sein, zum Beispiel als ein Stromversorger und/oder Stromspeicher.
Derartige Batterien 3 umfassen, wie in den 1 bis 4 anhand eines Ausführungsbeispiels gezeigt, eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen 1, die gemeinsam mit Einrichtungen zu deren mechanischer Fixierung, Kontaktierung und Überwachung/Steuerung sowie optional deren Temperierung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Zur elektrisch seriellen und/oder parallelen Verschaltung der Einzelzellen 1 sind Zellpole 4 der Einzelzellen 1 direkt oder, wie im dargestellten Beispiel, über elektrisch leitfähige Zellverbinder 5 elektrisch verbunden, auch als High-Voltage-Kontaktierung oder HV-Kontaktierung bezeichnet.
Die Verbindung der Zellverbinder 5 mit den Zellpolen 4 erfolgt beispielsweise stoffschlüssig, zum Beispiel durch verschweißen, beispielsweise mittels Laserschweißung, Widerstandspressschweißung und/oder Ultraschall-Schweißung, oder formschlüssig, zum Beispiel mittels Durchsetzfügen, Clinchen, Crimpen und/oder Nieten. Dadurch ist auch bei einer hohen thermischen, mechanischen und/oder korrosiven Belastung über eine Batterielebensdauer hinweg die Funktionsfähigkeit sichergestellt. Bei einer geringeren Anforderung an die Lebensdauer und/oder einer geringen korrosiven Belastung ist auch der Einsatz von Pressverbindungen möglich, beispielsweise mittels Schrauben und/oder Klemmen.
Die Ausführungsform der Batterie 3 gemäß 4 weist eine Mehrzahl elektrisch parallel miteinander verschalteter Zellblöcke 2 auf, die jeweils eine Mehrzahl über Zellverbinder 5 elektrisch in Reihe geschaltete Einzelzellen 1 aufweisen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier derartige Zellblöcke 2 mit jeweils zwölf Einzelzellen 1 vorhanden. Die elektrische Parallelschaltung der Zellblöcke 2 ist mittels elektrischer Verbindungselemente 14, welche beispielsweise jeweils als eine Stromschiene ausgebildet sind, realisiert.
Die Einzelzellen 1 sind im dargestellten Beispiel als so genannte prismatische Hardcasezellen ausgebildet, d. h. als Fachzellen mit einem im Wesentlichen quaderförmigen stabilen Zellgehäuse. In anderen Ausführungsbeispielen können die Einzelzellen 1 beispielsweise als so genannte Pouchzellen ausgebildet sein, d. h. als Flachzellen, deren Zellgehäuse beutelartig aus einem folienartigen Material ausgebildet ist. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Einzelzellen 1 beispielsweise einen runden oder vieleckigen Querschnitt aufweisen.
Im dargestellten Beispiel sind die Einzelzellen 1 jedes Zellblocks 2 parallel zueinander ausgerichtet, hintereinander angeordnet und in Längsrichtung des Zellblocks 2 über zwei an dessen stirnseitigen Enden angeordnete Druckbrillen 6 verpresst, die mittels mit den Druckbrillen 6 verschweißten Spannelementen 13, welche im dargestellten Beispiel als Verbindungsbleche ausgebildet sind, miteinander verbunden sind.
Die Zellblöcke 2 sind zur Grundtemperierung auf einem im dargestellten Beispiel als Kühlplatte, beispielsweise aus Aluminium, ausgebildeten gemeinsamen Grundtemperierelement 7 einer Grundtemperiervorrichtung 8 angeordnet, die im dargestellten Beispiel längs durchlaufende Temperiermediumströmungskanäle 9 aufweist, welche von einem Temperiermedium, beispielsweise von zentral temperiertem Kühlwasser oder einem Wasser-Glykol-Gemisch, durchströmbar oder durchströmt sind, wie durch erste Pfeile P1 angedeutet.
Die Zellblöcke 2 sind mittels Befestigungselementen 10, 11 auf dem Grundtemperierelement 7 fixiert, im dargestellten Beispiel mittels als Schrauben ausgebildeter Befestigungselemente 10, welche in als Schrauböffnungen ausgebildete korrespondierende Befestigungselemente 11 des Grundtemperierelementes 7 eingreifen und auf diese Weise die Druckbrillen 6 der Zellblöcke 2 und somit ebenfalls die Zellblöcke 2 am Grundtemperierelement 7 befestigen. Zum Ausgleich von Toleranzen und zur elektrischen Isolation ist zwischen deiner Unterseite der Einzelzellen 1 des jeweiligen Zellblocks 2 und dem Grundtemperierelement 7 jeweils eine Wärmeleitfolie 12 angeordnet.
Werden zur Erzielung von größeren Strömen und/oder Kapazitäten bei gleicher Spannungslage Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 aus einer Mehrzahl von elektrisch seriell miteinander verschalteten Einzelzellen 1 elektrisch parallel miteinander verschaltet, wie in 4 gezeigt, dann ist es zur Erzielung eines optimalen Leistungsverhaltens vorteilhaft, wenn sich die elektrisch parallel miteinander verschalteten Zellblöcke 2 oder Einzelzellen 1 in einem gleichen Betriebspunkt befinden, d. h. sie weisen vorteilhafterweise einen gleichen Ladezustand, einen gleichen Alterungszustand und/oder gleiche Temperaturen auf. Der Ladezustand wird auch als state of charge oder SOC bezeichnet. Der Alterungszustand wird auch als state of health oder SOH bezeichnet.
Weisen die elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 unterschiedliche Temperaturen auf, dann fließen durch diese Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 auch unterschiedliche Ströme, da ein Innenwiderstand proportional zur Temperatur ist. Unterschiedliche Ströme bedeuteten eine unterschiedliche Ladung oder Entladung, auch als SOC-Drift bezeichnet, und ein unterschiedliches Alterungsverhalten, auch als SOH-Drift bezeichnet. Da eine Verlustleistung abhängig ist vom Innenwiderstand, denn die Verlustleistung ist proportional zum Produkt aus Innenwiderstand und dem Quadrat des Stroms, verstärkt sich der Temperaturdrift immer weiter.
Zur individuellen Temperaturregelung können für die betreffenden Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 jeweils eine eigene Temperiervorrichtung vorgesehen sein. Dies stellt technisch jedoch einen großen Aufwand dar, da beispielsweise ein Temperiermediumkreislauf pro Zellblock 2 erforderlich ist. In der DE 10 2013 016 616 A1 wurde vorgeschlagen, die innerhalb einer Batterie 3 jeweils elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 thermisch zu koppeln, so dass sich idealerweise die Zelltemperaturen angleichen. Durch die gleichen Zelltemperaturen stellen sich, abgesehen von toleranzbedingten und somit unvermeidlichen Streuungen, auch gleiche Innenwiderstände und Ströme ein, so dass die betreffenden Einzelzellen 1 im selben Betriebspunkt betrieben werden und gleichmäßig altern.
Bei mehr als zwei parallel geschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 und/oder bei einer Anordnung der elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 nicht direkt räumlich nebeneinander, zum Beispiel bei einer Verteilung der Zellblöcke 2 in einem im Fahrzeug vorhandenen Bauraum, lässt sich die thermische Kopplung allerdings nur mit einem großem Aufwand realisieren.
Zur Lösung des Problems weist die Batterie 3, welche, wie bereits beschrieben, eine Mehrzahl elektrisch parallel miteinander verschalteter Einzelzellen 1 oder eine Mehrzahl elektrisch parallel miteinander verschalteter Zellblöcke 2 umfasst, die jeweils mehrere Einzelzellen 1 aufweisen, neben zumindest einer Grundtemperiervorrichtung 8 zur Grundtemperierung aller Einzelzellen 1 des Weiteren mindestens eine Ausgleichstemperiervorrichtung 15 zur Ausgleichstemperierung einer oder mehrerer Einzelzellen 1 dieser Mehrzahl der Einzelzellen 1 oder zur Ausgleichstemperierung eines oder mehrerer Zellblöcke 2 dieser Mehrzahl der Zellblöcke 2 auf. D. h. mittels der mindestens einen Ausgleichstemperiervorrichtung 15 ist eine selektive zusätzliche Temperierung einer oder mehrerer Einzelzellen 1 aus der Gesamtheit der elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder eines oder mehrerer Zellblöcke 2 aus der Gesamtheit der elektrisch parallel miteinander verschalteten Zellblöcke 2 der Batterie 3 ermöglicht, so dass nicht alle elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 auf die gleiche Weise temperiert werden.
Mittels der Grundtemperiervorrichtung 8 wird somit eine Grundtemperierung der Einzelzellen 1 durchgeführt und mittels der mindestens einen Ausgleichstemperiervorrichtung 15 wird den betreffenden Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 selektiv zusätzlich Wärme oder Kälte zugeführt und dadurch eine thermische Feinjustierung und/oder Balancierung vorgenommen. Im Ausführungsbeispiel der Batterie 3 gemäß 4 sind für die Zellblöcke 2 jeweils eine Ausgleichstemperiervorrichtung 15 vorgesehen, welche ein als Heizmatte ausgebildetes Ausgleichstemperierelement 16 umfasst oder als ein solches ausgebildet ist. Diese Heizmatten sind im dargestellten Beispiel seitlich auf die Einzelzellen 1 des jeweiligen Zellblocks 2 aufgeklebt.
Die Grundtemperiervorrichtung 8 kann beispielsweise zumindest eine Kühl- und/oder Heizplatte umfassen, welche mit einem Temperiermedium, zum Beispiel temperiertes Wasser, temperierte Luft oder ein verdampfendes Klimamittel einer Fahrzeugklimaanlage, durchströmt ist oder mit einem oder mehreren elektrisch betriebenen Widerstandsheizelementen und/oder Peltierelementen und/oder Seebeckelementen bestückt ist und thermisch an die Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 gekoppelt ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Grundtemperiervorrichtung 8 vorgesehen sein, welche eine direkte Umströmung der Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 mit einem Temperiermedium ermöglicht, zum Beispiel mit Luft oder mit einem elektrisch isolierenden Transformatorenöl. In den Ausführungsbeispielen gemäß den 5 bis 25 umfasst die Grundtemperiervorrichtung 8 jeweils ein oder mehrere als Temperierplatten, insbesondere als Kühlplatten, ausgebildete Grundtemperierelemente 7, welche von einem Temperiermedium durchströmt sind und thermisch mit einer oder mehreren Einzelzellen 1 gekoppelt sind.
Die thermische Feinjustierung und/oder Balancierung der Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 dient insbesondere einem Temperaturausgleich aufgrund von Toleranzen der Einzelzellen 1 und/oder aufgrund einer unterschiedlichen Wärmeabgabe und/oder Wärmeaufnahme der Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 in die Umgebung bzw. aus der Umgebung. Hierfür erforderliche Wärmemengen sind gering, so dass für deren Bereitstellung nur ein geringer technischer Aufwand erforderlich ist und zum Betrieb der zumindest einen Ausgleichstemperiervorrichtung 15 nur wenig Energie erforderlich ist. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist ein durch die Ausgleichstemperiervorrichtung 15 erreichter Wärmefluss jeweils durch zweite Pfeile P2 dargestellt.
Die Feinjustierung, d. h. die Zuführung oder Abführung kleiner Wärmemengen und die dadurch erreichte Ausgleichstemperierung, erfolgt beispielsweise durch als Heiz- und/oder Kühlelemente ausgebildete Ausgleichstemperierelemente 16, die thermisch an die Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 gekoppelt sind. Zum Beispiel wird die Wärmezufuhr durch als elektrisches Heizelement ausgebildete Ausgleichstemperierelemente 16, beispielweise durch Widerstandsheizelemente und die Wärmeabfuhr durch als elektrisches Kühlelement ausgebildete Ausgleichstemperierelemente 16, beispielsweise durch Peltierelemente, durchgeführt. Die Ausgleichstemperierelemente 16 sind dabei beispielsweise direkt auf und/oder in den Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 angeordnet, wie in den 5 bis 9 gezeigt.
So zeigt 5 ein Ausführungsbeispiel, in welchem das als Heizelement ausgebildete Ausgleichstemperierelement 16 der Ausgleichstemperiervorrichtung 15 an einer Einzelzelle 1 angeordnet ist. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem das als Heizelement ausgebildete Ausgleichstemperierelement 16 der Ausgleichstemperiervorrichtung 15 in einer Einzelzelle 1 angeordnet ist. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem das als Kühlelement ausgebildete Ausgleichstemperierelement 16 der Ausgleichstemperiervorrichtung 15 an einer Einzelzelle 1 angeordnet ist. Zur Abgabe der Wärme an die Umgebung weist das als Kühlelement ausgebildete Ausgleichstemperierelement 16 ein Wärmeübertragungselement 17 auf, welches mit einer warmen Seite des Kühlelementes thermisch gekoppelt ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann auch dieses als Kühlelement ausgebildete Ausgleichstemperierelement 16 in der Einzelzelle 1 angeordnet sein, wobei dann das Wärmeübertragungselement 17 zweckmäßigerweise außerhalb der Einzelzelle 1 angeordnet ist. Das Wärmeübertragungselement 17 weist dabei beispielsweise einen oder mehrere Kühlstäbe und/oder einen genannten Kühligel auf, d. h. es weist zweckmäßigerweise eine möglichst große Oberfläche zur Wärmeübertragung an die Umgebung auf.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem das als Heizelement ausgebildete Ausgleichstemperierelement 16 der Ausgleichstemperiervorrichtung 15 auf dem Zellblock 2 angeordnet ist. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem das als Kühlelement ausgebildete Ausgleichstemperierelement 16 der Ausgleichstemperiervorrichtung 15 auf dem Zellblock 2 angeordnet ist.
In Weiteren Ausführungsbeispielen ist das jeweilige Ausgleichstemperierelement 16 beispielsweise zwischen der jeweiligen Einzelzelle 1 oder dem Zellblock 2 und dem Grundtemperierelement 7 angeordnet, wie in den 10 bis 13 gezeigt. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem das als Heizelement ausgebildete Ausgleichstemperierelement 16 zwischen der Einzelzelle 1 und dem Grundtemperierelement 7 angeordnet ist. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem das als Kühlelement ausgebildete Ausgleichstemperierelement 16 zwischen der Einzelzelle 1 und dem Grundtemperierelement 7 angeordnet ist. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem das als Heizelement ausgebildete Ausgleichstemperierelement 16 zwischen dem Zellblock 2 und dem Grundtemperierelement 7 angeordnet ist. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem das als Kühlelement ausgebildete Ausgleichstemperierelement 16 zwischen dem Zellblock 2 und dem Grundtemperierelement 7 angeordnet ist.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist das Ausgleichstemperierelement 16 beispielsweise auf einer von der Einzelzelle 1 oder dem Zellblock 2 abgewandten Seite des Grundtemperierelementes 7 angeordnet, wie in den 14 und 15 gezeigt. 14 zeigt ein als Heiz- und/oder Kühlelement ausgebildetes Ausgleichstemperierelement 16 auf der von der Einzelzelle 1 abgewandten Seite des Grundtemperierelementes 7. 15 zeigt ein als Heiz- und/oder Kühlelement ausgebildetes Ausgleichstemperierelement 16 auf der vom Zellblock 2 abgewandten Seite des Grundtemperierelementes 7.
In weiteren Ausführungsbeispielen temperiert das jeweilige Ausgleichstemperierelement 16 beispielsweise das Temperiermedium der Grundtemperiervorrichtung 8, bevor das Temperiermedium thermisch mit der jeweiligen Einzelzelle 1 oder dem jeweiligen Zellblock 2 thermisch kontaktiert wird, wie in den 16 bis 18 gezeigt. Hierzu ist das als Heiz- und/oder Kühlelement ausgebildete Ausgleichstemperierelement 16 in der Grundtemperiervorrichtung 8 angeordnet, beispielsweise in einem jeweiligen Grundtemperierelement 7 der Grundtemperiervorrichtung 8, zum Beispiel in einem Temperiermediumströmungskanal 9 des Grundtemperierelementes 7. So zeigt 16 ein im Grundtemperierelement 7 für eine Einzelzelle 1 angeordnetes als Heizelement ausgebildetes Ausgleichstemperierelement 16, 17 zeigt ein im Grundtemperierelement 7 für eine Einzelzelle 1 angeordnetes als Kühlelement ausgebildetes Ausgleichstemperierelement 16 und 18 zeigt ein im Grundtemperierelement 7 für einen Zellblock 2 angeordnetes als Heiz- und/oder Kühlelement ausgebildetes Ausgleichstemperierelement 16.
Mit der Feinjustierung können beliebig viele Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 auf die gleiche Temperatur gebracht werden. Die Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 können dabei beispielsweise thermisch an ein einziges Grundtemperierelement 7 gekoppelt sein, beispielsweise sind mehrere Zellblöcke 2 auf einem gemeinsamen als Kühlplatte ausgebildeten Grundtemperierelement 7 angeordnet. Ist zum Beispiel eine von mehreren elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder einer von mehreren parallel miteinander verschalteten Zellblöcken 2 zu kalt, dann wird diese/dieser beispielsweise durch Betrieb des als Heizelement ausgebildeten Ausgleichstemperierelementes 16 auf eine vorgegebene Solltemperatur erwärmt.
Diese Vorgehensweise ist beispielhaft in 19 gezeigt. Hier weist die Batterie 3 vier elektrisch parallel miteinander verschaltete Zellblöcke 2 auf. Wie in der oberen Darstellung gezeigt, weist einer der Zellblöcke 2, hier der zweite Zellblock 2 von links, eine geringere Temperatur auf als die anderen Zellblöcke 2, wobei die Temperatur dieses Zellblocks 2 unter der Solltemperatur liegt. Daher wird dieser zu kalte Zellblock 2 nun durch Aktivierung des ihm zugeordneten und als Heizelement ausgebildeten Ausgleichstemperierelementes 16 auf die vorgegebene Solltemperatur erwärmt, indem diesem zu kalten Zellblock 2 mittels des Ausgleichstemperierelementes 16 eine Wärmemenge zugeführt wird. Danach weisen alle elektrisch parallel miteinander verschalteten Zellblöcke 2 der Batterie 3 wieder die gleiche Temperatur auf, wie in der unteren Darstellung von 19 gezeigt.
Ist eine von mehreren elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder einer von mehreren elektrisch parallel miteinander verschalteten Zellblöcken 2 zu warm, dann werden beispielsweise durch die als Heizeinelemente ausgebildeten Ausgleichstemperierelemente 16 zunächst die anderen Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 auf die Temperatur der zu warmen Einzelzelle 1 oder des zu warmen Zellblocks 2 erwärmt. Anschließend werden alle Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 durch einen verstärkten Betrieb der gemeinsamen Grundtemperiervorrichtung 8 und/oder ihres zumindest einen Grundtemperierelementes 7 wieder auf die vorgegebene Solltemperatur abgekühlt, beispielsweise durch Absenkung einer Vorlauftemperatur des Temperiermediums und/oder durch eine Vergrößerung eines Durchflusses des Temperiermediums.
Diese Vorgehensweise ist beispielhaft in 20 gezeigt. Hier weist die Batterie 3 vier elektrisch parallel miteinander verschaltete Zellblöcke 2 auf. Wie in der oberen Darstellung gezeigt, weist einer der Zellblöcke 2, hier der zweite Zellblock 2 von links, eine höhere Temperatur auf als die anderen Zellblöcke 2, wobei die Temperatur dieses Zellblocks 2 über der Solltemperatur liegt. Daher werden die anderen Zellblöcke 2 nun durch Aktivierung des dem jeweiligen Zellblock 2 zugeordneten und als Heizelement ausgebildeten Ausgleichstemperierelementes 16 auf die Temperatur des zu warmen Zellblocks 2 erwärmt, indem diesen kälteren Zellblöcken 2 mittels des jeweiligen Ausgleichstemperierelementes 16 jeweils eine Wärmemenge zugeführt wird. Danach weisen alle elektrisch parallel miteinander verschalteten Zellblöcke 2 der Batterie 3 wieder die gleiche Temperatur auf, wie in der mittleren Darstellung von 20 gezeigt. Da diese Temperatur der Zellblöcke 2 nun jedoch über der vorgegebenen Solltemperatur liegt, werden die Zellblöcke 2 durch einen verstärkten Betrieb der gemeinsamen Grundtemperiervorrichtung 8 und ihres Grundtemperierelementes 7 wieder auf die vorgegebene Solltemperatur abgekühlt, wie in der unteren Darstellung von 20 gezeigt.
Werden zur Feinjustierung als Peltierelement ausgebildete Ausgleichstemperierelemente 16 verwendet, dann können diese als Kühlelement und durch Umpolung des angelegten elektrischen Stroms auch als Heizelement eingesetzt werden.
Die Balancierung, d. h. die Verschiebung kleiner Wärmemengen zwischen den jeweils elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2, erfolgt beispielsweise durch Wärmepumpen, die thermisch zwischen den jeweils parallel geschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 angeordnet sind. Hierbei wird den Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 mit zu hoher Temperatur Wärme entnommen, so dass diese gekühlt werden, und den jeweils zu kalten Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 zugeführt, so dass diese erwärmt werden.
Vorzugsweise werden hierzu als Peltierelement oder als Seebeckelement ausgebildete Ausgleichstemperierelemente 16 verwendet, wobei das Seebeckelement die umgekehrte Wirkung des Peltierelementes hat. Das jeweilige Ausgleichstemperierelement 16 ist dann thermisch zwischen den parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 angeordnet, wie in 21 anhand zweier über Zellverbinder 5 elektrisch parallel miteinander verschalteter Einzelzellen 1 und in 22 anhand zweier elektrisch parallel miteinander verschalteter Zellblöcke 2 gezeigt, wobei in 22 jedem Zellblock 2 ein eigenes als Kühlplatte ausgebildetes Grundtemperierelement 7 der Grundtemperiervorrichtung 8 zugeordnet ist.
Unter der Formulierung, dass das jeweilige Ausgleichstemperierelement 16 thermisch zwischen den parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 angeordnet ist, ist dabei zu verstehen, dass das Ausgleichstemperierelement 16 zum Temperaturausgleich mit den parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 derart thermisch gekoppelt ist, dass im Betrieb des Ausgleichstemperierelementes 16 eine warme Seite und eine kalte Seite des Ausgleichstemperierelementes 16 mit unterschiedlichen Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 thermisch gekoppelt ist, um zwischen diesen Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 einen Temperaturausgleich zu ermöglichen. Durch Umkehrung der Richtung des Betriebsstromes kann die Wärmeförderrichtung des als Peltierelement ausgebildeten jeweiligen Ausgleichstemperierelementes 16 geändert werden.
Physisch kann das Ausgleichstemperierelement 16 zwischen den parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 angeordnet sein, wie in den 21 und 22 gezeigt, oder an einer anderen Position angeordnet sein. Beispielsweise ist das Ausgleichstemperierelement 16 zwischen Außenseiten von Grundtemperierelementen 7 oder Temperiermediumleitungen 18 der Grundtemperiervorrichtung 8 angeordnet, die somit als Wärmetauscher wirken, wie in den 23 und 24 gezeigt, oder das jeweilige Ausgleichstemperierelement 16 ist direkt zwischen Temperiermediumströmen der als Kühl- und/oder Heizplatten ausgebildeten Grundtemperierelemente 7 der Grundtemperiervorrichtung 8 angeordnet, wie in 25 und 26 gezeigt. Dabei weist das Ausgleichstemperierelement 16 in 25 Wärmeübertragungselemente 17 auf, welche in den jeweiligen Temperiermediumstrom hineinragen. Die Wärmeübertragungselemente 17 umfassen beispielsweise jeweils einen Kühlstab, der dicht durch eine Wandung der jeweiligen Temperiermediumleitung 18 hindurchgeführt ist, und im Inneren der jeweiligen Temperiermediumleitung 18 einen oben bereits beschriebenen Kühligel. In 26 ragt das Ausgleichstemperierelement 16 selbst in den jeweiligen Temperiermediumstrom hinein und ist somit vom Temperiermedium umströmt.
Sind die thermisch zu balancierenden Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 räumlich zu weit entfernt, dann kann zusätzlich ein Wärmeleitelement 19 thermisch zwischengeschaltet sein, beispielsweise ein metallischer Kühlstab oder ein metallisches Kühlblech oder eine so genannte Heatpipe, wie in 27 gezeigt. Hier ist das Ausgleichstemperierelement 16 an einer der beiden elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 angeordnet und mittels des Wärmeleitelements 19 mit der anderen Einzelzelle 1 thermisch gekoppelt.
Die Balancierung kann zwischen jeweils zwei Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 vorgenommen werden, wie in den 21 bis 27 gezeigt, oder zwischen mehr als zwei Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2, wobei dann beispielsweise die zum Beispiel als Peltierelement ausgebildeten Ausgleichstemperierelemente 16 thermisch jeweils zwischen zwei von mehreren sich in Kaskaden- oder Gabelform verzweigenden Temperiermediumleitungen 18 der Grundtemperiervorrichtung 8 oder der Ausgleichstemperiervorrichtung 15 angeordnet sind, wie in den 28 und 29 gezeigt.
Um von jeder beliebigen Einzelzelle 1 oder von jedem beliebigen Zellblock 2 die Wärme in beliebigen Richtungen zu jeder anderen Einzelzelle 1 oder zu jedem anderen Zellblock 2 zu transferieren, sind die als Peltierelement ausgebildeten Ausgleichstemperierelemente 16 beispielsweise, wie in 30 gezeigt, thermisch mit einer Seite auf einem als Wärmeleitplatte ausgebildeten Wärmeleitelement 19, zum Beispiel auf einer Metallplatte aus Aluminium oder Kupfer oder einer Heatpipe zur Wärmequerübertragung und mit der anderen Seite jeweils mit einer Temperiermediumleitung 18 der Grundtemperiervorrichtung 8 oder der Ausgleichstemperiervorrichtung 15 thermisch kontaktiert, welche dann beispielsweise zur Ausgleichstemperierung der jeweiligen Einzelzelle 1 oder des jeweiligen Zellblocks 2 temperiermediumdurchströmte Temperierelemente, zum Beispiel Temperierplatten, aufweist. Das als Wärmeleitplatte ausgebildete Wärmeleitelement 19 kann hierbei thermisch mit dem Temperiermediumstrom der Grundtemperiervorrichtung 8 kontaktiert sein oder anderweitig überschüssige Wärme abgeben.
Die beschriebene Lösung ist einsetzbar bei einzelnen, beispielsweise als Temperierplatte ausgebildeten Grundtemperierelementen 7, wie in 31 gezeigt, wobei der Temperiermediumstrom vorher durch eine Gabelstelle im Zuleitungssystem verzweigt wird, oder bei einem gemeinsamen, beispielsweise als Temperierplatte ausgebildeten Grundtemperierelement 7, an oder in welchem die Aufteilung der Temperiermediumströme vorgenommen wird, wie in 32 gezeigt.
Mit der Feinjustierung und/oder Balancierung können alle jeweils elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 auf die gleiche Temperatur gebracht werden. Hierzu kann eine aktive elektronische Regelung eingesetzt werden, wobei beispielsweise eine Temperaturmessung an der jeweiligen Einzelzelle 1 oder am jeweiligen Zellblock 2 durchgeführt wird und abhängig davon ein Betriebsstrom des als Heiz- und/oder Kühlelement ausgebildeten jeweiligen Ausgleichstemperierelementes 16 zur Feinjustierung eingestellt wird, oder der Betriebsstrom wird durch geeignete Elemente, beispielsweise PTC-Elemente (PTC = positive temperature coefficient = positiver Temperaturkoeffizient), die in Abhängigkeit von der Temperatur ihren elektrischen Widerstand ändern, eingestellt. PTC-Elemente können zur Stromeinstellung, aber auch zur direkten Heizung und somit auch als Ausgleichstemperierelement 16 verwendet werden. Durch den positiven Temperaturkoeffizienten wird der Ansteuerungsstrom des Heizelements bzw. die Heizwirkung selbst beim Erreichen der Solltemperatur reduziert bzw. auf Null zurückgefahren.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, mit der Feinjustierung und/oder Balancierung bei allen jeweils elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 durch Variation der Temperatur den gleichen Innenwiderstand einzustellen. Hierfür wird der Innenwiederstand zum Beispiel durch Strom- und Spannungsmessung oder durch Auswertung der Zelleinzelspannung oder der Zellblockspannung bestimmt.
Die Regelung der als Heiz- und/oder Kühlelemente ausgebildeten Ausgleichstemperierelemente 16 kann kontinuierlich mit einem diskreten Ansteuersignal oder einem Pulsweitenmodulationssignal erfolgen oder intermittierend durch eine ”Ein-Aus”-Steuerung.
In einer Ausführungsform sind die jeweils elektrisch parallel miteinander verschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 mit thermischer Feinjustierung und/oder Balancierung von benachbarten Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 und/oder der Umgebung thermisch isoliert. Durch die thermische Abschirmung von Umgebungseinflüssen wird die Angleichung der Temperaturen innerhalb der Einheit von parallel geschalteten Einzelzellen 1 oder Zellblöcken 2 erleichtert, wodurch ein geringerer Energieeinsatz erforderlich ist.
Es ist auch möglich, die beschriebene Lösung mit Grundtemperierung und Feinjustierung und/oder Balancierung der Zelltemperaturen auch dann einzusetzen, wenn alle Einzelzellen 1 oder Zellblöcke 2 elektrisch seriell miteinander verschaltet sind. Hierdurch kann die Leistungsfähigkeit der Batterie 3 verbessert werden und die Einzelzellen 1 altern durch gleiche Temperatur und Belastung gleichmäßig.
Werden zur Feinjustierung Heizelemente oder entsprechend umgepolte Peltierelemente verwendet, dann kann mit diesen auch eine kalte Batterie 3 erwärmt werden, ohne dass hierfür zusätzliche Bauteile erforderlich sind.
Bezugszeichenliste

1: Einzelzelle
2: Zellblock
3: Batterie
4: Zellpol
5: Zellverbinder
6: Druckbrille
7: Grundtemperierelement
8: Grundtemperiervorrichtung
9: Temperiermediumströmungskanal
10, 11: Befestigungselement
12: Wärmeleitfolie
13: Spannelement
14: Verbindungselement
15: Ausgleichstemperiervorrichtung
16: Ausgleichstemperierelement
17: Wärmeübertragungselement
18: Temperiermediumleitung
19: Wärmeleitelement
P1, P2: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013016616 A1 [0002, 0054]

Claims

Batterie (3), umfassend eine Mehrzahl elektrisch parallel miteinander verschalteter Einzelzellen (1) oder Zellblöcke (2) und eine Grundtemperiervorrichtung (8) zur Grundtemperierung aller Einzelzellen (1), gekennzeichnet durch mindestens eine Ausgleichstemperiervorrichtung (15) zur Ausgleichstemperierung einer oder mehrerer Einzelzellen (1) oder Zellblöcke (2) dieser Mehrzahl der Einzelzellen (1) oder Zellblöcke (2).
Batterie (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichstemperiervorrichtung (15) ein Peltierelement, ein Seebeckelement und/oder ein Wiederstandsheizelement umfasst.
Batterie (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichstemperiervorrichtung (15) an und/oder in mindestens einer Einzelzelle (1) angeordnet ist.
Batterie (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichstemperiervorrichtung (15) an und/oder in der Grundtemperiervorrichtung (8) angeordnet ist.
Batterie (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichstemperiervorrichtung (15) zwischen mehreren Einzelzellen (1) oder Zellblöcken (2), zwischen mehreren Grundtemperierelementen (7) der Grundtemperiervorrichtung (8) und/oder zwischen mehreren Temperiermediumleitungen (18) der Grundtemperiervorrichtung (8) angeordnet ist.