DE102015011612A1

DE102015011612A1 - Batteriezellenheizanordnung für ein HV-Batterie und Verfahren zum Beheizen einer Batteriezelle

Info

Publication number: DE102015011612A1
Application number: DE102015011612.6A
Authority: DE
Inventors: Justus Speichermann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2016-04-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenheizanordnung (10), insbesondere für eine HV-Batterie eines Kraftfahrzeugs, aufweisend eine Batteriezelle (12) mit einem Gehäuse (14), das die Batteriezelle (12) nach außen abschließt. Das Gehäuse (14) ist dabei elektrisch leitfähig ausgebildet, wobei das Gehäuse (14) weiterhin als Heizwiderstand ausgebildet ist und die Batteriezellenheizanordnung (10) dazu ausgelegt ist, einen Stromfluss durch das Gehäuse (14) zu bewirken, um das Gehäuse (14) zu erwärmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenheizanordnung, insbesondere für eine HV-Batterie eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Beheizen einer Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
Aus dem Stand der Technik bekannte Lithium-Ionen-Batteriesysteme bestehen oft aus verschalteten Lithium-Ionen-Zellen. Diese besitzen dabei eine Hülle, die beispielsweise bei Pouch-Zellen aus einer beschichteten Metallfolie bestehen kann, und bei Hardcase-Zellen beispielsweise aus tiefgezogenem Aluminium oder Stahl. Je nach Ausführung kann auf der Hülle das Potenzial zum Beispiel des Minuspols oder ein Schwebepotenzial liegen, wenn die Hülle nicht direkt mit einem der beiden Ableiter kontaktiert ist, was häufig bei Pouch-Zellen der Fall ist.
Tiefe Temperaturen können sich negativ auf die entnehmbare Energie und Leistung von Lithium-Ionen-Zellen und damit auf das Batteriesystem auswirken. Nach dem Stand der Technik werden dafür Heizsysteme in der Batterie eingesetzt. Aufgrund von konstruktiven Randbedingungen besitzen diese Systeme jedoch eine begrenzte Effizienz.
Die DE 10 2010 034 081 A1 beschreibt eine Umhüllung für eine elektrochemische Zelle. Diese Umhüllung umgibt den Elektrodenstapel und ist aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. In diese Umhüllung ist eine Heizvorrichtung integriert, die als gewundener Heizdraht ausgebildet ist.
Die Integration dieser Heizvorrichtung in die elektrisch isolierende Umhüllung der Batteriezelle ist dabei bautechnisch aufwendig und führt zu einer Vergrößerung der einzelnen Zellen sowie damit auch einer gesamten Zellanordnung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batteriezellenheizanordnung und ein Verfahren zum Beheizen einer Batteriezelle bereitzustellen, welche eine möglichst einfache und kompakte Beheizung der Batteriezelle ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriezellenheizanordnung und ein Verfahren zum Beheizen einer Batteriezelle mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Batteriezellenheizanordnung, insbesondere für eine HV-Batterie eines Kraftfahrzeugs, weist eine Batteriezellen und ein Gehäuse auf, das die Batteriezelle nach außen abschließt. Das Gehäuse ist dabei elektrisch leitfähig ausgebildet, wobei das Gehäuse weiterhin als Heizwiderstand ausgebildet ist und die Batteriezellenheizanordnung dazu ausgelegt ist, einen Stromfluss durch das Gehäuse zu bewirken, um das Gehäuse zu erwärmen.
Zur Beheizung der Batteriezelle müssen damit vorteilhafterweise keine zusätzlichen Heizkomponenten vorgesehen werden, sondern das Gehäuse der Zelle kann selbst die Heizfunktion bereitstellen. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauform der Batteriezelle ermöglicht und die Batteriezellenheizanordnung ist bautechnisch besonders einfach umzusetzen. Auch kann durch diese erfindungsgemäße Batteriezellenheizanordnung eine höhere Effizienz im Vergleich zu Systemen mit externer Wärmezufuhr bereitgestellt werden, da die Wärme somit direkt im Gehäuse der Zelle erzeugt werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriezellenheizanordnung einen Heizstromkreis auf, wobei das Gehäuse als Heizwiderstand im Heizstromkreis angeordnet ist, und wobei das Gehäuse den größten elektrischen Widerstand im Heizstromkreis bereitstellt. Dadurch kann vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass es vor allem im Gehäuse zur Wärmeentwicklung kommt. Für den Fall mehrerer Batteriezellen, kann jedes Gehäuse jeder Zelle Teil eines separaten Heizstromkreises sein und in diesem den größten elektrischen Widerstand bereitstellen. Es kann aber auch ein gemeinsamer Heizstromkreis bereitgestellt sein, in den alle Gehäuse der mehreren Batteriezellen eingebunden sind, wobei dann ein jeweiliges Gehäuse bevorzugt einen größeren elektrischen Widerstand bereitstellt als andere von Gehäusen verschiedene Komponenten, insbesondere andere elektrische Widerstände, des Heizstromkreises. Die mehreren Gehäuse sind dann weiterhin bevorzugt gleichartig ausgebildet und weisen einen ähnlichen oder gleichen elektrischen Widerstand aus, so dass alle Batteriezellen gleichmäßig beheizt werden können.
Der Heizstromkreis kann beispielsweise mit einer Steuereinrichtung gekoppelt sein, die den Stromfluss durch den Heizstromkreis und damit durch das Gehäuse bewirkt, insbesondere wenn die Temperatur der Batteriezelle, die Temperatur der gesamten HV-Batterie und/oder die Außentemperatur unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt, so dass die Batteriezelle nur beheizt wird, wenn dies auch erforderlich ist, das heißt bei tiefen Umgebungstemperaturen. Die Batteriezelle stellt dabei bevorzugt eine Lithium-Ionen-Zelle dar, da gerade eine Beheizung derartiger Zellen bei tiefen Umgebungstemperaturen besonders leistungsfördernd ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt die Batteriezelle eine Pouch-Zelle dar, wobei das Gehäuse flexibel ausgebildet ist, und insbesondere aus einer Metallfolie gebildet ist. Die Metallfolie kann beispielsweise eine mit Metall beschichtete Folie, insbesondere eine Aluminiumfolie, darstellen. Aluminium stellt einen besonders guten Wärmeleiter dar und ist daher gerade zum Beheizen der Batteriezelle besonders gut geeignet. Außerdem können in vorteilhafter Weise bereits bestehende Bauformen von Batteriezellen, insbesondere Pouch-Zellen, genutzt werden. Die Dicke der Metallfolie kann dabei so ausgelegt werden, dass durch diese ein ausreichend großer Heizwiderstand bereitgestellt ist. Dadurch lässt sich die Batteriezellenheizanordnung besonders kostengünstig ausgestalten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt die Batteriezelle eine prismatische Zelle oder eine Zylinderzelle dar, wobei das Gehäuse starr ausgebildet ist, insbesondere als Hardcase aus einem metallischen Material. In diesem Fall kann das Gehäuse beispielsweise aus tiefgezogenem Aluminium oder Stahl gebildet sein, wodurch ebenfalls eine besonders gute Wärmeleitung und eine besonders kostengünstige Ausbildung der Batteriezellenheizanordnung insgesamt bereitgestellt werden und auch hier wiederum bestehende Bauformen von Batteriezellen genutzt werden können.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beheizen einer Batteriezelle, wobei die Batteriezelle ein Gehäuse aufweist, das die Batteriezelle nach außen abschließt. Dabei wird zum Beheizen der Batteriezelle ein Stromfluss durch das elektrisch leitende Gehäuse der Batteriezelle bewirkt. Dieser Stromfluss wird vorzugsweise nur bei tiefen Außentemperaturen bewirkt, beispielsweise wenn die Umgebungstemperatur, die Temperatur der die Batteriezelle umfassenden HV-Batterie oder die Temperatur der Batteriezelle selbst eine vorbestimmte Grenztemperatur unterschreitet.
Des Weiteren gelten die für die erfindungsgemäße Batteriezellenheizanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren zum Beheizen einer Batteriezelle.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine HV-Batterie mit einer erfindungsgemäßen Batteriezellenheizanordnung, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriezellenheizanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung einer Batteriezellenheizanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriezellenheizanordnung 10 weist dabei eine hier exemplarisch als Pouch-Zelle ausgebildete Batteriezelle 12 auf. Die Batteriezelle 12 ist dabei in einer Schnittdarstellung abgebildet, um die einzelnen Schichten der Batteriezelle 12 besser zu veranschaulichen, wobei insbesondere die einzelnen Schichten der Batteriezelle 12 unterschiedlich geschnitten sind. Diese Batteriezelle 12 umfasst ein Gehäuse 14, welches die Batteriezelle 12 nach außen abschließt. Im Gehäuse 12 sind die beiden Elektroden 14 der Batteriezelle 12, insbesondere die Anode 16 und die Kathode 18 angeordnet, die jeweils einen Ableiter 16a beziehungsweise 18a nach außerhalb des Gehäuses 12 bereitstellen, um die Zellspannung nach außen abgreifen zu können. Weiterhin sind die Anode 16 und die Kathode 18 durch einen Separator 20 von einander elektrisch isoliert. Weitere Separatoren 20 können zwischen den jeweiligen Elektroden und dem Gehäuse 14 vorgesehen sein.
Durch das metallische Gehäuse 14, das in diesem Beispiel der Pouch-Zelle eine Aluminiumfolie sein kann, bei anderen Batteriezellen, wie beispielsweise Hardcase-Zellen im prismatischen Format bzw. im Rundzellenformat zum Beispiel aus tiefgezogenem Aluminium oder Stahl, wird nun vorteilhafterweise auch gleichzeitig ein Heizwiderstand bereitgestellt, der mit einem Heizstromkreis 22 der Batteriezellenheizanordnung gekoppelt ist. Die Batteriezellenheizanordnung 10 ist dabei dazu ausgelegt, einen Stromfluss durch das Gehäuse 14 zu bewirken, um das Gehäuse zu erwärmen. Der Heizstromkreis 22 ist hierbei nur schematisch dargestellt und kann noch weitere, nicht dargestellte Komponenten aufweisen, z. B. Schalteinrichtungen zum Öffnen und Schließen des Heizstromkreises 22, und damit zum Bewirken und Unterbrechen des Stromflusses durch das Gehäuse 14, und/oder eine Steuereinrichtung zum Steuern des Heizvorgangs, insbesondere zur temperaturabhängigen Steuerung des Heizvorgangs, zum Beispiel durch Ansteuern einer Schalteinrichtung.
Der elektrische Widerstand des Gehäuses 14 hat dabei im Heizstromkreis 22 bevorzugt den höchsten elektrischen Widerstand, damit es bevorzugt im Gehäuse 14 zur Wärmeentwicklung kommt. Da es damit direkt im Zellgehäuse 14 zur Wärmeentwicklung kommt und damit direkt in der Batteriezelle 12, ist diese Anordnung bzw. dieses Heizverfahren besonders effizient.
Insgesamt wird so eine Batteriezellenheizanordnung und ein Verfahren zum Beheizen einer Batteriezelle bereitgestellt, mittels welcher sich die Auswirkung von tiefen Temperaturen auf die Effizienz der Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, auf besonders einfache, kostengünstige und kompakte Weise vermeiden lassen, indem zur Beheizung der Batteriezelle die Zellhülle selbst, das heiß das metallische Gehäuse der Batteriezelle, als elektrischer Widerstand, insbesondere Heizwiderstand für Heizvorgänge, genutzt wird.
Bezugszeichenliste

10: Batteriezellenheizanordnung
12: Batteriezelle
14: Gehäuse
16: Anode
16a: Ableiter der Anode
18: Kathode
18a: Ableiter der Kathode
20: Separator
22: Heizstromkreis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010034081 A1 [0004]

Claims

Batteriezellenheizanordnung (10), insbesondere für eine HV-Batterie eines Kraftfahrzeugs, aufweisend eine Batteriezelle (12) mit einem Gehäuse (14), das die Batteriezelle (12) nach außen abschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) elektrisch leitfähig ausgebildet ist, wobei das Gehäuse (14) weiterhin als Heizwiderstand ausgebildet ist und die Batteriezellenheizanordnung (10) dazu ausgelegt ist, einen Stromfluss durch das Gehäuse (14) zu bewirken, um das Gehäuse (14) zu erwärmen.
Batteriezellenheizanordnung (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellenheizanordnung (10) einen Heizstromkreis (22) aufweist, wobei das Gehäuse (14) als Heizwiderstand im Heizstromkreis (22) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (14) den größten elektrischen Widerstand im Heizstromkreis (22) bereitstellt.
Batteriezellenheizanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (12) eine Pouch-Zelle darstellt, wobei das Gehäuse (14) flexibel ausgebildet ist, und insbesondere aus einer Metallfolie gebildet ist.
Batteriezellenheizanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (12) eine prismatische Zelle oder eine Zylinderzelle darstellt, wobei das Gehäuse (14) starr ausgebildet ist, insbesondere als Hardcase aus einem metallischen Material.
Verfahren zum Beheizen einer Batteriezelle (12), wobei die Batteriezelle (12) ein Gehäuse (14) aufweist, das die Batteriezelle (12) nach außen abschließt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beheizen der Batteriezelle (12) ein Stromfluss durch das elektrisch leitende Gehäuse (14) der Batteriezelle (12) bewirkt wird.