DE102015110747A1

DE102015110747A1 - Thermisches batterie-verwaltungssystem einschliesslich thermischen grenzflächenmaterials mit integriertem heizelement

Info

Publication number: DE102015110747A1
Application number: DE102015110747.3A
Authority: DE
Inventors: Neil Robert Burrows; Steven F. Chorian; George Albert Garfinkel; Dhanunjay Vejalla; Chung-hsing Kuo
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2016-01-21
Also published as: US10446887B2; CN105280977B; US20160020496A1; CN105280977A

Abstract

Ein Batteriesatz enthält eine Batteriezelle, ein thermisches Grenzflächenmaterial angrenzend an der Batteriezelle und ein Heizelement, das mit dem thermischen Grenzflächenmaterial integriert ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft ein thermisches Batterie-Verwaltungssystem für ein elektrifiziertes Fahrzeug. Das thermische Batterie-Verwaltungssystem enthält ein thermisches Grenzflächenmaterial und ein integriertes Heizelement, angepasst zum Beheizen einer oder mehrerer Batteriezellen unter bestimmten Bedingungen.
HINTERGRUND
Das Erfordernis zum Reduzieren des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen in Automobilen und anderen Fahrzeugen ist gut bekannt. Daher werden Fahrzeuge entwickelt, die die Abhängigkeit von einem Verbrennungsmotor reduzieren oder vollständig eliminieren. Elektrifizierte Fahrzeuge sind ein Fahrzeugtyp, der gegenwärtig für diesen Zweck entwickelt wird. Im Allgemeinen unterscheiden sich elektrifizierte Fahrzeuge von konventionellen Motorfahrzeugen dahingehend, dass sie von einem oder mehreren batteriebetriebenen Elektromaschinen selektiv angetrieben werden. Herkömmliche Motorfahrzeuge sind dagegen ausschließlich auf den Verbrennungsmotor für den Antrieb des Fahrzeugs angewiesen.
Batterien für elektrifizierte Fahrzeuge bestehen typischerweise aus einer oder mehreren Batterieanordnungen, die eine Vielzahl von Batteriezellen enthalten. Es kann erforderlich sein, die Batteriezellen thermisch zu verwalten. Zum Beispiel kann es erforderlich sein, die Batteriezellen unter bestimmten Bedingungen zu kühlen oder unter anderen Bedingungen zu beheizen.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG
Ein Batteriesatz gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung enthält eine Batteriezelle, ein thermisches Grenzflächenmaterial angrenzend an der Batteriezelle und ein Heizelement, das mit dem thermischen Grenzflächenmaterial integriert ist.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen ist das Heizelement ein Widerstandsheizdraht.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen ist das Heizelement in/auf dem thermischen Grenzflächenmaterial eingebettet, gebunden, überlagert oder gedruckt.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen ist das Heizelement mit einer oberen Oberfläche oder einer unteren Oberfläche des thermischen Grenzflächenmaterials zusammenhängend.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen ist das thermische Grenzflächenmaterial zwischen der Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle eingeschoben.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen ist das Heizelement zwischen einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht des thermischen Grenzflächenmaterials eingeschoben.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen ist das Heizelement in einem Gitter angeordnet ist, das eine Vielzahl von Heizdrähten enthält, die als eine gewundene Schleife angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen ist das thermische Grenzflächenmaterial um die Batteriezelle gewickelt.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen berührt das thermische Grenzflächenmaterial eine Kälteplatte.
Eine weitere Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen enthält ein Steuerungsssystem, das mindestens einen Temperaturzustand, der mit der Batteriezelle assoziiert ist, überwacht und das Heizelement aktiviert, wenn der mindestens eine Temperaturzustand unter einen im Voraus definierten Schwellenwert fällt.
Ein Batteriesatz gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung enthält eine Batterieanordnung, die eine Vielzahl von Batteriezellen, eine Unterlage, die die Batterieanordnung trägt, ein thermisches Grenzflächenmaterial zwischen der Unterlage und der Batterieanordnung und ein Heizelement, das die Vielzahl von Batteriezellen als Reaktion darauf, dass mindestens ein Temperaturzustand unter einen im Voraus definierten Schwellenwert fällt, beheizt, enthält.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen ist das Heizelement mit dem thermischen Grenzflächenmaterial integriert.
Eine weitere Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen enthält eine zweite Batterieanordnung angrenzend an der Batterieanordnung, wobei das thermische Grenzflächenmaterial zwischen der Unterlage und sowohl der Batterieanordnung als auch der zweiten Batterieanordnung positioniert ist.
Eine weitere Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen enthält ein Steuerungssystem, das einen ersten Sensor, der einen ersten Temperaturzustand überwacht, einen zweiten Sensor, der einen zweiten Temperaturzustand überwacht, und ein Steuermodul, das das Heizelement basierend auf dem ersten Temperaturzustand und dem zweiten Temperaturzustand selektiv aktiviert, enthält.
Eine weitere Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen enthält eine Kälteplatte, die zwischen dem thermischen Grenzflächenmaterial und der Unterlage positioniert ist.
Ein Verfahren gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung enthält das Überwachen mindestens eines Temperaturzustands eines Batteriesatzes, der eine Batteriezelle, ein thermisches Grenzflächenmaterial und ein Heizelement, das mit dem thermischen Grenzflächenmaterial integriert ist, enthält, und das Konditionieren der Batteriezelle mit dem Heizelement, wenn der mindestens eine Temperaturzustand unter einen im Voraus definierten Schwellenwert fällt.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen enthält der Schritt des Überwachens das Erfassen eines ersten Temperaturzustands mit einem ersten Sensor, das Erfassen eines zweiten Temperaturzustands mit einem zweiten Sensor und das Vergleichen mindestens eines des ersten Temperaturzustands und des zweiten Temperaturzustands mit dem im Voraus definierten Schwellenwert.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen ist der erste Temperaturzustand ein Umgebungstemperaturzustand und ist der zweite Temperaturzustand ein Temperaturzustand der Batteriezelle.
Eine weitere Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen enthält das Beenden des Schritts des Konditionierens, sobald der mindestens eine Temperaturzustand den im Voraus definierten Schwellenwert übersteigt.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorstehenden Ausführungsformen wird der Schritt des Konditionierens basierend auf einer geschätzten Abfahrtzeit, die von einem Fahrzeugfahrer ausgewählt wird, ausgeführt.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorstehenden Absätze, die Patentansprüche oder die folgenden Beschreibung und Zeichnungen einschließlich beliebiger ihrer verschiedenen Aspekte oder jeweiligen individuellen Merkmale können unabhängig oder in beliebiger Kombination genommen werden. Merkmale, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, sind auf alle Ausführungsformen anwendbar, außer wenn derartige Merkmale inkompatibel sind.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden Fachleuten im Fachgebiet aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich werden. Die Zeichnungen, die der ausführlichen Beschreibung beigefügt sind, können kurz wie folgt beschrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang eines elektrifizierten Fahrzeugs.
2 zeigt einen Batteriesatz gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Offenbarung.
3A zeigt eine erste Konfiguration eines Heizelements eines thermischen Batterie-Verwaltungssystems.
3B zeigt eine zweite Konfiguration eines Heizelements eines thermischen Batterie-Verwaltungssystems.
3C zeigt eine dritte Konfiguration eines Heizelements eines thermischen Batterie-Verwaltungssystems.
3D zeigt eine vierte Konfiguration eines Heizelements eines thermischen Batterie-Verwaltungssystems.
4 zeigt einen Batteriesatz gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Offenbarung.
5 zeigt einen anderen Batteriesatz.
6 zeigt noch einen anderen Batteriesatz.
7 zeigt schematisch eine beispielhafte Steuerungsstrategie zum Betreiben eines thermischen Batterie-Verwaltungssystems.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In dieser Offenbarung wird ein thermisches Batterie-Verwaltungssystem für ein elektrifiziertes Fahrzeug ausführlich beschrieben. Das beispielhafte thermische Batterie-Verwaltungssystem enthält ein thermisches Grenzflächenmaterial und ein Heizelement, das mit dem thermischen Grenzflächenmaterial integriert werden kann. Das thermische Grenzflächenmaterial ist angrenzend an einer oder mehreren Batteriezellen positioniert, und das Heizelement wird aktiviert, um die Batteriezellen unter bestimmten Bedingungen zu beheizen. Zum Beispiel kann das Heizelement die Batteriezellen unter relativ kalten Zuständen beheizen. Durch Integrieren des Heizelements mit dem thermischen Grenzflächenmaterial kann Wärme erzeugt und in großer Nähe auf die Batteriezellen angewandt werden. Diese und andere Merkmale werden ausführlicher in den folgenden Absätzen diskutiert.
1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang 10 für ein elektrifiziertes Fahrzeug 12. Obwohl sie als ein Hybridelektrofahrzeug (HEV) dargestellt werden, versteht es sich, dass die hierin beschriebenen Konzepte nicht auf HEVs beschränkt sind und auf andere elektrifizierte Fahrzeuge einschließlich von, aber nicht darauf beschränkt, Plug-in Hybridelektrofahrzeugen (PHEVs) und Batterie-Elektrofahrzeugen (BEVs) ausgedehnt werden könnten.
In einer Ausführungsform ist der Antriebsstrang 10 ein Antriebsstrangsystem mit Antriebskraftverteilung, das ein erstes Antriebssystem und ein zweites Antriebssystem einsetzt. Das erste Antriebssystem enthält eine Kombination eines Motors 14 und eines Generators 18 (d. h. eine erste Elektromaschine). Das zweite Antriebssystem enthält mindestens einen Elektromotor 22 (d. h. eine zweite Elektromaschine), den Generator 18 und eine Batteriebaugruppe 24. In diesem Beispiel wird das zweite Antriebssystem als ein elektrisches Antriebssystem des Antriebsstrangs 10 angesehen. Das erste und das zweite Antriebssystem erzeugen Drehmoment zum Antreiben eines oder mehrerer Sätze von Fahrzeug-Antriebsrädern 28 des elektrifizierten Fahrzeugs.
Der Motor 14, der einen Verbrennungsmotor enthalten könnte, und der Generator 18 können durch eine Leistungsübertragungseinheit 30 wie ein Planetenradsatz verbunden sein. Natürlich können andere Typen von Leistungsübertragungseinheiten einschließlich anderer Zahnradsätze und Getriebe zum Verbinden des Motors 14 und des Generators 18 verwendet werden. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist die Leistungsübertragungseinheit 30 ein Planetenradsatz, der ein Hohlrad 32, ein Sonnenrad 34 und eine Trägerbaugruppe 36 enthält.
Der Generator 18 kann vom Motor 14 durch die Leistungsübertragungseinheit 30 angetrieben werden, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 18 kann alternativ als ein Elektromotor funktionieren, um elektrische Energie in kinetische Energie umzuwandeln, wodurch Drehmoment an eine mit der Leistungsübertragungseinheit 30 verbundene Welle 38 ausgegeben wird. Da der Generator 18 funktionell mit dem Motor 14 verbunden ist, kann die Drehzahl des Motors 14 von dem Generator 18 gesteuert werden.
Das Hohlrad 32 der Leistungsübertragungseinheit 30 kann mit einer Welle 40 verbunden sein, die über eine zweite Leistungsübertragungseinheit 44 mit den Fahrzeug-Antriebsrädern 28 verbunden ist. Die zweite Leistungsübertragungseinheit 44 kann einen Zahnradsatz mit einer Vielzahl von Zahnrädern 46 enthalten. Andere Leistungsübertragungseinheiten können auch geeignet sein. Die Zahnräder 46 übertragen Drehmoment von dem Motor 14 zu einem Differenzial 48, um den Fahrzeug-Antriebsrädern 28 schließlich Traktion bereitzustellen. Das Differenzial 48 kann eine Vielzahl von Zahnrädern enthalten, die die Übertragung von Drehmoment an die Fahrzeug-Antriebsräder 28 ermöglichen. In einer Ausführungsform ist die zweite Leistungsübertragungseinheit 44 durch das Differenzial 48 mechanisch an eine Achse 50 gekoppelt, um Drehmoment auf die Fahrzeug-Antriebsräder 28 zu verteilen.
Der Elektromotor 22 kann auch eingesetzt werden, um die Fahrzeug-Antriebsräder 28 anzutreiben, indem Drehmoment zu einer Welle 52 ausgegeben wird, die ebenfalls mit der zweiten Leistungsübertragungseinheit 44 verbunden ist. In einer Ausführungsform kooperieren der Elektromotor 22 und der Generator 18 als Teil eines Rekuperationsbremssystems, in dem sowohl der Elektromotor 22 als auch der Generator 18 als Motoren zur Abgabe von Drehmoment eingesetzt werden können. Zum Beispiel können der Elektromotor 22 und der Generator 18 jeweils elektrische Leistung zu der Batteriebaugruppe 24 ausgeben.
Die Batteriebaugruppe 24 ist ein beispielhafter Typ einer Batteriebaugruppe eines elektrifizierten Fahrzeugs. Die Batteriebaugruppe 24 kann einen Hochspannungs-Batteriesatz enthalten, der eine Vielzahl von Batterieanordnungen enthält, die imstande sind, elektrische Leistung zum Betreiben des Elektromotors 22 und des Generators 18 auszugeben. Andere Typen von Energiespeichervorrichtungen und/oder -ausgabevorrichtungen können zum elektrischen Antreiben des elektrifizierten Fahrzeugs 12 verwendet werden.
In einer nicht einschränkenden Ausführungsform weist das elektrifizierte Fahrzeug 12 zwei grundlegende Betriebsmodi auf. Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann in einem Elektrofahrzeug-(EV)-Modus betrieben werden, in dem der Elektromotor 22 (im Allgemeinen ohne Unterstützung durch den Motor 14) für den Fahrzeugantrieb verwendet wird, wodurch der Ladungszustand der Batteriebaugruppe 24 bis zu seiner maximal zulässigen Entladungsrate bei bestimmten Fahrmustern/-zyklen verbraucht wird. Der EV-Modus ist ein Beispiel eines Ladungsverbrauchs-Betriebsmodus für das elektrifizierte Fahrzeug 12. Während des EV-Modus kann der Ladungszustand der Batteriebaugruppe 24 unter einigen Umständen zunehmen, zum Beispiel aufgrund einer Zeitdauer von Rekuperationsbremsung. Der Motor 14 ist in einem standardmäßigen EV-Modus im Allgemeinen ausgestellt, kann aber nach Bedarf basierend auf einem Zustand des Fahrzeugsystems oder wie durch den Fahrer gestattet betrieben werden.
Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann außerdem in einem Hybrid-(HEV)-Modus betrieben werden, in dem der Motor 14 und der Elektromotor 22 beide für den Fahrzeugantrieb verwendet werden. Der HEV-Modus ist ein Beispiel eines Ladungserhaltungs-Betriebsmodus für das elektrifizierte Fahrzeug 12. Während des HEV-Modus kann das elektrifizierte Fahrzeug 12 die Antriebsnutzung des Elektromotors 22 reduzieren, um den Ladungszustand der Batteriebaugruppe 24 auf einem konstanten oder ungefähr konstanten Niveau zu halten, indem die Antriebsnutzung des Motors 14 erhöht wird. Das elektrifizierte Fahrzeug 12 kann im Rahmen dieser Offenbarung zusätzlich zum EV- und HEV-Modus in anderen Betriebsmodi betrieben werden.
2 zeigt einen Batteriesatz 54, der in ein elektrifiziertes Fahrzeug inkorporiert werden kann. Zum Beispiel könnte der Batteriesatz 54 innerhalb der Batteriebaugruppe 24 des elektrifizierten Fahrzeugs 12 von 1 genutzt werden. Die Batteriebaugruppe 24 kann einen oder mehrere Batteriesätze 54 zum Zuführen elektrischer Leistung zu Komponenten des elektrifizierten Fahrzeugs 12 enthalten. Die Anzahl von Batteriesätzen 54, die von der Batteriebaugruppe 24 genutzt werden, soll diese Offenbarung nicht einschränken und könnte in Abhängigkeit vom Fahrzeugtyp, unter anderen Faktoren, variieren.
Eine oder mehrere Batterieanordnungen 56 sind im Inneren des Batteriesatzes 54 montiert. Obwohl zwei Batterieanordnungen 56 in dieser Ausführungsform dargestellt werden, könnte der Batteriesatz 54 eine beliebige Menge von Batterieanordnungen 56 im Rahmen dieser Offenbarung aufnehmen. Jede Batterieanordnung 56 enthält eine Vielzahl von Batteriezellen 58. Die Batteriezellen 58 können Seite an Seite gestapelt sein und relativ zueinander gehalten werden, um jede Batterieanordnung 56 zu bilden. Die Batteriezellen 58 sind in einer nicht einschränkenden Ausführungsform prismatische Lithiumionenzellen. Andere Typen von Batteriezellen können auch genutzt werden.
Der Batteriesatz 54 kann zusätzlich eine Unterlage 60, eine Abdeckung 62 und ein thermisches Batterie-Verwaltungssystem 64 enthalten. Die Unterlage 60 ist eine Basis des Batteriesatzes 54 und unterstützt die Batterieanordnungen 56. In einer Ausführungsform fungiert die Unterlage 60 als ein Kühlkörper zum Ableiten von Wärme, die von den Batteriezellen 58 unter bestimmten Fahrzeugzuständen erzeugt wird. Die Unterlage 60 kann eine obere Oberfläche 66 und Wände 68 enthalten, die sich von gegenüberliegenden Enden 67, 69 der oberen Oberfläche 66 nach oben erstrecken. In einer anderen Ausführungsform ist die Unterlage 60 aus einem metallischen Material hergestellt und ist wärme- und elektrisch leitend.
Die Abdeckung 62 ist über der Unterlage 60 positioniert, um die Batterieanordnungen 56 des Batteriesatzes 54 unterzubringen. Die Abdeckung 62 kann eine Vielzahl von Wänden 70 enthalten, die die Batterieanordnungen 56 allgemein umgeben. Zusammen verdecken die Unterlage 60 und die Abdeckung 62 die Batterieanordnungen 56 im Wesentlichen.
Das thermische Batterie-Verwaltungssystem 64 kann eingesetzt werden, um die Batteriezellen 58 der Batterie-Anordnungen 56 thermisch zu konditionieren. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform enthält das thermische Batterie-Verwaltungssystem 64 ein thermisches Grenzflächenmaterial (TIM) 72 und ein Heizelement 74, das mit dem TIM 72 integriert ist. Das thermische Batterie-Verwaltungssystem 64 und insbesondere das Heizelement 74 können unter bestimmten Bedingungen genutzt werden, die Batteriezellen 58 zu beheizen, wie ausführlicher nachstehend diskutiert.
In eine Ausführungsform ist das TIM 72 zwischen den Batteriezellen 58 der Batterieanordnungen 56 und der Unterlage 60 positioniert. Das TIM 72 erhält den thermischen Kontakt zwischen den Batteriezellen 58 und der Unterlage 60 und kann die thermische Leitfähigkeit zwischen diesen benachbarten Komponenten während eines Wärmetransferereignisses erhöhen. Das TIM 72 kann Wärme über die vollständige Berührungsoberfläche zwischen den Batteriezellen 58 und der Unterlage 60 verteilen. Das TIM 72 kann sich über eine Gesamtheit der oberen Oberfläche 66 der Unterlage 60 erstrecken. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform erstreckt sich das TIM 72 von dem Ende 67 zum Ende 69 zwischen den Wänden 68 der Unterlage.
In einer Ausführungsform ist das TIM 72 aus Epoxidharz hergestellt. In einer anderen Ausführungsform ist das TIM 72 aus siliciumbasiertem Material hergestellt. Andere Materialien können alternativ oder zusätzlich verwendet werden, das TIM 72 zu bilden.
Das Heizelement 74 kann mit dem TIM 72 integriert sein. Zum Beispiel könnte das Heizelement 74 in/auf das TIM 72 eingebettet, gedruckt, gebunden oder in anderer Weise damit verbunden sein. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist das Heizelement 74 ein Widerstandsheizdraht. Andere Heizelement werden ebenfalls als innerhalb des Rahmens dieser Offenbarung erwogen.
Das thermische Batterie-Verwaltungssystem 64 kann zusätzlich ein Steuerungssystem 65 enthalten, das das Beheizen der Batteriezellen 58 steuert. In einer Ausführungsform enthält das Steuerungssystem 65 einen ersten Sensor 76, einen zweiten Sensor 77 und ein Steuermodul 78. Der erste Sensor 76 kann ein Temperatursensor sein, der einen Umgebungstemperaturzustand des Batteriesatzes 54 erfasst. Der erste Sensor 76 kann an einem beliebigen Ort nahe dem Batteriesatz 54 montiert sein, muss sich aber nicht innerhalb des Batteriesatzes 54 befinden. Ein Signal TC1, das den erfassten Umgebungstemperaturzustand repräsentiert, kann periodisch von dem ersten Sensor an das Steuermodul 78 kommuniziert werden.
Der zweite Sensor 77 kann ein anderer Temperatursensor sein, der angeordnet ist, einen Temperaturzustand einer oder mehrerer Batteriezellen 58 der Batterieanordnungen 56 zu erfassen. In einer Ausführungsform ist der zweite Sensor 77 im Inneren des Batteriesatzes 54 montiert und könnte direkt an einer Batteriezelle 58 montiert sein. Obwohl in der in hohem Maße schematischen Darstellung von 2 als ein einzelner Sensor dargestellt, könnte das Steuerungssystem 65 eine Vielzahl von Sensoren zur Überwachung der Temperaturzustände der Batteriezellen 58 nutzen. In der Tat könnte jede Batteriezelle 58 einen Sensor enthalten. Der zweite Sensor 77 kann ein Signal TC2, das den erfassten Batteriezellen-Temperaturzustand repräsentiert, periodisch an das Steuermodul 78 kommunizieren.
Das Steuermodul 78 kann Teil einer gesamten Fahrzeugsystemsteuerung (VSC) sein oder könnte alternativ eine von der VSC getrennte unabhängige Steuereinheit sein. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist das Steuermodul 78 ein elektronisches Batterie-Steuermodul (BECM). Das Steuermodul 78 kann eine Verarbeitungseinheit und einen nichtflüchtigen Speicher zum Ausführen verschiedener Steuerstrategien, die mit dem thermischen Batterie-Verwaltungssystem 64 assoziiert sind, enthalten.
In einer Ausführungsform weist das Steuermodul 78 das Heizelement 74 des thermischen Batterie-Verwaltungssystems 64 an, einzuschalten, wenn eines oder beide der Signale TC1 und TC2 Temperaturzustände anzeigen, die unter im Voraus definierten Schwellenwerten, die im Steuermodul 78 gespeichert sind, liegen. Die im Voraus definierten Schwellenwerte können in dem nichtflüchtigen Speicher des Speichermodus 78 gespeichert sein, wie in der Form einer oder mehrerer Nachschlagetabellen. Das Steuermodul 78 kann eines oder beide der Signale TC1 und TC2 berücksichtigen, wenn es bestimmt, ob die Batteriezellen 59 beheizt werden müssen, um volle Batterieleistung unter relativ kalten Bedingungen zu ermöglichen.
3A zeigt eine Draufsicht des Heizelements 74 des thermischen Batterie-Verwaltungssystems 64. In dieser Ausführungsform ist das Heizelement 74 dem TIM 72 überlagert oder darauf gedruckt. In einer anderen Ausführungsform ist das Heizelement 74 in das TIM 72 eingebettet. Das Heizelement 74 kann in einem Gitter 80 angeordnet sein, das eine Vielzahl voneinander beabstandeter Heizdrähte 82 enthält. In einer Ausführungsform ist das Gitter 80 als eine gewundene Schleife von Heizdrähten 82 angeordnet. Andere Konfigurationen werden ebenfalls erwogen, und die in 3A dargestellte Konfiguration des Gitters 80 soll diese Offenbarung nicht einschränken.
Endschenkel 84 der Heizdrähte 82 können mit einer Stromquelle 86 verbunden sein. Die Stromquelle 86 könnte eine Hochspannungsbatterie, eine Niederspannungsbatterie oder eine externe Leistungsquelle sein. Wenn sie von dem Steuermodul 78 angewiesen wird, leitet die Stromquelle 86 Strom durch die Heizdrähte 82 des Heizelements 74. Das Heizelement 74 erzeugt Wärme, während der Strom durch die Heizdrähte 82 verläuft. Die von dem Heizelement 74 erzeugte Wärme kann verwendet werden, die Batteriezellen 58 des Batteriesatzes 54 zu beheizen.
In einer anderen Ausführungsform ist das Heizelement 74 unterhalb des TIM 72 positioniert (siehe 3B). Zum Beispiel könnte das Heizelement 74 mit einer unteren Oberfläche 92 des TIM 72 zusammenhängend sein.
In noch einer anderen Ausführungsform ist das Heizelement 74 auf dem TIM 72 positioniert (siehe 3C). Zum Beispiel könnte das Heizelement 74 mit einer oberen Oberfläche 94 des TIM 72 zusammenhängend sein.
In noch einer anderen Ausführungsform ist das Heizelement 74 zwischen einer ersten Schicht 88A und einer zweiten Schicht 88B des TIM 72 eingeschoben (siehe 3D). Dies ist ein Beispiel dafür, wie das Heizelement 74 in das TIM 72 eingebettet sein könnte.
Natürlich sollen die beispielhaften Ausführungsformen der 3A–3D nicht einschränkend sein. Das heißt, andere Konfigurationen werden ebenfalls als innerhalb des Rahmens dieser Offenbarung erwogen.
4 zeigt einen Batteriesatz 154 gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Offenbarung. In dieser Offenbarung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente, wo angemessen, und Bezugszeichen mit der Addition von 100 oder Mehrfachen davon bezeichnen modifizierte Elemente, von denen verstanden wird, dass sie die gleichen Merkmale und Vorteile der korrespondierenden originalen Elemente inkorporieren.
Der Batteriesatz 154 dieser Ausführungsform ist im Wesentlichen ähnlich dem Batteriesatz 54 von 2. In dieser Ausführungsform inkorporiert der Batteriesatz 154 jedoch eine Kälteplatte 190. In einer Ausführungsform ist die Kälteplatte 190 zwischen einer Unterlage 60 und einem TIM 72 des Batteriesatzes 154 positioniert. Die Kälteplatte 190 kann funktionieren, Wärme von den Batteriezellen 58 unter bestimmten Bedingungen zu entfernen.
5 zeigt noch einen anderen Batteriesatz 254. In dieser Ausführungsform enthält der Batteriesatz 254 Batteriezellen 58, die durch ein TIM 72 getrennt sind. Das TIM 72 enthält ein integriertes Heizelement 74. Das Heizelement 74 kann selektiv aktiviert werden, um die Seiten-Oberflächen der Batteriezellen 58 zu beheizen. Die Batteriezellen 58 können prismatische oder Taschentyp-Zellen sein. In einer anderen Ausführungsform sind die Batteriezellen 58 zylindrische Zellen und ist das TIM 72 mindestens teilweise um die Batteriezellen 58 gewickelt (siehe z. B. 6).
7 zeigt schematisch, unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1–6, eine Steuerstrategie 100 zum Betreiben eines thermischen Batterie-Verwaltungssystems 64. Zum Beispiel kann diese Steuerstrategie 100 unter bestimmten Bedingungen ausgeführt werden, um die Batteriezellen 58 des Batteriesatzes 54 (oder des Batteriesatzes 154) zu beheizen. Natürlich ist das thermische Batterie-Verwaltungssystem 64 imstande, andere Steuerstrategien im Rahmen dieser Offenbarung zu implementieren und auszuführen. In einer Ausführungsform ist das Steuermodul 78 des Steuerungssystems 65 des thermischen Batterie-Verwaltungssystems 64 mit einem oder mehreren Algorithmen programmiert, die angepasst sind, die Steuerstrategie 100 oder eine beliebige andere Steuerstrategie auszuführen.
Wie in 7 gezeigt, kann die Steuerstrategie 100 am Block 102 durch Überwachen eines oder mehrerer Temperaturzustände, die mit dem Batteriesatz 54 assoziiert sind, beginnen. In einer Ausführungsform können die Sensoren 76, 77 des Steuerungssystems 65 einen oder mehrere Temperaturzustände des Batteriesatzes 54 überwachen und Signale (z. B. die Signale TC1 und TC2) an das Steuermodul 78 kommunizieren. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann das Signal TC1 Umgebungstemperaturzustände repräsentieren und kann das Signal TC2 Batteriezellen-Temperaturzustände repräsentieren.
Am Block 104 bestimmt die Steuerstrategie 100, ob der oder die erfassten Temperaturzustände unter einen im Voraus definierten Schwellenwert gefallen sind. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann das Steuermodul 78 die von den Sensoren 76, 77 empfangenen Temperaturinformationen mit gespeicherten, im Voraus definierten Schwellenwerten, wie in einer Nachschlagetabelle, die im nichtflüchtigen Speicher gespeichert ist, vergleichen. Der im Voraus definierte Schwellenwert kann bei einer Temperatur definiert sein, die angibt, dass die Batteriezellen 58 Beheizen erfordern. Diese könnte in Abhängigkeit von dem Klima, in dem das Fahrzeug betrieben wird, variieren und/oder könnte in Abhängigkeit von der internen Kabinentemperatur variieren, unter anderen Kriterien.
Wenn die erfassten Temperaturzustände unter den oder die im Voraus bestimmten Schwellenwerte gefallen sind, fährt die Steuerstrategie mit Block 106 fort. Wenn die erfassten Temperaturzustände jedoch die im Voraus definierten Schwellenwerte übersteigen, bestimmt die Steuerstrategie 100, dass die Batteriezellen 58 kein Beheizen erfordern, und endet am Block 108.
Die Steuerstrategie 100 kann das Heizelement 74 am Block 106 einschalten, um die Batteriezellen 58 zu beheizen. Als nächstes bestimmt die Steuerstrategie 100 am Block 108, ob aktualisierte Temperaturzustände noch unter den im Voraus definierten Schwellenwerten liegen. Wenn ja, bleibt das Heizelement 74 am Block 110 eingeschaltet. Wenn nicht, endet die Steuerstrategie am Block 108, wie durch Ausschalten des Heizelements.
In einer anderen Ausführungsform kann das Steuermodul 78 des Steuersystems 65 programmiert sein, zu bestimmen, wann das Beheizen der Batteriezellen 58 zu beginnen ist und welche die Zieltemperatur der Batteriezellen 58 sein sollte. Zum Beispiel könnte das Steuermodul 78 programmiert sein, basierend auf einer geschätzten Abfahrtzeit, die von einem Fahrzeugfahrer ausgewählt wird, zu berechnen, wann das Beheizen der Batteriezellen 58 mit dem Heizelement 74 unter Nutzung einer Am-Stecker-Energiequelle, die die Energie des Batteriesatzes beim Beheizen nicht verbraucht, zu beginnen ist. Die Sensoren 76, 77 können die Temperaturzustände kontinuierlich überwachen und mit dem Steuermodul 78 kommunizieren, um eine derartige Bestimmung vorzunehmen.
Obwohl die verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen so dargestellt sind, dass sie spezifische Komponenten oder Schritte aufweisen, sind die Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese besonderen Kombinationen beschränkt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale aus beliebigen der nicht einschränkenden Ausführungsformen in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten aus beliebigen der anderen nicht einschränkenden Ausführungsformen zu verwenden.
Es versteht sich, dass gleiche Bezugszeichen korrespondierende oder ähnliche Elemente durchgehend in den mehreren Zeichnungen identifizieren. Es versteht sich, dass, obwohl eine besondere Komponentenanordnung in diesen beispielhaften Ausführungsformen offenbart und dargestellt wird, andere Anordnungen von den Lehren dieser Offenbarung ebenfalls Nutzen ziehen könnten.
Die vorstehende Beschreibung soll als veranschaulichend und nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden. Ein Durchschnittsfachmann im Fachgebiet würde verstehen, dass bestimmte Abwandlungen in den Rahmen dieser Offenbarung fallen könnten. Aus diesen Gründen sollten die nachstehenden Patentansprüche geprüft werden, um den wahren Rahmen und Inhalt dieser Offenbarung zu bestimmen.
Es wird ferner beschrieben:

A. Batteriesatz, umfassend: eine Batteriezelle; ein thermisches Grenzflächenmaterial angrenzend an der Batteriezelle; und ein Heizelement, integriert mit dem thermischen Grenzflächenmaterial.
B. Batteriesatz nach A, wobei das Heizelement ein Widerstandsheizdraht ist.
C. Batteriesatz nach A, wobei das Heizelement in/auf dem thermischen Grenzflächenmaterial eingebettet, gebunden, überlagert oder gedruckt ist.
D. Batteriesatz nach A, wobei das Heizelement mit einer oberen Oberfläche oder einer unteren Oberfläche des thermischen Grenzflächenmaterials zusammenhängend ist.
E. Batteriesatz nach A wobei das thermische Grenzflächenmaterial zwischen der Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle eingeschoben ist.
F. Batteriesatz nach A, wobei das Heizelement zwischen einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht des thermischen Grenzflächenmaterials eingeschoben ist.
G. Batteriesatz nach A, wobei das Heizelement in einem Gitter angeordnet ist, das eine Vielzahl von Heizdrähten enthält, die als eine gewundene Schleife angeordnet sind.
H. Batteriesatz nach G, wobei das thermische Grenzflächenmaterial um die Batteriezelle gewickelt ist.
I. Batteriesatz nach A, wobei das thermische Grenzflächenmaterial eine Kälteplatte berührt.
J. Batteriesatz nach A, umfassend ein Steuerungssystem, das mindestens einen Temperaturzustand, der mit der Batteriezelle assoziiert ist, überwacht und das Heizelement aktiviert, wenn der mindestens eine Temperaturzustand unter einen im Voraus definierten Schwellenwert fällt.
K. Batteriesatz, umfassend: eine Batterieanordnung, die eine Vielzahl von Batteriezellen enthält; eine Unterlage, die die Batterieanordnung trägt; ein thermisches Grenzflächenmaterial zwischen der Unterlage und der Batterieanordnung; und ein Heizelement, das die Vielzahl von Batteriezellen als Reaktion darauf, dass mindestens ein Temperaturzustand unter einen im Voraus definierten Schwellenwert fällt, beheizt.
L. Batteriesatz nach K, wobei das Heizelement mit dem thermischen Grenzflächenmaterial integriert ist.
M. Batteriesatz nach K, umfassend eine zweite Batterieanordnung angrenzend an der Batterieanordnung, wobei das thermische Grenzflächenmaterial zwischen der Unterlage und sowohl der Batterieanordnung als auch der zweiten Batterieanordnung positioniert ist.
N. Batteriesatz nach K, umfassend ein Steuerungssystem, das einen ersten Sensor, der einen ersten Temperaturzustand überwacht, einen zweiten Sensor, der einen zweiten Temperaturzustand überwacht, und ein Steuermodul, das das Heizelement basierend auf dem ersten Temperaturzustand und dem zweiten Temperaturzustand selektiv aktiviert, enthält.
O. Batteriesatz nach K, umfassend eine Kälteplatte, die zwischen dem thermischen Grenzflächenmaterial und der Unterlage positioniert ist.
P. Verfahren, umfassend: das Überwachen mindestens eines Temperaturzustands eines Batteriesatzes, der eine Batteriezelle, ein thermisches Grenzflächenmaterial und ein Heizelement, das mit dem thermischen Grenzflächenmaterial integriert ist, enthält; und das Konditionieren der Batteriezelle mit dem Heizelement, wenn der mindestens eine Temperaturzustand unter einen im Voraus definierten Schwellenwert fällt.
Q. Verfahren nach P, wobei der Schritt des Überwachens enthält: das Erfassen eines ersten Temperaturzustands mit einem ersten Sensor; das Erfassen eines zweiten Temperaturzustands mit einem zweiten Sensor; das Vergleichen mindestens eines des ersten Temperaturzustands und des zweiten Temperaturzustands mit dem im Voraus definierten Schwellenwert.
R. Verfahren nach Q, wobei der erste Temperaturzustand ein Umgebungstemperaturzustand ist und der zweite Temperaturzustand ein Temperaturzustand der Batteriezelle ist.
S. Verfahren nach P, umfassend, den Schritt des Konditionierens zu beenden, sobald der mindestens eine Temperaturzustand den im Voraus definierten Schwellenwert übersteigt.
T. Verfahren nach P, wobei der Schritt des Konditionierens basierend auf einer geschätzten Abfahrtzeit, die von einem Fahrzeugfahrer ausgewählt wird, ausgeführt wird.

Claims

Batteriesatz, umfassend: eine Batteriezelle; ein thermisches Grenzflächenmaterial angrenzend an der Batteriezelle; und ein Heizelement, integriert mit dem thermischen Grenzflächenmaterial.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei das Heizelement ein Widerstandsheizdraht ist.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei das Heizelement in/auf dem thermischen Grenzflächenmaterial eingebettet, gebunden, überlagert oder gedruckt ist.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei das Heizelement mit einer oberen Oberfläche oder einer unteren Oberfläche des thermischen Grenzflächenmaterials zusammenhängend ist.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei das thermische Grenzflächenmaterial zwischen der Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle eingeschoben ist.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei das Heizelement zwischen einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht des thermischen Grenzflächenmaterials eingeschoben ist.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei das Heizelement in einem Gitter angeordnet ist, das eine Vielzahl von Heizdrähten enthält, die als eine gewundene Schleife angeordnet sind.
Batteriesatz nach Anspruch 7, wobei das thermische Grenzflächenmaterial um die Batteriezelle gewickelt ist.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei das thermische Grenzflächenmaterial eine Kälteplatte berührt.
Batteriesatz nach Anspruch 1, umfassend ein Steuerungssystem, das mindestens einen Temperaturzustand, der mit der Batteriezelle assoziiert ist, überwacht und das Heizelement aktiviert, wenn der mindestens eine Temperaturzustand unter einen im Voraus definierten Schwellenwert fällt.