DE102018123626A1

DE102018123626A1 - Batterietemperiereinrichtung

Info

Publication number: DE102018123626A1
Application number: DE102018123626.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Stapelbroek; Martin Hüske; Martin Lenz; Jan Remlinger
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2019-07-04
Also published as: DE102019125542A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterietemperiereinrichtung (100), mit einer ersten Platte (101-1) zum Auflegen einer Batteriezelle (103); einer zweiten Platte (101-2) zum Andrücken der Batteriezelle (103) auf die erste Platte (101-1); und einer Heizvorrichtung (105-1, 105-2) zum Heizen der ersten Platte (101-1) und/oder zweiten Platte (101-2) auf einen vorgegebenen Temperaturwert.The present invention relates to a battery tempering device (100), comprising a first plate (101-1) for laying a battery cell (103); a second plate (101-2) for pressing the battery cell (103) onto the first plate (101-1); and a heater (105-1, 105-2) for heating the first plate (101-1) and / or second plate (101-2) to a predetermined temperature value.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterietemperiereinrichtung und ein Verfahren zum Temperieren einer Batteriezelle.The present invention relates to a battery temperature control device and a method for controlling the temperature of a battery cell.

In Batteriemodulen können technische Möglichkeiten eingesetzt werden, die Batteriezellen einzeln oder als Zellpakete zu kühlen oder auch zu heizen. Dies ist systembedingt notwendig, da zum einen die Batteriezellen durch die elektrische Belastung eine Eigenerwärmung erfahren und zum anderen die Umgebungsbedingungen so sein können, dass zu Beginn eines Betriebs eine Temperierung stattfinden muss, um die Batteriezellen in einen Temperaturbereich zu bringen, in dem sie bedingt oder optimal belastet werden können. Der optimale Temperaturbereich hängt hier von der zu Grunde liegenden Zell-Chemie ab und variiert entsprechend. Ebenso gibt es Temperaturbereiche, in denen eine Batteriezelle nur bedingt betrieben werden kann sowie Temperaturbereiche, in denen eine Batteriezelle nicht betrieben werden kann (vornehmlich kalte Temperaturbereiche) oder aufgrund der Temperatur einen Schaden nimmt (vornehmlich heiße Temperaturbereiche), da sich die in der Batteriezelle enthaltenden Substanzen, wie beispielsweise organische und/oder anorganische Lösungsmittel, systembedingt zersetzen.In battery modules technical possibilities can be used to cool or even heat the battery cells individually or as cell packs. This is necessary due to the system, since on the one hand the battery cells undergo a self-heating due to the electrical load and, on the other hand, the ambient conditions may be such that a tempering must take place at the beginning of operation in order to bring the battery cells into a temperature range in which they conditionally or can be optimally loaded. The optimum temperature range depends on the underlying cell chemistry and varies accordingly. Likewise, there are temperature ranges in which a battery cell can be operated only conditionally and temperature ranges in which a battery cell can not be operated (especially cold temperature ranges) or due to the temperature damage (especially hot temperature ranges), as contained in the battery cell Substances, such as organic and / or inorganic solvents, systematically decompose.

Im Ergebnis stellt sich im gesamten Batteriemodul entsprechend der elektrischen Belastung und Temperierung automatisch ein bestimmter Temperaturverlauf zwischen den einzelnen Batteriezellen ein. Beispielsweise ist der Innenwiderstand der Batteriezelle fundamental von ihrer Temperatur abhängig. Bei Labormessungen der Batteriezelle werden die realen Temperaturbedingungen jedoch nicht berücksichtigt, denen die Batteriezelle bei einem Betrieb unterliegt.As a result, a certain temperature profile between the individual battery cells automatically sets in the entire battery module according to the electrical load and temperature. For example, the internal resistance of the battery cell is fundamentally dependent on its temperature. However, laboratory measurements of the battery cell do not take into account the real temperature conditions to which the battery cell is subject during operation.

Es ist die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Batterien in Testumgebungen mit Temperaturen zu beaufschlagen, wie sie bei einem regulären Betrieb der Batteriezellen vorkommen.It is the technical object of the present invention to apply batteries in test environments with temperatures as they occur in a regular operation of the battery cells.

Diese Aufgabe wird durch Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.This object is achieved by objects according to the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims, the description and the figures.

Gemäß einem ersten Aspekt wird diese technische Aufgabe durch eine Batterietemperiereinrichtung gelöst, mit einer ersten Platte zum Auflegen einer Batteriezelle; einer zweiten Platte zum Andrücken der Batteriezelle auf die erste Platte; und einer Heizvorrichtung zum Heizen der ersten Platte und/oder zweiten Platte auf einen vorgegebenen Temperaturwert. Dadurch kann die Batteriezelle schnell und effektiv auf die gewünschte Temperatur gebracht werden und kann unter realen Temperaturbedingungen getestet werden. Im Rahmen eines Entwicklungsprozesses kann basierend auf der kleinsten Einheit einer Batterie, nämlich der einzelnen Batteriezelle, ein reales temperaturbedingtes Verhalten der Batteriezelle auf einem Prüfstand überwacht werden.According to a first aspect, this technical problem is solved by a battery temperature control device, comprising a first plate for placing a battery cell; a second plate for pressing the battery cell onto the first plate; and a heater for heating the first plate and / or the second plate to a predetermined temperature value. As a result, the battery cell can be quickly and effectively brought to the desired temperature and can be tested under real temperature conditions. As part of a development process, based on the smallest unit of a battery, namely the individual battery cell, a real temperature-induced behavior of the battery cell can be monitored on a test bench.

In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Batterietemperiereinrichtung umfasst die Batterietemperiereinrichtung eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen der ersten Platte und/oder zweiten Platte auf einen vorgegebenen Temperaturwert. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Batteriezelle auch auf Temperaturwerte eingestellt werden kann, die unter einer Umgebungstemperatur liegen.In a technically advantageous embodiment of the battery temperature control device, the battery temperature control device comprises a cooling device for cooling the first plate and / or second plate to a predetermined temperature value. As a result, for example, the technical advantage is achieved that the battery cell can also be set to temperature values that are below an ambient temperature.

In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Batterietemperiereinrichtung ist die Heizvorrichtung eine elektrische Heizvorrichtung. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Platte mit einem geringen technischen Aufwand geheizt werden kann. Dadurch kann eine rein elektrische Ansteuerung erreicht werden, bei der kein Fluid als Wärmeträger notwendig ist.In a further technically advantageous embodiment of the battery temperature control device, the heating device is an electrical heating device. As a result, for example, the technical advantage is achieved that the plate can be heated with little technical effort. This allows a purely electrical control can be achieved, in which no fluid is necessary as a heat transfer medium.

In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Batterietemperiereinrichtung ist die Heizvorrichtung und/oder Kühlvorrichtung durch ein Peltier-Element gebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich sowohl eine Kühlung als auch eine Heizung mit einem geringen technischen Aufwand realisieren lassen.In a further technically advantageous embodiment of the battery temperature control device, the heating device and / or cooling device is formed by a Peltier element. As a result, the technical advantage is achieved, for example, that can realize both a cooling and a heater with little technical effort.

In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Batterietemperiereinrichtung ist die zweite Platte verschiebbar gelagert. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die verschiebbare Lagerung eine exakte Positionierung der zweiten Platte ermöglicht.In a further technically advantageous embodiment of the battery temperature control device, the second plate is displaceably mounted. As a result, the technical advantage is achieved, for example, that the sliding bearing allows exact positioning of the second plate.

In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Batterietemperiereinrichtung umfasst die Batterietemperiereinrichtung einen oder mehrere Führungsstifte zum Führen der zweiten Platte. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich eine stabile Führung der zweiten Platte realisieren lässt.In a further technically advantageous embodiment of the battery temperature control device, the battery temperature control device comprises one or more guide pins for guiding the second plate. As a result, for example, the technical advantage is achieved that a stable guidance of the second plate can be realized.

In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Batterietemperiereinrichtung umfasst die Batterietemperiereinrichtung eine Feder zum Andrücken der Batteriezelle auf die erste Platte. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Andruckkraft mit geringen technischen Mitteln erreicht oder erhöht werden kann.In a further technically advantageous embodiment of the battery temperature control device, the battery temperature control device comprises a spring for pressing the battery cell onto the first plate. As a result, for example, the technical advantage is achieved that a pressing force can be achieved or increased with little technical means.

In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Batterietemperiereinrichtung ist die Andruckkraft der zweiten Platte auf einen vorgegebenen Wert einstellbar. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich nicht nur die Temperatur, sondern auch die Andruckkraft auf Werte einstellen lässt, die bei einem Betrieb der Batteriezelle vorkommen.In a further technically advantageous embodiment of the battery temperature control device, the pressure force of the second plate is adjustable to a predetermined value. This is for example achieved the technical advantage that not only the temperature, but also the pressing force can be set to values that occur during operation of the battery cell.

In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform der Batterietemperiereinrichtung umfasst die Batterietemperiereinrichtung eine Kraftmesseinrichtung zum Messen der Andruckkraft der zweiten Platte. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich die aufgeprägte Andruckkraft bestimmen lässt.In a further technically advantageous embodiment of the battery temperature control device, the battery temperature control device comprises a force measuring device for measuring the pressure force of the second plate. As a result, for example, the technical advantage is achieved that can be determined the impressed pressure force.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Temperieren einer Batteriezelle gelöst, mit den Schritten eines Auflegens der Batteriezelle auf eine erste Platte; eines Andrückens der Batteriezelle auf die erste Platte mittels einer zweiten Platte; und eines Heizens der ersten Platte und/oder zweiten Platte auf einen vorgegebenen Temperaturwert. Dadurch werden die gleichen technischen Vorteile wie durch die Batterietemperiereinrichtung nach dem ersten Aspekt gelöst.According to a second aspect, this object is achieved by a method for controlling the temperature of a battery cell, comprising the steps of placing the battery cell on a first plate; pressing the battery cell onto the first plate by means of a second plate; and heating the first plate and / or second plate to a predetermined temperature value. Thereby, the same technical advantages as by the battery tempering device according to the first aspect are achieved.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail below.

Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer
Batterietemperiereinrichtung;
2 eine Explosionsansicht der
Batterietemperiereinrichtung;
3 eine weitere Explosionsansicht der
Batterietemperiereinrichtung;
4 eine Seitenansicht und eine Untersicht der Batterietemperiereinrichtung;
5 eine Seitenansicht und eine Aufsicht der Batterietemperiereinrichtung;
6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Batterietemperiereinrichtung;
7 schematische Ansicht eines Temperiersystems; und
8 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Temperieren einer Batteriezelle.

Show it:

1 a perspective view of a
Batterietemperiereinrichtung;
2 an exploded view of the
Batterietemperiereinrichtung;
3 another exploded view of the
Batterietemperiereinrichtung;
4 a side view and a bottom view of Batterietemperiereinrichtung;
5 a side view and a plan view of Batterietemperiereinrichtung;
6 a perspective view of another Batterietemperiereinrichtung;
7 schematic view of a tempering system; and
8th a block diagram of a method for controlling the temperature of a battery cell.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Batterietemperiereinrichtung 100. Thermische Einflüsse weisen einen enormen Einfluss auf die charakteristischen Eigenschaften von Batterien auf. Die Batterietemperiereinrichtung 100 dient dazu, eine einzelne Batteriezelle 103 in einer Testumgebung mit einem dynamisch veränderbaren, vorgegebenen Temperaturwert zu beaufschlagen, wie beispielsweise eine Pouch-Zelle. 1 shows a perspective view of a battery tempering 100 , Thermal influences have an enormous influence on the characteristic properties of batteries. The battery tempering device 100 serves a single battery cell 103 in a test environment, to apply a dynamically changeable predetermined temperature value, such as a pouch cell.

Die Batterietemperiereinrichtung 100 ermöglicht eine elektrische und thermische Kopplung der Batteriezelle 103 mit einem Echtzeitsystem zum Zweck einer Interaktion zwischen einer virtuellen Simulationsumgebung und der realen Batteriezelle 103. Mittels der Batterietemperiereinrichtung 100 können Umgebungsbedingungen innerhalb einer vollständigen Batterie auf einem Prüfstand realistisch nachgebildet werden.The battery tempering device 100 allows electrical and thermal coupling of the battery cell 103 with a real-time system for the purpose of interaction between a virtual simulation environment and the real battery cell 103 , By means of the battery tempering device 100 Environmental conditions within a complete battery can be simulated realistically on a test bench.

Die Batterietemperiereinrichtung 100 ermöglicht eine Umsetzung der thermischen Kopplung unter Einbeziehung eines elektrischen Belastungsszenarios. Ferner kann eine mechanische Andruckkraft derart eingestellt werden, dass diese den real auftretenden Kräften auf die Batteriezelle 103 in einer vollständigen Batterie entspricht.The battery tempering device 100 allows implementation of the thermal coupling involving an electrical load scenario. Furthermore, a mechanical pressure force can be adjusted such that it affects the forces actually occurring on the battery cell 103 in a complete battery.

Die Batterietemperiereinrichtung 100 umfasst eine erste Platte 101-1 zum Auflegen der Batteriezelle 103 und eine zweite verschiebbare Platte 101-2 zum Andrücken der Batteriezelle 103 auf die erste Platte 101-1. Die beiden rechteckigen Platten 101-1 und 101-2 sind beispielsweise aus Metall. Die Platte 101-1 ist aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit gebildet, wie beispielsweise Aluminium und die Platte 101-2 ist aus einem Material mit einer guten Stabilität gebildet, wie beispielsweise Stahl. Die Batteriezelle 103 befindet sich zwischen den beiden Platten 101-1 und 101-2 unter einer Vorspannung, die durch eine Andruckkraft der zweiten Platte 101-2 erreicht wird. Eine Heizvorrichtung und/oder eine Kühleinrichtung, die beispielsweise durch ein Peltier-Element gebildet sein kann, dient zum Heizen oder Kühlen der ersten und/oder zweiten Platte 101-1, 101-2 auf einen vorgegebenen Temperaturwert, der einstellbar und zeitlich veränderbar ist.The battery tempering device 100 includes a first plate 101 - 1 for placing the battery cell 103 and a second sliding plate 101 - 2 for pressing the battery cell 103 on the first plate 101 - 1 , The two rectangular plates 101 - 1 and 101 - 2 are for example made of metal. The plate 101 - 1 is formed of a material with a good thermal conductivity, such as aluminum and the plate 101 - 2 is made of a material with good stability, such as steel. The battery cell 103 is located between the two plates 101 - 1 and 101 - 2 under a bias caused by a pressing force of the second plate 101 - 2 is reached. A heating device and / or a cooling device, which may be formed for example by a Peltier element, serves for heating or cooling the first and / or second plate 101 - 1 . 101 - 2 to a predetermined temperature value that is adjustable and time-changeable.

Die Stromabnehmer 115 dienen zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle 103. Dadurch kann die Batteriezelle 103 elektrisch belastet werden. Eine Kraftmessdose 107 misst die Andruckkraft, mit der die zweite Platte 101-1 angedrückt wird.The pantographs 115 serve for electrical contacting of the battery cell 103 , This allows the battery cell 103 be electrically charged. A load cell 107 measures the pressing force with which the second plate 101 - 1 is pressed.

Die Batterietemperiereinrichtung 100 ermöglicht die technische Umsetzung einer elektrischen sowie thermischen Kopplung der Batteriezelle 103 mit einem Echtzeitsystem zur direkten Interaktion zwischen einer virtuellen Umgebung und der Batteriezelle 103. Diese Echtzeitsysteme sind dabei auf Echtzeitrechnern so implementiert, dass sie mit der realen Batteriezelle 103 interagieren und eine Kopplung zwischen virtueller Umgebung und der realen Batteriezelle 103 ermöglichen.The battery tempering device 100 allows the technical implementation of electrical and thermal coupling of the battery cell 103 with a real-time system for direct interaction between a virtual environment and the battery cell 103 , These real-time systems are implemented on real-time computers in such a way that they interact with the real battery cell 103 interact and a coupling between the virtual environment and the real battery cell 103 enable.

2 zeigt eine Explosionsansicht der Batterietemperiereinrichtung 100. Unterhalb der ersten Platte 101-1 befindet sich eine Heiz- und Kühlvorrichtung, die aus zwei Peltier-Elementen 105-1 und 105-2 gebildet ist. Die Peltier-Elemente 105-1 und 105-2 sind thermisch mit der ersten Platte 101-1 gekoppelt, so dass deren Temperatur auf die erste Platte 101-1 übertragen wird. Diese Peltier-Elemente 105-1 und 105-2 werden über einen elektronischen Peltier-Regler 117 angesteuert, der über ein analoges Ausgangssignal von dem Echtzeitsystem einen Temperatursollwert erhält. 2 shows an exploded view of the battery tempering 100 , Below the first plate 101 - 1 There is a heating and cooling device, which consists of two Peltier elements 105 - 1 and 105 - 2 is formed. The Peltier elements 105 - 1 and 105 - 2 are thermal with the first plate 101 - 1 coupled so that their temperature on the first plate 101 - 1 is transmitted. These Peltier elements 105 - 1 and 105 - 2 be via an electronic Peltier controller 117 which receives a temperature setpoint from the real-time system via an analog output signal.

Die Peltier-Elemente 105-1 und 105-2 sind elektrothermische Wandler, die basierend auf dem Peltier-Effekt bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder bei Temperaturdifferenz einen Stromfluss erzeugen. Die Peltier-Elemente 105-1 und 105-2 können sowohl zur Kühlung als auch zum Heizen verwendet werden. Die Peltier-Elemente 105-1 und 105-2 und die übrigen Komponenten sind auf einem Gestell 119 montiert.The Peltier elements 105 - 1 and 105 - 2 are electrothermal transducers that generate a temperature difference based on the Peltier effect at current flow or a current flow at temperature difference. The Peltier elements 105 - 1 and 105 - 2 can be used both for cooling and for heating. The Peltier elements 105 - 1 and 105 - 2 and the remaining components are on a rack 119 assembled.

Im Allgemeinen kann die Heiz- und Kühlvorrichtung jedoch auch durch andere Vorrichtungen verwirklicht sein, mit denen den Platten 101-1 und 101-2 eine bestimmte Temperatur aufgeprägt werden kann, wie beispielsweise eine elektrische Heizwendel.In general, however, the heating and cooling device can also be realized by other devices, with which the plates 101 - 1 and 101 - 2 a certain temperature can be impressed, such as an electric heating coil.

3 zeigt eine weitere Explosionsansicht der Batterietemperiereinrichtung 100. Die Batterietemperiereinrichtung 100 umfasst eine Vorrichtung 113 zur Verspannung der Batteriezelle 103 mit der Kraftmessdose 107. Durch die Verspannung kann der Batteriezelle 103 eine Kraft aufgeprägt werden, wie diese bei Einsatz der Batteriezelle 103 in dem späteren Batteriemodul auch zu erwarten wäre. 3 shows a further exploded view of the battery tempering 100 , The battery tempering device 100 includes a device 113 for clamping the battery cell 103 with the load cell 107 , Due to the tension of the battery cell 103 a force to be impressed, as this when using the battery cell 103 would also be expected in the later battery module.

Die zweite Platte 105-2 wird durch mehrere Führungsstifte 111 verschiebbar geführt, die durch Schrauben realisiert sein können. Die Führungsstifte 111 erstrecken sich durch jeweilige Bohrungen an den Ecken der rechteckigen Platte 105-2 und bewirken, dass die zweite Platte 101-2 in der richtigen Position angedrückt werden kann.The second plate 105 - 2 is through multiple guide pins 111 slidably guided, which can be realized by screws. The guide pins 111 extend through respective holes at the corners of the rectangular plate 105 - 2 and cause the second plate 101 - 2 can be pressed in the right position.

An der Unterseite der Peltier-Elemente 105-1 und 105-2 befinden sich jeweils ein Kühlkörper 127 mit Rippen, über den Wärme zu- oder abgeführt werden kann. Die Kühlkörper sind thermisch mit den Peltier-Elementen 105-1 und 105-2 gekoppelt.At the bottom of the Peltier elements 105 - 1 and 105 - 2 are each a heat sink 127 with ribs, through which heat can be added or removed. The heatsinks are thermal with the Peltier elements 105 - 1 and 105 - 2 coupled.

4 zeigt eine Seitenansicht und eine Untersicht der Batterietemperiereinrichtung 100. Das Gehäuse 119 umfasst Luftauslässe 121, die zum Abführen oder Zuführen von Luft verwendet werden. Um einen Luftstrom zum Abführen von Energie aus dem Gehäuse 119 zu erzielen, umfasst die Batterietemperiereinrichtung 100 zwei Lüfter 123. Die Lüfter verursachen einen Luftstrom um die Kühlkörper 127, so dass deren Wärme ab- oder zugeführt werden 4 shows a side view and a bottom view of the battery tempering 100 , The housing 119 includes air outlets 121 which are used for discharging or supplying air. To create an airflow to dissipate energy from the enclosure 119 to achieve, includes the Battery tempering 100 two fans 123 , The fans cause a flow of air around the heatsink 127 so that their heat is dissipated or supplied

5 zeigt eine Seitenansicht und eine Aufsicht der Batterietemperiereinrichtung 100. Die Andruckkraft wird an zentraler Stelle auf die zweite Platte 101-2 übertragen. Eine Einstellung der Größe der Andruckkraft kann mittels der Schraube 125 eingestellt werden, so dass diese den Bedingungen in der Batterie entspricht, die aus mehreren Batteriezellen 103 aufgebaut ist. 5 shows a side view and a plan view of the battery tempering 100 , The pressure force is at a central location on the second plate 101 - 2 transfer. An adjustment of the magnitude of the pressing force can be made by means of the screw 125 be set so that it matches the conditions in the battery, which consists of several battery cells 103 is constructed.

6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Batterietemperiereinrichtung 100. 6 shows a perspective view of another battery temperature control 100 ,

Die Andruckkraft der zweiten Platte 101-2 kann durch eine spiralförmige Feder 109 eingestellt werden. Die Vorspannkraft der Feder 109 kann erhöht oder gesenkt werden, indem die Vorpassung der Feder 109 durch Anziehen oder Lösen einer Schraube 125 erhöht oder verringert wird oder eine Feder gewählt wird, die entsprechend der Vorpassung eine höhere oder geringere Vorspannkraft aufweist.The pressure force of the second plate 101 - 2 can by a spiral spring 109 be set. The preload force of the spring 109 can be raised or lowered by adjusting the spring 109 by tightening or loosening a screw 125 is increased or decreased or a spring is selected, which has a higher or lower biasing force according to the pre-adjustment.

Bei Verwendung einer Feder 109 zum Aufprägen einer Andruckkraft der zweiten Platte 101-2 bleibt die Andruckkraft erhalten, da die Feder 109 bei einer systembedingten Ausdehnung der Batteriezelle 103 nachgibt. Je nach zu untersuchender Größe kann zwischen einer konstanten Andruckkraft oder realer Andruckkraft, so wie die Batteriezelle 103 im späteren Batteriesystem mit einer Kraft beaufschlagt werden würde, gewählt werden. Soll eine Kraft gemessen werden, die den späteren Kräften in einer Batterie gleichkommt, so darf sich die zweite Platte 101-2 nicht frei ausdehnen. Entsprechend ist dann nicht eine Feder 109 zu wählen, sondern beispielsweise eine Kraftmessdose 107, da hierdurch ein freies Ausdehnen der zweiten Platte 101-2 nicht mehr möglich ist.When using a spring 109 for impressing a pressing force of the second plate 101 - 2 the pressure force remains, as the spring 109 at a systemic extent of the battery cell 103 gives way. Depending on the size to be examined can be between a constant pressure force or real pressure force, as the battery cell 103 In the later battery system with a force would be applied to be selected. If a force is to be measured which equals the later forces in a battery, then the second plate may 101 - 2 do not stretch freely. Accordingly, then not a spring 109 to choose, but for example, a load cell 107 , as a result of a free expansion of the second plate 101 - 2 is no longer possible.

Die Größe der Platten 101-1 und 101-2 entspricht der aufgelegten Batteriezelle, so dass diese mit den flachen Seiten vollständig in thermischen Kontakt mit den Platten 101-1 und 101-2 steht.The size of the plates 101 - 1 and 101 - 2 corresponds to the applied battery cell, so these with the flat sides completely in thermal contact with the plates 101 - 1 and 101 - 2 stands.

Die Größe der Platten 101-1 und 101-2 entspricht der aufgelegten Batteriezelle 103. Bezogen auf Platte 101-1 ist dies insofern nötig, dass die Batteriezelle 103 mit den flachen Seiten vollständig in thermischen Kontakt mit Platte 101-1 steht. Platte 101-2 prägt entsprechend der beschriebenen Anwendung vornehmlich eine Kraft auf, so dass die Batteriezelle gegen die Platte 101-1 gedrückt wird und sich dadurch zum einen der thermische Kontakt verbessert und zum anderen eine Verpressung entsteht, wie sie auch im realen Batteriemodul auftreten würde. Eine gleichmäßigere Erwärmung der Batteriezelle 103 kann durch ein Wärmeleitblech herbeigeführt werden, was die Oberseite und die Unterseite der Batteriezelle 103 miteinander verbindet und sich ebenso zwischen den Platten 101-1 und 101-2 befindet. In dem Fall ist eine thermische Isolierung zur Platte 101-2 vorgesehen. Wird die Platte 101-2 allerdings ebenso wie die Platte 101-1 temperiert, so ist ein thermisch guter Kontakt beider Platten 101-1 und 101-2 zur Batteriezelle 103 als gegeben zu betrachten und es wird auf Wärmeleitblech systembedingt verzichtet.The size of the plates 101 - 1 and 101 - 2 corresponds to the applied battery cell 103 , Related to plate 101 - 1 this is necessary in that the battery cell 103 with the flat sides completely in thermal contact with plate 101 - 1 stands. plate 101 - 2 imprints according to the application described primarily a force, so that the battery cell against the plate 101 - 1 is pressed and thereby on the one hand improves the thermal contact and on the other hand, a compression arises, as would occur in the real battery module. A more uniform heating of the battery cell 103 can be brought about by a Wärmeleitblech, which is the top and bottom of the battery cell 103 connects with each other and also between the plates 101 - 1 and 101 - 2 located. In the case a thermal insulation is to the plate 101 - 2 intended. Will the plate 101 - 2 however, as well as the plate 101 - 1 tempered, so is one thermally good contact of both plates 101 - 1 and 101 - 2 to the battery cell 103 to be considered as given and it is omitted system due to heat conduction.

Die Anpresskraft/Andruckkraft kann sowohl bei der Feder 109 als auch bei der Kraftmessdose 107 eingestellt werden. Sie kann entweder über die Wahl und den Vorspannweg der Feder 109 berechnet werden oder bei Nutzung der Kraftmessdose 107 abgelesen werden.The contact force / pressure force can both at the spring 109 as well as the load cell 107 be set. It can either through the choice and the Vorspannweg the spring 109 be calculated or when using the load cell 107 be read.

Die Andruckkraft wird nicht vollständig aufgeprägt, sondern resultiert durch die anfangs aufgeprägte Anpresskraft und durch die beim Test resultierende Betriebskraft der Batteriezelle 103, die sich beispielsweise durch Gasbildung innerhalb der Batteriezelle 103 bildet.The pressure force is not completely impressed, but results from the initially impressed contact pressure and by the operating force of the battery cell resulting from the test 103 , for example, by gas formation within the battery cell 103 forms.

7 zeigt eine schematische Ansicht eines Temperiersystems 200. Durch das Temperiersystem 200 wird eine thermische und elektrische Kopplung einer einzelnen Batteriezelle 103 auf einem Prüfstand in Interaktion mit einer Echtzeitsimulation ermöglicht. Mit dieser Art von Prüfstand (Cell-in-the-Loop) ist es möglich, Messdaten auf der Ebene einer einzelnen Batteriezelle 103 zu ermitteln. 7 shows a schematic view of a tempering 200 , Through the temperature control system 200 becomes a thermal and electrical coupling of a single battery cell 103 on a test bench interacting with a real-time simulation. With this type of test stand (Cell-in-the-Loop), it is possible to measure data at the level of a single battery cell 103 to investigate.

Das Temperiersystem 200 umfasst die Batterietemperiereinrichtung 100, eine Gleichstromquelle/- Senke 201, mit der eine Entladung oder Aufladung der Batteriezelle 103 simuliert werden kann und einen Echtzeitrechner 203 zur Berechnung der Solltemperatur ϑ_soll, der Batteriezelle 103 und eines Sollstroms I_soll , der durch die Gleichstromquelle/-Senke 201 fließen soll. Als Eingabegrößen für die Simulation auf dem Echtzeitrechner 203 dienen die Istspannung U_real,ist , der Iststrom I_real,ist und die Isttemperatur ϑ_real,ist der Batteriezelle 103.The temperature control system 200 includes the battery tempering device 100 , a DC source / sink 201 , with which a discharge or charge the battery cell 103 can be simulated and a real-time computer 203 to calculate the setpoint temperature θ _soll , the battery cell 103 and a desired current I _should by the DC source / sink 201 should flow. As input variables for the simulation on the real-time computer 203 serve the actual voltage U _{real, is} , the current I'm _{real, is} and the actual temperature θ _{real, is} the battery cell 103 ,

Die Simulation errechnet in einer virtuellen Umgebung eine Temperatur der Batteriezelle 103 als Teil einer vollständigen Batterie. Die errechnete Temperatur wird als Solltemperatur ϑ_soll der Batteriezelle 103 unter Hinzunahme der Batterietemperiereinrichtung 100 in Echtzeit aufgeprägt. Durch die Simulation auf dem Echtzeitrechner 203 findet eine thermische und elektrische Rückkopplung statt. Dies ist vorteilhaft, da die Temperatur einen essentiellen Einfluss auf die Systemantwort einer Batterie hat. Neben dem elektrischen Einfluss wird auch der thermische Einfluss dynamisch berücksichtigt.The simulation calculates a temperature of the battery cell in a virtual environment 103 as part of a complete battery. The calculated temperature is set as the target temperature θ _{soll of} the battery cell 103 with the addition of the battery tempering device 100 imprinted in real time. Through the simulation on the real-time computer 203 There is a thermal and electrical feedback. This is advantageous because the temperature has an essential influence on the system response of a battery. In addition to the electrical influence, the thermal influence is also taken into account dynamically.

Die Batteriezelle 103 kann so fortlaufend und in Echtzeit auf einen bestimmten Temperaturwert nach Vorgabe des Simulationswertes für die Solltemperatur ϑ_soll konditioniert werden und elektrisch mit dem Sollstrom I_soll belastet werden, so dass diese in einen realen Zustand versetzt wird, den die Batteriezelle 103 innerhalb einer Batterie während einem Betrieb aufweisen würde. Dies kann die Aufprägung einer definierten Vorspann- oder Andruckkraft zu Beginn der jeweiligen Untersuchung umfassen, um zusätzlich ein mechanisches Belastungsszenario zu simulieren.The battery cell 103 can be so continuously and in real time to a certain temperature value after specification of the simulation value for the target temperature θ _{soll to be} conditioned and electrically with the target current I _should be charged so that it is put into a real state, the battery cell 103 inside a battery during operation. This can include the application of a defined pretension or pressure force at the beginning of the respective examination, in order to additionally simulate a mechanical loading scenario.

Mittels der Batterietemperiereinrichtung 100 kann die Batteriezelle 103 auf einen bestimmten vorgegebenen Temperaturwert konditioniert werden, der über die Zeit variabel ist, während gleichzeitig eine elektrische Belastung stattfinden kann. Belastungsströme werden in der virtuellen Umgebung errechnet und über eine analoge Ansteuerung des Echtzeitrechners an die Gleichstromquelle/-Senke 201 übermittelt, die die Batteriezelle 103 real belastet.By means of the battery tempering device 100 can the battery cell 103 be conditioned to a certain predetermined temperature value, which is variable over time, while at the same time an electrical load can take place. Load currents are calculated in the virtual environment and via an analog control of the real-time computer to the DC source / sink 201 transmitted to the battery cell 103 charged in real terms.

Das Batteriesystem wird in einer Simulation aufgebaut und reale Batteriezellen 103 mittels der Batterietemperiereinrichtung 100 unter simulierten dynamischen Betriebspunkten vermessen. Dadurch entfällt ein aufwändiger Aufbau eines Prototypen-Batteriemoduls. Dies ermöglicht eine Vorverlagerung der Entwicklung, da in früheren Entwicklungsstadien der Batterie realitätsnahe Systemantworten im Kontext eines zukünftigen Gesamtsystems vorliegen.The battery system is built in a simulation and real battery cells 103 by means of the battery tempering device 100 measured under simulated dynamic operating points. This eliminates a complex construction of a prototype battery module. This allows for a forward displacement of the development, since in earlier stages of development of the battery there are realistic system responses in the context of a future overall system.

Des Weiteren ermöglicht es eine Untersuchung auf Zellebene, eine größere Anzahl verschiedener Batteriezellen 103 mit unterschiedlicher Zell-Chemie zu testen. Da die Batterietemperiereinrichtung 100 verschiedene Batteriezellen 103 einzeln aufnehmen kann, ist es nicht erforderlich, ein gesamtes Batteriemodul mit einer Vielzahl von Batteriezellen 103 aufzubauen. Insofern ist es möglich, Batteriezellen 103 bereits als Prototypen zu testen. Durch die größere Anzahl an im Systemkontext untersuchbarer Batteriezellen 103 ist es möglich, in kürzerer Zeit eine geeignete Batteriezelle 103 aus einer größeren Auswahl zu finden.Furthermore, a cell-level study allows a larger number of different battery cells 103 to test with different cell chemistry. As the battery tempering 100 different battery cells 103 individually, it is not necessary to use an entire battery module with a variety of battery cells 103 build. In that respect it is possible to use battery cells 103 already test as prototypes. Due to the greater number of battery cells that can be examined in the system context 103 It is possible in a shorter time a suitable battery cell 103 to find from a larger selection.

8 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Temperieren einer Batteriezelle 103. Das Verfahren kann mit der Batterietemperiereinrichtung 100 ausgeführt werden und umfasst den Schritt S101 eines Auflegens der Batteriezelle 103 auf die erste Platte 101-1. Im Schritt S102 wird die Batteriezelle 103 auf die erste Platte 101-1 mittels der zweiten Platte 101-1 angedrückt. Dies kann über das Eigengewicht der Platte erfolgen oder durch ein Einstellen einer bestimmten Andruckkraft. Anschließend wird in Schritt S103 die erste Platte 101-1 und/oder zweite Platte 101-2 auf einen vorgegebenen Temperaturwert geheizt oder gekühlt. 8th shows a block diagram of a method for controlling the temperature of a battery cell 103 , The method can be used with the battery tempering device 100 be executed and includes the step S101 a laying on of the battery cell 103 on the first plate 101 - 1 , In step S102 becomes the battery cell 103 on the first plate 101 - 1 by means of the second plate 101 - 1 pressed. This can be done on the weight of the plate or by setting a certain pressure force. Subsequently, in step S103 the first record 101 - 1 and / or second plate 101 - 2 heated or cooled to a predetermined temperature value.

Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.All of the features explained and shown in connection with individual embodiments of the invention may be provided in different combinations in the article according to the invention in order to simultaneously realize their advantageous effects.

Alle Verfahrensschritte können durch Vorrichtungen implementiert werden, die zum Ausführen des jeweiligen Verfahrensschrittes geeignet sind. Alle Funktionen, die von gegenständlichen Merkmalen ausgeführt werden, können ein Verfahrensschritt eines Verfahrens sein.All method steps may be implemented by means suitable for carrying out the respective method step. All functions performed by objective features may be a method step of a method.

Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.The scope of the present invention is given by the claims and is not limited by the features illustrated in the specification or shown in the figures.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100: BatterietemperiereinrichtungBatterietemperiereinrichtung
101101: Platteplate
103103: Batteriezellebattery cell
105105: Heizvorrichtung/KühlvorrichtungHeater / cooler
107107: Kraftmesseinrichtung/KraftmessdoseForce measuring device / load cell
109109: Federfeather
111111: Führungsstiftguide pin
113113: Vorrichtung zur VerspannungDevice for clamping
115115: Stromabnehmerpantograph
117117: Peltier-ReglerPeltier controller
119119: Gestellframe
121121: Luftauslässediffusers
123123: LüfterFan
125125: Schraubescrew

Claims

Battery tempering device (100), with: a first plate (101-1) for mounting a battery cell (103); a second plate (101-2) for pressing the battery cell (103) onto the first plate (101-1); and a heating device (105-1, 105-2) for heating the first plate (101-1) and / or second plate (101-2) to a predetermined temperature value.

Battery tempering device (100) after Claim 1 wherein the battery tempering device (100) comprises a cooling device (105-1, 105-2) for cooling the first plate (101-1) and / or the second plate (101-2) to a predetermined temperature value.

Battery tempering device (100) according to one of the preceding claims, wherein the heating device (105-1, 105-2) is an electric heater (105 1, 105-2).

Battery tempering device (100) according to any one of the preceding claims, wherein the heating device (105-1, 105-2) and / or cooling device (105-1, 105-2) is formed by a Peltier element.

Battery tempering device (100) according to one of the preceding claims, wherein the second plate (101-2) is displaceably mounted.

Battery tempering device (100) after Claim 5 wherein the battery tempering device (100) comprises one or more guide pins (111) for guiding the second plate (101-2).

Battery tempering device (100) according to one of the preceding claims, wherein the battery temperature control device (100) comprises a spring (109) for pressing the battery cell (103) onto the first plate (101-1).

Battery tempering device (100) according to any one of the preceding claims, wherein the pressing force of the second plate (101-2) is adjustable to a predetermined value.

Battery tempering device (100) according to any one of the preceding claims, wherein the battery temperature control device (100) comprises a force measuring device (107) for measuring the pressing force of the second plate (101-2).

Method for tempering a battery cell (103), comprising the steps of: Placing (S101) the battery cell (103) on a first plate (101-1); Pressing (S102) the battery cell (103) onto the first plate (101-1) by means of a second plate (101-1); and Heating (S103) the first plate (101-1) and / or second plate (101-2) to a predetermined temperature value.