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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterietemperiereinrichtung und ein Verfahren zum Temperieren einer Batteriezelle.
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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.
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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.
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Es ist die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Batterien in Testumgebungen mit Temperaturen zu beaufschlagen, wie sie bei einem regulären Betrieb der Batteriezellen vorkommen.
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Batterietemperiereinrichtung 100.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ϑsoll der Batteriezelle 103 und eines Sollstroms Isoll , der durch die Gleichstromquelle/-Senke 201 fließen soll. Als Eingabegrößen für die Simulation auf dem Echtzeitrechner 203 dienen die Istspannung Ureal, ist , der Iststrom Ireal, ist und die Isttemperatur ϑreal, ist der Batteriezelle 103.
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Die Simulation errechnet in einer virtuellen Umgebung eine Temperatur der Batteriezelle 103 als Teil einer vollständigen Batterie. Die errechnete Temperatur wird als Solltemperatur ϑsoll 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.
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Die Batteriezelle 103 kann so fortlaufend und in Echtzeit auf einen bestimmten Temperaturwert nach Vorgabe des Simulationswertes für die Solltemperatur ϑsoll konditioniert werden und elektrisch mit dem Sollstrom Isoll 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Batterietemperiereinrichtung
- 101
- Platte
- 103
- Batteriezelle
- 105
- Heizvorrichtung/Kühlvorrichtung
- 107
- Kraftmesseinrichtung/Kraftmessdose
- 109
- Feder
- 111
- Führungsstift
- 113
- Vorrichtung zur Verspannung
- 115
- Stromabnehmer
- 117
- Peltier-Regler
- 119
- Gestell
- 121
- Luftauslässe
- 123
- Lüfter
- 125
- Schraube
