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Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Batterie für ein Kraftfahrzeug. Insbesondere dient die Batterie als Stromspeicher für ein von einem Traktionsantrieb angetriebenes Kraftfahrzeug.
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Gerade die in Kraftfahrzeugen angeordneten Batterien benötigen neben einer Einrichtung zum Kühlen in bestimmten Fällen auch eine Einrichtung zum Erwärmen der Batterie.
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Aus der
WO 2018/130438 A1 ist eine Umhausung für Flüssigkeiten oder feste Körper bekannt, die elektrisch beheizbare Flächenabschnitte aufweist. Die mit einer Stromquelle verbindbare Leitstruktur dieser Flächenabschnitte ist von einem PTC-Kunststoffmaterial umgeben, dass mit dem Material der Umhausung eine bauliche, nicht jedoch stoffliche Einheit bildet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batterie vorgeschlagen werden, die möglichst effektiv beheizbar ist. Insbesondere sollen alle Bereiche der Batterie möglichst schnell, bereichsweise gezielt und/oder mit möglichst geringen Anforderungen an zusätzlichen Bauraum auf die erforderliche Temperatur hin erwärmbar sein.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batterie mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Es wird eine Batterie vorgeschlagen, zumindest umfassend ein Gehäuse und mindestens eine darin angeordnete Batteriezelle, die zumindest eine Anode und eine Kathode als Elektroden sowie eine die Anode und die Kathode voneinander trennende Separatorschicht aufweist. Die Batterie weist zusätzlich mindestens ein Heizelement auf, das in thermisch leitender Verbindung zur der Batteriezelle in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Heizelement umfasst zumindest ein elektrisch leitfähiges Polymermaterial sowie einen elektrischen ersten Leiter und einen elektrischen zweiten Leiter, wobei die elektrischen Leiter in elektrisch leitendem Kontakt zu dem Polymermaterial und dabei voneinander beabstandet angeordnet sind, so dass eine Beaufschlagung des elektrisch leitfähigen Polymermaterials mit elektrischer Leistung über die mindestens zwei Leiter erfolgen kann.
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Die Batterie ist insbesondere ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges, also einen Traktionsantrieb, auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist. Hier liegt die Hauptverwendung dieses Konzeptes.
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Insbesondere ist die Batterie eine sogenannte Bipolar-Batterie, bei der ein Ableiter der negativen Elektrode einer Batteriezelle die Kontaktierung der positiven Elektrode einer nächsten Batteriezelle darstellt. Damit teilen sich zwei in Reihe geschalteten Batteriezellen die Ableiter. Die eine Seite der Bipolarelektrode dient als Anode in einer Batteriezelle und die andere Seite als Kathode in der nächsten Batteriezelle.
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Insbesondere sind mehrere Batteriezellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst angeordnet. Insbesondere sind mehrere Batteriemodule in dem Gehäuse der Batterie angeordnet. Insbesondere ist eine Batteriezelle die kleinste Einheit einer Batterie, d. h. es können nicht Teile einer Batteriezelle ausgetauscht werden.
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Insbesondere ist die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, die in bekannter Weise ausgeführt ist. Die Elektroden, also die Anode und die Kathode werden durch einen Separator getrennt, um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zu verhindern. Der Separator ist für die Lithium-Ionen durchlässig.
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Die Batterie ist durch das Heizelement möglichst schnell und bevorzugt möglichst gleichmäßig und/oder gezielt sequenziell auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen. Eine derartige Temperatur beträgt insbesondere mindestens 10 Grad Celsius, insbesondere zwischen 10 und 25 Grad Celsius.
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Insbesondere weist eine Batteriezelle eine Mehrzahl von Anoden, Kathoden und Separatorschichten auf, wobei diese Mehrzahl von Anoden und Kathoden miteinander elektrisch in einer Reihen- oder Parallel-Schaltung verschaltet sind. Jede Batteriezelle weist insbesondere nur einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt zur elektrisch leitenden Verbindung mit weiteren Batteriezellen oder mit anderen Batterien auf.
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Das mindestens eine Heizelement ist in thermisch leitender Verbindung zu der Batteriezelle angeordnet, d. h. eine von dem Heizelement bereitgestellte Heizleistung kann möglichst direkt der Batteriezelle zugeführt werden.
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Das Heizelement ist ein Bauteil, welches zur Bereitstellung einer Heizleistung in ein Heizsystem eingebunden werden kann. Das Heizelement kann über die elektrischen Kontakte mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, so dass ein elektrischer Strom durch das Heizelement fließt. Das Heizelement ist dazu eingerichtet, dass elektrischer Strom, der durch das Heizelement fließt, in Wärme umgewandelt wird.
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Insbesondere ist das das mindestens eine Heizelement innerhalb einer Wandung des Gehäuses oder an der Wandung des Gehäuses angeordnet, z. B. an einer der Batteriezelle zugewandten Innenseite der Wandung. Insbesondere ist das mindestens eine Heizelement so an bzw. in der Wandung angeordnet, dass die davon produzierte Wärme möglichst direkt der Batteriezelle zugeführt werden kann. Dabei kann eine thermische Leitung der Wärme über Festkörper oder z. B. über eine in dem Gehäuse vorliegende Flüssigkeit, z. B. eine Kühlflüssigkeit, hin zur Batteriezelle erfolgen.
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Insbesondere ist das mindestens eine Heizelement an oder in der Batteriezelle angeordnet. Insbesondere ist das mindestens eine Heizelement zwischen zwei Batteriezellen angeordnet, wobei insbesondere beide Batteriezellen von dem Heizelement kontaktiert werden.
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Insbesondere ist das mindestens eine Heizelement als zusätzliche Heizschicht in der Batteriezelle angeordnet.
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Insbesondere ist nur ein Heizelement je Batteriezelle vorgesehen. Es können aber auch mehrere Heizelement je Batteriezelle vorgesehen sein.
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Insbesondere ist das mindestens eine Heizelement unmittelbar benachbart zu einer Kathode oder zu einer Anode angeordnet.
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Insbesondere ist die Heizschicht (teilweise und/oder zeitweise) als Separatorschicht ausgeführt oder unmittelbar benachbart zur Separatorschicht angeordnet. Insbesondere ist die Heizschicht dann so ausgeführt, dass z. B. Lithium-Ionen auch die Heizschicht durchdringen können.
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Insbesondere weist die Batteriezelle ein Zellengehäuse auf, dass die Elektroden und die Separatorschicht gegenüber einer Umgebung abgrenzt. Die mindestens eine Anode ist mit einem ersten elektrischen Kontakt, die mindestens eine Kathode mit einem zweiten elektrischen Kontakt, der erste Leiter mit einem dritten elektrischen Kontakt und der zweite Leiter mit einem vierten elektrischen Kontakt elektrisch leitend verbunden. Die Kontakte erstrecken sich durch das Zellengehäuse hindurch bis hin in die Umgebung.
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Insbesondere sind in dem Gehäuse eine Mehrzahl von Batteriezellen angeordnet sind, wobei das mindestens eine Heizelement zumindest zwischen zwei Batteriezellen angeordnet ist.
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Insbesondere ist das mindestens eine Heizelement flächig und mit einer geringen Materialstärke ausgeführt, z. B. nach Art einer Folie, wobei die Materialstärke bevorzugt im Bereich von 100 µm [Mikrometer] bis 2.000 µm liegt.
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Insbesondere weist das Polymermaterial eine PTC-Eigenschaft und eine Schalttemperatur in einem Bereich zwischen 20 und 150 Grad Celsius auf. Insbesondere liegt die Schalttemperatur in einem Bereich zwischen 20 und 70 Grad Celsius.
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Besonders bevorzugt liegt die Schalttemperatur in einem Bereich zwischen 20°C und 70 °C, also im unteren der hier benannten Bereiche. Durch eine derart niedrige Schalttemperatur kann eine gleichmäßige Erwärmung des Heizelementes in einem homogenen Temperaturbereich realisiert werden ohne das zu große Mengen an elektrischer Energie zum Betrieb des Heizelementes benötigt werden. Gleichzeitig können thermische Spots (lokal eng begrenzte Bereiche mit sehr hohen Temperaturen) erfolgreich vermieden werden.
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Insbesondere weist das mindestens ein Heizelement in der Batterie eine 3D-Form auf. Mit einer 3D-Form ist hier eine komplexe Oberflächenform gemeint. Die 3D-Form erstreckt sich dreidimensional im Raum. Bevorzugt ist die 3D-Form zumindest abschnittsweise in zwei Richtungen gekrümmt.
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Insbesondere ist das Heizelement (elastisch) verformbar. Besonders bevorzugt ist das Heizelement auch plastisch verformbar, damit es eine 3D-Form des Trägermaterials annehmen oder damit das Heizelement an einem vorgesehenen Einbauort in der Batterie angeordnet werden kann.
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Bevorzugt sind die mindestens zwei elektrischen Leiter in oder an dem Heizelement so angeordnet, dass auch bei einer Verformung des Heizelementes kein unerwünschter Kontakt der mindestens zwei elektrischen Leiter miteinander auftritt.
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Das Heizelement weist bevorzugt mindestens eine Folie aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial auf. Die Folie ist bevorzugt das bestimmende Strukturelement des Heizelements. Mit anderen Worten bedeutet das, dass die mechanischen Eigenschaften des Heizelements maßgeblich durch die mechanischen Eigenschaften der Folie aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial bestimmt sind, zumindest für den Fall, dass das Heizelement (noch) nicht auf einem Trägermaterial aufgebracht ist.
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Zu den mechanischen Eigenschaften, die hier gemeint sind, zählen insbesondere:
- - elastische Verformbarkeit;
- - plastische Verformbarkeit;
- - Elastizitätsmodul.
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Diese mechanischen Eigenschaften sind bevorzugt entlang des Heizelements im Wesentlichen isotrop oder auch richtungsunabhängig ausgebildet. Das bedeutet insbesondere, dass in jeder Richtung des Heizelements die elastische Verformbarkeit, die plastische Verformbarkeit und das Elastizitätsmodul einheitlich sind.
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Die mindestens eine Folie aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial macht bevorzugt auch den größten Massenanteil des Heizelementes aus, nämlich bevorzugt einen Massenanteil von mindestens 50 Prozent, besonders bevorzugt mindestens 70 Prozent, oder sogar zu mehr als 80 Prozent.
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Der restliche Massenanteil des Heizelements entfällt bevorzugt auf die elektrischen Leiter sowie eventuell auf Mittel zur Verbindung der elektrischen Leiter mit der mindestens einen Folie.
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Wenn die Folie das bestimmende Strukturelement des Heizelements ist, kann das Heizelement einen sogenannten Folienheizer bzw. eine Heizfolie bilden. Insbesondere kann die Heizfolie einen (vor-)definierten elektrischen Widerstand aufweisen. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass die Temperatur der Heizfolie bzw. deren Wärmestrahlung weitestgehend exakt über die angelegte Spannung bzw. den durch die Heizfolie geleiteten Strom vorgebbar ist.
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Das hier vorgeschlagene Heizelement weist insbesondere eine flächig ausgebildete elektrische Leitfähigkeit auf. Damit ist insbesondere gemeint, dass das elektrisch leitfähige Polymermaterial eine leitfähige Fläche bildet. Hiermit sind insbesondere keine Materialien oder Eigenschaften gemeint, in welchen linear (eindimensional) ausgebildete Leiter (wie Drähte) zur Bereitstellung der Leitfähigkeit eingearbeitet sind. Bei solchen Materialien mit eingearbeiteten Leitern existiert normalerweise eine bevorzugte (besonders gute oder hohe) Leitfähigkeit bzw. ein besonders niedriger elektrischer Widerstand in einer Richtung parallel zu dem Verlauf der eingearbeiteten linearen Leiter. Genau dies ist bei der flächig ausgebildeten elektrischen Leitfähigkeit nicht gemeint.
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Gleichwohl können bei dem Heizelement elektrische Leiter oder Leiterbahnen (wie Drähte) insbesondere zusätzlich zu dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial, welches die flächig ausgebildete elektrische Leitfähigkeit ausweist, vorhanden sein, beispielsweise, um einen weitestgehend gleichmäßigen bzw. vergleichmäßigten Stromfluss oder Stromverlauf durch das elektrisch leitfähige Polymermaterial zu begünstigen. Beispielsweise können die mindestens zwei Leiter des Heizelements derart an oder in dem Polymermaterial fixiert sein, dass sie eine möglichst gleichmäßige, insbesondere möglichst vollflächige Beaufschlagung des elektrisch leitfähigen Polymermaterials mit elektrischer Leistung ermöglichen. Bevorzugt erfolgt diese Beaufschlagung auf mindestens 50%, besonders bevorzugt auf mindestens 70% oder sogar auf mindestens 80% der Fläche, die von dem Polymermaterial überspannt wird. Dies kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, das das elektrisch leitfähigen Polymermaterial weitestgehend gleichmäßig, insbesondere möglichst vollflächig aufgeheizt werden kann.
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Mit einer leitfähigen Fläche bzw. einer flächig ausgebildeten elektrischen Leitfähigkeit ist hier insbesondere gemeint, dass die elektrische Leitfähigkeit gleichmäßig über das Polymermaterial ausgebildet ist. Die leitfähige Fläche verläuft entlang bzw. parallel zu der Oberfläche des Heizelements bzw. des Oberflächenbauteils. Die Leitfähigkeit des Polymermaterials ist in dieser Fläche bevorzugt gleichmäßig ausgebildet und hat besonders bevorzugt keine bevorzugte Richtung. Das bedeutet beispielsweise, dass zwischen zwei Kontaktpunkten an dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial in einem bestimmten Abstand immer der gleiche elektrische Widerstand bzw. die Leitfähigkeit durch das Polymermaterial vorliegt, unabhängig davon, wie eine kürzeste Verbindungslinie/Verbindungsgerade zwischen den beiden Punkten verläuft.
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Bei dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial kann es sich beispielsweise um ein intrinsisch leitfähiges Polymer (bzw. einen intrinsisch leitfähigen Kunststoff) handeln. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass es sich bei dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial, um ein solches handelt, welches selbst elektrisch leitfähig ist. Alternativ oder kumulativ kann vorgesehen sein, dass das elektrisch leitfähige Polymermaterial durch mindestens einen elektrisch leitfähigen Zusatz- bzw. Füllstoff, wie etwa Aluminiumflocken oder Ruß elektrisch leitfähig ist, der in einem (nicht zwingend selbst leitfähigen) Polymer enthalten bzw. eingebettet ist.
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Als Beispiele für hier verwendbare, insbesondere intrinsisch leitfähige Polymere bzw. Kunststoffe können etwa Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT, auch PEDT), Polystyrolsulfonat (PSS), dotiertes Polyethin (auch Polyacetylen, PAC) und Polyanilin (PAni), sowie Polybutylenterephthalat (PBT) und Polyamid (PA) genannt werden. Ein bevorzugtes Polymer ist Polyethylen (PE).
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Insbesondere um die elektrische Leitfähigkeit des Polymermaterial zu begünstigen kann ein elektrisch leitfähiger Zusatz- bzw. Füllstoff in das Polymermaterial integriert sein. Als elektrisch leitfähiger Zusatz- bzw. Füllstoff können insbesondere elektrisch leitfähige Fasern dienen. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das elektrisch leitfähige Polymermaterial elektrisch leitfähige Fasern aufweist, die in einer Polymermatrix eingebettet sind.
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Die elektrischen Leiter sind bevorzugt metallisch. Als Materialien für die elektrischen Leiter können insbesondere Aluminium (Aluminiumlegierungen) und/oder Kupfer (Kupferlegierungen) zum Einsatz kommen. Die elektrischen Leiter können als Drähte ausgeführt sein. Die elektrischen Leiter können auch aufgedruckt, aufgedampft oder aufgestickt sein oder mit jedem anderen Verfahren auf dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial aufgebracht sein.
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Die elektrischen Leiter sind bevorzugt in dem Heizelement bzw. an der mindestens einen Folie derart angeordnet, dass diese die mechanischen Eigenschaften der Folie nicht oder nur unwesentlich beeinflussen. Insbesondere behindern die elektrischen Leiter eine plastische oder elastische Verformung der Folie nicht. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die elektrischen Leiter bevorzugt ausschließlich mäanderförmig verlaufen. Bevorzugt existieren keine geraden Abschnitte der elektrischen Leiter, die bei einer (elastischen oder plastischen) Dehnung des Heizelements axial verformt werden müssten.
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Der Abstand zwischen den mindestens zwei elektrischen Leitern beträgt bevorzugt zwischen 0,5 mm [Millimeter] und 5 mm, besonders bevorzugt mindestens 1,0 mm oder sogar mindestens 2,0 Millimeter.
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Die zwei elektrischen Leiter können jeweils mit einem oder mehreren elektrischen Kontaktarmen gebildet sein, die sich jeweils zumindest teilweise entlang der Fläche des Polymermaterials erstrecken. Insbesondere sind die Kontaktarme dazu angeordnet, die elektrische Leistung flächig über zumindest einen Teil des Polymermaterials zu verteilen. Die zwei elektrischen Leiter können beispielsweise mit zwei (einander unmittelbar) gegenüberliegenden Kontaktarmen gebildet sein, die mit verschiedenen Polen einer Spannungsquelle verbindbar sind, so dass ein Stromfluss durch das Polymermaterial von einem Kontaktarm zu dem gegenüberliegenden Kontaktarm ermöglicht werden kann. Die Kontaktarme (bzw. die elektrischen Leiter) können zusammen mit dem Polymermaterial einen Heizkreis bilden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abstand der (einander unmittelbar) gegenüberliegenden Kontaktarme zueinander (lokal) um maximal 10 % von einem mittleren Abstand abweicht. Dies ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn eine möglichst gleichmäßige Erwärmung erzielt werden soll. Alternativ oder kumulativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Abstand einander (unmittelbar) gegenüberliegender Kontaktarme (desselben Heizkreises) zueinander lokal (gezielt) um mehr als 10 % von einem mittleren Abstand abweicht. Dies ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn gezielt Teilbereiche eingestellt werden sollen, in denen eine schnellere Erwärmung erzielt werden soll als in anderen Teilbereichen.
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Bevorzugt existiert ein flächiger Kontakt zwischen den elektrischen Leitern und dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial. Besonders bevorzugt existieren im Bereich des Kontakts Oberflächenbindungen zwischen dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial und den elektrischen Leitern. Diese Bindungen können zum Beispiel durch thermische Prozesse, bevorzugt laminieren oder aufschmelzen, erzeugt werden. Hierfür kann es zusätzlich von Vorteil sein, wenn der elektrische Leiter als Litze ausgeführt ist und sich das elektrisch leitfähige Polymermaterial im Prozess somit an die Litzenform anpassen kann. Ein weiterer Vorteil für die Bindung des elektrisch leitfähigen Polymermaterials an dem Leiter ist eine möglichst raue Oberfläche, um die Kontaktfläche auf gegebener Fläche möglichst groß zu gestalten.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die mindestens eine Folie eine Dicke zwischen 100 µm [Mikrometer] und 2.000 µm aufweist
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Die Dicke der Folien ist bevorzugt so gewählt, dass eine gute Verformbarkeit des Heizelements gewährleistet ist. Gleichzeitig ist die Dicke so gewählt, dass eine gleichmäßige Ausbreitung des elektrischen Stroms in dem Polymermaterial, aus welchem die Folie ausgebildet ist, erfolgt, wenn das Heizelement mit einem elektrischen Strom beaufschlagt ist. Insbesondere ist die mindestens eine Folie so dick, dass ein ungenutzter Feldbereich eines elektrischen Feldes zwischen den zwei elektrischen Leitern möglichst klein ist, während die Folie gleichzeitig so dünn ist, dass ein ungenutzter Folienbereich ebenfalls möglichst klein ist. Ein ungenutzter Folienbereich ist ein Bereich, in dem bei einer Beaufschlagung der mindestens zwei elektrischen Leiter mit Spannung kein elektrisches Feld in dem Polymermaterial der Folie existiert. Ein ungenutzter Feldbereich ist ein (gedachter) Bereich seitlich der Folie, in welchem zwar ein elektrisches Feld existiert, wenn eine Spannung an den mindestens zwei elektrischen Leitern anliegt, wobei in diesem Bereich allerdings dann kein Polymermaterial mehr vorliegt. Einen möglichst kleinen ungenutzten Feldbereich und einen möglichst kleinen ungenutzten Folienbereich gleichzeitig bereitzustellen, ist ein Zielkonflikt, der durch eine an den Abstand der mindestens zwei elektrischen Leiter angepasste Dicke der Folien bzw. des Polymermaterials gelöst werden kann.
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Insbesondere sind die mindestens zwei elektrischen Leiter auf einer Trägerfolie aufgebracht, welche mit der Folie aus Polymermaterial verbunden ist.
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Eine Trägerfolie dient insbesondere während der Herstellung des beschriebenen Heizelementes dazu, die elektrischen Leiter in einer definierten Position zueinander zu halten. Ein bevorzugter Herstellungsprozess zur Herstellung des Heizelementes umfasst die Bereitstellung der elektrischen Leiter mit dem Trägermaterial und die anschließende Aufbringung der mindestens einen Folie aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial.
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Die Trägerfolie besteht in bevorzugten Ausführungsvarianten zumindest zu einem wesentlichen Anteil (beispielsweise mehr als 50 Prozent oder sogar mehr als 80 Prozent) aus PE (Polyethylen).
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In weiteren Ausführungsvarianten besteht die Trägerfolie zu einem wesentlichen Anteil (beispielsweise mehr als 50 Prozent oder sogar mehr als 80 Prozent) aus einem Polyimid. Ein Polyimid ist ein Kunststoff, der eine Imidgruppe aufweist. Zu den Polyimiden zählen Polysuccinimid (PSI), Polybismaleinimid (PBMI), Polyimidsulfon (PISO) und Polymethacrylimid (PMI).
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Polyimide sind regelmäßig nicht schmelzbar und chemisch sehr beständig (auch gegenüber vielen Lösungsmitteln). Außerdem sind Polyimide hitzebeständig und strahlungsresistent. Durch diese Eigenschaften eigenen sich Polyimide in besonderer Weise für die beschriebene Trägerfolie. Eine Trägerfolie auf Polyimid-Basis kann den Einfluss der Trägerfolie auf die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Heizelements reduzieren.
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Insbesondere sind die mindestens zwei elektrischen Leiter auf der Trägerfolie aufgestickt, aufgenäht, aufgeklebt, laminiert, gewalzt oder im Druckverfahren aufgebracht. Dies sind besonders bevorzugte Verfahren zur Fixierung der elektrischen Leiter an der Trägerfolie.
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In bevorzugten Varianten sind die mindestens zwei elektrischen Leiter zumindest teilweise auf einer ersten Seite und/oder zumindest teilweise auf einer zweiten Seite der Trägerfolie aufgestickt, aufgenäht oder mit einem Druckverfahren aufgebracht. Bei diesen Varianten ist bevorzugt auf beiden Seiten der Trägerfolie eine Folie aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial aufgebracht.
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Zum Aufsticken der mindestens zwei elektrischen Leiter ist bevorzugt mindestens ein Hilfsfaden verwendet, welcher den elektrischen Leiter mit der Trägerfolie verbindet. Beim Aufsticken sind die mindestens zwei elektrischen Leiter mit Hilfe des mindestens einen Hilfsfadens an der Trägerfolie befestigt. Der Hilfsfaden durchdringt die Trägerfolie (in regelmäßigen Abständen), um eine Befestigung an der Trägerfolie zu realisieren.
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Beim Aufnähen der mindestens zwei elektrischen Leiter kann es aber auch hilfreich sein, keinen Hilfsfaden zu verwenden. Hier durchdringen die mindestens zwei elektrischen Leiter bevorzugt selbst die Trägerfolie (in regelmäßigen Abständen), um eine Befestigung an der Trägerfolie zu realisieren.
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Das Aufkleben kann mit einer Vielzahl von lokal begrenzten (insbesondere punkt- oder raupenförmigen) Klebeverbindungen zwischen der Trägerfolie und den elektrischen Leitern realisiert werden. Bei elektrisch nicht leitfähigen Klebeverbindungen kann dieser auch bevorzugt flächig auf der Trägerfolie aufgebracht werden.
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Beim Aufbringen der elektrischen Leiter auf eine Trägerfolie durch Walzen kann es vorteilhaft sein, dies unter gleichmäßigem Druck bei vorzugsweise gleichbleibender Geschwindigkeit durchzuführen. Unter zusätzlichen Temperatureinfluss kann dann auch von einem laminieren gesprochen werden. Vorzugsweise kann ein flächig elektrisch leitfähiger Leiter auf die Trägerfolie aufgebracht werden und im Nachgang die Struktur der mindestens zwei elektrischen Pfade erstellt werden. Dies kann zum Beispiel durch chemische Prozesse wie ätzen oder mechanische Prozesse wie fräsen erfolgen.
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Dies kann mit anderen Worten auch so beschrieben werden, dass ein elektrisch leitfähiges Material für den Leiter zunächst vollflächig auf die Trägerfolie (fest) aufgebracht wird und in einem späteren Schritt wieder Teile des Materials entfernt werden, um die Form und/oder den Verlauf des Leiters zu bestimmen.
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Des Weiteren vorteilhaft ist es, wenn die mindestens zwei elektrischen Leiter auf mindestens einer Folie aus Polymermaterial aufgestickt, aufgenäht, aufgeklebt, laminiert, gewalzt oder im Druckverfahren aufgebracht sind. In solchen Ausführungsvarianten des Heizelementes ist bevorzugt keine Trägerfolie vorgesehen, auf welcher die mindestens zwei elektrischen Leiter aufgebracht sind. Mit anderen Wortend sind die elektrischen Leiter in diesem Zusammenhang direkt auf der Folie (fest) aufgebracht.
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Bei dieser modifizierten Variante des Heizelementes existiert keine Trägerfolie. Die Folie aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial selbst wirkt hier als Trägerfolie. Für das Befestigungsverfahren zur Befestigung der mindestens zwei elektrischen Leiter an der Folie aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial können dieselben Verfahren (Nähen, Sticken, Drucken, Kleben, Laminieren, Walzen) verwendet werden, wie zur Befestigung an einer Trägerfolie. Die diesbezüglichen, vorstehenden Ausführungen gelten auch für die Befestigung auf einer Folie aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial.
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Zusätzlich, insbesondere in dem Fall, dass ein verwendeter Kleber selbst elektrisch leitfähig ist, kann auch ein vollflächiges Verkleben der elektrischen Leiter auf der Folie realisiert werden. Hier wird im Nachgang durch zum Beispiel chemische Prozesse wie ätzen oder mechanische Prozesse wie fräsen, die Leitfähige Schicht in Heizbereichen entfernt.
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Bevorzugt ist außerdem, wenn die mindestens zwei elektrischen Leiter zumindest abschnittsweise in Richtung einer Normalenrichtung des Heizelements bzw. der Folie verlaufen. Bevorzugt verlaufen die mindestens zwei elektrischen Leiter entlang einer Bahn, die regelmäßig zwischen verschiedenen parallelen Ebenen entlang der Fläche hin- und her wechselt. Durch diesen Aufbau kann eine tatsächliche Länge der mindestens zwei elektrischen Leiter wesentlich größer sein als eine Länge entlang der Ebene. Bei einer Dehnung des Heizelementes und der Folien kann sich der Verlauf der mindestens zwei elektrischen Leiter in Normalenrichtung ändern, um so die Dehnung in Richtung der Fläche auszugleichen.
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Außerdem bevorzugt ist, wenn das Heizelement mit mindestens zwei Folien aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial gebildet ist, welche aufeinander angeordnet sind, wobei die mindestens zwei elektrischen Leiter zwischen den beiden Folien angeordnet sind.
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Auf diese Art und Weise kann elektrischer Strom von den mindestens zwei elektrischen Leitern besonders vorteilhaft in das elektrisch leitfähige Polymermaterial übertragen werden. Insbesondere verläuft ein elektrisches Feld, welches bei einer Spannung zwischen den beiden elektrischen Leitern entsteht, dann zu einem besonders großen Anteil durch das elektrisch leitfähige Polymermaterial. Es existiert besonders wenig ungenutzter Folienbereich (Bereich der Folie, durch den in Folge einer an den elektrischen Leitern anliegenden Spannung kein elektrischer Strom existiert). Darüber hinaus existiert besonders wenig ungenutzter Feldbereich (Bereich angrenzend zu der Folie, in dem in Folge einer an den elektrischen Leitern anliegenden Spannung ein elektrisches Feld existiert, wobei jedoch kein elektrisch leitfähiges Polymermaterial dort vorliegt).
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Insbesondere kann das Heizelement in mehrere Segmente eingeteilt sein kann, die einzeln oder gemeinsam hinsichtlich einer Heizleistung geregelt werden können.
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Zu diesem Zweck sind bevorzugt mehr als zwei elektrische Leiter vorgesehen. Besonders bevorzugt sind dabei eine Mehrzahl von Paaren von jeweils zwei elektrischen Leitern. Jedes Paar von zwei elektrischen Leitern ist zur Bestromung eines Abschnitts des Heizelementes vorgesehen.
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Denkbar ist jedoch auch, dass mindestens drei elektrische Leiter vorgesehen sind, wobei zwei gleichpolige Leiter mit einem gemeinsamen dritten Leiter zusammenwirken. Dies kann mit anderen Worten insbesondere auch so beschrieben werden, dass ein elektrischer Leiter für mehrere Paare in unterschiedlichen Heizsegmenten identisch ist. Das kann zum einen dazu beitragen den Integrationsaufwand in dem Heizsystem zu reduzieren, zum anderen kann es ermöglichen, über die Schaltung/Regelung der Heizungssegmente verschiedene Leistungszustände zu erreichen.
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Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, wenn zwei Leiter, die jeweils ein (Heiz-)Segment definieren und dabei beispielsweise benachbart und/oder beabstandet zueinander angeordnet sind, jeweils mit einem dritten Leiter (zumindest abschnittsweise) überlappen. Der dritte Leiter erstreckt sich in diesem Zusammenhang somit zumindest teilweise durch beide (Heiz-)Segmente. Die Überlappungen können durch Kontaktarme der Leiter gebildet sein, die sich jeweils von im Wesentlichen zueinander parallel verlaufenden Hauptsträngen der Leiter weg (in Richtung zu dem Hauptstrang eines gegenüberliegenden Leiters) erstrecken.
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Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, in einer perspektivischen Ansicht, in einer Explosionsdarstellung;
- 2: eine Batterie eines Kraftfahrzeuges in einer Ansicht von oben;
- 3: eine Batterie in einer perspektivischen Ansicht, teilweise im Schnitt;
- 4: eine Batteriezelle der Batterie nach 3, in einer Seitenansicht, im Schnitt;
- 5: eine weitere Batteriezelle in einer perspektivischen Ansicht, teilweise im Schnitt;
- 6: die weitere Batteriezelle nach 5 in einer perspektivischen Ansicht im Schnitt;
- 7: eine Batterie in einer Seitenansicht; und
- 8: ein Heizelement in einer Ansicht von oben.
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Die 1 zeigt eine Batterie 1 eines Kraftfahrzeuges, in einer perspektivischen Ansicht, in einer Explosionsdarstellung. Neben elektronischen Komponenten, z. B. Leistungselektronik, Wandler, usw. ist hier die Batterie 1 dargestellt, die mehrere Batteriezellen 3 umfasst. Die Batterie umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine Vielzahl von Batteriezellen 3 zusammengefasst sind.
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2 zeigt eine Batterie 1 eines Kraftfahrzeuges 19 in einer Ansicht von oben.
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3 zeigt eine Batterie 1 in einer perspektivischen Ansicht, teilweise im Schnitt. 4 zeigt eine Batteriezelle 3 der Batterie 1 nach 3, in einer Seitenansicht, im Schnitt. Die 3 und 4 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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Die Batterie 1 umfasst ein Gehäuse 2 und eine Mehrzahl darin angeordneter Batteriezellen 3, die jeweils eine Mehrzahl von Anoden 4 und Kathoden 5 als Elektroden sowie jeweils eine die Anode 4 und die Kathode 5 voneinander trennende Separatorschicht 6 aufweisen. Die Batterie1 weist zusätzlich ein Heizelement 7 auf, dass in thermisch leitender Verbindung zur der Batteriezelle 3 in dem Gehäuse 2 angeordnet ist.
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Die hier dargestellte Batterie 1 ist eine sogenannte Bipolar-Batterie, bei der ein Ableiter 20 der negativen Elektrode einer Batteriezelle 3 die Kontaktierung der positiven Elektrode einer nächsten Batteriezelle 3 darstellt.
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Damit teilen sich zwei in Reihe geschalteten Batteriezellen 3 die Ableiter 20. Die eine Seite der Bipolarelektrode dient als Anode 4 in einer Batteriezelle 3 und die andere Seite als Kathode 5 in der nächsten Batteriezelle 3.
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5 zeigt eine weitere Batteriezelle 3 in einer perspektivischen Ansicht, teilweise im Schnitt. 6 zeigt die weitere Batteriezelle 3 nach 5 in einer perspektivischen Ansicht im Schnitt. Die 5 und 6 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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Die Batteriezelle 3 weist ein Zellengehäuse 12 auf, dass die Elektroden und die Separatorschicht 6 gegenüber einer Umgebung 13 abgrenzt. Die Anode 4 ist mit einem elektrischen ersten Kontakt 14, die Kathode 5 mit einem elektrischen zweiten Kontakt 15 elektrisch leitend verbunden. Die Kontakte 14, 15 erstrecken sich als sogenannte Stromsammler bis in das Zellengehäuse 12 hinein und kontaktieren dort die Kathode 5 und die Anode 4. Der Stromsammler der Kathode 5 hier als Kupferkörper ausgebildet. Der Stromsammler der Anode 4 ist als Aluminium-körper ausgebildet. Die Kontakte 14, 15 erstrecken sich durch das Zellengehäuse 12 hindurch bis hin in die Umgebung 13. Das Heizelement 7 ist in 6 als Separatorschicht 6 ausgeführt. In 5 ist das Heizelement als Zellengehäuse 12 ausgeführt.
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7 zeigt eine Batterie 1 in einer Seitenansicht. Die Batterie 1 umfasst ein Gehäuse 2 und mehrere Batteriezellen 3. Zwischen jeweils zwei Batteriezellen 3 ist ein Heizelement 7 angeordnet. Das Heizelement 7 ist flächig ausgeführt und weist eine Materialstärke 18 auf.
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8 zeigt ein Heizelement 7 in einer Ansicht von oben. Das Heizelement 7 umfasst ein elektrisch leitfähiges Polymermaterial 8 sowie einen elektrischen ersten Leiter 9 und einen elektrischen zweiten Leiter 10, wobei die elektrischen Leiter 9, 10 in elektrischem leitendem Kontakt zu dem Polymermaterial 8 und dabei in einem Abstand 20 voneinander angeordnet sind, so dass eine Beaufschlagung des elektrisch leitfähigen Polymermaterials 8 mit elektrischer Leistung über die mindestens zwei Leiter 9, 10 erfolgen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Gehäuse
- 3
- Batteriezelle
- 4
- Anode
- 5
- Kathode
- 6
- Separatorschicht
- 7
- Heizelement
- 8
- Polymermaterial
- 9
- erster Leiter
- 10
- zweiter Leiter
- 11
- Wandung
- 12
- Zellengehäuse
- 13
- Umgebung
- 14
- erster Kontakt
- 15
- zweiter Kontakt
- 16
- dritter Kontakt
- 17
- vierter Kontakt
- 18
- Materialstärke
- 19
- Kraftfahrzeug
- 20
- Ableiter
- 21
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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