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Die Erfindung betrifft eine Akkumulatoranordnung für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, aufweisend mehrere Batteriezellen und mindestens ein Heizelement.
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Bei Akkumulatoranordnungen für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge sind im Allgemeinen mehrere Batteriezellen vorgesehen, die zu mehreren Batterieblöcken zusammengefasst sind. Akkumulatoranordnungen und Batteriezellen können für kalte Temperaturen, extreme Temperaturen und Betriebstemperaturgrenzwerte empfindlich sein. Die Leistung solcher Batteriezellen oder Akkumulatoranordnungen kann verringert sein, wenn die Batteriezellen oder Anordnungen außerhalb der empfohlenen oder optimalen Temperaturbereiche betrieben werden.
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Um die Batteriezellen bei geeigneter Betriebstemperatur zu betreiben bzw. die Temperatur von Batteriezellen oder Akkumulatoranordnungen zu steuern, werden Vorrichtungen zum konvektiven Temperaturmanagement vorgesehen. Beispielsweise ist hierzu ein Wärme/Kälte-Kreislauf auf Basis eines Glykol-Wasser-Gemischs in einer bodenseitigen Auflagefläche einer Halterung der Akkumulatoranordnung angeordnet. Die Wärmebereitstellung erfolgt in einer solchen Anordnung mittels einer elektrischen Heizpatrone.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Akkumulatoranordnung anzugeben, welche eine verbesserte Steuerung einer Temperatur von Batteriezellen erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Akkumulatoranordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen spezifiziert.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Akkumulatoranordnung für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, aufweisend mehrere Batteriezellen, wobei die Batteriezellen einen Zellstapel bzw. ein Zellpaket bilden, und mindestens ein Heizelement, wobei das Heizelement wärmeübertragend an mindestens einer Batteriezelle angeordnet ist und das Heizelement für eine Entnahme elektrischer Energie zur Erzeugung von Elektrowärme mit der mindestens einen der Batteriezellen der Akkumulatoranordnung unmittelbar elektrisch leitend verbindbar ist.
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Die Erfindung basiert auf dem Ansatz, dass das Heizelement eine Wärmeenergie, die vorzugsweise zur Heizung der mindestens einen Batteriezelle vorgesehen ist, direkt an der Batteriezelle erzeugt. Vorzugsweise wird die elektrische Energie, die durch das Heizelement in Wärmeenergie umgesetzt wird, von mindestens einer der Batteriezellen der Akkumulatoranordnung bereitgestellt. Vorteilhaft wird die Wärmeenergie, die zur Heizung der Batteriezelle eingesetzt wird, in einem Bereich erzeugt, in dem sie benötigt bzw. umgesetzt wird. Durch ein, insbesondere lokales, Erzeugen von Wärme und damit einem Temperieren von Batteriezellen wird eine höhere Leistungseffizienz der Batteriezellen bzw. der Akkumulatoranordnung ermöglicht. Lange Wege elektrischer Leiter können so vermieden werden.
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Das mindestens eine Heizelement ist mit mindestens einer der Batteriezellen elektrisch leitend verbindbar bzw. verbunden. Vorzugsweise bildet mindestens ein Heizelement mit mindestens einer Batteriezelle der Akkumulatoranordnung, zumindest zeitweise, einen Stromkreis. Dieser Stromkreis ist vorzugsweise zur Entnahme elektrischer Energie durch das Heizelement eingerichtet. Weiter bevorzugt weist ein solcher Stromkreis mehrere Heizelemente auf, noch weiter bevorzugt, mehrere Batteriezellen. Vorteilhaft wird die elektrische Energie zur Wärmeerzeugung von einer Batteriezelle der Akkumulatoranordnung bezogen, für welche die Wärme an ihren Batteriezellen bereitgestellt werden soll.
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Eine erfindungsgemäße Akkumulatoranordnung ist bezüglich einer der Versorgung mit elektrischer Energie zur Wärmegenerierung autark. Der Bezug von elektrischer Energie von einer externen, außerhalb der Akkumulatoranordnung vorgesehenen Energiequelle ist nicht nötig. Energetische Verluste durch Leitung von elektrischer Energie oder Wärmeenergie sind dadurch verringert.
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Vorteilhaft findet eine Generierung von Wärme vorzugsweise unmittelbar im Bereich einer zu heizenden Batteriezelle statt. Auf einen aufwendigen flüssigkeitsbasierten Wärmekreislauf zur Temperierung der Batteriezellen kann in diesem Fall verzichtet werden. Somit werden weniger Komponenten zur Wärmeleitung benötigt und eine Wärmeübertragung von Heizelement zu Batteriezelle ist besonders einfach und direkt ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Heizelement eine Widerstandsheizung auf. Bevorzugt weist eine Widerstandsheizung Metall auf oder ist aus Metall ausgebildet. Weiter bevorzugt weist eine Widerstandsheizung Graphit, ein Halbleitermaterial oder ein elektrisch leitendes Polymer auf oder ist aus Graphit, einem Halbleitermaterial oder einem elektrisch leitenden Polymer ausgebildet.
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Eine Widerstandsheizung weist vorzugsweise einen Heizwiderstand oder Heizleiter auf und ist dazu ausgebildet, elektrische Energie in thermische Energie bzw. Wärme umzuwandeln. Vorzugsweise ist ein Heizwiderstand in Form eines Metalldrahts in gewendelter oder meandernder Anordnung vorgesehen. Weiter bevorzugt ist der Heizleiter aus Graphit oder einem Halbleitermaterial, insbesondere Siliciumcarbid, ausgebildet. Durch eine derartige Ausgestaltung ist eine besonders kompakte Bauweise des Heizelements ermöglicht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Heizelement an einer Flachseite der Batteriezelle angeordnet. Bevorzugt ist das Heizelement ausgebildet, die gesamte Flachseite der Batteriezelle abzudecken. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Heizelement an einer Mantelfläche der Batteriezelle angeordnet, insbesondere wenn die Batteriezelle als Rundzelle oder in einer zylindrischen Bauform ausgebildet ist. Hierdurch ist eine Wärmeübertragung zwischen Heizelement und Batteriezelle über eine möglichst große Fläche ermöglicht. Ein gleichmäßiges und zielgerichtetes Erwärmen der Batteriezelle ist begünstigt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Heizelement als Heizfolie ausgebildet. Eine Heizfolie ist vorzugsweise mechanisch flexibel ausgebildet, um sich an eine Geometrie der Batteriezelle anzupassen. Die Wärmeübertragung von der Heizfolie zu der Batteriezelle ist begünstigt, da eine die Heizfolie vorzugsweise Unebenheiten der Batteriezelle ausgleicht und daher verbessert wärmeübertragend an der Batteriezelle anliegt. Ferner können thermische Dehnungen, insbesondere der Batteriezelle oder der Akkumulatoranordnung, besser kompensiert und ein dauerhaftes Anliegen der Heizfolie über die Lebensdauer der Akkumulatoranordnung gewährleistet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Heizelement ein Kontaktierungselement zur elektrischen Kontaktierung wenigstens eines weiteren Heizelements auf. Ein Kontaktierungselement ist vorzugsweise als Anschlussfahne oder als Steckverbindung ausgebildet. Die elektrische Kontaktierung zwischen zwei oder mehreren Heizelementen ist hierdurch vereinfacht, insbesondere bei der Montage. Darüber hinaus ist es ermöglicht, Heizelemente auf besonders zweckmäßige Art und Weise systematisch und/oder variabel miteinander zu verschalten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Heizelement haftend an der Batteriezelle angeordnet. Vorzugsweise weist das Heizelement eine Haft- oder Klebeschicht auf, mit welcher es haftend an der Batteriezelle angeordnet ist. Diese Haftschicht ist vorzugsweise flächig an zumindest einer Seitenfläche des Heizelements angeordnet. Eine Haftverbindung zwischen Heizelement und Batteriezelle gewährleistet eine zuverlässige und effiziente Wärmeübertragung. Darüber hinaus ist eine derartige Anordnung stabil gegenüber Erschütterungen und thermischen Dehnungen.
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Alternativ oder zusätzlich ist das Heizelement, oder ein Teil davon, magnetisch oder elektromagnetisch ausgebildet, um haftend an der Batteriezelle angeordnet zu werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Heizelement eine Isolierungsvorrichtung zur elektrischen Isolation des Heizelements auf. Vorzugsweise ist die Isolierungsvorrichtung dazu ausgebildet, eine unerwünschte Leitung von Elektrizität zwischen Heizelement oder Heizelementen und der Batteriezelle bzw. der Akkumulatoranordnung zu verhindern. Unter einer unerwünschten Leitung von Elektrizität wird jegliche elektrische Energie verstanden die nicht zu einem betriebsmäßigen Gebrauch des Heizelements beiträgt. Die Isoliervorrichtung ist vorzugsweise als Isolierfolie ausgebildet, welche das Heizelement elektrisch von der oder den Batteriezellen isoliert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist jeder der Batteriezellen der Akkumulatoranordnung mindestens ein Heizelement zugeordnet. Vorzugsweise sind die Heizelemente in Bezug auf eine Stapelrichtung der Batteriezellen jeweils auf einer Seite der Batteriezellen angeordnet. Durch eine derartige Zuordnung von Heizelement zu Batteriezellen, wird vorzugsweise jede Batteriezelle so temperiert, dass über die Akkumulatoranordnung eine gleichmäßige Erwärmung aller Batteriezellen gewährleistet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist jedes Heizelement jeweils mit seiner zugeordneten Batteriezelle unmittelbar elektrisch leitend verbunden. Damit ist eine besonders effiziente, lokale und direkte Energieentnahme und somit eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht. Ferner sind die einzelnen Heizelemente vorzugsweise funktional voneinander unabhängig. Alternativ oder zusätzlich ist das Heizelement vorzugsweise mit mindestens einer Batteriezelle elektrisch leitend verbunden, an welcher das Heizelement nicht unmittelbar wärmeleitend angeordnet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Akkumulatoranordung mindestens ein, insbesondere ansteuerbares, Schaltelement auf. Das Schaltelement ist vorzugsweise dazu ausgebildet ist die Entnahme elektrischer Energie zu steuern. Vorzugsweise ist das mindestens eine Schaltelement zwischen mindestens einem Heizelement und/oder einem Stromkreis, welcher von dem oder den Heizelementen gebildet ist, und mindestens einer Batteriezelle und/oder einem Stromkreis, welcher von der oder den Batteriezellen gebildet ist, angeordnet. So kann über ein Schalten des Schaltelements ein vorzugsweise zusammenhängender Stromkreis gebildet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Akkumulatoranordnung eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung des mindestens einen Heizelements, auf. Die Steuerungseinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet ist, eine abzugebende Wärmeenergie eines Heizelements zu steuern. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die abzugebende Wärmeenergie in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur oder Batteriezellen- bzw. Akkumulatortemperatur zu steuern, um eine Leistungsabgabe der Batteriezelle bzw. der Akkumulatoranordnung zu optimieren.
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Eine Akkumulatoranordnung ist weiter bevorzugt als elektrische Energieversorgungseinheit für ein Fahrzeug ausgebildet und weist insbesondere eine Nennspannung von 12 oder 48 V auf.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen, die in Figuren dargestellt sind, näher erläutert. Darin zeigen wenigstens teilweise schematisch:
- 1 Ausführungsbeispiel einer mit Batteriezellen und Heizelementen; und
- 2 eine beispielhafte Schaltungsanordnung einer Akkumulatoranordnung.
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1 zeigt eine beispielhafte teilweise Seitenansicht einer Akkumulatoranordnung 1 mit an Batteriezellen 2 angeordneten Heizelementen 3. Die Akkumulatoranordnung 1 weist dabei mehrere Batteriezellen 2 mit sich gegenüberliegenden Flachseiten auf. Die Batteriezellen 2 sind einander mit den Flachseiten zugewandt in Stapelrichtung zu einem Zellstapel angeordnet. Dabei ist jeweils ein Heizelement zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 2 angeordnet. Die Heizelemente 3 können vorzugsweise vorgespannt an den Batteriezellen 2 fixiert sein, um eine Stabilität der Akkumulatoranordnung zu verbessern und eine bessere Wärmeübertragung zwischen Batteriezelle 2 und Kühlelement 3 zu ermöglichen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Heizelemente 2 als Heizfolien ausgebildet. Diese sind vorzugsweise mechanisch flexibel ausgebildet, um formkomplementär an den Batteriezellen 3 angeordnet zu werden. Hierdurch wird ein Anliegen des Heizelements über eine möglichst große Fläche ermöglicht, was wiederum eine Wärmeübertragung begünstig.
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Vorteilhaft ist jeder Batteriezelle 2 des Stapels ein Heizelement 3 zugeordnet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen sein, dass Heizelemente 3 ausschließlich zwischen Batteriezellen 2 angeordnet sind, oder dass jeder zweiten Batteriezelle 2 eines Stapels ein Heizelement zugeordnet ist.
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In anderen Ausführungsbeispielen bildet in Stapelrichtung jeweils ein Heizelement 3 einen Anfang und ein Ende der Akkumulatoranordnung 1, so dass jeder Batteriezelle 2 zwei Heizelemente 3 zugeordnet sind. Hierdurch kann ein zweiseitiges Heizen jeder der Batteriezellen 2 innerhalb der Akkumulatoranordnung erfolgen und jede der Batteriezellen 2 ist zwischen zwei Heizelementen 3 gelagert.
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In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auf einer ersten Seite der Batteriezelle ein Heizelement 3 und auf seiner zweiten Seite ein Kühlelement zugeordnet sein. In anderen Worten ausgedrückt sind zwischen Batteriezellen 2 eines Zellstapels alternierend Heizelemente 2 und Kühlelemente angeordnet.
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Vorzugsweise ist mindestens eine Flachseite der Batteriezelle 2 mit einem Heizelement 3 in Berührung. Weiter vorzugsweise liegt das Heizelement 3 über seine gesamte Fläche hinweg wärmeleitend an der Batteriezelle 2 an. Die Wärmeübertragung, insbesondere eine Konvektion, ist somit über eine möglichst große Fläche der Batteriezelle 2 zu ermöglicht. Die Oberfläche der Batteriezelle 2 ist vorzugsweise, insbesondere im Bereich einer Anliegefläche zwischen Heizelement 3 und Batteriezelle 2, eben bzw. plan ausgebildet. Ein Heizelement 3 ist vorzugsweise, insbesondere im Bereich der Anliegefläche na die Batteriezelle 2, mit einer Haft- bzw. Klebeschicht beschichtet. Das Heizelement 3 ist vorzugsweise rechteckig und/oder korrespondierend zu der Form einer Flachseite der zugeordneten Batteriezelle ausgebildet.
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Vorzugsweise weist das Heizelement 3 ein Kontaktierungselement 4 auf. Ein Kontaktierungselement 4 ist vorzugsweise als eine Anschlussfahne oder eine Steckverbindung ausgebildet. Die Kontaktierungselemente 4 sind vorzugsweise dazu ausgebildet die Heizelemente 3 untereinander auf einfache Weise elektrische leitend zu verbinden.
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2 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 einer Akkumulatoranordnung 1 mit einer Batteriezelle 2 zur Strom- bzw. Spannungsversorgung und drei Heizelementen 3.
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Bevorzugt sind mehrere Heizelemente 3 zu einem Stromkreis verbunden, zu welchem mindestens eine Batteriezelle 2 über ein Schaltelement 5 zuschaltbar ist. Die von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte elektrische Energie, wird von den Heizelementen 3 in thermische Energie bzw. Wärme umgewandelt. Diese thermische Energie wird vorzugsweise der Batteriezelle 2 zugeführt, die dem Heizelement 3 zugeordnet ist, um eine gewünschte Betriebstemperatur der Batteriezelle 2 bzw. der Akkumulatoranordnung zu erreichen. Vorzugsweise wird jener Batteriezelle, die dem Heizelement zugeordnet ist, auch die Energie zum betrieb des Heizelements entnommen.
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Die Akkumulatoranordnung 1 weist vorzugsweise eine Steuerungseinrichtung 6 auf, um eine abzugebende Wärmeleistung mindestens eines Heizelements 3 zu steuern. Die Steuerungseinrichtung 6 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, selbsttätig eine Steuerung vorzunehmen und wird lediglich über ein externes Steuersignal aktiviert. Alternativ oder zusätzlich kann eine Steuerung der Heizelemente über eine externe Steuerleitung erfolgen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den Ausführungsbeispielen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung mindestens eines Ausführungsbeispiels gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Akkumulatoranordnung
- 2
- Batteriezelle
- 3
- Heizelement
- 4
- Kontaktierungselement
- 5
- Schaltelement
- 6
- Steuerungseinrichtung
