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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batteriemodul, auf ein Verfahren zum Betrieb desselben sowie dessen Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Übliche Batteriemodule enthalten eine oder mehrere Batteriezellen, die elektrisch zusammengeschaltet werden. Zur Bereitstellung größerer elektrischer Leistungen ist es möglich, eine Mehrzahl von Batteriemodulen ihrerseits zu Batteriepacks bzw. Batteriesystemen zusammenzuschalten. Insbesondere Lithiumionen- bzw. Lithiumpolymer-Batteriezellen erwärmen sich im Betrieb bedingt durch elektrochemische Wandlungsprozesse, vor allem bei einer schnellen Energieabgabe bzw. -aufnahme. Je höher die Leistungsfähigkeit des entsprechenden Batteriemodules ist, desto größer sind die im Betrieb freiwerdenden Wärmemengen und desto höher ist die Bedeutung eines entsprechend effizienten und aktiven Thermomanagementsystems. Durch dieses lassen sich die Batteriezellen eines entsprechenden Batteriemoduls bedarfsweise kühlen bzw. heizen.
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Die optimale Betriebstemperatur von Lithiumionen-Batteriezellen liegt im Bereich von ca. 5 - 35°C. Ab einer Betriebstemperatur von 40°C reduziert sich üblicherweise die Lebensdauer derartiger Lithiumionen-Batteriezellen beträchtlich. Um eine langjährige Lebensdauer derartiger Batteriezellen zu ermöglichen, ist daher eine ausreichende thermische Konditionierung der Batteriezellen erforderlich. Es wird daher darauf geachtet, derartige Lithiumionen-Batteriezellen in möglichst allen Betriebszuständen in einem thermisch unkritischen Zustand unter 40°C zu halten. Weiterhin ist es erwünscht, den Temperaturgradienten zwischen einzelnen Batteriezellen eines Batteriemoduls gering zu halten, um eine gleichförmige Alterung der im Batteriemodul verbauten Batteriezellen zu erreichen.
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Die Erwärmung bzw. Entwärmung von Batteriemodulen geschieht heute überwiegend auf Basis einer Flüssigkeitstemperierung bspw. mit einem Wasser/Glykol-Gemisch. Das Batteriemodul seinerseits bzw. eine entsprechend aus Batteriemodulen aufgebaute Batterie weist dazu üblicherweise Kühlplatten auf, welche durch Kanäle mit einem entsprechenden Kühlmedium versorgt werden. Die Versorgung der Kühlplatten mit einem entsprechenden Kühlmedium wird meistens über Schlauchverbindungen und entsprechenden weiteren Komponenten im Kühlkreislauf realisiert. Gemäß dem Stand der Technik erfolgt die Entwärmung entsprechender Batterien über einen Niedertemperatur-Kreislauf mit einem Wärmeübertrager zur Umgebungsluft oder alternativ über einen ein Kältemittel enthaltenden Klimakreislauf des Fahrzeugs. Oftmals werden beide Möglichkeiten genutzt und die entsprechenden Kühlreisläufe über Ventile geschaltet.
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Die Vorlauftemperatur dieser Kühlkreisläufe ist üblicherweise im Bereich von ca. 25 - 35°C anzusiedeln. Die Kühlwirkung derartiger Systeme beruht daher auf einer Temperaturdifferenz zwischen den zu entwärmenden Batteriezellen und dem Kühlmedium des Kühlsystems. Der Niedertemperaturkreislauf weist üblicherweise einen Frontradiator auf, der eine Wärmeübertragung direkt an die Umgebungsluft gewährleistet, während hingegen eine Entwärmung an den Klimakreislauf des Fahrzeugs über einen sogenannten Chiller erfolgt. Zur Erwärmung einer Batterie, beispielsweise bei kalten Außentemperaturen, enthalten derartige Kühlkreisläufe zusätzliche Komponenten, die eine entsprechende Erwärmung des Kühlmediums gewährleisten, wie beispielsweise Durchlaufheizer oder Heizfolien.
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In Bezug auf alternative Möglichkeiten einer Temperierung von Batterien ist der
JP 2013 157295 und der
US 2016/0372806 jeweils ein Batteriesystem zu entnehmen, dessen Temperierung auf Kühlmittel durchströmten Kühlplatten beruht, die mittels Peltier-Elementen entsprechend temperiert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul, ein Verfahren zum Betrieb desselben und dessen Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche zur Verfügung gestellt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist mindestens eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithiumionen- oder eine Lithiumpolymer-Batteriezelle, sowie eine Temperiervorrichtung auf. Die Temperiervorrichtung dient der Temperierung der mindestens einen Batteriezelle sowohl hinsichtlich einer Erwärmung als auch einer Kühlung derselben. Erfindungsgemäß ist als Temperiervorrichtung innerhalb des Batteriemoduls mindestens ein Peltier-Element bzw. mindestens ein Wärmerohr in Form einer Heat Pipe vorgesehen. Dabei wird unter einem Peltierelement ein thermoelektrisches Element verstanden, das unter Ausnutzung des Peltier- bzw. Seebeck-Effekts unter Stromfluss einen Wärmetransport bzw. auf Basis einer Temperaturdifferenz die Generierung von elektrischen Strom bewirkt. Weiterhin wird unter einem Wärmerohr bzw. einer Heat Pipe ein meist metallisches Gefäß verstanden, welches ein hermetisch gekapseltes Volumen enthält, das mit einem Verdampfungsmedium gefüllt ist, welches bei erhöhter Temperatur verdampft und in einem kälteren Bereich der Heat Pipe wiederum kondensiert. Dies bewirkt einen Wärmetransport innerhalb des Wärmerohrs.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So ist von Vorteil, wenn das als Temperiervorrichtung im Batteriemodul vorgesehene mindestens eine Peltierelement bzw. Wärmerohr einerseits in physischem, wärmeleitendem Kontakt mit der mindestens einen Batteriezelle des Batteriemoduls steht, auf der gegenüberliegenden Seite sich jedoch in physischem bzw. wärmeleitendem Kontakt mit einer Kühlplatte, beispielsweise zur Abfuhr überflüssiger Wärmeenergie befindet, die beispielsweise von einem Kühlmedium durchströmt sein kann. Diese Ausführungsform gewährleistet zum einen eine effektive Entwärmung bzw. Erwärmung der mindestens einen Batteriezelle des Batteriemoduls, auf der anderen Seite jedoch eine ausreichende Energiezu- bzw. -abfuhr der mittels des Peltierelements bzw. des Wärmerohrs transportierten Energiemenge in das Batteriemodul hinein bzw. aus diesem heraus.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind als Temperiervorrichtung des Batteriemoduls sowohl mehrere Peltierelemente als auch mehrere Wärmerohre vorgesehen. Diese sind beispielsweise zu Temperierzwecken innerhalb des Batteriemoduls flächig und alternierend zueinander derart angeordnet, dass die jeweiligen Peltierelemente und Wärmerohre jeweils in wärmeleitendem physischem Kontakt sowohl mit den zu kühlenden Batteriezellen als auch mit der zur Wärmeabfuhr vorgesehenen Kühlpatte stehen.
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Weiter ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Batteriemoduls. Das Verfahren beruht darauf, dass grundsätzlich die Erwärmung der mindestens einen Batteriezelle des Batteriemoduls mittels eines Peltierelements erfolgt. Darüber hinaus bzw. auch alternativ ist vorgesehen, dass das mindestens eine Peltierelement auch zu Kühlzwecken innerhalb des Batteriemoduls eingesetzt wird. Dies erfolgt vorteilhafterweise dann, wenn eine Temperatur der mindestens einen Batteriezelle oberhalb einer Betriebstemperatur eines ebenfalls im Batteriemodul vorgesehen Wärmerohres liegt.
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Der Vorteil dieses Verfahrens beruht darauf, dass Peltierelemente deutlich effektiver zu Heizzwecken einer Batteriezelle eingesetzt werden können als Wärmerohre. Weiterhin wird bei Anwendung dieses Verfahrens dem Aspekt Rechnung getragen, dass Wärmerohre bei entsprechender Auslegung lediglich bis zu einer Maximaltemperatur betrieben werden können, bei der das innerhalb des Wärmerohrs vorgesehene Kühlmittel komplett in der Gasphase vorliegt und somit kein weiterer Wärmetransport von den Batteriezellen weg zu einer Kühlplatte erfolgen kann. In diesem Temperaturbereich, der beispielsweise ab einer Temperatur von ca. 35°C angesiedelt sein kann, erfolgt je nach Auslegung des Wärmerohrs eine Kühlung bei dann höheren Temperaturen lediglich über das mindestens eine Peltierelement.
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Weiterhin ist von Vorteil, wenn als Temperiervorrichtung des Batteriemoduls eine Kombination aus mindestens einem Peltierelement und mindestens einem Wärmerohr verwendet wird, wobei bei Betriebstemperaturen der mindestens einen Batteriezelle unterhalb der maximalen Betriebstemperatur des mindestens einen Wärmerohres überwiegend oder allein durch das Wärmerohr die Abfuhr überschüssiger Wärmeenergie bzw. eine Kühlung der Batteriezellen erfolgt, währendhingegen das mindestens einen Peltierelement bei diesen Temperaturen in einem ausgeschalteten Zustand vorliegt oder in einem Zustand verminderter Leistungsfäh igkeit.
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Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass bei Betriebstemperaturen der mindestens einen Batteriezelle, die dem Arbeitsbereich des mindestens einen Wärmerohrs entsprechen, bei gleichzeitiger Verwendung eines Peltierelementes ein thermischer Kurzschluss zwischen Peltierelementen grundsätzlich möglich wäre. Aus diesem Grund werden die Peltierelemente in einem Temperaturbereich, in dem eine Wärmeableitung über das mindestens eine Wärmerohr möglich ist, abgeschaltet bzw. deutlich ihrer Leistung reduziert, sodass der Wärmetransport aus der mindestens einen Batteriezelle heraus überwiegend oder komplett durch das mindestens eine Wärmerohr erfolgt.
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Weiterhin ist von Vorteil, wenn das Batteriemodul ein Steuerungsmittel aufweist, welches zur Durchführung des oben beschriebenen Betriebsverfahrens eingerichtet ist. Mit diesem lassen sich je nach Betriebstemperatur der mindestens einen Batteriezelle adäquate Kühlungs- bzw. Heizmaßnahmen des mindestens einen Peltierelements bzw. des mindestens einen Wärmerohrs bewerkstelligen.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb desselben, lassen sich in vorteilhafterweise einsetzen in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV), in Hybridfahrzeugen (HEV) oder in Plug-In-Hybridfahrzeugen (PHEV) sowie in stationären Speichern, beispielsweise zur Speicherung regenerativ erzeugter Energie, in akkumulatorbetriebenen Heimwerkergeräten und in Haushaltsgeräten.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls gemäß einer ersten Ausführungsform und
- 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb des erfindungsgemäßen Batteriemoduls gemäß 1.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 10 dargestellt. Dieses umfasst mindestens eine, vorzugsweise mehrere Batteriezellen 14 innerhalb eines Batteriemodulgehäuses 12. Die Batteriezellen 14 stehen beispielsweise über eine jeweilige Bodenfläche 16a des jeweiligen Batteriezellgehäuses 16 in einem physischen, wärmeleitenden Kontakt mit einer Wärmeverteilplatte 18. Die Wärmeverteilplatte 18 dient unter anderem einem Temperaturausgleich der Batteriezellen 14 untereinander sowie auch einer Erwärmung bzw. Entwärmung der Batteriezellen 14. Die Wärmeverteilplatte 18 steht auf ihrer den Batteriezellen 14 abgewandten Großfläche in ebenfalls physischem und wärmeleitendem Kontakt mit einem oder mehreren Peltierelementen 20 sowie mit einem oder mehreren Wärmerohren 22 in Form von Heat Pipes.
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Das mindestens eine Peltierelement 20 bzw. das mindestens eine Wärmerohr 22 dient der Temperierung bzw. Energiezu- bzw. -abfuhr zwischen der Wärmeverteilplatte 18 und einer auf der gegenüberliegenden Seite des mindestens einen Peltierelements 20 bzw. des mindestens einen Wärmerohrs 22 ebenfalls in physischem, wärmeleitendem Kontakt mit derselben angeordneten Kühlplatte 24. Die Kühlplatte 24 ist dabei beispielsweise von einem insbesondere flüssigem Kühlmedium durchströmt und über in 1 nicht dargestellte Anschlüsse mit einem bezogen auf das Batteriemodul 10 externen Kühlsystem bzw. Heizsystem fluidleitend verbunden.
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In 2 ist schematisch ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Batteriemoduls gemäß 1 dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
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Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren beruht darauf, dass in einem ersten Verfahrensschritt 60 eine Temperaturerfassung mindestens einer der Batteriezellen 14 und/oder des Innenraums des Batteriemoduls 10 erfolgt. In einem zweiten Verfahrensschritt 62 wird die erfasste Betriebstemperatur einem Temperaturbereich zugeordnet. Liegt die Betriebstemperatur in einem ersten Temperaturbereich, der unterhalb eines anzustrebenden Temperaturbereichs der Batteriezelle 14 bzw. des Batteriemoduls 10 liegt, so wird in einem dritten Verfahrensschritt 64 eine Erwärmung der Batteriezellen 14 bzw. des Batteriemoduls 10 vorgenommen.
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Diese erfolgt vorzugsweise durch Einschalten des mindestens einen Peltierelements 20 mit einer zu der mindestens einen Batteriezelle 14 hin ausgerichteten Wärmestromrichtung. Nach einem vorbestimmten Zeitraum wird erneut der erste Verfahrensschritt 60 zur Bestimmung der Betriebstemperatur der Batteriezelle 14 bzw. des Batteriemoduls 10 vorgenommen und das erfindungsgemäße Verfahren somit neu gestartet. Liegt die im zweiten Verfahrensschritt 62 zugeordnete Betriebstemperatur in einem zweiten Temperaturbereich, der einerseits dem erwünschten Temperaturbereich für einen Betrieb der Batteriezellen 14 bzw. des Batteriemoduls 10 entspricht, und gleichzeitig auch einer möglichen Betriebstemperatur des mindestens einen Wärmerohres 22 entspricht, so wird in einem alternativen dritten Verfahrensschritt 66 eine Entwärmung der Batteriezellen 14 bzw. des Batteriemoduls 10 durch das mindestens eine Wärmerohr 22 vorgenommen und in diesem Zeitraum noch eingeschaltete Peltierelemente 20 ausgeschaltet.
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Nach einem vorgebbaren Zeitraum erfolgt auch hier die Rückkehr zum ersten Schritt 60 einer Temperaturerfassung der Batteriezelle 14 bzw. des Batteriemoduls 10 und somit ein Neustart des Verfahrens.
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Wird im zweiten Verfahrensschritt 62 die aktuell anliegende Betriebstemperatur der Batteriezellen 14 bzw. des Batteriemoduls 10 einem Temperaturbereich zugeordnet, der oberhalb eines Temperaturbereichs zum Betrieb des mindestens einen Wärmerohrs 22 liegt, so wird in einem weiteren alternativen dritten Verfahrensschritt 68 eine Entwärmung der Batteriezellen 14 bzw. des Batteriemoduls 10 unter Einschaltung des mindestens einen Peltierelements 20 bewirkt, wobei die Wäremstromrichtung durch eine Änderung der Polarität des elektrischen Stroms am Peltierelement 20 verglichen mit Verfahrensschritt 64 umgedreht wird. Auch hier erfolgt nach einem vorbestimmbaren Zeitraum eine erneute Überprüfung der Temperatur der Batteriezellen 14 bzw. des Batteriemoduls 10 in einem ersten Verfahrensschritt 60 und somit ein Neustart es erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das Batteriemodul 10 umfasst zur Realisierung des Verfahrens beispielsweise eine in 1 nicht darstellte Steuereinheit, die in Messsignal leitender Verbindung mit einem Temperaturelement an oder in den Batteriezellen 14 bzw. an oder in dem Batteriemodul 10 verbunden ist und gleichzeitig in ein Steuerungssignal leitender Verbindung mit dem mindestens einen Peltierelement 20 sowie gegebenenfalls in steuerungstechnischer Verbindung mit Fluidanschlüssen des Batteriemoduls 10, die in fluidleitender Verbindung mit der Kühlplatte 24 stehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2013157295 [0006]
- US 2016/0372806 [0006]
