DE102020109870A1 - Battery assembly and method of operating a battery assembly - Google Patents
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Abstract
Batterieanordnung (1), zumindest umfassend
• ein Gehäuse (2) und darin angeordnet
• zumindest ein erstes Modul (3) mit mindestens einer ersten Zelle (4) sowie ein zweites Modul (5) mit mindestens einer zweiten Zelle (6); wobei die Module (3, 5) so angeordnet sind, dass sie sich jeweils am Gehäuse (2) abstützen und eine von einem Energieinhalt jeder Zelle (4, 6) abhängige Volumenänderung (7, 8) in einer gemeinsamen ersten Richtung (9) erfolgt; wobei die Batterieanordnung (1) zusätzlich einen Kompensationssteller (10) aufweist, der einen Energieinhalt der Module (3, 5) so steuert, dass eine erste Volumenänderung (7) des ersten Moduls (3) durch eine zweite Volumenänderung (8) des zweiten Moduls (5) zumindest teilweise kompensierbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung (1).
Battery arrangement (1), at least comprising
• a housing (2) and arranged therein
• at least one first module (3) with at least one first cell (4) and one second module (5) with at least one second cell (6); wherein the modules (3, 5) are arranged so that they are each supported on the housing (2) and a change in volume (7, 8) depending on the energy content of each cell (4, 6) takes place in a common first direction (9) ; wherein the battery arrangement (1) additionally has a compensation plate (10) which controls an energy content of the modules (3, 5) so that a first change in volume (7) of the first module (3) is caused by a second change in volume (8) of the second module (5) is at least partially compensable.
Method for operating a battery arrangement (1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung. Die Batterieanordnung umfasst ein Gehäuse und darin angeordnet zumindest ein erstes Modul mit mindestens einer ersten Zelle sowie ein zweites Modul mit mindestens einer zweiten Zelle.The invention relates to a battery arrangement and a method for operating a battery arrangement. The battery arrangement comprises a housing and arranged therein at least one first module with at least one first cell and one second module with at least one second cell.
Eine Zelle ist 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 auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Zelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist.A cell is a power storage device that z. B. is used in a motor vehicle for storing electrical energy. In particular, z. B. a motor vehicle on an electrical machine for driving the motor vehicle, wherein the electrical machine can be driven by the electrical energy stored in the cell.
Es sind z. B. Zellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Festkörperakkumulator) bekannt.There are z. B. cells with liquid or solid electrolytes (solid-state accumulator) are known.
Ein Modul umfasst insbesondere eine oder eine Mehrzahl von Zellen, die miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind. Einzelne Module können miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden. Eine Batterie umfasst vorliegend zumindest ein erstes Modul und ein zweites Modul.In particular, a module comprises one or a plurality of cells which are electrically connected in series or in parallel with one another. Individual modules can be connected electrically in series or in parallel with one another. In the present case, a battery comprises at least a first module and a second module.
Die Zellen einer Batterie verändern während eines Belade- und Entladevorgangs und/oder infolge von Alterung über Lebensdauer ihr Volumen. Die Betriebscharakteristik von Lithium-Ionen-Pouchzellen hängt beispielsweise, aufgrund ihrer geringen mechanischen Stabilität, stark von den äußeren Bedingungen ab. Der äußere Druck auf die Zellen ist dabei ein entscheidender Faktor für Performance, Lebensdauer und Strukturstabilität einer Batterie bzw. eines Moduls einer Batterie.The cells of a battery change their volume during charging and discharging and / or as a result of aging over the service life. The operating characteristics of lithium-ion pouch cells depend, for example, on the external conditions, due to their low mechanical stability. The external pressure on the cells is a decisive factor for the performance, service life and structural stability of a battery or a module of a battery.
Eine technische Herausforderung gerade bei Feststoffbatterien, insbesondere bei Lithium-Ionen Akkumulatoren, besteht darin, die Volumenänderung der Anode zu berücksichtigen. Im entladenen Zustand der Zelle ist eine sehr geringe Menge Lithium auf der Anode und im geladenen Zustand eine sehr große Menge. Der Mengenunterschied kann bei bestimmten Anodenmaterialien bis zu ca. 30 % Volumenänderung zwischen geladenem und entladenem Zustand ausmachen.A technical challenge, especially with solid batteries, especially with lithium-ion accumulators, is to take into account the change in volume of the anode. When the cell is discharged, there is a very small amount of lithium on the anode, and when the cell is charged, there is a very large amount. With certain anode materials, the difference in volume can amount to up to approx. 30% change in volume between the charged and discharged state.
Eine zu jedem Zeitpunkt verspannte Anordnung der Zellen in einem Gehäuse ist bevorzugt, um z. B. eine mechanische Beschädigung der Zellen durch eine Relativbewegung gegenüber dem Gehäuse zu verhindern. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Vorspannung einen Grenzwert nicht überschreitet.A tensioned arrangement of the cells in a housing at any point in time is preferred in order to e.g. B. to prevent mechanical damage to the cells by a relative movement with respect to the housing. However, it must be ensured that the preload does not exceed a limit value.
Im Betrieb einer Batterie ist die Volumenänderung insbesondere auszugleichen bzw. zu kompensieren. Dafür ist der Einsatz von Druckmatten oder die Verspannung der Zellen in den Modulen einer Batterie über die Verschraubung von Endplatten der Module bekannt.In particular, when a battery is in operation, the change in volume is to be leveled out or compensated for. For this purpose, the use of pressure mats or the tensioning of the cells in the modules of a battery via the screw connection of the end plates of the modules is known.
Alle bisher bekannten Systeme müssen beim Entladen während des Betriebs eines Kraftfahrzeuges nachgestellt werden. Der apparative Aufwand zum Kompensieren der Volumenänderung kann sehr kostenintensiv und fehleranfällig sein. Insbesondere müssen gerade für große Volumenänderungen geeignete elastische Elemente oder z. B. hydraulische Apparaturen bereitgestellt werden.All previously known systems have to be readjusted when unloading while a motor vehicle is in operation. The outlay on equipment to compensate for the change in volume can be very costly and error-prone. In particular, suitable elastic elements or z. B. hydraulic equipment can be provided.
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batterieanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung vorgeschlagen werden, die eine Kompensation der Volumenänderung ermöglicht. Dabei sollen auch große Volumenänderungen sicher kompensierbar sein. Dabei sind Kosten und Montageaufwand möglichst gering zu halten.It is the object of the present invention to at least partially solve the problems cited with reference to the prior art. In particular, a battery arrangement and a method for operating a battery arrangement are to be proposed which enable the change in volume to be compensated. It should also be possible to reliably compensate for large changes in volume. Costs and assembly work are to be kept as low as possible.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batterieanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6 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.A battery arrangement with the features according to
Es wird eine Batterieanordnung vorgeschlagen, zumindest umfassend
- • ein Gehäuse und darin angeordnet
- • zumindest ein erstes Modul mit mindestens einer ersten Zelle sowie ein zweites Modul mit mindestens einer zweiten Zelle.
- • a housing and arranged therein
- • at least a first module with at least one first cell and a second module with at least one second cell.
Die Module sind so angeordnet, dass sie sich jeweils am Gehäuse abstützen und eine von einem Energieinhalt jeder Zelle abhängige Volumenänderung in einer gemeinsamen ersten Richtung erfolgt. Die Batterieanordnung weist zusätzlich einen Kompensationssteller auf, der einen Energieinhalt der Module so steuert, dass eine erste Volumenänderung des ersten Moduls durch eine zweite Volumenänderung des zweiten Moduls zumindest teilweise, insbesondere aber vollständig, kompensierbar ist.The modules are arranged in such a way that they are each supported on the housing and a change in volume, which is dependent on the energy content of each cell, takes place in a common first direction. The battery arrangement also has a compensation plate that controls the energy content of the modules in such a way that a first change in volume of the first module can be at least partially, but in particular completely, compensated for by a second change in volume of the second module.
Ein Modul umfasst insbesondere eine oder eine Mehrzahl von Zellen, die miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind. Einzelne Module können miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden. Eine Batterie umfasst vorliegend zumindest ein erstes Modul und ein zweites Modul.In particular, a module comprises one or a plurality of cells which are electrically connected in series or in parallel with one another. Individual modules can be connected electrically in series or in parallel with one another. In the present case, a battery comprises at least a first module and a second module.
Das Gehäuse umschließt zumindest das erste Modul und das zweite Modul und ist insbesondere fest, also nicht verformbar ausgeführt.The housing encloses at least the first module and the second module and is designed in particular to be solid, that is to say non-deformable.
Die Module stützen sich, ggf. über andere Module oder andere ggf. in dem Gehäuse beweglich angeordnete Bauteile an dem Gehäuse ab.The modules are supported on the housing, possibly via other modules or other components that may be movably arranged in the housing.
Jede Zelle weist in Abhängigkeit von einem in ihr gespeicherten Energieinhalt ein bestimmtes Volumen auf, das sich zwischen einem, bei einem geringen Energieinhalt bzw. geringem SOC (state-of-charge; also Ladezustand), geringen Volumen und einem, bei einem hohen Energieinhalt bzw. hohem SOC, großen Volumen verändert. Die Volumenänderung findet insbesondere im Wesentlichen im Bereich der mindestens einen Anode der Zellen statt. Die Anode, z. B. bestehend aus Graphit oder einem Metall, bzw. bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator aus metallischem Lithium, verändert ihr Volumen durch die Interkalation der Lithium-Ionen bzw. die Abscheidung von reinem metallischen Lithium.Depending on the energy content stored in it, each cell has a certain volume, which is between a low volume with a low energy content or low SOC (state-of-charge) and a low volume with a high energy content or high SOC, large volume changes. The change in volume takes place in particular essentially in the area of the at least one anode of the cells. The anode, e.g. B. consisting of graphite or a metal, or in the case of a lithium-ion battery made of metallic lithium, changes its volume through the intercalation of the lithium ions or the deposition of pure metallic lithium.
Die Anode ist insbesondere flächig ausgebildet und erstreckt sich mit der Fläche quer zur ersten Richtung und entlang der ersten Richtung über eine Dicke. Die Volumenänderung wirkt sich insbesondere im Wesentlichen in der ersten Richtung aus, d. h. das Maß der Dicke verändert sich in Abhängigkeit von dem Anodenmaterial. Dabei kann die Volumenänderung in Abhängigkeit von dem verwendeten Anodenmaterial zwischen 6 und 30 % betragen. In Bezug auf die Zelle bedeutet das, dass die Zellen eine Volumenänderung zwischen 5 und 27 % aufweisen kann.The anode is particularly flat and extends with the surface transversely to the first direction and along the first direction over a thickness. The change in volume has an effect in particular essentially in the first direction, i. H. the degree of the thickness changes depending on the anode material. The change in volume can be between 6 and 30% depending on the anode material used. In terms of the cell, this means that the cells can have a volume change between 5 and 27%.
Hier wird insbesondere vorgeschlagen, dass die mindestens eine erste Zelle als Energiespeicherzelle verwendet wird. Diese soll also Energie, z. B. zum Antrieb eines Traktionsantriebs eines Kraftfahrzeuges, bevorraten und an eine Umgebung der Batterieanordnung abgeben können.It is proposed here in particular that the at least one first cell is used as an energy storage cell. So this should be energy, e.g. B. to drive a traction drive of a motor vehicle, stockpile and can deliver to the environment of the battery arrangement.
Die mindestens eine zweite Zelle wird insbesondere als Steuerzelle verwendet, die im Wesentlichen zur Kompensation der Volumenänderung der Energiespeicherzelle eingesetzt wird.The at least one second cell is used in particular as a control cell which is used essentially to compensate for the change in volume of the energy storage cell.
Insbesondere wird eine Kombination von ersten Zellen, z. B. Li-Ionen Zellen, zur Energiespeicherung mit zweiten Zellen, z. B. Li-Ionen Zellen, zur Steuerung
der Verspannung und der Volumenänderung vorgeschlagen.In particular, a combination of first cells, e.g. B. Li-ion cells, for energy storage with second cells, z. B. Li-ion cells, for control
the tension and the change in volume proposed.
Insbesondere sind Energiezellen (erste Zellen) und zugehörige Steuerzellen (zweite Zellen) zusammen in einem Gehäuse untergebracht. Die Zellen sind so orientiert, dass sie sich jeweils am Gehäuse abstützen und ihre gegenläufige Volumenänderung entlang einer gemeinsamen Kraftrichtung realisieren, hier also entlang der ersten Richtung.In particular, energy cells (first cells) and associated control cells (second cells) are accommodated together in one housing. The cells are oriented in such a way that they are each supported on the housing and realize their opposite change in volume along a common direction of force, in this case along the first direction.
Wenn die Energiezellen voll geladen sind, sind die Steuerzellen insbesondere entladen. Beim dann folgenden Entladevorgang der Energiezellen wird ein Teil der Energie der Energiezellen zum Laden der Steuerzellen verwendet, so dass die Volumenänderung der Zellen gegenseitig kompensiert wird. Insbesondere sind dabei Energie- und Steuerzellen in Ihren Eigenschaften aufeinander abgestimmt.In particular, when the energy cells are fully charged, the control cells are discharged. During the subsequent discharge process of the energy cells, part of the energy of the energy cells is used to charge the control cells, so that the change in volume of the cells is mutually compensated. In particular, energy and control cells are matched to one another in terms of their properties.
Insbesondere werden mehrere Lagen von ersten Zellen mit weniger Lagen oder nur einer Lage von zweiten Zellen kombiniert, wobei in der einen Lage oder in den weniger Lagen der zweiten Zellen auch mehrere Steuerzellen nebeneinander, also quer zur ersten Richtung, angeordnet werden können. Das Verhältnis der Volumen- bzw. Dickenänderung x in Abhängigkeit des Energieinhalts bzw. des Ladezustands sollte dabei so ausgeführt sein, dass gilt: xE = n * xn ; mit
n = Anzahl der Lagen von Energiezellen;
xn = maximale Dickenänderung einer einzelnen Energiezelle;
xE = maximale Dickenänderung der Steuerzelle.In particular, several layers of first cells are combined with fewer layers or only one layer of second cells, with several control cells also being able to be arranged next to one another, that is to say transversely to the first direction, in one layer or in the fewer layers of the second cells. The ratio of the change in volume or thickness x as a function of the energy content or the state of charge should be designed in such a way that: x E = n * x n ; with
n = number of layers of energy cells;
x n = maximum change in thickness of a single energy cell;
x E = maximum change in thickness of the control cell.
Die Energie zum Laden der Steuerzellen wird durch den Kompensationssteller (insbesondere ein DC-DC-Wandler) bereitgestellt und in die Steuerzellen geladen.The energy for charging the control cells is provided by the compensation unit (in particular a DC-DC converter) and loaded into the control cells.
Beim Ladevorgang werden die Energiezellen durch Energiezufuhr aus der Umgebung der Batterieanordnung, z. B. von einem Ladegerät oder aus einer Rekuperation bei Bremsenergierückgewinnung oder Bergabfahrt durch den Antrieb geladen. Die Volumenänderung der Energiezellen wird dabei durch Entladen der Steuerzellen kompensiert, da dabei die Energie aus den Steuerzellen in die Energiezellen übertragen wird. Damit kann bei der Kompensation ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt werden.During the charging process, the energy cells are supplied with energy from the vicinity of the battery arrangement, e.g. B. charged by the drive from a charger or from recuperation during braking energy recovery or downhill travel. The change in volume of the energy cells is compensated for by discharging the control cells, since the energy is transferred from the control cells to the energy cells. A very high degree of efficiency can thus be achieved in the compensation.
In der Batterie sind insbesondere mehrere Module zusammengeschaltet, wobei sowohl die ersten Zellen als auch die zweiten Zellen jeweils im Verbund in Reihe geschaltet sein können. Erste Zellen und zweite Zellen können aber auch im Modul selbst jeweils in einer Parallelschaltung angeordnet sein.In particular, a plurality of modules are interconnected in the battery, it being possible for both the first cells and the second cells to be connected in series in each case. First cells and second cells can also be arranged in parallel in the module itself.
Sind mehrere Zellen entlang der ersten Richtung nebeneinander angeordnet und dabei in Reihe geschaltet und bilden so ein Modul, wird jede Zelle von einem gleich großen elektrischen Strom durchströmt. Werden weitere in Reihe geschaltete Zellen als weiteres Modul entlang der ersten Richtung neben dem anderen Modul angeordnet und diese Module miteinander parallel geschaltet, kann aus jedem Modul ein entsprechender Strom abgeführt werden. Damit kann pro Zeiteinheit eine stärkere Volumenänderung erfolgen, als wenn alle Zellen, die entlang der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind, miteinander in Reihe geschaltet wären.If several cells are arranged next to one another along the first direction and connected in series and thus form a module, an electric current of the same size flows through each cell. If further cells connected in series are arranged as a further module along the first direction next to the other module and these modules are connected in parallel with one another, a corresponding current can be discharged from each module. A greater change in volume can thus take place per unit of time than if all cells which are arranged next to one another along the first direction were connected in series with one another.
Sind mehrere zweite Zellen entlang einer sich quer zur ersten Richtung erstreckenden Richtung nebeneinander angeordnet, können diese zweiten Zellen insbesondere unabhängig voneinander über den Kompensationssteller betrieben werden, so das ggf. eine Inhomogenität in der Verspannung der Module gezielt ausgeglichen werden kann.If several second cells are arranged next to one another along a direction extending transversely to the first direction, these second cells can in particular be operated independently of one another via the compensation plate, so that any inhomogeneity in the bracing of the modules can be compensated for in a targeted manner.
Insbesondere werden während der Veränderung des Ladezustands der Steuerzellen und damit der Einstellung von Dicke und Vorspannung der Module in dem Gehäuse die Steuerzellen, also die zweiten Zellen, über den Kompensationssteller geladen oder entladen.In particular, during the change in the state of charge of the control cells and thus the setting of the thickness and bias of the modules in the housing, the control cells, that is to say the second cells, are charged or discharged via the compensation plate.
Hier wird also vorgeschlagen, eine Kompensation der Volumenänderung von ersten Zellen, die vorliegend als Energiezellen verwendet werden, durch den inversen Betrieb von zweiten Zellen, die als Steuerzellen betrieben werden, vorzunehmen. Damit kann eine Kompensation der Volumenänderung ohne mechanische Bauteile, wie z. B. Federn, elastisch oder plastisch verformbare Elemente, hydraulische Komponenten, etc., erfolgen. Vorliegend wird die Kompensation ausschließlich durch chemische Prozesse, also durch die reversible Anordnung und Entfernung der Ionen in oder aus dem Anodenmaterial, realisiert. Dabei kann die Kompensation der Volumenänderung mit einem hohem Wirkungsgrad erfolgen.It is therefore proposed here to compensate for the change in volume of first cells, which are used in the present case as energy cells, through the inverse operation of second cells, which are operated as control cells. This can compensate for the change in volume without mechanical components such. B. springs, elastically or plastically deformable elements, hydraulic components, etc., take place. In the present case, the compensation is realized exclusively through chemical processes, i.e. through the reversible arrangement and removal of the ions in or from the anode material. The volume change can be compensated with a high degree of efficiency.
Insbesondere erstreckt sich die mindestens eine erste Zelle quer zur ersten Richtung über eine erste Fläche und die mindestens eine zweite Zelle quer zur ersten Richtung über eine zweite Fläche. Die erste Fläche ist größer als die zweite Fläche, insbesondere um einen Faktor von mindestens 2, bevorzugt mindestens 4, besonders bevorzugt mindestens 10.In particular, the at least one first cell extends transversely to the first direction over a first area and the at least one second cell extends transversely to the first direction over a second area. The first area is larger than the second area, in particular by a factor of at least 2, preferably at least 4, particularly preferably at least 10.
Insbesondere weist die mindestens eine zweite Zelle eine größere Anzahl von Lagen des Anodenmaterials auf, so dass eine Veränderung des Energieinhalts der zweiten Zelle eine größere Volumenänderung der zweiten Zelle in der ersten Richtung, also insbesondere eine größere Dickenänderung, gegenüber der ersten Zelle aufweist. Die Anzahl der Lagen unterscheidet sich insbesondere um einen Faktor von mindestens 2, bevorzugt mindestens 4, besonders bevorzugt mindestens 10.In particular, the at least one second cell has a greater number of layers of the anode material, so that a change in the energy content of the second cell has a greater change in volume of the second cell in the first direction, i.e. in particular a greater change in thickness, compared to the first cell. The number of layers differs in particular by a factor of at least 2, preferably at least 4, particularly preferably at least 10.
Insbesondere ist ein maximaler erster Energieinhalt des ersten Moduls um mindestens einen Faktor 4, bevorzugt um mindestens einen Faktor 10, besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor 90, größer als ein maximaler zweiter Energieinhalt des zweiten Moduls. Damit ist ein Energieinhalt der Energiezellen wesentlich größer als der Energieinhalt der mit Ihnen kombinierten Steuerzellen.In particular, a maximum first energy content of the first module is at least a factor of 4, preferably at least a
Insbesondere ist zwischen dem zumindest einen ersten Modul und dem zumindest einen zweiten Modul eine gegenüber dem Gehäuse entlang der ersten Richtung verlagerbare Platte angeordnet, die eine durch das zumindest eine Modul infolge der jeweiligen Volumenänderung bzw. Dickenänderung erzeugte Kraft auf das zumindest eine andere Modul überträgt.In particular, between the at least one first module and the at least one second module there is arranged a plate which can be displaced along the first direction relative to the housing and which transmits a force generated by the at least one module as a result of the respective change in volume or thickness to the at least one other module.
Insbesondere ist die Platte quer zur ersten Richtung flächig ausgeführt und trennt das mindestens eine erste Modul von dem mindestens einen zweiten Modul. Insbesondere sind mehrere zweite Zellen auf der einen Seite der Platte nebeneinander angeordnet, so dass jede der nebeneinander angeordneten zweiten Zellen die Platte kontaktiert. Insbesondere sind die zweiten Zellen zumindest teilweise voneinander beabstandet angeordnet. Die Platte ist insbesondere so steif ausgelegt, dass eine nur punktuell an den einzelnen zweiten Zellen vorliegende Abstützung gegenüber dem mindestens einen ersten Modul eine gleichmäßige Verteilung der zwischen den Modulen übertragenden Kraft ermöglicht.In particular, the plate is designed to be flat transversely to the first direction and separates the at least one first module from the at least one second module. In particular, a plurality of second cells are arranged next to one another on one side of the plate, so that each of the second cells arranged next to one another makes contact with the plate. In particular, the second cells are arranged at least partially at a distance from one another. In particular, the plate is designed to be so stiff that a support present only at points on the individual second cells with respect to the at least one first module enables a uniform distribution of the force transmitted between the modules.
Insbesondere weisen die mindestens eine erste Zelle und die mindestens eine zweite Zelle voneinander unterschiedliche Anodenmaterialien auf, die in Abhängigkeit von einem Energieinhalt voneinander unterschiedliche Volumenänderungen bzw. Dickenänderungen aufweisen.In particular, the at least one first cell and the at least one second cell have mutually different anode materials which, depending on an energy content, have mutually different changes in volume or changes in thickness.
Insbesondere weist die mindestens eine zweite Zelle ein Anodenmaterial mit deutlich größerer Volumenänderung in Abhängigkeit von einem Energieinhalt bzw. einem Ladezustand auf. Damit kann eine geringe Energiemenge auf Seiten der mindestens einen zweiten Zelle eine große zweite Volumenänderung entlang der ersten Richtung hervorrufen. Damit kann eine durch die Beladung oder Entladung mit einer deutlichen größeren Energiemenge hervorgerufene erste Volumenänderung bzw. Dickenänderung auf Seiten der mindestens einen ersten Zelle kompensiert werden.In particular, the at least one second cell has an anode material with a significantly larger change in volume as a function of an energy content or a state of charge. In this way, a small amount of energy on the part of the at least one second cell can cause a large second change in volume along the first direction. A first change in volume or change in thickness on the part of the at least one first cell, which is caused by the loading or unloading with a significantly larger amount of energy, can thus be compensated for.
Insbesondere sind also die zweiten Zellen derart zu gestalten bzw. auszuführen, dass eine geringe Energiemenge eine möglichst große Volumenänderung entlang der ersten Richtung, also insbesondere eine möglichst große Dickenänderung, hervorruft. Damit muss, während des Entladens der mindestens einen ersten Zelle, nur eine geringe Energiemenge der mindestens einen ersten Zelle zum Beladen der mindestens einen zweiten Zelle über den Kompensationssteller übertragen werden. Die ersten Zellen sind grundsätzlich in erster Linie im Hinblick auf Ihre Eignung für den vorgesehen Verwendungszweck auszuwählen.In particular, the second cells are to be designed or implemented in such a way that a small amount of energy causes the greatest possible change in volume along the first direction, that is to say in particular the greatest possible change in thickness. Thus, while the at least one first cell is being discharged, only a small amount of energy has to be transferred to the at least one first cell for charging the at least one second cell via the compensation plate. The first cells should be selected primarily with a view to their suitability for the intended use.
Insbesondere sind die ersten Zellen so gestaltet bzw. ausgeführt, dass eine große Energiemenge eine möglichst geringe Volumenänderung bzw. Dickenänderung entlang der ersten Richtung hervorruft.In particular, the first cells are designed or implemented in such a way that a large amount of energy causes the smallest possible change in volume or change in thickness along the first direction.
Es wird weiter ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung vorgeschlagen, insbesondere zum Betreiben der beschriebenen Batterieanordnung. Die Batterieanordnung umfasst zumindest
- • ein Gehäuse und darin angeordnet
- • zumindest ein erstes Modul mit mindestens einer ersten Zelle sowie ein zweites Modul mit mindestens einer zweiten Zelle.
- • a housing and arranged therein
- • at least a first module with at least one first cell and a second module with at least one second cell.
Die Module sind so angeordnet, dass sie sich jeweils am Gehäuse abstützen und eine von einem Energieinhalt jeder Zelle abhängige Volumenänderung in einer gemeinsamen ersten Richtung erfolgt. Die Batterieanordnung weist zusätzlich einen Kompensationssteller auf. Das Verfahren umfasst zumindest den folgenden Schritt:
- a) Steuerung eines Energieinhalts bzw. Ladezustands der Module bzw. der Zellen durch den Kompensationssteller, so dass eine erste Volumenänderung des ersten Moduls durch eine zweite Volumenänderung des zweiten Moduls zumindest teilweise kompensierbar ist.
- a) Control of an energy content or state of charge of the modules or the cells by the compensation plate, so that a first change in volume of the first module can be at least partially compensated for by a second change in volume of the second module.
Insbesondere wird bei einem Entladen der mindestens einen erste Zelle und einem Abführen eines ersten Energieinhalts der mindestens einen ersten Zelle an eine Umgebung der Batterieanordnung, z. B. zum Antrieb eines Traktionsantriebs eines Kraftfahrzeuges, die mindestens eine zweite Zelle über den Kompensationssteller durch den ersten Energieinhalt aufgeladen.In particular, when the at least one first cell is discharged and a first energy content of the at least one first cell is discharged to the surroundings of the battery arrangement, e.g. B. to drive a traction drive of a motor vehicle, the at least one second cell charged by the first energy content via the compensation plate.
Insbesondere wird bei einem Beladen der mindestens einen ersten Zelle und einem Zuführen von Energie aus einer Umgebung der Batterieanordnung, z. B. von einem Ladegerät oder aus einer Rekuperation bei Bremsenergierückgewinnung oder Bergabfahrt durch den Antrieb, die mindestens eine erste Zelle über den Kompensationssteller zusätzlich durch einen zweiten Energieinhalt der mindestens einen zweiten Zelle aufgeladen.In particular, when charging the at least one first cell and supplying energy from an environment of the battery arrangement, e.g. B. from a charger or from recuperation during braking energy recovery or downhill travel by the drive, the at least one first cell is additionally charged by a second energy content of the at least one second cell via the compensation plate.
Insbesondere sind die Module unter einer Mindestvorspannung gegenüber der ersten Richtung in dem Gehäuse angeordnet, wobei diese Mindestvorspannung im Betrieb der Batterieanordnung zumindest aufrechterhalten wird.In particular, the modules are arranged in the housing with a minimum pre-tension in relation to the first direction, this minimum pre-tension being at least maintained during operation of the battery arrangement.
Insbesondere weisen für einen Zusammenbau der Batterieanordnung die Module einen minimalen Energieinhalt auf, wobei nach dem Zusammenbau der Batterieanordnung durch eine zumindest teilweise Beladung zumindest eines der Module eine Mindestvorspannung der Module gegenüber der ersten Richtung eingestellt wird. Insbesondere wird diese Mindestvorspannung im Betrieb der Batterieanordnung zumindest aufrechterhalten.In particular, the modules have a minimal energy content for an assembly of the battery arrangement, wherein after the assembly of the battery arrangement a minimum bias of the modules relative to the first direction is set by at least partial loading of at least one of the modules. In particular, this minimum bias is at least maintained during operation of the battery arrangement.
Die Vorspannung kann nach Montage der Zellen zu der Batterieanordnung durch Laden der mindestens einen zweiten Zelle eingestellt werden. Bei Montage der Batterieanordnung ist die mindestens eine zweite Zelle also relativ entladen, z. B. SOC = 0 %, wobei nach der Montage und insbesondere vor einer Inbetriebnahme der Batterieanordnung die zweite Zelle auf z. B. 10 % SOC aufgeladen wird. Mit der dabei auftretenden Volumenänderung bzw. Dickenänderung der mindestens einen zweiten Zelle wird die Vorspannung bzw. die Mindestvorspannung eingestellt.After the cells have been assembled to form the battery arrangement, the bias voltage can be adjusted by charging the at least one second cell. When assembling the battery arrangement, the at least one second cell is relatively discharged, e.g. B. SOC = 0%, with the second cell on z. B. 10% SOC is charged. With the change in volume or change in thickness of the at least one second cell that occurs in the process, the prestress or the minimum prestress is set.
Im Betrieb fällt der Ladezustand der mindestens einen zweiten Zelle insbesondere zu keinem Zeitpunkt unter diesen unteren Initial-Ladezustand (hier: 10 % SOC). Somit wird eine dauerhafte Mindestvorspannkraft realisiert.During operation, the state of charge of the at least one second cell in particular never falls below this lower initial state of charge (here: 10% SOC). A permanent minimum pre-tensioning force is thus achieved.
Insbesondere erfolgt die Steuerung des Energieinhalts der Module kontinuierlich, so dass ständig eine zwischen den Modulen wirkende Kraft eingestellt werden kann. Dabei wird insbesondere die Kraft auf die vorbestimmte Mindestvorspannung eingestellt. Diese kann für einen Entladevorgang und einen Ladevorgang der mindestens einen ersten Zelle unterschiedlich sein. Insbesondere ist die Mindestvorspannung für einen Ladevorgang geringer als für einen Entladevorgang, so dass eine Überschreitung der Mindestvorspannung sicher ausgeschlossen werden kann.In particular, the energy content of the modules is controlled continuously, so that a force acting between the modules can be set continuously. In particular, the force is set to the predetermined minimum bias. This can be different for a discharging process and a charging process of the at least one first cell. In particular, the minimum bias for a charging process is lower than for a discharging process, so that exceeding the minimum bias can be safely ruled out.
Insbesondere wird durch die Steuerung der Energieinhalte eine zwischen den Modulen wirkende Kraft im Betrieb der Batterieanordnung so eingestellt, dass diese um höchstens 20 % schwankt, also ausgehend von einem Höchstbetrag um höchstens 20 % des Höchstbetrags abfällt. Insbesondere wird eine Schwankung auf höchstens 10 %, bevorzugt auf höchstens 5 % begrenzt.In particular, by controlling the energy content, a force acting between the modules during operation of the battery arrangement is set in such a way that it fluctuates by a maximum of 20%, that is to say, starting from a maximum amount, drops by a maximum of 20% of the maximum amount. In particular, a fluctuation is limited to a maximum of 10%, preferably to a maximum of 5%.
Insbesondere kann die zwischen den Modulen wirkende Kraft durch Sensoren überwacht werden, z. B. durch Piezosensoren oder andere Drucksensoren. Diese aktuelle wirkende Kraft wird insbesondere bei der Steuerung des Energieinhalts berücksichtigt.In particular, the force acting between the modules can be monitored by sensors, e.g. B. by piezo sensors or other pressure sensors. This current effective force is taken into account in particular when controlling the energy content.
Insbesondere ist für jedes Modul ein eigener Kompensationssteller vorgesehen. Alternativ kann für jede der zweiten Zellen ein eigener Kompensationssteller vorgesehen sein.In particular, a separate compensation plate is provided for each module. Alternatively, a separate compensation plate can be provided for each of the second cells.
Die Batterieanordnung umfasst insbesondere ein Steuergerät, dass zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, also zur Steuerung des Energieinhalts der Module, ausgestattet, konfiguriert oder programmiert ist.The battery arrangement comprises, in particular, a control device that is equipped, configured or programmed to carry out the described method, that is to say to control the energy content of the modules.
Weiter kann das Verfahren auch von einem Computer bzw. mit einem Prozessor einer Steuereinheit ausgeführt werdenFurthermore, the method can also be carried out by a computer or with a processor of a control unit
Es wird demnach auch ein System zur Datenverarbeitung vorgeschlagen, das einen Prozessor umfasst, der so angepasst/konfiguriert ist, dass er das Verfahren durchführt.Accordingly, a system for data processing is also proposed which comprises a processor which is adapted / configured in such a way that it carries out the method.
Es kann ein computerlesbares Speichermedium vorgesehen sein, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer/Prozessor diesen veranlassen, das Verfahren auszuführen.A computer-readable storage medium can be provided which comprises instructions which, when executed by a computer / processor, cause the latter to carry out the method.
Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf die Batterieanordnung und/oder das computerimplementierte Verfahren (also den Computer bzw. den Prozessor, das System zur Datenverarbeitung, das computerlesbare Speichermedium) übertragbar und umgekehrt.The statements relating to the method can in particular be transferred to the battery arrangement and / or the computer-implemented method (that is to say the computer or the processor, the data processing system, the computer-readable storage medium) and vice versa.
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.The use of indefinite articles (“a”, “an”, “an” and “an”), especially in the patent claims and the description reproducing them, is to be understood as such and not as a numerical word. The terms or components introduced in this way are therefore to be understood in such a way that they are present at least once and, in particular, can also be present several times.
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.As a precaution, it should be noted that the numerals used here (“first”, “second”, ...) primarily (only) serve to distinguish between several similar objects, sizes or processes, so in particular no dependency and / or sequence of these objects, sizes or prescribe processes to each other. Should a dependency and / or sequence be required, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment. If a component can occur several times (“at least one”), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory.
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 Batterieanordnung in einer Draufsicht im Schnitt; -
2 : ein Diagramm; und -
3 : eine Schaltung einer Batterieanordnung.
-
1 : a battery arrangement in a plan view in section; -
2 : a diagram; and -
3 : a circuit of a battery arrangement.
Die
Ein Modul
Das Gehäuse
Jede Zelle
Die Anode bzw. das Anodenmaterial
Eine Kompensation der ersten Volumenänderung
Die ersten Zellen
Zwischen dem ersten Modul
Die Platte
Die zweiten Zellen
Wenn die ersten Zellen
mit
n = Anzahl der Lagen von ersten Zellen
xn = maximale Dickenänderung einer einzelnen ersten Zelle
xE = maximale Dickenänderung der zweiten Zelle
with
n = number of layers of first cells
x n = maximum change in thickness of a single first cell
x E = maximum change in thickness of the second cell
Hier sind die Verläufe der Volumenänderung
Die Batterieanordnung
Die Energie zum Laden der zweiten Zellen
Beim Ladevorgang werden die ersten Zellen
In der Batterieanordnung
Bei der Veränderung des ersten Ladezustands
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- BatterieanordnungBattery arrangement
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- erstes Modulfirst module
- 44th
- erste Zellefirst cell
- 55
- zweites Modulsecond module
- 66th
- zweite Zellesecond cell
- 77th
- erste Volumenänderungfirst change in volume
- 88th
- zweite Volumenänderungsecond change in volume
- 99
- erste Richtungfirst direction
- 1010
- KompensationsstellerCompensation plate
- 1111
- erste Flächefirst surface
- 1212th
- zweite Flächesecond face
- 1313th
- Platteplate
- 1414th
- Kraftforce
- 1515th
- AnodenmaterialAnode material
- 1616
- UmgebungSurroundings
- 1717th
- SteuergerätControl unit
- 1818th
- maximale erste Dickemaximum first thickness
- 1919th
- maximale zweite Dickemaximum second thickness
- 2020th
- Lage Dicke bei minimalen SOCLayer thickness with minimum SOC
- 2121
- erster Ladezustandfirst state of charge
- 2222nd
- zweiter Ladezustandsecond state of charge
- 2323
- KraftfahrzeugMotor vehicle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102018006424 A1 [0010]DE 102018006424 A1 [0010]
Claims (10)
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DE102020109870.7A DE102020109870A1 (en) | 2020-04-08 | 2020-04-08 | Battery assembly and method of operating a battery assembly |
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DE102019003902A1 (en) | 2019-06-03 | 2020-01-02 | Daimler Ag | Electrical energy storage device with an adjustment device for compensating for different volumes of battery cells, and method |
-
2020
- 2020-04-08 DE DE102020109870.7A patent/DE102020109870A1/en active Pending
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