DE102021114757A1

DE102021114757A1 - Elektrochemische vorrichtungen mit interner wirbelstromerwärmung

Info

Publication number: DE102021114757A1
Application number: DE102021114757.3A
Authority: DE
Inventors: Jingyuan Liu; Dewen Kong; Dave G. Rich; Haijing Liu; Lyall K. Winger; Mark W. Verbrugge
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2022-06-23
Also published as: US20220200077A1; US11837704B2; CN114665192A

Abstract

Eine elektrochemische Vorrichtung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst eine elektrochemische Zelle und eine Induktionsspule. Die elektrochemische Zelle umfasst einen Stromabnehmer. Der Stromabnehmer umfasst ein elektrisch leitendes Material. Die Induktionsspule ist dazu ausgestaltet, ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld ist dazu ausgestaltet, einen Wirbelstrom im Stromabnehmer zu induzieren, um Wärme im Stromabnehmer zu erzeugen. In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung auch ein Verfahren zum internen Erwärmen einer elektrochemischen Zelle bereit. In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung auch ein Verfahren zum Steuern des Erwärmens einer elektrochemischen Zelle bereit.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung bereit, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Die vorliegende Offenbarung betrifft elektrochemische Vorrichtungen, die interne Wirbelstromerwärmung verwenden, Verfahren zum Erwärmen elektrochemischer Vorrichtungen und Verfahren zum Steuern des Erwärmens elektrochemischer Vorrichtungen.
Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie z. B. Lithium-Ionen-Batterien, können in einer Vielzahl von Konsumgütern und Fahrzeugen, wie z. B. Batterie- oder Hybridelektrofahrzeugen, eingesetzt werden. Batteriebetriebene Fahrzeuge sind eine vielversprechende Transportmöglichkeit in Anbetracht der immer weiteren technischen Fortschritte in Bezug auf die Batterieleistung und - lebensdauer.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder all ihrer Merkmale.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Vorrichtung bereit, die eine elektrochemische Zelle und eine Induktionsspule umfasst. Die elektrochemische Zelle umfasst einen Stromabnehmer. Der Stromabnehmer weist ein elektrisch leitfähiges Material auf. Die Induktionsspule ist dazu ausgestaltet, ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld ist dazu ausgestaltet, einen Wirbelstrom im Stromabnehmer zu induzieren, um Wärme im Stromabnehmer zu erzeugen.
In einem Aspekt definiert die Induktionsspule einen Spuleninnenbereich. Die elektrochemische Zelle ist zumindest teilweise innerhalb des Spuleninnenbereichs angeordnet.
In einem Aspekt weist die Induktionsspule eine im Wesentlichen planare Spiralform auf.
In einem Aspekt ist der Stromabnehmer ein erster Stromabnehmer und die elektrochemische Zelle weist außerdem einen zweiten Stromabnehmer auf. Der zweite Stromabnehmer ist im Wesentlichen parallel zum ersten Stromabnehmer. Die Induktionsspule umfasst eine erste Induktionsspule, die dem ersten Stromabnehmer zugeordnet ist, und eine zweite Induktionsspule, die dem zweiten Stromabnehmer zugeordnet ist.
In einem Aspekt umfasst die Induktionsspule eine Vielzahl von Induktionsspulen. Jede Induktionsspule der Vielzahl von Induktionsspulen ist dazu ausgestaltet, individuell und unabhängig von den anderen Induktionsspulen der Vielzahl von Induktionsspulen Strom aufzunehmen. Jede Induktionsspule der Vielzahl von Induktionsspulen ist dazu ausgestaltet, in einem entsprechenden Bereich des Stromabnehmers Wirbelstrom zu induzieren.
In einem Aspekt sind die Induktionsspulen der Vielzahl von Induktionsspulen im Wesentlichen komplanar zueinander angeordnet.
In einem Aspekt umfasst die elektrochemische Vorrichtung außerdem einen isolierenden Beutel, der die elektrochemische Zelle zumindest teilweise umschließt.
In einem Aspekt befindet sich die Induktionsspule zumindest teilweise im Inneren des isolierenden Beutels.
In einem Aspekt umfasst die elektrochemische Zelle eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen. Der isolierende Beutel umfasst eine Vielzahl von isolierenden Beuteln. Die elektrochemischen Zellen sind zumindest teilweise in den jeweiligen isolierenden Beuteln eingeschlossen.
In einem Aspekt umfasst die Induktionsspule eine einzelne Induktionsspule.
In einem Aspekt umfasst die Induktionsspule eine Vielzahl von Induktionsspulen. Jede Induktionsspule der Vielzahl von Induktionsspulen ist dazu ausgestaltet, individuell und unabhängig von den anderen Induktionsspulen der Vielzahl von Induktionsspulen Strom aufzunehmen. Jede Induktionsspule der Vielzahl von Induktionsspulen ist dazu ausgestaltet, einen jeweiligen Bereich der elektrochemischen Vorrichtung zu erwärmen.
In einem Aspekt umfasst die elektrochemische Vorrichtung außerdem ein Gehäuse. Das Gehäuse definiert einen Innenbereich. Die elektrochemische Zelle und der isolierende Beutel sind zumindest teilweise innerhalb des Gehäuseinnenbereichs angeordnet. Die Induktionsspule befindet sich zwischen dem Gehäuse und dem isolierenden Beutel.
In einem Aspekt umfasst die elektrochemische Vorrichtung außerdem eine elektromagnetische Abschirmung, die dazu ausgestaltet ist, das Magnetfeld außerhalb der elektrochemischen Zelle zu reduzieren.
In einem Aspekt umfassen die elektrochemischen Vorrichtungen außerdem eine Heizeinrichtung. Die Heizeinrichtung umfasst ein ferromagnetisches Material. Das Magnetfeld ist dazu ausgestaltet, einen Wirbelstrom in der Heizeinrichtung zu induzieren, um die Heizeinrichtung zu erwärmen.
In einem Aspekt weist die Induktionsspule eine im Wesentlichen planare Spiralform auf. Die Induktionsspule und die Heizeinrichtung bilden zusammen eine integrierte Heizeinrichtung. Die integrierte Heizeinrichtung umfasst die Induktionsspule, eine Heizeinrichtung und einen Isolator. Die Heizeinrichtung ist im Wesentlichen parallel zur Induktionsspule. Der Isolator befindet sich zwischen der Induktionsspule und der Heizeinrichtung.
In einem Aspekt ist die elektrochemische Zelle eine elektrochemische Festkörperzelle. Der Stromabnehmer umfasst einen ersten Stromabnehmer und einen zweiten Stromabnehmer. Die elektrochemische Zelle umfasst außerdem eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen Festkörperelektrolyten. Die positive Elektrode steht in elektrischer Verbindung mit dem ersten Stromabnehmer. Die negative Elektrode steht in elektrischer Verbindung mit dem zweiten Stromabnehmer. Der Festkörperelektrolyt befindet sich zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode.
In einem Aspekt ist die elektrochemische Zelle elektrisch mit der Induktionsspule verbunden. Die elektrochemische Zelle ist dazu ausgestaltet, in der Induktionsspule einen Strom zu erzeugen. Die elektrochemische Vorrichtung ist frei von einer externen Stromquelle.
In einem Aspekt umfasst die elektrochemische Vorrichtung außerdem eine externe Stromquelle, die elektrisch mit der Induktionsspule verbunden ist. Die externe Stromquelle ist dazu ausgestaltet, einen Strom in der Induktionsspule zu erzeugen.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum internen Erwärmen einer elektrochemischen Zelle bereit. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer elektrochemischen Zelle mit einem Stromabnehmer und einer Induktionsspule. Der Stromabnehmer weist ein elektrisch leitfähiges Material auf. Das Verfahren umfasst ferner das Versorgen der Induktionsspule mit Wechselstrom, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld umfasst einen Wirbelstrom im Stromabnehmer, um Wärme im Stromabnehmer zu erzeugen.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Steuern des Erwärmens einer elektrochemischen Zelle bereit. Das Verfahren umfasst das Bestimmen, dass eine Temperatur einer elektrochemischen Vorrichtung außerhalb eines gewünschten Bereichs liegt. Die elektrochemische Vorrichtung umfasst eine elektrochemische Zelle und eine Induktionsspule. Die elektrochemische Zelle umfasst einen Stromabnehmer mit einem elektrisch leitenden Material. Die Temperatur ist eine Temperatur der elektrochemischen Zelle. Das Verfahren umfasst ferner das Versorgen der Induktionsspule mit Wechselstrom, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld induziert im Stromabnehmer einen Wirbelstrom, der im Stromabnehmer Wärme erzeugt.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der vorliegenden Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Baugruppe gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung, wobei die elektrochemische Baugruppe eine periphere Induktionsspule umfasst;
2 ist eine Schnittdarstellung einer elektrochemischen Zelle der elektrochemischen Baugruppe von 1;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren elektrochemischen Baugruppe gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung, wobei die elektrochemische Baugruppe planare Induktionsspulen umfasst;
4 ist ein Schaltplan für ein Einzelinduktorsystem gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine perspektivische aufgeschnittene Ansicht einer elektrochemischen Vorrichtung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung, wobei die elektrochemische Vorrichtung eine einzelne periphere Induktionsspule aufweist;
6 ist ein Schaltplan für ein Mehrinduktorensystem gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
7 ist eine perspektivische aufgeschnittene Ansicht einer elektrochemischen Vorrichtung mit mehreren Induktoren gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
8 ist eine perspektivische aufgeschnittene Ansicht einer weiteren elektrochemischen Vorrichtung mit mehreren Induktoren gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
9 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Baugruppe mit regionalem Induktor gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
10 ist ein Schaltplan eines Systems, das eine Vielzahl der elektrochemischen Baugruppen von 9 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst;
11 ist eine perspektivische aufgeschnittene Ansicht einer elektrochemischen Vorrichtung von 10;
12 ist eine perspektivische aufgeschnittene Ansicht einer elektrochemischen Vorrichtung mit einer äußeren Induktionsspule gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
13 ist eine schematische Teilansicht einer elektrochemischen Vorrichtung mit elektromagnetischer Abschirmung und einer peripheren Induktionsspule gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
14 ist eine Schnittansicht einer elektrochemischen Baugruppe mit elektromagnetischer Abschirmung und planaren Induktionsspulen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
15 ist eine Schnittdarstellung einer elektrochemischen Baugruppe mit einer Sekundärheizeinrichtung und planaren Induktionsspulen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
16 ist eine Schnittansicht einer weiteren elektrochemischen Zelle mit integrierten Heizeinrichtungen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
17 ist eine Schnittansicht einer integrierten Heizeinrichtung von 16;
18 ist eine schematische Teilansicht einer elektrochemischen Festkörpervorrichtung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
19 ist ein Schaltplan eines Systems mit einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei das System frei von einer externen Stromquelle ist;
20 ist ein Schaltplan für ein System mit einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei das System eine Vielzahl von sekundären elektrochemischen Zellen und eine zusätzliche externe Stromquelle umfasst; und
21 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern des Erwärmens einer elektrochemischen Vorrichtung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt.

Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen einander entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Für eine gründliche Darstellung und vollständige Vermittlung des Umfangs an den Fachmann werden beispielhafte Ausführungsformen bereitgestellt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie z. B. Beispiele für bestimmte Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Es wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass bestimmte Details nicht verwendet werden müssen, dass Ausführungsbeispiele in vielen verschiedenen Formen verkörpert sein können und dass nichts davon als den Umfang der Offenbarung einschränkend auszulegen ist. In einigen Ausführungsbeispielen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Techniken nicht im Detail beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur zur Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Die hier verwendeten Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ schließen auch die Pluralformen ein, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und „aufweisend“ sind inklusiv und geben daher das Vorhandensein der angeführten Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/- oder Gruppen davon aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der verwendet wird, um verschiedene hier dargelegte Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ so verstanden werden, dass er stattdessen ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff wie z. B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“ ist. Daher schließt die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte beschreibt, auch ausdrücklich Ausführungsformen ein, die aus solchen beschriebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Fall von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte aus, während im Fall von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, während alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften nicht wesentlich beeinflussen, in der Ausführungsform enthalten sein können.
Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Operationen sind nicht so auszulegen, dass sie unbedingt in der erörterten oder dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Ausführungsreihenfolge gekennzeichnet. Es versteht sich auch, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie direkt an der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht liegen, damit in Eingriff stehen, verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn hingegen ein Element als „unmittelbar an“, „unmittelbar in Eingriff mit“, „unmittelbar verbunden mit“ oder „unmittelbar gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorliegen. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in gleicher Weise interpretiert werden (z. B. „zwischen“ im Gegensatz zu „unmittelbar zwischen“, „angrenzend“ im Gegensatz zu „unmittelbar angrenzend“ usw.). Im hierin verwendeten Sinne schließt der Begriff „und/oder“ jede beliebige Kombination von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Punkte ein.
Obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren keine Reihenfolge, es sei denn, dies geht eindeutig aus dem Kontext hervor. So kann ein erster Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, der/das/die im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiter Bereich, zweite Schicht oder zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der Ausführungsbeispiele abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „über“ „oberhalb“ und dergleichen können hier zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können neben der in den Figuren dargestellten Ausrichtung auch andere Ausrichtungen der Vorrichtung oder des Systems im Einsatz oder Betrieb einschließen.
In der gesamten Offenbarung stellen die numerischen Werte Näherungswerte oder Bereichsgrenzen dar, die sowohl geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert als auch solche mit genau dem genannten Wert einschließen. Außer in den Beispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle numerischen Werte von Parametern (z. B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Beschreibung einschließlich der beigefügten Ansprüche so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „etwa“ modifiziert werden, unabhängig davon, ob „etwa“ tatsächlich vor dem numerischen Wert erscheint oder nicht. „Etwa“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit des Wertes; ungefähr oder einigermaßen nahe am Wert; fast). Sofern die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ angegeben ist, im Stand der Technik in dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anders verstanden wird, so gibt „etwa“, wenn es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen an, die sich bei gewöhnlichen Verfahren der Messung und Verwendung dieser Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Abweichung von weniger als oder gleich 5 %, wahlweise weniger als oder gleich 4 %, wahlweise weniger als oder gleich 3 %, wahlweise weniger als oder gleich 2 %, wahlweise weniger als oder gleich 1 %, wahlweise weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten wahlweise weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der für die Bereiche angegebenen Endpunkte und Unterbereiche.
In dieser Anmeldung einschließlich der nachfolgenden Definitionen kann der Begriff „Modul“ oder der Begriff „Steuereinrichtung“ durch den Begriff „Schaltung“ ersetzt werden Der Begriff „Modul“ kann sich auf Folgendes beziehen, Teil davon sein oder Folgendes umfassen: einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC); einen digitalen, analogen oder gemischt analog/digitalen diskreten Schaltkreis; einen digitalen, analogen oder gemischt analog/digitalen integrierten Schaltkreis; einen kombinatorischen Logikschaltkreis; ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA); einen Prozessorschaltkreis (gemeinsam, dediziert oder Gruppe), der Code ausführt; einen Speicherschaltkreis (gemeinsam, dediziert oder Gruppe), der von dem Prozessorschaltkreis ausgeführten Code speichert; andere geeignete Hardwarekomponenten, die die beschriebenen Funktionen bereitstellen; oder eine Kombination von einigen oder allen der oben genannten, z. B. in einem System-on-Chip.
Das Modul kann eine oder mehrere Schnittstellenschaltungen enthalten. In einigen Beispielen können die Schnittstellenschaltungen verdrahtete oder drahtlose Schnittstellen enthalten, die mit einem lokalen Netzwerk (LAN), dem Internet, einem Weitverkehrsnetz (WAN) oder Kombinationen davon verbunden sind. Die Funktionen eines beliebigen Moduls der vorliegenden Offenbarung können auf mehrere Module verteilt sein, die über Schnittstellenschaltungen verbunden sind. Zum Beispiel können mehrere Module einen Lastausgleich ermöglichen. In einem weiteren Beispiel kann ein Server-Modul (auch als Remote- oder Cloud-Modul bezeichnet) einige Funktionen im Auftrag eines Client-Moduls ausführen.
Der Begriff Code im oben verwendeten Sinne kann Software, Firmware und/oder Mikrocode umfassen und sich auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen, Datenstrukturen und/oder Objekte beziehen. Der Begriff „gemeinsame Prozessorschaltung“ schließt eine einzelne Prozessorschaltung ein, die einen Teil oder den gesamten Code von mehreren Modulen ausführt. Der Begriff Gruppenprozessorschaltung schließt eine Prozessorschaltung ein, die in Kombination mit weiteren Prozessorschaltungen einen Teil oder den gesamten Code von einem oder mehreren Modulen ausführt. Verweise auf mehrere Prozessorschaltungen schließen mehrere Prozessorschaltungen auf diskreten Chips, mehrere Prozessorschaltungen auf einem einzigen Chip, mehrere Kerne einer einzigen Prozessorschaltung, mehrere Stränge einer einzigen Prozessorschaltung oder eine Kombination der oben genannten ein. Der Begriff gemeinsame Speicherschaltung schließt eine einzelne Speicherschaltung ein, die einen Teil oder den gesamten Code von mehreren Modulen speichert. Der Begriff Gruppenspeicherschaltung schließt eine Speicherschaltung ein, die in Kombination mit weiteren Speichern einen Teil oder den gesamten Code von einem oder mehreren Modulen speichert.
Der Begriff Speicherschaltung ist eine Untermenge des Begriffs computerlesbares Medium. Der Begriff computerlesbares Medium im hier verwendeten Sinne schließt keine transitorischen elektrischen oder elektromagnetischen Signale ein, die sich durch ein Medium (z. B. auf einer Trägerwelle) ausbreiten; der Begriff computerlesbares Medium kann daher als greifbar und nicht transitorisch betrachtet werden. Nicht einschränkende Beispiele für ein nicht transitorisches, greifbares, computerlesbares Medium sind nichtflüchtige Speicherschaltungen (z. B. eine Flash-Speicherschaltung, eine löschbare, programmierbare Festwertspeicherschaltung oder eine Maskenfestwertspeicherschaltung), flüchtige Speicherschaltungen (z. B. eine statische Direktzugriffsspeicherschaltung oder eine dynamische Direktzugriffsspeicherschaltung), magnetische Speichermedien (z. B. ein analoges oder digitales Magnetband oder ein Festplattenlaufwerk) und optische Speichermedien (z. B. eine CD, eine DVD oder eine Blu-ray Disc).
Die in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig durch einen Spezialcomputer implementiert werden, der durch Konfiguration eines Universalcomputers zur Ausführung einer oder mehrerer bestimmter, in Computerprogrammen verkörperter Funktionen geschaffen wird. Die oben beschriebenen Funktionsblöcke, Flussdiagrammkomponenten und anderen Elemente dienen als Softwarespezifikationen, die durch die Routinearbeit eines erfahrenen Technikers oder Programmierers in die Computerprogramme übersetzt werden können.
Die Computerprogramme umfassen prozessorausführbare Befehle, die auf mindestens einem nicht transitorischen, greifbaren computerlesbaren Medium gespeichert sind. Die Computerprogramme können auch gespeicherte Daten umfassen oder auf diese zurückgreifen. Die Computerprogramme können ein Basis-Eingabe/Ausgabe-System (BIOS), das mit der Hardware des Spezialcomputers interagiert, Gerätetreiber, die mit bestimmten Geräten des Spezialcomputers interagieren, ein oder mehrere Betriebssysteme, Benutzeranwendungen, Hintergrunddienste, Hintergrundanwendungen usw. einschließen.
Die Computerprogramme können umfassen: (i) beschreibenden Text, der geparst werden soll, z. B. HTML (Hypertext Markup Language), XML (Extensible Markup Language) oder JSON (JavaScript Object Notation), (ii) Assembler-Code, (iii) Objektcode, der von einem Compiler aus dem Quellcode erzeugt wird, (iv) Quellcode zur Ausführung durch einen Interpreter, (v) Quellcode zur Kompilierung und Ausführung durch einen Just-in-Time-Compiler usw. Nur zum Beispiel kann Quellcode mit der Syntax von Sprachen wie C, C++, C#, Objective-C, Swift, Haskell, Go, SQL, R, Lisp, Java®, Fortran, Perl, Pascal, Curl, OCaml, Javascript®, HTML5 (Hypertext Markup Language 5. Fassung), Ada, ASP (Active Server Pages), PHP (PHP: Hypertext Preprocessor), Scala, Eiffel, Smalltalk, Erlang, Ruby, Flash®, Visual Basic®, Lua, MATLAB, SIMULINK und Python® geschrieben werden.
Ausführungsbeispiele werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Technik bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer oder mehreren elektrochemischen Zellen, wie z. B. wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien, die in Fahrzeuganwendungen eingesetzt werden können. Die vorliegende Technik kann jedoch auch zusammen mit anderen elektrochemischen Vorrichtungen verwendet werden, die Lithium-Ionen zirkulieren lassen.
Die Leistung einer elektrochemischen Zelle kann temperaturabhängig sein. Niedrigere Temperaturen können z. B. eine geringere Leistungsdichte, Kapazitätsverluste beim Entladen und/oder Dendritenbildung beim Laden verursachen. Einige Anwendungen, wie z. B. Fahrzeuganwendungen, setzen elektrochemische Zellen jedoch einer großen Bandbreite von Umgebungstemperaturen aus, einschließlich extremer Klimabedingungen, wie z. B. extrem niedrigen Temperaturen. Daher kann es unter bestimmten Aspekten vorteilhaft sein, elektrochemische Zellen mit Wärmemanagement zu versehen.
Ein Verfahren des Wärmemanagements umfasst das Anbringen einer Heizfolie an der Außenseite einer Pouch („Beutel“) -Zelle. Die Heizfolie kann an eine einzige Seite der Pouch-Zelle gekoppelt sein, wodurch die andere Seite der Pouch-Zelle anfällig für Wärmeverluste ist und eine ungleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb der Beutelzelle entsteht. Da die Heizfolie außerhalb der Pouch-Zelle angeordnet ist, geht außerdem ein erheblicher Teil der von der Heizfolie erzeugten Wärme an die Umgebung verloren, insbesondere durch eine Außenseite der Heizfolie. Da die Beutel oft aus Isoliermaterial bestehen, ist die Wärmeübertragung von der Heizfolie in das Innere der Beutelzelle langsam, da die Wärmeleitung durch den isolierenden Beutel erfolgen muss.
Ein anderes Verfahren des Wärmemanagements umfasst das Umhüllen einer Pouch-Zelle mit einem Rohr für die Zirkulation von Heizflüssigkeit. Das Heizmittelrohr ist an der Außenseite der Pouch-Zelle angeordnet. Dementsprechend hat dieses Verfahren die gleichen Nachteile der Wärmeverluste an die Umgebung und eine langsame Wärmeübertragung von der Heizflüssigkeit in das Innere der Pouch-Zelle. Außerdem erfordert dieses Verfahren einen erhöhten Energieverbrauch, um die Heizflüssigkeit durch die Rohre zu pumpen, was zu einer geringeren Energiedichte führt. Schließlich kann ein Flüssigkeitsheizsystem in Bezug auf den Platz ineffizient sein, insbesondere wenn eine elektrochemische Vorrichtung mehrere elektrochemische Zellen mit dazwischen angeordneten Heizflüssigkeitsrohren umfasst.
Elektrochemische Vorrichtungen mit interner Wirbelstromerwärmung
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Vorrichtung mit einem internen Wirbelstromheizsystem bereit. Die elektrochemische Vorrichtung umfasst eine elektrochemische Zelle und eine Induktionsspule. Die Induktionsspule nimmt Wechselstrom von der elektrochemischen Zelle oder einer anderen Stromquelle auf, um ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, das in leitfähigen Komponenten der elektrochemischen Zelle, wie den Stromabnehmern und/oder Elektroden, einen Wirbelstrom induziert. Der Wirbelstrom erzeugt Wärme in den leitfähigen Bauteilen. Die Wärmeerzeugung erfolgt daher in situ in Bezug auf die elektrochemische Zelle.
Die interne Erwärmung bietet mehrere Vorteile. Erstens kann die In-situ-Wärmeerzeugung einen höheren Wirkungsgrad haben als andere Heizverfahren, weil sie den Energieverlust an die Umgebung reduziert oder verhindert, sodass ein wesentlicher Teil der Energie in der elektrochemischen Zelle verbleibt, um die Zelle zu erwärmen. Zweitens kann die elektrochemische Zelle schnell erwärmt werden, da sie nicht durch einen isolierenden Beutel diffundieren muss. Zusätzlich kann der Betrieb der Induktionsspule gesteuert werden, um eine Abkühlung der elektrochemischen Zelle zu verhindern. Drittens erleichtert der isolierende Beutel das Zurückhalten der Wärme innerhalb der elektrochemischen Zelle, indem er die Konvektion an die Umgebung verlangsamt. Dementsprechend ist die Leistung der elektrochemischen Zelle (z. B. die Energiedichte) weniger von der Umgebungstemperatur abhängig als bei einer Vorrichtung mit einer externen Heizeinrichtung.
Die Induktionsspule kann positioniert und/oder gesteuert werden, um zusätzliche Vorteile bereitzustellen. Die Induktionsspule kann beispielsweise so angeordnet werden, dass im Wesentlichen das gesamte Magnetfeld zur Erzeugung von Wirbelstrom innerhalb der Zelle genutzt werden kann, da magnetische Induktionslinien im Allgemeinen im Inneren einer Spule konzentriert sind. In bestimmten Aspekten kann mehr als oder gleich oder etwa 90 % des Magnetfeldes Wirbelstrom in der elektrochemischen Zelle induzieren. Zusätzlich kann die Vorrichtung eine Vielzahl von Induktionsspulen enthalten, die unabhängig voneinander steuerbar sind, um Wärme in verschiedenen Bereichen der Vorrichtung zu erzeugen, beispielsweise um die Wärme über eine Zelle oder einen Stapel hinweg auszugleichen. Schließlich ist die Wärmeerzeugung durch die Steuerung der Leistung der Induktionsspule abstimmbar. Die Leistung der Induktionsspule wird durch Änderung der Frequenz des Wechselstroms und/oder der Anzahl der Wicklungen der Induktionsspule gesteuert.
Bezugnehmend auf 1 wird eine elektrochemische Baugruppe 10 (die „Baugruppe“) gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Baugruppe 10 umfasst eine elektrochemische Zelle 12 und eine Induktionsspule 14. Die elektrochemische Zelle 12 kann zumindest teilweise innerhalb eines elektrisch isolierenden Beutels 16 angeordnet sein. In bestimmten Aspekten umfasst der Beutel 16 ein Material, das elektrisch isolierend und wärmeleitend ist. In einem Beispiel umfasst der Beutel 16 ein Polymer, wie etwa Nylon. Der Beutel 16 kann die Wärme in der elektrochemischen Zelle 12 wesentlich zurückhalten und reduziert den Wärmeverlust an die Umgebung. Die elektrochemische Zelle 12 umfasst ein Paar leitende Laschen 18, die sich durch den Beutel 16 erstrecken, um elektrische Anschlüsse (nicht dargestellt) aufzunehmen.
Die Baugruppe 10 ist dazu ausgestaltet, die elektrochemische Zelle 12 über Wirbelstrom intern zu erwärmen. Insbesondere nimmt die Induktionsspule 14 Wechselstrom 20 von einem Wechselrichter in Verbindung mit der elektrochemischen Zelle 12 (siehe z. B. 19), anderen elektrochemischen Zellen, einer externen Stromquelle oder einer Kombination davon auf (siehe z. B. 20). Der Wechselstrom 20 erzeugt ein magnetisches Wechselfeld 22. Das magnetische Wechselfeld 22 induziert Wirbelströme 24 in leitfähigen Komponenten in der elektrochemischen Zelle 12 (z. B. Stromabnehmer 36, 38 und/oder Elektroden 30, 32, die im Folgenden beschrieben werden). Die leitfähigen Komponenten wirken als Widerstände, um die Wärme in situ innerhalb der elektrochemischen Zelle 12 abzuführen.
Bezugnehmend auf 2 umfasst die elektrochemische Zelle 12 im Allgemeinen eine erste Elektrode 30, wie etwa eine positive Elektrode oder Kathode, eine zweite Elektrode 32, wie etwa eine negative Elektrode oder eine Anode, und einen Festkörperelektrolyten. In bestimmten Aspekten kann die elektrochemische Zelle 12 einen Flüssigkeits- und/oder Gelelektrolyten und einen Separator anstelle des Festkörperelektrolyten 34 (nicht dargestellt) umfassen. Die elektrochemische Zelle 12 umfasst ferner einen ersten oder positiven Elektrodenstromabnehmer 36 und einen zweiten oder negativen Elektrodenstromabnehmer 38, die jeweils mit einer der Laschen 18 elektrisch verbunden sind (1).
Die elektrochemische Zelle 12 kann eine elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle sein, die durch reversiblen Durchgang von Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode 32 und der positiven Elektrode 30 arbeitet. Der Festkörperelektrolyt 34 ist zwischen der negativen und positiven Elektrode 32, 30 angeordnet. Der Festkörperelektrolyt 34 ist zum Leiten von Lithium-Ionen geeignet. Lithium-Ionen bewegen sich beim Laden der elektrochemischen Zelle 12 von der positiven Elektrode 30 zur negativen Elektrode 32 und beim Entladen der elektrochemischen Zelle 12 in die entgegengesetzte Richtung.
Eine oder mehrere elektrochemische Zellen 12 können in einen Lithium-Ionen-Akkupack eingebaut sein. Die elektrochemischen Zellen 12 können elektrisch zu einem Stapel verbunden sein, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Die einzelnen negativen und positiven Elektroden 32, 30 innerhalb des Stapels können durch eine externe Schaltung über die Laschen 18 verbunden sein, damit der von den Elektronen erzeugte Strom zwischen der negativen und der positiven Elektrode 32, 30 fließen kann, um den Transport von Lithium-Ionen zu kompensieren.
Die Stromabnehmer 36, 38 sind leitend. Zum Beispiel kann der positive Elektrodenstromabnehmer 36 Aluminium und der negative Elektrodenstromabnehmer 38 Kupfer umfassen. Daher kann das magnetische Wechselfeld 22 den Wirbelstrom 24 (1) in einem oder beiden der Stromabnehmer 36, 38 und/oder den Elektroden 30, 32 induzieren, wenn der Wechselstrom 20 durch die Induktionsspule 14 fließt. Die Stromabnehmer 36, 38 können in Form von Platten vorliegen, sodass sie jeweils zwei Hauptabmessungen (z. B. eine Höhe und eine Breite) aufweisen, die wesentlich größer sind als eine Nebenabmessung (z. B. eine Dicke). Dementsprechend definieren der positive und der negative Elektrodenstromabnehmer 36, 38 jeweils eine erste und zweite Ebene 40, 42, die durch die Hauptabmessungen definiert sind. Während der Erwärmung definiert das magnetische Wechselfeld 22 (1) eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu den Ebenen 40, 42, während sich der Wirbelstrom 24 innerhalb der Ebenen 40, 42 befindet.
Induktionsspulen
Eine Induktionsspule gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist dazu ausgestaltet, ein Magnetfeld zu erzeugen, um Strom innerhalb einer elektrochemischen Zelle zu induzieren. In bestimmten Aspekten ist die Induktionsspule dazu ausgestaltet, Wechselstrom mit einer Frequenz von etwa 10 Hz-200 kHz zu leiten (z. B. 10-50 Hz, 50-100 Hz, 100-250 Hz, 250-500 Hz, 500 Hz-1 kH, 1-40 kHz, 1-5 kHz, 5-10 kHz, 10-20 kHz, 20-50 kHz, 50-100 kHz, 100-150 kHz oder 150-200 kHz). In einem Beispiel beträgt die Frequenz etwa 1-40 kHz. Die Induktionsspule ist aus einem leitfähigen Material wie etwa Kupfer gebildet. Die Induktionsspule umfasst eine Vielzahl von Wicklungen oder Windungen. Die Anzahl der Wicklungen kann auf der Grundlage der benötigten Leistung bestimmt werden, die mit der Größe und/oder den Eigenschaften der elektrochemischen Zellen 12 in Zusammenhang stehen kann. Die Heizleistung der Induktionsspule ist durch Änderung der Wechselstromfrequenz und/oder der Anzahl der Wicklungen abstimmbar. Zum Beispiel kann die Heizleistung durch Erhöhung der Wechselstromfrequenz oder der Anzahl der Wicklungen erhöht werden.
Induktionsspulen können eine Vielzahl von Formen, Größen und Anordnungen in einer elektrochemischen Vorrichtung haben. In bestimmten Aspekten umfasst eine elektrochemische Vorrichtung eine oder mehrere periphere Induktionsspulen, eine oder mehrere planare Induktionsspulen oder eine Kombination davon, wie unten beschrieben. Eine Art der Induktionsspule kann zum Teil aufgrund von Platzmangel gewählt werden. Genauer gesagt können periphere Induktionsspulen es ermöglichen, dass die elektrochemischen Zellen innerhalb eines Stapels näher beieinander liegen, während planare Induktionsspulen mehr Raum um den Umfang der Vorrichtung herum offen lassen können.
Periphere Induktionsspulen
Zurückkehrend zu 1 ist die Induktionsspule 14 eine periphere Induktionsspule. Die Induktionsspule 14 definiert einen Innenbereich 50. Die elektrochemische Zelle 12 ist zumindest teilweise innerhalb des Innenbereichs 50 angeordnet. Die Induktionsspule 14 erstreckt sich über eine Länge 52 und umfasst eine Vielzahl von Wicklungen 54. Jede Wicklung 54 bildet eine im Wesentlichen rechteckige Form um einen Umfang der elektrochemischen Zelle 12. In verschiedenen anderen Aspekten können die Wicklungen jedoch auch andere Formen definieren, beispielsweise im Wesentlichen kreisförmig, sodass eine Induktionsspule eine Helix bildet. In bestimmten Aspekten kann die Induktionsspule 14 dazu ausgestaltet sein, in den äußeren Bereichen der Stromabnehmer 36, 38 (d. h. näher an der Induktionsspule 14) einen höheren Strom und eine entsprechend höhere Wärme zu induzieren und in den zentralen Bereichen der Stromabnehmer 36, 38 (d. h. weiter von der Induktionsspule 14 entfernt) einen niedrigeren Strom und eine entsprechend geringere Wärme zu induzieren.
Planare Induktionsspulen
Bezugnehmend auf 3 wird eine weitere elektrochemische Baugruppe 60 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Baugruppe 60 umfasst im Allgemeinen eine elektrochemische Zelle 62, Induktionsspulen 64, einen isolierenden Beutel 66 und ein Paar Laschen 68. Die elektrochemische Zelle 62, der isolierende Beutel 66 und die Laschen 68 sind gleichartig wie die elektrochemische Zelle 12, der isolierende Beutel 16 und die Laschen 18 von 1.
Jede Induktionsspule 64 definiert eine Spirale, die im Wesentlichen in einer Ebene liegt. Das heißt, jede Induktionsspule 64 weist eine Höhe und eine Breite auf, die wesentlich größer sind als eine Dicke oder Länge. Jede Induktionsspule 64 umfasst eine Vielzahl von Wicklungen 70. Die Wicklungen 70 sind im Wesentlichen rechteckig. In verschiedenen anderen Aspekten können die Wicklungen jedoch auch andere Formen definieren, wie etwa im Wesentlichen kreisförmig.
Die Induktionsspulen 64 liegen im Wesentlichen parallel zu den jeweiligen Stromabnehmern innerhalb der elektrochemischen Zelle 62. Jede Induktionsspule 64 ist dazu ausgestaltet, ein Magnetfeld in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Ebene und einen Wirbelstrom im Wesentlichen parallel zu ihrer Ebene (z. B. in einem jeweiligen Stromabnehmer der elektrochemischen Vorrichtung 62) zu erzeugen. In bestimmten Aspekten kann die Induktionsspule 64 im Vergleich zu einer peripheren Induktionsspule (z. B. der Induktionsspule 14 von 1) dazu ausgestaltet sein, in zentralen Bereichen der Stromabnehmer einen höheren Strom und eine entsprechend höhere Wärme zu induzieren und in peripheren Bereichen der Stromabnehmer einen niedrigeren Strom und eine entsprechend geringere Wärme zu induzieren.
Die Baugruppe 60 umfasst zwei Induktionsspulen 64, wobei jede Induktionsspule 64 benachbart zu einem jeweiligen Stromabnehmer der elektrochemischen Zelle 62 angeordnet ist. Jede Induktionsspule 64 kann einem jeweiligen Stromabnehmer zugeordnet sein, sodass ein wesentlicher Teil des dann von der Induktionsspule 64 erzeugten Wirbelstroms in dem jeweiligen Stromabnehmer fließt. Eine einzelne Induktionsspule 64 kann jedoch sowohl in den Stromabnehmern als auch in anderen elektrisch leitenden Komponenten innerhalb der elektrochemischen Zelle 62 Wirbelströme induzieren. In verschiedenen anderen Aspekten kann die Baugruppe 60 eine einzelne Induktionsspule oder mehr als zwei Induktionsspulen umfassen.
Die Induktionsspulen 64 befinden sich außerhalb des isolierenden Beutels 66. Die Induktionsspulen 64 können an den isolierenden Beutel 66 gekoppelt sein, an eine separate Folie gekoppelt sein und/oder eine selbsttragende starre Struktur aufweisen. In verschiedenen anderen Aspekten können die Induktionsspulen 64 innerhalb der elektrochemischen Zelle 62 angeordnet sein. In einem Beispiel sind die Induktionsspulen 64 in die jeweiligen Stromabnehmer eingebettet. In einem anderen Beispiel befindet sich jede Induktionsspule 64 zwischen dem isolierenden Beutel 66 und einem jeweiligen Stromabnehmer. In einem weiteren Beispiel ist eine Induktionsspule mit einem oder mehreren elektrischen Isolatoren abgedeckt, die für Elektrolyt durchlässig sind und zwischen den Stromabnehmern angeordnet sind.
Kombinations-Induktionsspulen
In verschiedenen Aspekten kann eine elektrochemische Vorrichtung sowohl eine periphere Induktionsspule (z. B. die Induktionsspule 14 von 1) als auch eine planare Induktionsspule umfassen (z. B. die Induktionsspule 64 von 3). Eine solche Baugruppe kann sinnvoll sein, wenn die Vorrichtung hohe thermische Anforderungen hat. In bestimmten Aspekten ist die Baugruppe für eine maßgeschneiderte Erwärmung einer elektrochemischen Zelle der Vorrichtung ausgestaltet. Zum Beispiel kann die planare Induktionsspule betrieben werden (d. h. Strom aufnehmen), wenn die zentralen Bereiche der elektrochemischen Zelle Wärme benötigen, und die periphere Induktionsspule kann betrieben werden, wenn die äußeren Bereiche der elektrochemischen Zelle Wärme benötigen.
Vorrichtungen mit mehreren elektrochemischen Zellen
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Vorrichtung mit einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen, wie etwa einem Stapel, bereit. Die Vorrichtung kann durch eine einzelne Induktionsspule oder eine Vielzahl von Induktionsspulen erwärmt werden. In bestimmten Aspekten sind die Induktionsspulen der Vielzahl unabhängig voneinander steuerbar (z. B. Ein/AusZustand und/oder Frequenz des Wechselstroms).
Einzelinduktorsysteme
Bezugnehmend auf 4 wird ein System 80 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das System 80 umfasst eine elektrochemische Vorrichtung 82 (siehe z. B. die elektrochemische Vorrichtung 100 von 5). Die elektrochemische Vorrichtung 82 umfasst eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen 84 und eine Induktionsspule 86. Die elektrochemischen Zellen 84 sind in Reihe geschaltet. Das System 80 kann außerdem eine externe Stromquelle 90 zur Versorgung der Induktionsspule 86, zwei Wechselrichter 92 und einen Schalter 94 zur selektiven Versorgung der Induktionsspule 86 mit Strom umfassen.
Die Induktionsspule 86 kann eine periphere Induktionsspule oder eine planare Induktionsspule sein. In bestimmten Aspekten ist die Induktionsspule 86 eine einzelne Induktionsspule, die dazu ausgestaltet ist, alle elektrochemischen Zellen 84 der Vielzahl zu erwärmen. Der Schalter 94 kann geschlossen werden, um die Induktionsspule 86 mit Strom zu versorgen, um die elektrochemischen Zellen 84 intern zu erwärmen, indem Wirbelströme in den internen leitfähigen Komponenten der elektrochemischen Zellen (z. B. Stromabnehmer, Elektroden) induziert werden. In bestimmten anderen Aspekten ist die Induktionsspule 86 dazu ausgestaltet, nur einen Teil der elektrochemischen Zellen 84 zu erwärmen.
Bezugnehmend auf 5 wird eine elektrochemische Vorrichtung 100 mit einem einzelnen Induktor gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen 102 und eine Induktionsspule 104. In bestimmten Aspekten ist die Induktionsspule 104 eine periphere Induktionsspule, die einen Innenbereich 106 definiert, in dem die elektrochemischen Zellen 102 zumindest teilweise angeordnet sind. In bestimmten alternativen Aspekten kann die Vorrichtung 100 eine einzelne planare Induktionsspule umfassen (siehe z. B. die Induktionsspulen 64 von 3).
Die elektrochemischen Zellen 102 können gleichartig wie die elektrochemische Zelle 12 von 1-2 sein. Jede elektrochemische Zelle 102 umfasst einen isolierenden Beutel 108 und ein Paar Laschen 110. Die elektrochemischen Zellen 102 und die Induktionsspule 104 sind in einem Gehäuse oder einer Ummantelung 112 so angeordnet, dass die Induktionsspule 104 zwischen den isolierenden Beuteln 108 und dem Gehäuse 112 angeordnet ist. Obwohl das Gehäuse 112 aufgeschnitten dargestellt ist, kann es die elektrochemischen Zellen 102 und die Induktionsspule 104 vollständig umschließen. Ein Schalter 114 kann geschlossen werden, um die Induktionsspule 104 mit Strom zu versorgen und die elektrochemischen Zellen 102 intern zu erwärmen.
Mehrinduktorensysteme
Bezugnehmend auf 6 wird ein System 120 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das System 120 umfasst eine elektrochemische Vorrichtung 122. Die elektrochemische Vorrichtung 122 umfasst eine Vielzahl von in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen 124. Das System 120 umfasst außerdem eine Vielzahl von Induktionsspulen 126. Die Vielzahl von Induktionsspulen 126 kann periphere Induktionsspulen, planare Induktionsspulen oder sowohl periphere Induktionsspulen als auch planare Induktionsspulen umfassen.
In bestimmten Aspekten ist jede Induktionsspule 126 einer entsprechenden elektrochemischen Zelle 124 zugeordnet. Zum Beispiel kann die Induktionsspule 126 so positioniert sein, dass ein wesentlicher Teil des Wirbelstroms während des Betriebs der Induktionsspule 126 in der zugeordneten elektrochemischen Zelle 124 induziert wird. Dementsprechend kann eine Anzahl der Induktionsspulen 126 gleich einer Anzahl der elektrochemischen Zellen 124 in der Vorrichtung 122 sein. In bestimmten anderen Aspekten umfasst die Vorrichtung 122 mehr Induktionsspulen 126 als elektrochemische Zellen 124. In bestimmten anderen Aspekten umfasst die Vorrichtung 122 weniger Induktionsspulen 126 als elektrochemische Zellen 124, sodass jede Induktionsspule 126 einem Teil der Vielzahl von elektrochemischen Zellen 124 zugeordnet sein kann.
Das System 120 umfasst außerdem eine externe Stromversorgung 128 zur Versorgung der Induktionsspulen 126 und der Wechselrichter 130. Das System 120 kann jedoch alternativ auch frei von einer externen Stromversorgung sein (siehe z. B. 19).
In bestimmten Aspekten ist das System 120 für eine maßgeschneiderte Erwärmung ausgelegt, beispielsweise für eine zellenweise Erwärmung. Das System 120 umfasst außerdem eine Vielzahl von Schaltern 132. Jeder Schalter 132 ist in Reihe mit einer jeweiligen Induktionsspule 126 geschaltet. Daher können die Induktionsspulen 126 einzeln betrieben werden, um verschiedene Bereiche der Vorrichtung 122, wie etwa bestimmte elektrochemische Zellen 124, selektiv zu erwärmen. Die Schalter 132 können betätigt werden, um die Erwärmung bestimmter elektrochemischer Zellen 124 über die zugeordnete Induktionsspule 126 zu verlängern und/oder die Erwärmung bestimmter elektrochemischer Zellen 124 zu beenden, wenn eine gewünschte Temperatur erreicht ist, um ein Beispiel zu nennen.
In einem Beispiel können zu Beginn einer Heizperiode alle Schalter 132 geschlossen werden, um alle Induktionsspulen 126 mit Strom zu versorgen und dadurch alle elektrochemischen Zellen 124 zu erwärmen. Wenn zentral angeordnete elektrochemische Zellen schneller eine gewünschte Temperatur erreichen als äußere elektrochemische Zellen, dann können Schalter für die zentral angeordneten elektrochemischen Zellen geöffnet werden, um die Erwärmung der zentral angeordneten elektrochemischen Zellen zu beenden, während die äußeren elektrochemischen Zellen weiter erwärmt werden. Dementsprechend kann ein Mehrinduktoren- oder zellenweises System wie etwa das System 120 zum Wärmeausgleich in der gesamten Vorrichtung 122 verwendet werden.
In bestimmten Aspekten ist ein System zusätzlich oder alternativ dazu ausgestaltet, in verschiedenen Bereichen einer Vorrichtung unterschiedliche Mengen an Energie bereitzustellen. In einem Beispiel weisen die Induktionsspulen unterschiedliche Wicklungszahlen auf. Insbesondere können Induktionsspulen, die allgemein kühleren Bereichen der Vorrichtung (z. B. außerhalb elektrochemischer Zellen) zugeordnet sind, mehr Wicklungen aufweisen, um in diesen Bereichen eine höhere Leistung bereitzustellen, während Induktionsspulen, die allgemein wärmeren Bereichen der Vorrichtung (z. B. innerhalb elektrochemischer Zellen) zugeordnet sind, weniger Wicklungen aufweisen können, um in diesen Bereichen eine geringere Leistung bereitzustellen. In einem anderen Beispiel sind die Induktionsspulen dazu ausgestaltet, in verschiedenen Bereichen der Zellen unterschiedliche Wechselströme mit unterschiedlichen Frequenzen aufzunehmen. Insbesondere nehmen Induktionsspulen, die kühleren Bereichen der Vorrichtung zugeordnet sind, Wechselstrom mit höherer Frequenz auf, während Induktionsspulen, die wärmeren Bereichen der Vorrichtung zugeordnet sind, Wechselstrom mit niedrigerer Frequenz aufnehmen. In einem weiteren Beispiel ist ein System zur Änderung der Stromverteilung auf Spulen verschiedener elektrochemischer Zellen ausgestaltet.
Bezugnehmend auf 7 wird eine elektrochemische Mehrinduktorenvorrichtung 140 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Vorrichtung 140 umfasst eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen 142 und eine jeweilige Vielzahl von Induktionsspulen 144 (die zusammen jeweils gleichartig wie die elektrochemische Baugruppe 10 von 1 sein können). Jede elektrochemische Zelle 142 ist in einem jeweiligen isolierenden Beutel 146 angeordnet, umfasst ein Paar Laschen 148 und kann gleichartig wie die elektrochemische Zelle 12 von 1-2 sein.
Die Induktionsspulen 144 sind periphere Induktionsspulen. Die Vorrichtung 140 umfasst außerdem eine Vielzahl von Schaltern 150. Jeder Schalter 150 ist in Reihe mit einer jeweiligen Induktionsspule 144 geschaltet. Dementsprechend kann jeder Schalter 152 betätigt werden, um die jeweilige Induktionsspule 144 mit Strom zu versorgen und dadurch die jeweilige elektrochemische Zelle 142 unabhängig von den anderen Schaltern 150, Induktionsspulen 144 und elektrochemischen Zellen 142 zu erwärmen.
Die elektrochemischen Zellen 142 und die Induktionsspulen 144 sind innerhalb eines Gehäuses oder einer Ummantelung 152 angeordnet. Jede Induktionsspule 144 ist zwischen dem isolierenden Beutel 146 der jeweiligen elektrochemischen Zelle 142 und dem Gehäuse 152 angeordnet. Die Schalter 150 sind von einer Außenseite des Gehäuses 152 zugänglich.
Bezugnehmend auf 8 wird eine weitere elektrochemische Mehrinduktorenvorrichtung 160 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Wenn nicht anders beschrieben, ist die elektrochemische Vorrichtung 160 gleichartig wie die elektrochemische Vorrichtung 140 von 7. Die elektrochemische Vorrichtung 160 umfasst im Allgemeinen eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen 162, eine Vielzahl von Induktionsspulen 164, eine Vielzahl von Schaltern 166 und ein Gehäuse 168.
Die Induktionsspulen 164 sind planare Induktionsspulen. In bestimmten Aspekten ist jede Induktionsspule 164 einer entsprechenden elektrochemischen Zelle 162 zugeordnet. In bestimmten anderen Aspekten umfasst jede elektrochemische Zelle 162 ein Paar Induktionsspulen 164, wobei jede Induktionsspule 164 einem jeweiligen Stromabnehmer der elektrochemischen Zelle 142 zugeordnet ist (siehe z. B. die elektrochemische Baugruppe 60 von 3).
Elektrochemische Zellen mit Bereichsinduktoren
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Vorrichtung bereit, die dazu ausgestaltet ist, die Wärmeverteilung in einzelnen elektrochemischen Zellen auszugleichen. Bezugnehmend auf 9 wird eine elektrochemische Baugruppe 180 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Baugruppe 180 umfasst eine elektrochemische Zelle 182 und eine Vielzahl von Induktionsspulen 184. Die elektrochemische Zelle 182 ist in einem isolierenden Beutel 186 angeordnet und umfasst Laschen 188.
In bestimmten Aspekten sind die Induktionsspulen 184 planare Induktionsspulen. Jede Induktionsspule 184 ist einem Bereich der elektrochemischen Zelle 182 zugeordnet und dazu ausgestaltet, einen Bereich zu erwärmen, der kleiner sein kann als die gesamte elektrochemische Zelle 182. Beispielhaft reicht die Anzahl der Induktionsspulen 184 in einer elektrochemischen Baugruppe 180 von 1-20 pro elektrochemische Zelle, wahlweise 2-10, wahlweise 4-8 oder wahlweise 6. Ein erster Teil der Induktionsspulen 184, wie etwa die Hälfte der Induktionsspulen 184, kann im Wesentlichen komplanar zueinander angeordnet und einem ersten Stromabnehmer der elektrochemischen Zelle 182 zugeordnet sein. Ein zweiter Teil der Induktionsspulen 184, wie etwa die andere Hälfte der Induktionsspulen 184, kann im Wesentlichen komplanar zueinander angeordnet und einem zweiten Stromabnehmer der elektrochemischen Zelle 182 zugeordnet sein. Die Induktionsspulen 184 können zum Beispiel unmittelbar an den isolierenden Beutel 186 oder an einzelne Folien gekoppelt sein.
In einem Beispiel umfasst die Vielzahl von Induktionsspulen 184 sechs Induktionsspulen: eine erste Induktionsspule 184-1, eine zweite Induktionsspule 184-2, eine dritte Induktionsspule 184-3, eine vierte Induktionsspule 184-4, eine fünfte Induktionsspule 184-5 und eine sechste Induktionsspule 184-6. Die erste, dritte und fünfte Induktionsspule 184-1, 184-3 und 184-5 sind im Wesentlichen komplanar zueinander angeordnet. Die zweite, vierte und sechste Induktionsspule 184-2, 184-4 und 184-6 sind im Wesentlichen komplanar zueinander und im Wesentlichen parallel zu der ersten, dritten und fünften Induktionsspule 184-1, 184-3 und 184-5 angeordnet.
Die elektrochemische Zelle 182 umfasst im Allgemeinen einen ersten oder oberen Bereich 190, einen zweiten oder zentralen Bereich 192 und einen dritten oder unteren Bereich 194. Die erste und zweite Induktionsspule 184-1, 184-2 sind einander gegenüberliegend im ersten Bereich 190 der elektrochemischen Zelle 182 angeordnet. Die erste und zweite Induktionsspule 184-1, 184-2 sind dazu ausgestaltet, zusammenwirkend den ersten Bereich 190 der elektrochemischen Zelle 182 zu erwärmen. Die dritte und vierte Induktionsspule 184-3, 184-4 sind einander gegenüberliegend im zweiten Bereich 192 der elektrochemischen Zelle 182 angeordnet. Die dritte und vierte Induktionsspule 184-3, 184-4 sind dazu ausgestaltet, zusammenwirkend den zweiten Bereich 192 der elektrochemischen Zelle 182 zu erwärmen. Die fünfte und sechste Induktionsspule 184-5, 184-6 sind einander gegenüberliegend im dritten Bereich 194 der elektrochemischen Zelle 182 angeordnet. Die fünfte und sechste Induktionsspule 184-5, 184-6 sind dazu ausgestaltet, zusammenwirkend den dritten Bereich 194 der elektrochemischen Zelle 182 zu erwärmen.
Die Induktionsspulen 184 sind unabhängig voneinander betreibbar, um Wirbelstrom in einem jeweiligen Bereich 190, 192, 194 der elektrochemischen Zelle 182 zu induzieren, wodurch die jeweiligen Bereiche 190, 192, 194 der elektrochemischen Zelle 182 erwärmt werden. Daher ist die elektrochemische Baugruppe 180 für den Ausgleich der Wärmeverteilung in der elektrochemischen Zelle 182 ausgestaltet.
In einem Beispiel können, wenn der zweite Bereich 192 der elektrochemischen Zelle 182 vor dem ersten und dritten Bereich 190, 194 eine gewünschte Temperatur erreicht, die dritte und vierte Induktionsspule 184-3, 184-4 abgeschaltet werden, während die erste, zweite, fünfte und sechste Induktionsspule 184-1, 184-2, 184-5, 184-6 weiterhin Strom erhalten, um den ersten und dritten Bereich 190, 194 der elektrochemischen Zelle 182 zu erwärmen. Die bereichsweise Erwärmung kann besonders in elektrochemischen Zellen mit hohen Seitenverhältnissen nützlich sein, wie beispielsweise größer oder gleich 2, wahlweise größer oder gleich 4, wahlweise größer oder gleich 6, wahlweise größer oder gleich 8 oder wahlweise größer oder gleich 10.
Bezugnehmend auf 10-11 wird ein System 210 (10) gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das System 210 umfasst im Allgemeinen eine elektrochemische Vorrichtung 212, eine externe Stromversorgung 214 und Wechselrichter 216. In bestimmten anderen Aspekten kann das System 210 frei von einer externen Stromversorgung sein und die Induktionsspulen 184 können von den elektrochemischen Zellen 182 gespeist werden (siehe z. B. 19). Das System 210 ist für die bereichsweise Zellenerwärmung ausgestaltet. Die Vorrichtung 212 umfasst eine Vielzahl von Baugruppen 180, die in einem Gehäuse oder einer Ummantelung 218 angeordnet sind (11)
Die Vorrichtung 212 umfasst außerdem eine Vielzahl von ersten Schaltern 220, um den Betrieb der Induktionsspulen 184 zellenweise zu steuern. Beispielsweise kann ein einzelner erster Schalter 220 den Strom an alle Induktionsspulen 184 steuern, die einer einzelnen elektrochemischen Zelle 182 zugeordnet sind. Eine Vielzahl von zweiten Schaltern 222 steuert den Betrieb der Induktionsspulen 184 bereichsweise. Zum Beispiel kann ein einzelner zweiter Schalter 222 den Strom an alle Induktionsspulen 184 steuern, die einem einzelnen Bereich einer einzelnen elektrochemischen Zelle 182 zugeordnet sind.
In bestimmten Aspekten ist ein Paar Induktionsspulen 184, die einem einzelnen Bereich der elektrochemischen Zelle 182 zugeordnet sind (z. B. erste und zweite Induktionsspulen 184-1, 184-2 von 9) parallel mit einem einzelnen zweiten Schalter 222 geschaltet. In bestimmten anderen Aspekten kann jedoch jede Induktionsspule 184 mit einem separaten Schalter (nicht dargestellt) versehen sein.
Position der Induktionsspule
Induktionsspulen können allgemein so positioniert sein, dass sie in mindestens einem Bereich mindestens einer elektrochemischen Zelle Wirbelstrom erzeugen. In einigen Beispielen können Induktionsspulen in einem Innenbereich eines Gehäuses oder einer Ummantelung, aber außerhalb eines isolierenden Beutels angeordnet sein. Zum Beispiel sind die Induktionsspulen 104, 144 und 184 von 5, 7 bzw. 11 jeweils außerhalb eines isolierenden Beutels und innerhalb einer Gehäuseummantelung angeordnet.
In anderen Beispielen können Induktionsspulen außerhalb eines Gehäuses oder einer Ummantelung angeordnet sein. Bezugnehmend auf 12 wird eine weitere elektrochemische Vorrichtung 230 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Vorrichtung 230 umfasst eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen 232, eine Induktionsspule 234, die eine periphere Induktionsspule sein kann, ein Gehäuse oder eine Ummantelung 236 und einen Schalter 238. Die Induktionsspule 234 ist um eine Außenseite 240 des Gehäuses 236 angeordnet.
In anderen Beispielen können Induktionsspulen im Inneren eines isolierenden Beutels angeordnet sein. In einem Beispiel befindet sich eine Induktionsspule zwischen einem isolierenden Beutel und einer elektrochemischen Zelle (z. B. befindet sich eine planare Induktionsspule zwischen einem isolierenden Beutel und einem Stromabnehmer). In einem anderen Beispiel ist eine planare Induktionsspule in einen Stromabnehmer eingebettet. In einem weiteren Beispiel ist eine planare Induktionsspule mit einer sekundären Heizeinrichtung integriert (siehe Erörterung zu 15-17). In einem weiteren Beispiel ist eine planare Induktionsspule zwischen Stromabnehmern angeordnet. In anderen Beispielen ist eine Induktionsspule in einen isolierenden Beutel selbst eingebettet.
Die ursprüngliche Auslegung ist, dass zusätzliche Heizeinrichtungen innerhalb der Zelle hinzugefügt werden und die Spule nach guter Isolierung an diesen Heizeinrichtungen integriert werden kann. Bei dieser Auslegung wird eine zusätzliche Lasche benötigt. Obwohl der Stromabnehmer/Beutel derzeit zu dünn für das Einbetten der Spule erscheint, ist dies eine gute Idee. Daher schlage ich vor, dass wir vier Fälle von Spulen innerhalb von Zellen einbeziehen können: Spulen eingebettet in den Beutel, in den Stromabnehmer, in die zusätzliche Heizeinrichtung und unabhängig, aber neben dem Beutel.
Elektromagnetische Abschirmung
Eine elektrochemische Vorrichtung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann außerdem eine elektromagnetische Abschirmung umfassen. Die elektromagnetische Abschirmung kann die Gleichmäßigkeit der Wärme in der Vorrichtung verbessern. In bestimmten Aspekten ist die elektromagnetische Abschirmung dazu ausgestaltet, ein Magnetfeld außerhalb der Vorrichtung zu reduzieren. Dementsprechend kann zumindest ein Teil der Abschirmung benachbart zu einem äußeren Teil der Vorrichtung angeordnet sein. In einem Beispiel erfolgt die elektromagnetische Abschirmung in Form von Platten, die an den gegenüberliegenden Enden eines Stapels von elektrochemischen Zellen angeordnet sind. In einem anderen Beispiel weist die elektromagnetische Abschirmung die Form eines Kastens oder Gehäuses auf, der bzw. das zumindest einen Teil der Vorrichtung umgibt.
Die elektromagnetische Abschirmung kann aus einem leitfähigen Material gebildet sein. Das leitende Material kann z. B. Kupfer, Aluminiumoxid, Stahl oder eine beliebige Kombination davon sein. In bestimmten Aspekten wird das elektromagnetische Abschirmmaterial auf der Grundlage seiner Absorptionseigenschaften, Durchlässigkeitseigenschaften, Reflexionseigenschaften oder einer beliebigen Kombination davon ausgewählt. In einem Beispiel ist eine Abschirmung dazu ausgestaltet, ein Magnetfeld zu absorbieren, um die Reflexion des Magnetfeldes zurück in eine elektrochemische Zelle zu reduzieren oder zu verhindern. In einem anderen Beispiel ist eine Abschirmung dazu ausgestaltet, ein Magnetfeld zurück in eine elektrochemische Zelle zu reflektieren, um den Wirbelstrom und die Wärme in der Zelle zu erhöhen.
Bezugnehmend auf 13 wird ein Teil einer elektrochemischen Vorrichtung 250 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Vorrichtung 250 umfasst eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen 252 und eine Induktionsspule 254. Die elektrochemischen Zellen 252 können gleichartig wie die elektrochemische Zelle 12 von 1-2 sein. Die Induktionsspule 254 ist eine periphere Induktionsspule.
Die Vorrichtung 250 umfasst außerdem elektromagnetische Abschirmungen 256. Die elektromagnetischen Abschirmungen 256 liegen in Form von Platten vor. Die elektromagnetischen Abschirmungen 256 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung 250 angeordnet, sodass die elektrochemischen Zellen 252 und die Induktionsspule 254 dazwischen angeordnet sind.
Bezugnehmend auf 14 wird eine elektrochemische Baugruppe 260 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die elektrochemische Baugruppe 260 umfasst im Allgemeinen eine elektrochemische Zelle 262, Induktionsspulen 264 und elektromagnetische Abschirmungen 266. Die elektrochemische Zelle 262 kann gleichartig wie die elektrochemische Zelle 12 von 1-2 sein. Die Induktionsspulen 264 sind planare Induktionsspulen.
Die elektromagnetischen Abschirmungen 266 liegen in Form von Platten vor. Die elektromagnetischen Abschirmungen sind auf gegenüberliegenden Seiten der Baugruppe 260 angeordnet, sodass die Baugruppe 260 zwischen den elektromagnetischen Abschirmungen 266 angeordnet ist. Jede Induktionsspule 264 ist zwischen einem isolierenden Beutel 268 der elektrochemischen Zelle 262 und einer jeweiligen elektromagnetischen Abschirmung 266 angeordnet.
Sekundäre Heizeinrichtung
Eine elektrochemische Vorrichtung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann außerdem eine zusätzliche oder sekundäre Heizeinrichtung umfassen. Die sekundäre Heizeinrichtung ist dazu ausgestaltet, über induzierten Wirbelstrom von Induktionsspulen zu heizen. In bestimmten Aspekten kann eine sekundäre Heizeinrichtung in Form einer Folie oder Platte, eines Netzes, einer porösen Ebene mit einer offenzelligen Struktur, die für Elektrolyt durchlässig ist, eines schwammartigen dreidimensionalen gewebten oder nicht gewebten Netzwerks oder einer beliebigen Kombination davon vorliegen.
In bestimmten Aspekten kann eine sekundäre Heizeinrichtung aus einem ferromagnetischen Material gebildet sein. Zu ferromagnetischen Materialien gehören beispielsweise Eisen, Nickel, Kobalt, Edelstahl oder eine beliebige Kombination davon. Eine elektrochemische Vorrichtung mit einer oder mehreren sekundären Heizeinrichtungen weist einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Leistung als eine elektrochemische Vorrichtung ohne eine sekundäre Heizeinrichtung auf. Insbesondere, da ferromagnetische Materialien eine höhere Aufnahmeeffizienz unter einem magnetischen Wechselfeld aufweisen als nicht magnetische Materialien, können Heizeinrichtungen, die die ferromagnetischen Materialien umfassen, einen stärkeren Wirbelstrom erzeugen als in nicht magnetischen Materialien.
Eine sekundäre Heizeinrichtung kann im Wesentlichen parallel zu Stromabnehmern einer elektrochemischen Zelle angeordnet sein. Eine elektrochemische Vorrichtung kann eine einzelne sekundäre Heizeinrichtung oder mehrere sekundäre Heizeinrichtungen umfassen (z. B. eine sekundäre Heizeinrichtung für eine ganze Vorrichtung, eine sekundäre Heizeinrichtung pro elektrochemischer Zelle, ein Paar sekundäre Heizeinrichtungen pro elektrochemischer Zelle oder mehr als zwei sekundäre Heizeinrichtungen pro elektrochemischer Zelle). Sekundäre Heizeinrichtungen können in Kombination mit anderen hier beschriebenen Komponenten wie etwa der elektromagnetischen Abschirmung verwendet werden.
In einem Beispiel ist eine sekundäre Heizeinrichtung innerhalb eines isolierenden Beutels zwischen einem Stromabnehmer und einem Teil des isolierenden Beutels angeordnet. In einem anderen Beispiel ist eine sekundäre Heizeinrichtung mit einer Induktionsspule integriert, um eine integrierte Heizeinrichtung zu bilden ( 16-17). In einem weiteren Beispiel ist eine sekundäre Heizeinrichtung zwischen den Stromabnehmern einer elektrochemischen Zelle angeordnet. Die sekundäre Heizeinrichtung ist durch einen oder mehrere Separatoren (so etwa zwischen zwei Separatoren) geschützt, ist ionenleitend und kann von flüssigem oder gelartigem Elektrolyt durchdrungen werden. Die sekundäre Heizeinrichtung kann innerhalb einer Vorrichtung auf der Grundlage einer Wärmeverteilung der Vorrichtung angeordnet sein, beispielsweise in der Nähe von kalten Stellen in der elektrochemischen Zelle. In bestimmten Aspekten ist die sekundäre Heizeinrichtung in der Nähe eines Massenschwerpunkts der elektrochemischen Zelle angeordnet oder schneidet diesen.
Bezugnehmend auf 15 wird eine elektrochemische Baugruppe 280 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Baugruppe 280 umfasst eine elektrochemische Zelle 282, Induktionsspulen 284 und ein Paar zusätzliche oder sekundäre Heizeinrichtungen 286. Die elektrochemische Zelle 282 kann gleichartig wie die elektrochemische Zelle 12 von 1-2 sein. Die Induktionsspulen 284 umfassen zwei planare Induktionsspulen. Die Verwendung der sekundären Heizeinrichtung ist jedoch auch für elektrochemische Baugruppen mit anderen Mengen oder Typen (z. B. peripheren) Induktionsspulen anwendbar.
Die sekundären Heizeinrichtungen 286 liegen in Form von Folien oder Platten vor. Die sekundären Heizeinrichtungen 286 umfassen zwei sekundäre Heizeinrichtungen; die elektrochemische Baugruppe kann jedoch alternativ auch eine andere Anzahl an Heizeinrichtungen aufweisen. Die Heizeinrichtungen 286 sind zwischen einem isolierenden Beutel 288 der elektrochemischen Zelle 282 und einer jeweiligen Spule 284 angeordnet.
Bezugnehmend auf 16 wird eine weitere elektrochemische Baugruppe 300 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Baugruppe 300 umfasst eine elektrochemische Zelle 302 und ein Paar integrierte Heizeinrichtungen 304. Die elektrochemische Zelle 302 und die integrierten Heizeinrichtungen 304 sind zumindest teilweise innerhalb eines isolierenden Beutels 306 angeordnet.
Bezugnehmend auf 17 umfasst jede integrierte Heizeinrichtung 304 eine Heizeinrichtung 308, einen Isolator 310 und eine Induktionsspule 312. Die Isolierung 310 befindet sich zwischen der Heizeinrichtung 308 und der Induktionsspule 312. Die Heizeinrichtung 308, die Isolierung 310 und die Induktionsspule 312 können aneinander gekoppelt sein. Die Induktionsspule 312 ist eine planare Induktionsspule. Der Isolator 310 kann aus einem Kunststoff wie etwa Nylon gebildet sein. Wenn die Heizeinrichtungen 304 wie hier innerhalb des isolierenden Beutels 306 angeordnet sind, umfassen die integrierten Heizeinrichtungen 304 außerdem Laschen zum Einleiten von Strom in die Spulen 312, aber nicht in die Heizeinrichtungen 308.
Vorrichtung in Festkörperbauweise
Bezugnehmend auf 18 stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Baugruppe 320 in Festkörperbauweise bereit. Elektrochemische Zellen in Festkörperbauweise sind stabil gegen hohe Temperaturen und daher in der Lage, höhere Heizleistungen und eine kürzere Heizdauer zu erreichen. In bestimmten Aspekten kann die Leistung von elektrochemischen Zellen in Festkörperbauweise jedoch durch starke Temperaturschwankungen, insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen, erheblich beeinträchtigt werden. Daher ist die Fähigkeit, Systeme in Festkörperbauweise schnell zu erwärmen, besonders vorteilhaft.
Die Baugruppe 320 umfasst eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen 322 in einem Stapel und eine Induktionsspule 324. Jede elektrochemische Zelle 322 umfasst eine erste oder positive Elektrode 326, eine zweite oder negative Elektrode 328, einen Festkörperelektrolyten 330, einen ersten oder positiven Elektrodenstromabnehmer 332 und einen zweiten oder negativen Elektrodenstromabnehmer 334. Jede elektrochemische Zelle 322 ist innerhalb eines isolierenden Beutels 336 oder zwischen Separatoren angeordnet.
In einem Beispiel werden vier Baugruppen 320 in einer bipolaren 48-Volt-4S4P-Festkörpervorrichtung (nicht dargestellt) verwendet. Dementsprechend umfasst die Vorrichtung insgesamt sechzehn elektrochemische Zellen 322 (vier Gruppen von vier in Reihe geschalteten Zellen sind parallel geschaltet) und vier Induktionsspulen 324. Die positiven Elektroden 326 umfassen Lithiumeisenphosphat (LiFe-PO₄, „LFP“). Die negativen Elektroden 328 umfassen Graphit. Die positiven Elektrodenstromabnehmer 332 umfassen Aluminium. Die negativen Elektrodenstromabnehmer 334 umfassen Kupfer. In bestimmten Aspekten umfasst der Festkörperelektrolyt 330 ein Oxid einschließlich Granat (z. B. Li₇La₃Zr₂O₁₂ oder dotierte Spezies), einen Natrium-Superionenleiter (NASICON) (z. B. Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃ oder dotierte Spezies), einen Perowskit-Typ (Li_0,5La_0,5TiO₃ oder dotierte Spezies) und Sulfid (z. B. Argyrodit und Li-P-S-Spezies). Zusätzlich oder alternativ kann der Festkörperelektrolyt ein oder mehrere Polymere umfassen.
Stromversorgung von Induktionsspulen
Induktionsspulen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können von der oder den elektrochemischen Zellen, die sie erwärmen, einer oder mehreren zusätzlichen elektrochemischen Zellen, die nicht von der Induktionsspule erwärmt werden, einer externen Stromquelle oder einer beliebigen Kombination davon versorgt werden.
Bezugnehmend auf 19 wird ein System 350 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das System 350 umfasst eine elektrochemische Vorrichtung 352. Die elektrochemische Vorrichtung 352 umfasst eine elektrochemische Zelle 354 und eine Induktionsspule 356. Obwohl die Induktionsspule 356 als periphere Induktionsspule dargestellt ist, kann die Induktionsspule 86 alternativ eine planare Induktionsspule oder eine Kombination aus einer peripheren Induktionsspule und einer planaren Induktionsspule sein.
Die Induktionsspule 356 ist elektrisch mit der elektrochemischen Zelle 354 verbunden. Das System 350 umfasst außerdem zwei Wechselrichter 358 zur Umwandlung von Gleichstrom aus der elektrochemischen Zelle 354 in Wechselstrom, der von der Induktionsspule 356 aufgenommen wird. Die Induktionsspule 356 wird ausschließlich von der elektrochemischen Zelle 354 versorgt. Daher ist das System 350 frei von einer zusätzlichen Stromquelle. In bestimmten Aspekten kann das System 350 in einem batterieelektrischen Fahrzeug (battery electric vehicle, „BEV“) oder einem Hybrid-Elektrofahrzeug („HEV“) verwendet werden. In einem Beispiel handelt es sich bei der elektrochemischen Zelle 354 um eine Niederspannungszelle und das System 350 ist voraussichtlich keinen rauen Klimabedingungen ausgesetzt. In verschiedenen Aspekten kann das System 350 als „reines Heizsystem“ bezeichnet werden.
Bezugnehmend auf 20 wird ein System 370 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das System 370 umfasst eine elektrochemische Vorrichtung 372. Die elektrochemische Vorrichtung 372 umfasst eine erste elektrochemische Zelle 374 und eine Induktionsspule 376. Die Induktionsspule 376 ist dazu ausgestaltet, die erste elektrochemische Zelle 374 unter Verwendung von Wirbelstrom intern zu erwärmen. Das System 370 umfasst außerdem eine Vielzahl von zweiten elektrochemischen Zellen 378 und eine externe Stromquelle 380.
Die Induktionsspule 376 ist dazu ausgestaltet, Strom von den zweiten elektrochemischen Zellen 378 und/oder der externen Stromquelle 380 aufzunehmen. Das System 370 umfasst außerdem zwei Wechselrichter 382 zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom, der von der Induktionsspule 376 aufgenommen wird. In bestimmten Aspekten umfasst die Induktionsspule 376 mehrere unabhängig voneinander betreibbare Induktionsspulen, die dazu ausgestaltet sind, verschiedene Bereiche der ersten elektrochemischen Zelle 374 zu erwärmen (siehe z. B. die elektrochemische Baugruppe 180 von 9). In bestimmten Aspekten umfasst die erste elektrochemische Zelle 374 eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen und die Induktionsspule 376 umfasst eine Vielzahl von Induktionsspulen, die dazu ausgestaltet sind, die Vielzahl von elektrochemischen Zellen zu erwärmen. Die zweiten elektrochemischen Zellen 378 und/oder die externe Stromquelle 380 können dazu ausgestaltet sein, nur einen Teil der Vielzahl von Induktionsspulen mit Wärme zu versorgen, um einen Teil der elektrochemischen Zellen oder einen Teil einer einzelnen elektrochemischen Zelle schnell zu erwärmen.
Das System 370 kann besonders nützlich sein, wenn es sich bei der ersten elektrochemischen Zelle 374 um eine Niederspannungszelle handelt, das System 370 voraussichtlich extremen Temperaturen (z. B. Tiefsttemperaturen) ausgesetzt wird, das System 370 für eine Start/Stopp-Aufgabe verwendet wird und/oder die elektrochemische Zelle 374 von einer schnellen Erwärmung profitieren würde. In verschiedenen Aspekten wird das System 370 als „synergetisches Heizsystem“ bezeichnet.
Verfahren zum Erwärmen elektrochemischer Vorrichtungen
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum internen Erwärmen einer elektrochemischen Zelle bereit. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer elektrochemischen Zelle mit einem Stromabnehmer, der ein elektrisch leitendes Material und eine Induktionsspule umfasst. Das Verfahren umfasst ferner das Bestimmen, dass eine Temperatur der elektrochemischen Zelle außerhalb eines gewünschten Bereichs liegt. Das Verfahren umfasst außerdem das Anlegen eines Wechselstroms an die Induktionsspule, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld induziert einen Wirbelstrom im Stromabnehmer, um Wärme im Stromabnehmer zu erzeugen, wodurch die elektrochemische Zelle intern erwärmt wird.
Verfahren zum Steuern der Wärme in einer elektrochemischen Vorrichtung
Die vorliegende Offenbarung stellt in verschiedenen Aspekten Verfahren zum Steuern der Erwärmung einer elektrochemischen Vorrichtung bereit. Genauer kann die Stromzufuhr an eine oder mehrere Induktionsspulen einer elektrochemischen Vorrichtung so gesteuert werden, dass die Temperatur der elektrochemischen Zelle erhöht und/oder die Abkühlung der elektrochemischen Zelle verhindert wird. Die Steuerung kann reaktiv und/oder proaktiv sein.
Bezugnehmend auf 21 ist ein Flussdiagramm dargestellt, das ein Verfahren zum Steuern der Erwärmung einer elektrochemischen Vorrichtung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt. Das Verfahren wird unter Bezugnahme auf die elektrochemische Vorrichtung 82 von 4-5 beschrieben; das Verfahren ist jedoch auf jede beliebige der hier beschriebenen elektrochemischen Vorrichtungen oder Baugruppen anwendbar. Die Verfahrensschritte können von einer Steuereinrichtung ausgeführt werden.
Bei 400 bestimmt die Steuereinrichtung, ob eine Temperatur der elektrochemischen Zelle 62 außerhalb eines gewünschten Bereichs liegt. Die Temperatur kann eine einzelne Temperatur innerhalb der Vorrichtung 82, eine Temperatur für eine einzelne elektrochemische Zelle 102 oder eine Temperatur für einen Bereich einer elektrochemischen Zelle 102 (z. B. die Peripherie einer positiven Elektrode) sein. In bestimmten Aspekten kann die Steuerung diesen Schritt für eine Vielzahl von Induktionsspulen und entsprechenden Bereichen innerhalb einer elektrochemischen Vorrichtung wiederholen.
In einem Beispiel kann das Bestimmen, ob die Temperatur außerhalb des gewünschten Bereichs liegt, das Erfassen einer tatsächlichen Temperatur umfassen, etwa durch Thermoelemente innerhalb der elektrochemischen Vorrichtung 82. In einem anderen Beispiel kann das Bestimmen, ob die Temperatur außerhalb des gewünschten Bereichs liegt, das Bestimmen beinhalten, ob andere Eigenschaften wie etwa die Impedanz außerhalb eines gewünschten Bereichs liegen. Die Veränderung dieser Merkmale kann durch Temperaturänderungen verursacht werden und somit ein Hinweis auf Temperaturänderungen sein. In einem weiteren Beispiel kann das Bestimmen, ob die Temperatur außerhalb des gewünschten Bereichs liegt, das Vorhersagen umfassen, dass die Temperatur außerhalb des gewünschten Bereichs liegt, basierend auf dem Auftreten eines Ereignisses, wie z. B. Parken. Bei der Bestimmung können auch andere Faktoren berücksichtigt werden, wie beispielsweise eine Umgebungstemperatur und/oder die Jahreszeit oder das Datum.
Wenn die Steuerung bestimmt, dass diese Temperatur außerhalb des gewünschten Bereichs liegt, wird das Verfahren bei 402 fortgesetzt. Andernfalls wird das Verfahren bei 404 fortgesetzt.
Bei 402 schließt die Steuerung den Schalter 94 (oder sorgt dafür, dass der Schalter 94 geschlossen ist), um die Induktionsspule 86 mit Strom zu versorgen, um ein Magnetfeld zu erzeugen, Wirbelstrom in leitenden Komponenten der elektrochemischen Zellen 88 zu induzieren und die elektrochemischen Zellen 88 intern zu erwärmen. Das Verfahren kehrt zu 400 zurück.
Bei 404 bestimmt die Steuerung, ob eine präventive Erwärmung gewünscht ist. Die präventive Erwärmung kann das Einschalten der Induktionsspule 86 umfassen, um ein Abkühlen der elektrochemischen Zellen 88 zu verhindern, etwa wenn ein Fahrzeug geparkt ist. Durch das Verhindern oder Reduzieren der Abkühlung der elektrochemischen Zellen 88 sind die elektrochemischen Zellen schneller einsatzbereit als in einem System ohne interne Heizeinrichtung. In bestimmten Aspekten können die elektrochemischen Zellen 88 sofort einsatzbereit sein. Die Steuerung kann unter anderem anhand der Umgebungstemperatur oder des Auftretens eines Ereignisses bestimmen, ob eine präventive Erwärmung erforderlich ist.
Wenn eine präventive Erwärmung gewünscht wird, fährt das Verfahren mit 402 fort. Andernfalls fährt das Verfahren mit 406 fort.
Bei 406 öffnet die Steuerung den Schalter 94 (oder sorgt dafür, dass der Schalter 94 geöffnet ist). Dementsprechend wird die Induktionsspule 86 nicht mit Strom versorgt und die elektrochemischen Zellen 84 werden nicht erwärmt. Das Verfahren kehrt zu 400 zurück.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und soll die Offenbarung nicht einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind gegebenenfalls austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell dargestellt oder beschrieben sind. Dies kann auch auf viele Arten abgewandelt werden. Diese Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Modifikationen fallen in den Umfang der Offenbarung.

Claims

Elektrochemische Vorrichtung, umfassend: eine elektrochemische Zelle mit einem Stromabnehmer, wobei der Stromabnehmer ein elektrisch leitendes Material umfasst; und eine Induktionsspule, die dazu ausgestaltet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, wobei das Magnetfeld dazu ausgestaltet ist, einen Wirbelstrom in dem Stromabnehmer zu induzieren, um Wärme in dem Stromabnehmer zu erzeugen.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Induktionsspule einen Spuleninnenbereich definiert, und die elektrochemische Zelle zumindest teilweise innerhalb des Spuleninnenbereichs angeordnet ist.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Induktionsspule eine im Wesentlichen planare Spiralform aufweist.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Stromabnehmer ein erster Stromabnehmer ist und die elektrochemische Zelle ferner einen zweiten Stromabnehmer umfasst, der im Wesentlichen parallel zu dem ersten Stromabnehmer ist, die Induktionsspule eine erste Induktionsspule, die dem ersten Stromabnehmer zugeordnet ist, und eine zweite Induktionsspule umfasst, die dem zweiten Stromabnehmer zugeordnet ist.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Induktionsspule eine Vielzahl von Induktionsspulen umfasst, jede Induktionsspule der Vielzahl von Induktionsspulen dazu ausgestaltet ist, individuell Strom unabhängig von den anderen Induktionsspulen der Vielzahl von Induktionsspulen aufzunehmen, und jede Induktionsspule der Vielzahl von Induktionsspulen dazu ausgestaltet ist, in einem jeweiligen Bereich des Stromabnehmers Wirbelstrom zu induzieren.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Induktionsspulen der Vielzahl von Induktionsspulen im Wesentlichen komplanar zueinander angeordnet sind.
Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: einen isolierenden Beutel, der die elektrochemische Zelle zumindest teilweise umschließt, wobei die elektrochemische Zelle eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen umfasst und der isolierende Beutel eine Vielzahl von isolierenden Beuteln umfasst, wobei die elektrochemischen Zellen jeweils zumindest teilweise in den isolierenden Beuteln eingeschlossen sind, die Induktionsspule eine Vielzahl von Induktionsspulen umfasst, jede Induktionsspule der Vielzahl von Induktionsspulen dazu ausgestaltet ist, individuell Strom unabhängig von den anderen Induktionsspulen der Vielzahl von Induktionsspulen aufzunehmen, und jede Induktionsspule der Vielzahl von Induktionsspulen dazu ausgestaltet ist, einen entsprechenden Bereich der elektrochemischen Vorrichtung zu erwärmen.
Elektrochemische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine elektromagnetische Abschirmung, die dazu ausgestaltet ist, das Magnetfeld außerhalb der elektrochemischen Zelle zu reduzieren.
Elektrochemische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Heizeinrichtung, die ein ferromagnetisches Material umfasst, wobei das Magnetfeld dazu ausgestaltet ist, einen Wirbelstrom in der Heizeinrichtung zu induzieren, um die Heizeinrichtung zu erwärmen.
Elektrochemische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrochemische Zelle eine elektrochemische Festkörperzelle ist, der Stromabnehmer einen ersten Stromabnehmer und einen zweiten Stromabnehmer umfasst, und die elektrochemische Zelle ferner eine positive Elektrode in elektrischer Verbindung mit dem ersten Stromabnehmer, eine negative Elektrode in elektrischer Verbindung mit dem zweiten Stromabnehmer und einen Festkörperelektrolyten zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode umfasst.