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Die Erfindung eine Batterieeinzelzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine Batterie sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Batterie.
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Batterien, insbesondere sogenannte Hochvoltbatterien bzw. Traktionsbatterien, wie sie für zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge zum Einsatz kommen, sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Häufig werden diese Batterien als Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet. Typische Vertreter der Lithium-Ionen-Batterien umfassen dabei eine Vielzahl von Batterieeinzelzellen. Jede der Batterieeinzelzellen weist die Elektroden, also eine Anode und eine Kathode, sowie einen Separator und zwischen dem Separator und den jeweiligen Elektroden einen flüssigen Elektrolyt auf. Dieser Aufbau ist soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.
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Insbesondere bei der Anwendung in Kraftfahrzeugen kommt es nun häufig zu Situationen, in denen die Batterie sehr kalt ist. Um die Batterie bei sehr kalter Batterietemperatur beispielsweise in der Größenordnung des Gefrierpunkts oder darunter betreiben zu können, sind relativ hohe Ströme zum Laden und Entladen notwendig. Diese können zu einem sogenannten „plating“ führen, also zu einer ungewollten Beschichtung von elektrochemisch aktiven Schichten der Batterieeinzelzelle mit Metall. Dies führt dann zu einer schnellen Alterung der Zelle und einem entsprechend frühen Ausfall einzelner Batterieeinzelzellen, was hinsichtlich der Gesamtlebensdauer der Batterie einen gravierenden Nachteil darstellt.
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Um derartige Probleme zu vermeiden sollte eine Batterie möglichst immer im Bereich einer idealen Betriebstemperatur betrieben werden, welche typischerweise zwischen 20° C und 55° C liegt. Nach oben wird die Temperatur durch ein Kühlsystem innerhalb des idealen Temperaturfensters gehalten. Bei einer sehr kalten Umgebungstemperatur muss die Batterie dementsprechend vorgewärmt werden bevor die volle Leistung entnommen werden kann, um die eingangs geschilderten Probleme zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. In der Praxis kommen dafür häufig Hochleistungsheizelemente im Kühlkreislauf der Batterie zum Einsatz, welche die Batterie indirekt über das Kühlmedium erwärmen. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie selbst eine relativ hohe Leistung benötigen, was, falls diese aus der Batterie entnommen werden soll, wiederum zu den eingangs genannten Problemen führt, oder bei entsprechend „vorsichtiger“ Bereitstellung der Leistung zu einer relativ langen zeitlichen Phase des Aufheizens, bis die Batterie voll betriebsbereit ist. Beides stellt einen gravierenden Nachteil dar.
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Die
DE 10 2019 127 803 A1 beschreibt in diesem Zusammenhang eine heizbare Batterie, welche mindestens ein Heizelement aufweist, das in thermisch leitender Verbindung zu der Batteriezelle in dem Gehäuse angeordnet ist. Anstelle einer Aufheizung des Kühlmediums wird hier also die Batterie direkt durch ein Heizelement mit Kontakt zu dem Gehäuse der Batterie beheizt. In der Praxis führt eine solche Beheizung, ähnlich wie die durch das Kühlmedium, welches entsprechend temperiert wird, zu einer inhomogenen Temperaturverteilung innerhalb der Batterieeinzelzelle. Im Endeffekt führt dies zu einem inhomogenen Altern der Batterieeinzelzelle, in welcher heißere und kältere Bereiche entstehen, welche die Performance der Zelle unmittelbar beeinflussen. Über entsprechende Sensoren für die Temperatur und die Spannungsmessung kann dies bis zu einem gewissen Grad regelungstechnisch ausgeglichen werden, dies macht den Aufbau jedoch außerordentlich komplex.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin eine Batterieeinzelzelle anzugeben, welche einfach und effizient aufgebaut und homogen beheizbar ist. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, eine aus solchen Batterieeinzelzellen aufgebaute Batterie sowie ein Betriebsverfahren für diese Batterie anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterieeinzelzelle mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Batterieeinzelzelle ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 5 ist außerdem eine Batterie aus derartigen Batterieeinzelzellen angegeben. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 8 ist ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterie genannt. Hierbei ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen aus den abhängigen Verfahrensansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Batterieeinzelzelle mit zwei Elektroden, also einer Kathode und einer Anode, sowie einem dazwischen angeordneten Separator und einem flüssigen Elektrolyt benachbart zu dem Separator zwischen den Elektroden umfasst erfindungsgemäß wenigstens eine elektrische Heizschicht in dem Separator und/oder zwischen dem Separator und einer der beiden Elektroden. Durch diese elektrische Heizschicht im Inneren der Batterieeinzelzelle lässt sich die Batterieeinzelzelle bei Bedarf sehr gezielt und sehr homogen temperieren. Damit lässt sich sehr schnell und mit vergleichsweise geringem Energiebedarf, und damit geringer Heizleistung, die erforderliche Betriebstemperatur der Batterieeinzelzelle bereitstellen. Die Gefahr einer Schädigung der Batterieeinzelzelle durch zu hohe Ströme bei zu kalter Batterieeinzelzelle lässt sich damit sehr stark verringern. Dies führt zu einer gleichmäßigen Belastung der Batterieeinzelzelle bei gleichzeitig sehr homogener Erwärmung, sodass diese eine hohe Lebensdauer erreichen kann.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung ist die elektrische Heizschicht dabei als poröse Schicht ausgebildet. Eine solche poröse elektrische Heizschicht ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sie sich zwischen der jeweiligen Elektrode und dem Separator oder zumindest einer der Elektroden und dem Separator befindet. Sie kann beispielsweise auf die Oberfläche des Separators aufgebracht sein. Die poröse Schicht kann dabei von dem Elektrolyt, welcher prinzipbedingt durch den Aufbau der Batterieeinzelzelle als flüssiger Elektrolyt ausgebildet ist, entsprechend durchdrungen werden. Der Elektrolyt wird dadurch sehr direkt und für die Batterieeinzelzelle schonend aufgeheizt.
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Eine außerordentlich günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle kann es dabei vorsehen, dass die elektrische Heizschicht elektrisch leitende Fasern mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung aufweist. Solche elektrisch leitenden Fasern erlauben einen Aufbau beispielsweise in der Art eines Gewirks oder Geflechts und können damit vorzugsweise entsprechend der oben beschriebenen Ausgestaltungsvariante gleichzeitig eine poröse Schicht ausbilden. Die elektrisch leitenden Fasern werden dann zum Beheizen von Strom durchflossen, sind aber an ihrer Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen, um eine elektrische Interaktion mit dem Elektrolyt zuverlässig auszuschließen. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle in dieser Ausgestaltung können die elektrisch leitenden Fasern dabei Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen, sogenannte C-Nanotubes, aufweisen. Diese eignen sich einerseits um eine poröse Schicht zu realisieren und können andererseits mit elektrischer Leistung beaufschlagt werden, um die Fasern entsprechend zu erwärmen und damit die Batterieeinzelzelle im Bereich ihres Elektrolyts zu beheizen, um diese schnell und effizient auf Betriebstemperatur zu bringen. Durch die geringe Dichte im Vergleich zu metallischen Fasern erhöhen sie dabei die Masse der Batterie kaum.
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Derartige Einzelzellen eignen sich nun insbesondere für eine Batterie, welche gemäß Anspruch 5 eine Mehrzahl derartiger Batterieeinzelzellen aufweist. Eine solche Batterie kann beispielsweise als Hochvoltbatterie oder HV-Batterie ausgebildet sein, also eine Gleichspannung von mehr als 60 V gemäß der Richtlinie EC-R 100 aufweisen. Sie kann vorzugsweise als Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug zum Einsatz kommen, ist jedoch nicht auf einen solchen Einsatzzweck beschränkt.
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Die Batterie selbst kann gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet sein. Dabei kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ein Heizstromkreis zum Beheizen der elektrischen Heizschichten der Batterieeinzelzellen mit einem der Batteriepole der zu beheizenden Batterieeinzelzelle verbunden sein. Dies macht den Aufbau außerordentlich einfach und effizient. Vorzugsweise das positive Potenzial kann also sowohl für die Leistung beim Laden und Entladen der Batterieeinzelzellen als auch für das Beheizen derselben über die elektrischen Heizschichten dasselbe sein. Die Heizung selbst kann dann im Bereich ihres negativen Potenzials vorzugsweise über einen Stromsteller, einen elektronischen Schalter oder dergleichen mit dem negativen Potenzial der Batterieeinzelzellen verbunden werden, um ein Beheizen der Batterieeinzelzellen mit Leistung aus der Batterie selbst zu bewerkstelligen.
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Wie bereits erwähnt lassen sich die elektrischen Heizschichten nun insbesondere zum Beheizen der Batterieeinzelzellen einsetzen, wenn diese in einem Temperaturbereich unterhalb ihrer idealen Betriebstemperatur sind. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Batterie sieht es dementsprechend gemäß Anspruch 8 vor, dass die wenigstens eine elektrische Heizschicht der Batterieeinzelzellen bei Bedarf mit elektrischer Leistung zum Beheizen der Batterieeinzelzellen beaufschlagt wird.
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Neben der Beheizung der Batterieeinzelzellen über die elektrischen Heizschichten lassen sich diese auch noch anderweitig nutzen, wodurch beispielsweise Temperatursensoren eingespart werden können. Dies führt zu einer erheblichen Einsparung an Bauelementen und an Verkabelungsaufwand. Dafür wird gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens der elektrische Widerstand des wenigstens einen elektrischen Heizschicht in einem Zeitabschnitt ohne Beheizung ermittelt. Aus dem ermittelten Widerstand wird dann auf eine Temperatur der Batterieeinzelzelle geschlossen. Die Messung der Temperatur und das Beheizen der Batterieeinzelzelle kann dabei zeitlich abwechselnd erfolgen oder bei Bedarf kann auch nur beheizt oder, bei ausreichender Temperatur der Batterieeinzelzelle, nur gemessen werden, um die Temperatur zu überwachen. Der elektrische Widerstand kann dabei direkt mit einer entsprechenden Temperatur verknüpft werden, beispielsweise über eine Kennlinie oder ein Kennfeld.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es jedoch vorgesehen sein, dass zum Ermitteln der Temperatur ein Modell verwendet wird, in welches die thermische Masse, der Wärmeleitwert und/oder die Geometrie der Batterieeinzelzelle eingeht. Diese Kennwerte sind konstruktiv in der Batterieeinzelzelle typischerweise bekannt, sodass diese in eine Modellrechnung mit einbezogen werden können, um situationsbedingt aus dem erfassten elektrischen Widerstand der wenigstens einen elektrischen Heizschicht in Batterieeinzelzelle auf deren tatsächliche Temperatur zu schließen. Das Modell kann darüber hinaus als selbstlernendes Modell ausgebildet werden und kann über sich im Laufe der Zeit adaptierende Kennlinien oder Kennfelder oder mittels neuronaler Netze und Methoden der künstlichen Intelligenz genutzt werden, um die Temperatur der jeweiligen Batterieeinzelzelle möglichst exakt zu bestimmen. Diese Werte lasen sich dann beispielsweise für die Steuerung der Kühlleistung, zur Abfuhr unerwünschter Abwärme oder auch zum Beheizen bzw. zum Feststellen, ob ein Heizbedarf vorhanden ist oder nicht, von einer Batteriesteuerung bzw. -regelung nutzen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle sowie einer Batterie gemäß der Erfindung und eines Verfahrens zum Betreiben einer derartigen Batterie ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
- 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erste mögliche Ausführungsform einer Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung;
- 2 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite mögliche Ausführungsform einer Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung;
- 3 einen schematischen Querschnitt durch eine dritte mögliche Ausführungsform einer Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung;
- 4 einen schematischen Querschnitt durch eine vierte mögliche Ausführungsform einer Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung; und
- 5 eine schematische Darstellung einer Batterie gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein schematischer Querschnitt durch die für die Elektrochemie einer Batterieeinzelzelle 1 wesentlichen Bestandteile gezeigt. Von oben nach unten sind die hier dargestellten Schichten dabei eine Anode 2 als erste Elektrode, ein flüssiger Elektrolyt 3, ein Separator 4, erneut der flüssige Elektrolyt 3 sowie eine Kathode 5 als zweite Elektrode. Der Aufbau kann dabei in an sich bekannter Weise gestapelt oder aufgewickelt sein, um so eine Batterieeinzelzelle beispielsweise in prismatischer Bauform, insbesondere als sogenannte Pouchzelle, bei welcher die elektrochemisch aktiven Bestandteile in einem Folienbeutel eingeschweißt sind, oder als Rundzelle mit einem becherförmigen Gehäuse auszubilden.
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Die Batterieeinzelzelle 1 soll dabei als Lithium-lonen-Batterie ausgebildet sein. Die Batterieeinzelzelle 1 weist nun benachbart zu dem Separator 4 eine elektrische Heizschicht 6 auf, welche hier zwischen dem Separator 4 und der Anode 2 in dem Elektrolyt 3 angeordnet ist. Diese elektrische Heizschicht 6 kann dabei vorzugsweise als poröse Schicht ausgebildet sein, insbesondere kann sie aus elektrisch leitenden Materialien bestehen, welche mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen sind. Diese Materialien können insbesondere Faser sein, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer isolierenden Beschichtung.
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Indem elektrischer Strom durch die elektrische Heizschicht 6 geleitet wird, kann nun durch ihren elektrischen Widerstand Wärme erzeugt werden, welche dann unmittelbar im Inneren der Batterieeinzelzelle 1 für eine ideale Beheizung, hier des Elektrolyts 3 und des Separators 4, sorgt. In der Darstellung der 2 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt. Diese unterscheidet sich lediglich dadurch, dass die elektrische Heizschicht 6 auf der anderen Seite des Separators 4 in dem dort befindlichen Elektrolyt 3 angeordnet ist, also zwischen dem Separator 4 einerseits und der Kathode 5 andererseits.
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In der Darstellung der 3 ist die elektrische Heizschicht 6 doppelt vorhanden, einerseits zwischen der Anode 2 und dem Separator 4 und andererseits zwischen der Kathode 5 und dem Separator 4. Hier wird also der Bereich beider Elektroden entsprechend beheizt. In der Darstellung der 4 ist eine weitere Ausführungsvariante zu erkennen. Hier ist die elektrische Heizschicht 6 in das Material des Separators 4 integriert ausgeführt und beheizt mittelbar über den Separator 4 den benachbart zu dem Separator 4 befindlichen Elektrolyt 3 auf beiden Seiten des Separators 4.
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5 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Batterie 7 bzw. ein Batteriemodul, welches in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sechs Batterieeinzelzellen 1 aufweist. Innerhalb jeder der Batterieeinzelzellen 1 ist über ein elektrisches Widerstandssymbol angedeutet eine der elektrischen Heizschichten 6 erkennbar, wobei dies gemäß den oben beschriebenen Ausführungsvarianten auch mehrere Heizschichten 6 sein könnten, beispielsweise die zwei elektrischen Heizschichten gemäß der Ausführungsvariante nach 3. Die elektrischen Heizschichten teilen sich dabei ein positives Zellterminal 8 mit den Batteriepolen der Batterieeinzelzellen 1, liegen also auf demselben Potenzial. Das negative Terminal 9 der Batterieeinzelzellen 1 ist dahingegen über eine Elektronik 10 mit einem negativen Anschluss 11 der einzelnen Heizschichten 6 verbunden, um so über die Elektronik 10 bzw. einen in der Elektronik angeordneten Schalter bei Bedarf die elektrische Beheizung der Batterieeinzelzellen 1 und damit der Batterie 7 einschalten zu können.
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Über die Elektronik 10 kann außerdem in zeitlichen Phasen, während welchen keine Beheizung der elektrischen Heizschichten 6 in den Batterieeinzelzellen 1 erfolgt, der elektrische Widerstand der elektrischen Heizschichten 6 ermittelt werden. Dieser elektrische Widerstand ist prinzipbedingt von der Temperatur der elektrischen Heizschichten 6 abhängig. Da die elektrischen Heizschichten 6 innerhalb der Batterieeinzelzellen 1 angeordnet sind, geben diese, zumindest wenn eine ausreichende Zeit seit ihrem Einsatz als Heizelemente 6 vergangen ist, die Temperatur innerhalb der Batterieeinzelzelle 1 relativ exakt wieder. Die Temperatur hängt dabei von den umgebenden Materialien der Batterieeinzelzellen 1 ab, beispielsweise der thermischen Masse, der Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Komponenten und dergleichen. Idealerweise kann sie daher über ein Modell, eine Kennlinie oder ein Kennfeld in Relation zu dem erfassten Widerstand gesetzt werden, um so auf Basis des erfassten Widerstands schnell und effizient die Temperatur jeder einzelnen Batterieeinzelzelle 1 oder aller Batterieeinzelzellen 1 der Batterie 7 gemittelt erfassen zu können. Den zusätzlichen Aufwand hinsichtlich der Montage von Temperatursensoren, deren Verkabelung und dergleichen kann somit eingespart werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019127803 A1 [0005]
