DE102022200989B3 - Hochvoltbatteriesystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochvoltbatteriesystem mit zumindest einem Zellverband, insbesondere Batteriemodul, der zumindest eine Lithiumionen-Batteriezelle (1) aufweist, in deren Zellgehäuse (3) zumindest ein Elektroden-/Separatorstapel angeordnet ist, der in Stapelrichtung unterteilt ist in zueinander gegenpolige Stapelend-Elektroden, das heißt Stapelend-Anode (A0) und Stapelend-Kathode (K0), sowie in Mittel-Elektroden, das heißt zumindest eine mittlere Anode (A1) und eine mittlere Kathode (K1), Erfindungsgemäß sind die Mittel-Elektroden (A1, K1) in einem Hauptstromkreis (H) zur Bestromung einer elektrischen Hauptlast, etwa Elektromaschine (EM), eingebunden, während die Stapelend-Elektroden (A0, Ko) in einem Nebenstromkreis (N) zur Bestromung einer elektrischen Nebenlast, etwa Peltierelemente (P) eingebunden sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Hochvoltbatteriesystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• In einer Lithiumionen-Batteriezelle sind die Anoden, Separatoren und Kathoden übereinander gestapelt. Das bedeutet, dass es am Stapelende immer eine Elektrodenfläche gibt, der keine Gegenelektrode zugeordnet ist. Normalerweise sind die Anoden größer dimensioniert als die Kathoden, da sie ein geringeres Gewicht als die Kathoden aufweisen und auch das Anodenaktivmaterial weniger kostspielig ist als das Kathodenaktivmaterial. Da im Stand der Technik der Stapelend-Anoden keine Gegenkathoden zugeordnet ist, können sich die darin eingelagerten Lithiumionen nicht bewegen. Das bedeutet, dass das äußere Aktivmaterial der Stapelend-Anode nicht für die Kapazität genutzt werden kann.
• Im Stand der Technik sind zudem die Stapelend-Elektroden meist als Anoden ausgebildet. Die Oberfläche der Anode, die nicht der Kathode gegenüberliegt, kann keine Lithiumionen aufnehmen. Das bedeutet, dass Aktivmaterialschichten der Stapelend-Anode praktisch keine Lithiumionen speichern kann.
• Theoretisch kann bei der Stapelend-Elektrode auf die äußere Aktivmaterialschicht verzichtet werden, das heißt die Stapelend-Elektrode mit nur einer Aktivmaterialschicht versehen sein. Das bedeutet, dass die Anodenoberfläche, die nicht der Kathode zugewandt ist, keine Beschichtung aufweist. Dies macht den Stapelprozess schwierig und auch langsam, da man verschiedene Magazine für einseitig beschichtete und beidseitig beschichtete Anoden vorhalten muss. Die ungenutzte Oberfläche der Stapelend-Anode erhöht zudem das Gewicht der Batteriezelle, trägt aber nicht zum Energieinhalt der Batteriezelle bei. Dies bedeutet, dass die Batteriezelle insgesamt nur eine reduzierte Energiedichte aufweist.
• Aus der DE 10 2019 212 976 A1 ist ein Zellstapel eines Batteriemoduls bekannt. Aus der DE 10 2019 216 545 A1 ist eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs bekannt. Aus der EP 3 435 476 A1 ist eine Batterie mit einer Kühleinrichtung bekannt. Aus der WO 2022 009 830 A1 ist eine Sekundärbatterie sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterie bekannt. Aus der DE 10 2013 219 064 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum fehlertoleranten Hilfsspannungsabgriff an einer Batterie bekannt.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Hochvoltbatteriesystem mit zumindest einer Batteriezelle bereitzustellen, die eine im Vergleich zum Stand der Technik größere Energiedichte aufweist.
• Die Aufgabe der Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
• Die Erfindung geht von einem Hochvoltbatteriesystem aus, das zumindest einen Zellverband, etwa ein Batteriemodul, aufweist. Das Batteriemodul ist zumindest aus einer Lithiumionen-Batteriezelle, in gängiger Praxis einer Anzahl von zum Beispiel hintereinander gestapelten Lithiumionen-Batteriezellen. Im Zellgehäuse der Lithiumionen-Batteriezelle ist zumindest ein Elektroden-/Separatorstapel angeordnet. Dieser ist in Stapelrichtung unterteilt in zueinander gegenpolige Stapelend-Elektroden, das heißt Stapelend-Anode und Stapelend-Kathode, sowie in Mittel-Elektroden, das heißt zumindest einer mittleren Anode und einer mittleren Kathode. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 sind die Mittel-Elektroden in einem Hauptstromkreis eingebunden, mit dem eine elektrische Hauptlast, zum Beispiel eine Elektromaschine, bestrombar ist. Demgegenüber sind die Stapelend-Elektroden in einem Nebenstromkreis eingebunden, mit dem eine elektrische Nebenlast, etwa Peltierelemente, bestrombar sind, mit deren Hilfe der Zellverband, das heißt das Batteriemodul, kühlbar/erwärmbar ist.
• In einer technischen Umsetzung kann jede der Elektroden im Elektroden-/Separatorstapel ein folienartiges Elektrodensubstrat aufweisen, das beidseitig mit Aktivmaterial beschichtet ist. Beispielhaft kann die Anode ein Elektrodensubstrat aus Kupfer aufweisen, das beidseitig mit Anodenaktivmaterial beschichtet ist. Demgegenüber kann die Kathode ein Elektrodensubstrat aus Aluminium aufweisen, das beidseitig mit Kathodenaktivmaterial beschichtet ist.
• Wenn die Stapelend-Anode und die Stapelend-Kathode aktiv sind, erzeugen sie etwa 3,7 Volt. Lediglich die Kapazität wird durch die aktive Materialbeschichtung auf der Stapelend-Anode und der Stapelend-Kathode begrenzt. Normalerweise erzeugt eine Zelle nicht allzu viel Energie aus nur diesen beiden Elektroden. Um mehr Energie zu erhalten, müssen alle Zellen in den Modulen nach dem gleichen Prinzip arbeiten. Wenn die Energie der beiden oberen und unteren Oberflächen jeder Zelle verbunden wird, erhält man mehr Kapazität und die Energie ist ausreichend, um die elektrische Last zu betreiben. Daher haben bevorzugt alle Zellen denselben erfindungsgemäßen Zellaufbau. Diese zusätzlichen Ableiter der Anoden bzw. Kathoden der einen Zelle werden mit den entsprechenden Ableitern der anderen Zellen verbunden (entweder in Reihe oder parallel) verbunden. Auf diese Weise kann man die notwendige Spannung (Reihenschaltung) und die notwendige Kapazität (Parallelschaltung) erhalten, um genügend Spannung und Energie für den Betrieb der elektrischen Last zu erhalten.
• Beispielhaft kann ein Batteriemodul 12 Zellen aufweisen. Angenommen, eine Zelle hat eine Kapazität von 40 Ah und eine Zelle besteht aus 10 Elektroden, dann trägt eine Elektrode 4 Ah bei. Das bedeutet, dass die Stapelend-Anode und die Stapelend-Kathode, wenn sofern diese an eine elektrische Last angeschlossen sind, etwa 3,7 Volt und 4 Ah Kapazität liefern. Damit verfügt jede Zelle über Extra-Energie von 14,8 Wh, die nunmehr genutzt wird. Diese Extra-Energie ist in der derzeitigen Lithiumionen-Zelle nicht verfügbar.
• Die Stapelend-Anode und die Stapelend-Kathode können beispielhaft jeweils zwei Ableiter aufweisen. Ein Ableiter der Anode wird wie in einer herkömmlichen Zelle mit den anderen Anoden-Ableitern verschweißt. In ähnlicher Weise wird ein Kathode-Ableiter mit anderen Kathoden-Ableitern verschweißt. Von Bedeutung ist der zusätzliche zweite Ableiter der Stapelend-Anode und der Stapelend-Kathode Der zusätzliche Ableiter wird nicht mit den anderen Anoden bzw. Kathoden verbunden. Sie werden vielmehr mit der Stromschiene verbunden.
• Die Hauptunterschiede zwischen dieser Idee und dem Stand der Technik sind wie folgt: Kathoden- und Anodenelektrode sind in gleicher Anzahl angeordnet. Die An einem Stapelende ist eine Stapelend-Anode positioniert, während am anderen Stapelende eine Stapelend-Kathode positioniert sind. Die Stapelend-Anode kann gegebenenfalls zwei Ableiter aufweisen, während die anderen Anoden nur einen Stromkollektor aufweisen. Die ersten Stromkollektoren aller Anoden werden durch Laser- oder Ultraschallschweißen nach herkömmlichem Verfahren zusammengeschweißt. Der zweite Stromabnehmer der Stapelend-Anode wird ohne Schweißung belassen. Gleiches trifft auch auf die Stapelend-Kathode sowie den anderen Kathoden zu. Die Stromschiene (das heißt busbar) kann zwei oder drei Anschlussstellen (slots) für jede Zelle aufweisen. Im ersten geschweißten Slot wird der erste Stromabnehmer verschweißt. Im zweiten Slot wird der zweite Stromabnehmer der Stapelend-Anode oder der Stapelend-Kathode geschweißt. Der erste Stromabnehmer kann eine hohe Spannung für das Modul liefern. Demgegenüber kann der zweite Stromabnehmer jeder Zelle, der mit der Stromschiene verschweißt ist, liefert zusätzliche Energie (das heißt Extra-Energie) für den Betrieb kleiner elektrischer Verbraucher wie Heizung/Kühlung des Moduls, Sensoren und Steuersystem für das Modul und auch andere elektrische Verbraucher mit niedriger Spannung liefern.
• Es ist hervorzuheben, dass sich die Lithiumionen langsamer bewegen zwischen der Stapelend-Anode und der Stapelend-Kathode, so dass die Extra-Energie nicht schneller zur Verfügung steht. Dies bedeutet, dass es elektrische Lasten mit geringer Leistung betreiben kann. Bei den anderen Elektroden (nachfolgend Mittel-Elektroden genannt) bewegen sich die Lithium-Ionen schneller zwischen der Anode und der benachbarten Kathode. Daher ist hier eine hohe Leistung verfügbar. Diese Energie kann zum Betrieb eines Fahrmotors verwendet werden. Die Aufladung der Stapelend-Anode ist im Vergleich zu anderen Anodenflächen langsamer, da die Lithiumionen einen langen Weg von der untersten Kathodenfläche zur obersten Anodenfläche zurücklegen müssen.
• Beispielhaft kann ein Schalter vorgesehen sein, der mit der elektrischen Last verbunden ist. Sobald der Schalter geschlossen ist, wird die zusätzlich verfügbare Energie (das heißt Extra-Energie) der elektrischen Last zugeführt. Dieser Schalter kann vom Batteriemanagementsystem über das Zellmanagementsystem bedient werden. Die erfindungsgemäße Zelle kann daher zwei Arten von Energie liefern: eine Hauptenergie mit hoher C-Rate für die Hauptlast (zum Beispiel eine Fahrmotor) und zusätzliche Extra-Energie mit niedriger C-Rate für eine Nebenlast. Diese beiden Energiearten können unabhängig voneinander überwacht und bereitgestellt werden.
• Mit der Erfindung werden daher folgende Vorteile erzielt: Die Zelle verfügt über zusätzliche Energie (das heißt Extra-Energie), die in herkömmlichen Zellen nicht verfügbar ist. Bei einer Zelle mit 40Ah Kapazität und einem Modul aus 12 Zellen wird 10% zusätzliche Energie, etwa 178Wh, bereitgestellt. Bei einer derzeitigen konventionellen Batteriezelle werden die Stapelend-Elektroden kaum oder gar nicht zur Energieerzeugung und -speicherung genutzt. Dies erhöht nur das Gewicht und die Kosten der Zelle. Im Unterschied dazu werden erfindungsgemäß die Stapelend-Anode und die Stapelend-Kathode für die Energieerzeugung und -speicherung verwendet. Zudem besteht keine Notwendigkeit, eine separate, nur einseitig beschichtete Stapelend-Anode herzustellen. Vielmehr weisen erfindungsgemäß sowohl die Stapelend-Elektroden als auch die Mittel-Elektroden eine beidseitige Beschichtung mit Aktivmaterial auf. Erfindungsgemäß ist daher kein komplexer und zeitaufwändiger Stapelungsprozess erforderlich, bei dem die Stapelend-Elektroden nur einseitig beschichtet sind. Vielmehr sind erfindungsgemäß die Anoden und Kathoden in gleicher Anzahl bereitgestellt, so dass der Stapelvorgang sehr einfach und schnell ist. Die Produktion der Zelle ist in geringer Prozessdauer durchführbar. Die zusätzlich verfügbare Energie (Extra-Energie) kann für den Betrieb kleiner elektrischer Lasten unabhängig von der Hauptenergie des Moduls verwendet werden. Die zusätzliche Energie kann zum Heizen/Kühlen der Zelle innerhalb des Moduls verwendet werden. Sie kann auch für den Betrieb einiger Sensoren verwendet werden, die die Sicherheit des Moduls erhöhen können. Es ist auch möglich, dass diese Energie an viele elektrische Geräte mit niedriger Spannung und geringer Leistung geliefert werden kann. Diese Geräte werden in den vorliegenden Fällen von der Energie des Hauptmoduls versorgt. Das bedeutet, dass die Energie des Hauptmoduls vollständig für den Fahrmotor zur Verfügung steht. Andere Geräte können mit dieser zusätzlichen Energie im Modul betrieben werden. Es ist auch möglich, den zweiten Stromabnehmer so an die Stromschiene anzuschließen, dass er 12 Volt liefert. Das bedeutet, dass diese zusätzliche Energie alle Niederspannungsgeräte im Auto betreiben kann. Die Modulspannung ist relativ hoch und muss nicht verringert werden, um Niederspannungsgeräte zu betreiben. Sowohl die Hauptenergie aus der Batteriezelle als auch die Extra-Energie können unabhängig voneinander abgerufen werden. Das heißt, selbst wenn das Modul vom Fahrmotor getrennt wird, kann die zusätzliche Energie immer noch Niederspannungsgeräte betreiben.
• Normalerweise weist eine konventionelle Zelle zum Beispiel fünf Kathoden und sechs Anoden auf. Erfindungsgemäß sind dagegen nur fünf Anoden und fünf Kathoden erforderlich. Auf diese Weise wird die Größe der Zelle reduziert. Die Kosten der Zelle werden reduziert, da eine Elektrode weniger benötigt wird. Auch wenn es eine Elektrode weniger ist, haben wir mit dieser Idee etwa 10% mehr Energie.
• Es ist folgendes zu beachten: Die Lithium-Ionen müssen einen längeren Weg zurücklegen, wenn die Stapelend-Anode mit der Stapelend-Kathode verbunden sind. Da der Weg lang ist, erhöht sich der Innenwiderstand. Diese Lithium-Ionen bewegen sich nur mit einer geringen C-Rate, wenn alle Elektroden mit einer elektrischen Last, wie einem Fahrmotor, verbunden sind. Dies ist mehr oder weniger der Fall bei einer herkömmlichen Batteriezelle. Hier spielen die Stapelend-Anode und die Stapelend-Kathode eine geringere Rolle. Zumindest liefern diese erfindungsgemäß Energie (das heißt die Extra-Energie) mit einer niedrigen C-Rate. In einer konventionellen Batteriezelle sind meist die beiden Stapelend-Elektroden als Anoden ausgebildet, so dass von diesen Elektroden keine Energie zur Verfügung steht. Wenn bei der Erfindung lediglich die Stapelend-Anode und die Stapelend-Kathode mit der elektrischen Last verbunden sind, sind die Lithium-Ionen gezwungen, sich zu bewegen. Sie nehmen dann einen längeren Bewegungspfad und bewegen sich mit einer niedrigen C-Rate von der Stapelend-Anode zur Stapelend-Kathode. Die innere Aktivmaterialschicht der Stapelend-Anode gibt keine Lithiumionen an die benachbarte Kathode ab, da die diese nicht mit der elektrischen Last verbunden ist. Daher wird auch die innere Aktivmaterialschicht der Stapelend-Anode Lithiumionen über einen längeren Bewegungspfad zur äußeren Aktivmaterialschicht der Stapelend-Kathode abgeben. Die äußere Aktivmaterialschicht der Stapelend-Anode hat keine angrenzende Gegenkathode. Daher bewegen sich die Lithium-Ionen über einen längeren Bewegungspfad zur Stapelend-Kathode. Auf diese Weise wird zusätzliche Energie (Extra-Energie) aus zwei Aktivmaterialschichten der Stapelend-Elektroden gewonnen. Diese zusätzliche Energie ist in einer herkömmlichen Batterie nicht verfügbar. Diese zusätzliche Energie kann unabhängig von der Hauptenergie der Zelle genutzt werden, indem einfach die oberste Anode und die unterste Kathode verbunden werden.
• Wenn alle Elektroden, außer der Stapelend-Anode und der Stapelend-Kathode angeschlossen sind, sind die äußeren Aktivmaterialschichten der Stapelend-Kathode und der Stapelend-Anode inaktiv. Die untere Fläche der Anode, die sich direkt über der untersten Kathode befindet, gibt Lithiumionen über einen langen Weg an die obere Fläche der Kathode ab, die unter der obersten Anode liegt. Diese Lithium-Ionen müssen ebenfalls einen langen Weg zurücklegen und werden sich daher kaum bewegen. Das bedeutet, dass theoretisch drei Flächen der Anode und drei Flächen der Kathode nicht genutzt werden. Daher wird diese Variante in der vorliegenden Idee weniger Energie liefern. Diese Variante der Elektrodenverbindung wird weniger bevorzugt. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass, sofern zusätzliche Energie benötigt wird, nur die Stapelend-Anode mit der Stapelend-Kathode verbunden wird Sofern die gesamte Zellenergie benötigt wird, sollten dagegen alle Elektroden angeschlossen sein.
• Zudem kann für die Heizung und Kühlung einer Modulplatte ein Peltierelement verwendet werden, das die Zelle schnell aufheizt oder abkühlt. Auf diese Weise wird die Belastung der Kühlplatte (unterhalb des Moduls) reduziert. Die Peltierelemente werden mit der Seitenplatte des Moduls durch einen leitfähigen Kleber oder durch eine Schraubverbindung verbunden. Die Oberfläche des Peltierelements, die nicht in Kontakt mit der Modulplatte ist, wird durch den Kontakt mit der Kühlplatte oder durch das Aluminium-Strangpressprofil des Batteriesystems wieder auf Raumtemperatur gebracht. Das Peltierelement erhält Energie von der ersten und letzten Elektrode, die wir als zusätzliche Energie bezeichnet haben.
• Die im Hauptstromkreis und im Nebenstromkreis angeordneten Schalter können vom Batteriemanagementsystem betätigt werden und übertragen die zusätzliche Energie von der ersten und letzten Elektrode entweder an den Fahrmotor oder an das Peltierelement. Die Schalter können so ausgelegt sein, dass nicht nur der Stromfluss durch das Peltierelement unterbrechbar ist, sondern auch die Strom-Richtung steuerbar ist. Auf diese Weise wird das Peltierelement die Modulplatte entweder erwärmen oder kühlen.
• Die Batteriezelle kann mittels der Peltierelement sehr schnell abgekühlt und aufgeheizt werden, da die Peltierelemente mit der Seitenplatte des Moduls verbunden sind und sich sehr nahe an der großen Oberfläche der Zelle befinden, wo eine maximale Wärmeübertragung stattfinden kann. Auch wenn die Peltierelemente einen geringen Wirkungsgrad haben, wird die Energie der Zelle nicht reduziert. Es wird lediglich zusätzliche Energie durch die Verwendung der oberen und unteren Elektrode für den Betrieb der Peltierelemente verwendet. Die Zelle kann bei niedriger Temperatur schnell aufgeheizt werden. Hier wird nicht die gesamte Zelle für den Betrieb der Peltierelemente verwendet, so dass die Gefahr einer Lithiumplattierung nicht gegeben ist. Das derzeitige Kühlsystem mit fließendem Kühlmedium wird nicht verändert. Die Belastung der Kühlplatte wird reduziert, da die Kühlung zusätzlich durch Peltierelemente erfolgt. Auf diese Weise wird weniger Zellenergie für den Betrieb der Kühlplatte benötigt. Es kann sogar zusätzliche Energie für den Betrieb der Kühlplatte mit Kühlmittelfluss verwendet werden. Peltierelemente können einfach auf die Modulplatte geklebt oder geschraubt werden. Wenn die Peltierelemente nicht in Gebrauch sind, kann die überschüssige Energie der oberen und unteren Elektrode auch zum Fahrmotor umgeleitet werden. Die Gefahr eines thermischen Durchgehens wird verringert, da die Kühlung viel schneller ist als die konventionelle Kühlung. Die Lebensdauer der Zelle wird erhöht, da die Zelle im optimalen Temperaturbereich von 10 bis 40°C arbeitet. Peltierelemente reagieren sofort auf jede Änderung der eingestellten Temperatur.
• Nachfolgend wird eine bevorzugte Gestaltung des Hauptstromkreises beschrieben. Demnach ist die mittlere Anode, insbesondere alle mittleren Anoden, mit einem anodenseitigen Haupt-Zellableiter elektrisch verbunden. In gleicher Weise ist die mittlere Kathode, insbesondere alle mittleren Kathoden, mit einem kathodenseitigen Haupt-Zellableiter elektrisch verbunden. Der anodenseitige Haupt-Zellableiter und der kathodenseitige Haupt-Zellableiter sind über eine Haupt-Stromleitung miteinander verbinden, in der die elektrische Hauptlast angeordnet ist.
• Eine vorteilhafte Gestaltung des Nebenstromkreises ist wie folgt: So kann die Stapelend-Anode mit zumindest einem anodenseitigen Neben-Zellableiter elektrisch verbunden sein. In gleicher Weise kann die Stapelend-Kathode mit zumindest einem kathodenseitigen Neben-Zellableiter elektrisch verbunden sein. Der anodenseitige Neben-Zellableiter und der kathodenseitige Neben-Zellableiter sind über eine Neben-Stromleitung miteinander verbunden, in der die elektrische Nebenlast angeordnet ist.
• Der anodenseitige Haupt-Zellableiter und der anodenseitige Neben-Zellableiter können über eine elektrische Verbindungsleitung mit integriertem Verbindungsschalter elektrisch miteinander verbindbar sein. In gleicher Weise können der kathodenseitige Haupt-Zellableiter und der kathodenseitige Neben-Zellableiter über eine elektrische Verbindungsleitung mit integriertem Verbindungsschalter miteinander verbindbar sein.
• Zudem kann im Hauptstromkreis ein Schalter angeordnet sein, mit dem ein Stromfluss im Hauptstromkreis unterbrechbar ist. In gleicher Weise kann im Nebenstromkreis ein Schalter angeordnet sein, mit dem ein Stromfluss im Nebenstromkreis unterbrechbar ist.
• Mit den oben beschriebenen Hauptstrom- und Nebenstromkreisen kann die Batteriezelle in den nachfolgend beschriebenen unterschiedlichen Betriebsarten entladen werden. In einem ersten Entladebetrieb ist die elektrische Nebenlast alleine mittels der Stapelend-Elektroden, das heißt ohne Mittel-Elektroden, bestrombar. Zur Durchführung des ersten Entladebetriebs kann ein Stromfluss im Hauptstromkreis durch Öffnen des Hauptstromkreis-Schalters unterbrochen sein. Zudem kann im Nebenstromkreis durch Schließen des Nebenstromkreis-Schalters ein Stromfluss erfolgen. In diesem Fall bewegen sich die Elektronen von der Stapelend-Anode in der Neben-Stromleitung über die Nebenlast bis zur Stapelend-Kathode, während sich gleichzeitig die in der Stapelend-Anode eingelagerten Lithiumionen über lange Bewegungspfade im Elektrolyt (das heißt nicht durch die Separatoren) bis zur Stapelend-Kathode bewegen und dort einlagern. E1: Im ersten Entladebetrieb ist sind nur die Stapelend-Anode und die Stapelend-Kathode aktiv. Das bedeutet, dass die von der Stapelend-Anode und die Stapelend-Kathode gelieferte Energie geringer ist und nur eine kleine Last betreiben kann.
• In einem zweiten Entladebetrieb kann die elektrische Hauptlast alleine durch die Mittel-Elektroden, das heißt ohne Stapelend-Elektroden, bestrombar sein. Zur Durchführung des zweiten Entladebetriebs kann durch Öffnen des Nebenstromkreis-Schalters ein Stromfluss im Nebenstromkreis unterbrochen sein. Gleichzeitig kann im Hauptstromkreis durch Schließen des Hauptstromkreis-Schalters ein Stromfluss erfolgen. In diesem Fall bewegen sich die Elektronen von der mittleren Anode in einer Hauptstromkreis-Stromleitung über die Hauptlast bis zur mittleren Kathode. Gleichzeitig bewegen sich die in der Mittel-Anode eingelagerten Lithiumionen über kurze Bewegungspfade, das heißt über den Separator, bis zur benachbarten Mittel-Kathode und werden dort eingelagert.
• In einem dritten Entladebetrieb kann sowohl die Hauptlast als auch die Nebenlast mittels sämtlicher Elektroden bestrombar sein. Zur Durchführung des dritten Entladebetriebs kann der Hauptstromkreis-Schalter geschlossen sein, um einen Stromfluss im Hauptstromkreis zu ermöglichen. Gleichzeitig kann der Nebenstromkreis-Schalter geschlossen sein, um einen Stromfluss im Nebenstromkreis zu ermöglichen. Zudem kann der anodenseitige Verbindungsschalter geschlossen sein, wodurch der anodenseitige Haupt-Zellableiter und der anodenseitige Neben-Zellableiter miteinander elektrisch verbunden sind. Gleichzeitig kann der kathodenseitige Verbindungsschalter geschlossen sein, wodurch der kathodenseitige Haupt-Zellableiter und der kathodenseitige Neben-Zellableiter elektrisch miteinander verbunden sind.
• Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
• Es zeigen:
• 1 bis 7 Ansichten, anhand derer der Aufbau sowie die Funktionsweise eines Hochvoltbatteriesystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht sind;
• 8 und 9 Ansichten, anhand derer der Aufbau sowie die Funktionsweise eines Hochvoltbatteriesystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht ist; sowie
• 10 bis 12 Ansichten, anhand derer die Funktionsweise von im Hochvoltbatteriesystem verbauten Peltierelementen veranschaulicht sind.
• In der 1 ist ein Hochvoltbatteriesystem insoweit angedeutet, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Das Hochvoltbatteriesystem weist in gängiger Praxis eine Mehrzahl von miteinander elektrisch verschalteten Batteriemodulen 43 (10) auf. In jedem Batteriemodul 43 sind Lithiumionen-Batteriezellen 1 (2) gestapelt, die ebenfalls elektrisch miteinander verschaltet sind. Beispielhaft ist in der 1 lediglich eine der Lithiumionen-Batteriezellen 1 ohne Zellgehäuse 3 gezeigt. Die weiteren, nicht dargestellten Batteriezellen können einen identisch Zellaufbau aufweisen.
• Wie aus der 2 hervorgeht, weist die Batteriezelle 1 ein Zellgehäuse 3 auf, in dem ein Elektroden-/Separatorstapel angeordnet ist, in dem Anoden, Separatoren und Kathoden abwechselnd übereinander gestapelt sind. In den 1 und 2 sind die Anoden, Separatoren, Kathoden aus Gründen der Übersichtlichkeit voneinander beabstandet dargestellt. Das Zellgehäuse 3 ist mit einem nicht gezeigten flüssigen Elektrolyt gefüllt.
• Erfindungsgemäß ist der Elektroden-/Separatorstapel in Stapelrichtung unterteilt in zueinander gegenpolige Stapelend-Elektroden, das heißt einer Stapelend-Anode A₀ und einer Stapelend-Kathode K₀, sowie in Mittel-Elektroden, das heißt in zwei mittlere Anoden A₁ und in zwei mittlere Kathoden K₁.
• Die Anoden A₀, A₁ weisen jeweils ein folienartiges Elektrodensubstrat aus zum Beispiel Kupfer auf, das beidseitig mit Anodenaktivmaterial beschichtet ist. In gleicher Weise ist jede der Kathoden K₀, K₁ mit einem folienartigen Elektrodensubstrat zum Beispiel aus Aluminium ausgebildet, das beidseitig mit Kathodenaktivmaterial beschichtet ist. In der 1 sind ist das Aktivmaterial beiden Stapelend-Elektroden A₀ und K₀ jeweils gestrichelt angedeutet.
• Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass die Mittel-Elektroden A₁, K₁ in einem Hauptstromkreis H eingebunden sind, mittels dem die Elektromaschine EM bestrombar ist. Die Stapelend-Elektroden A₀, K₀ sind dagegen in einem Nebenstromkreis N eingebunden, mittels dem Peltierelemente P bestrombar sind, mit deren Hilfe das Batteriemodul 43 temperiert werden kann.
• Der Aufbau des Hauptstromkreises H ist nachfolgend beschrieben: So sind die Ableiterfahnen 5 der mittleren Anoden A₁ miteinander (zum Beispiel durch Schweißung) elektrisch verbunden, und zwar unter Bildung eines anodenseitigen Haupt-Zellableiters 7. In gleicher Weise sind die Ableiterfahnen 9 der beiden mittleren Kathoden K₁ miteinander (zum Beispiel durch Schweißung) elektrisch verbunden, und zwar unter Bildung eines kathodenseitigen Haupt-Zellableiters 11. Sowohl der anodenseitige Haupt-Zellableiter 7 als auch der kathodenseitige Haupt-Zellableiter 11 sind vom Inneren des Zellgehäuses 3 bis nach gehäuseaußen geführt, wie es in der 2 schematisch angedeutet ist. Der anodenseitige Haupt-Zellableiter 7 ist in er 1 in elektrischer Verbindung mit einer Anschlussstelle 13 (das heißt Slot) einer anodenseitigen Stromschiene 15 (das heißt Busbar). In gleicher Weise ist der Haupt-Zellableiter 11 in elektrischer Verbindung mit einer Anschlussstelle 16 einer kathodenseitigen Stromschiene 17. Gemäß der 1 sind der anodenseitige Haupt-Zellableiter 7 und der kathodenseitige Haupt-Zellableiter 11 mit einer Haupt-Stromleitung 19 miteinander verbunden, in der die Elektromaschine EM angeordnet ist.
• Nachfolgend wird anhand der 1 der Aufbau des Nebenstromkreises N beschrieben. Demnach ragen von der Stapelend-Anode A₀ zwei Ableiterfahnen 21, 23 ab, die nicht mit den Ableiterfahnen 5 der mittleren Anode A₁ verschweißt sind. Vielmehr bilden die beiden Ableiterfahnen 21, 23 jeweils anodenseitige Neben-Zellableiter, die vom Inneren des Zellgehäuses 3 nach gehäuseaußen geführt sind, wie es in der 2 angedeutet ist. Die beiden Ableiterfahnen 21, 23 sind in elektrischem Kontakt mit Anschlussstellen 25, 26 (Slots) der anodenseitigen Stromschiene 15. Die beiden Anschlussstellen 25, 26 sind über einen Schalter S1 miteinander elektrisch verbindbar. Zudem sind die Anschlussstelle 25 (das heißt die Ableiterfahne 21 der Stapelend-Anode A₀) und die Anschlussstelle 13 (das heißt der anodenseitige Haupt-Zellableiter 7) über eine Verbindungsleitung 27 mit integriertem Verbindungsschalter S2 elektrisch miteinander verbindbar.
• In gleicher Weise ragen von der Stapelend-Kathode K₀ zwei Ableiterfahnen 29, 31 ab, die nicht mit den Ableiterfahnen 9 der mittleren Kathoden K₁ verschweißt sind. Vielmehr bilden die beiden Ableiterfahnen 29, 31 jeweils kathodenseitige Neben-Zellableiter, die vom Inneren des Zellgehäuses 3 nach gehäuseaußen geführt sind. Die beiden kathodenseitigen Zellableiter 29, 31 sind in Kontakt mit Anschlussstellen 33, 35 (Slots) der kathodenseitigen Stromschiene 17. Die beiden Anschlussstellen 33, 35 sind außerdem über einen Schalter S5 miteinander elektrisch verbindbar. Zudem sind die Anschlussstellen 35 (das heißt Ableiterfahne 31 der Stapelend-Kathode Ko) und die Anschlussstelle 16 (das heißt kathodenseitiger Haupt-Zellableiter 11) über eine Verbindungsleitung 37 mit integriertem Verbindungsschalter S6 miteinander elektrisch verbindbar.
• In der 1 ist zudem im Hauptstromkreis H ein Hauptstromkreisschalter S4 vorgesehen, mit dem ein Stromfluss im Hauptstromkreis H unterbrechbar ist. Ebenso ist im Nebenstromkreis N ein Nebenstromkreisschalter S3 vorgesehen, mit dem ein Stromfluss im Nebenstromkreis N unterbrechbar ist.
• In den 1 bis 4 weisen die beiden Stapelend-Elektroden A₀, K₀ jeweils zwei Ableiterfahnen 21, 23 bzw. 29, 31 auf, während die Mittel-Elektroden A₁, K₁ jeweils nur eine Ableiterfahne 5 aufweisen. Im Hinblick auf einen fertigungstechnisch einfachen Zusammenbau ist das folgende Ausführungsbeispiel von Vorteil: Demnach weist jede der Mittel-Elektroden A₁, K₁ nicht nur eine, sondern zwei Ableiterfahnen 5 auf. Dadurch kann der Stapelvorgang vereinfacht werden. Zudem müssen nicht zwei unterschiedliche Elektroden-Geometrien (das heißt Elektroden mit einem Ableiter sowie Elektroden mit zwei Ableitern) vorgehalten werden. Die beiden Ableiter 21, 23 bzw. 29, 31 der Stapelend-Elektroden A₀, K₀ werden jeweils in einem separaten Slot in der zugeordneten Stromschiene 15, 17 untergebracht. Sie werden nicht zusammengeschweißt. Die beiden Ableiter der Mittel-Elektroden A₁, K₁ werden in denselben Slot in der Stromschiene 15, 17 eingesetzt und dort zusammengeschweißt.
• Die Anschlussstellen 13, 16 sind gemäß der 1 in elektrischer Verbindung mit Haupt-Zellableitern 7, 11 weiterer (nicht gezeigter) Batteriezellen 1 des Batteriemoduls 43. Ebenso sind die Anschlussstellen 25, 26, 33, 35 in elektrischer Verbindung mit Neben-Zellableitern 21, 23, 29, 31 weiterer Batteriezellen 1 des Batteriemoduls 43.
• Mit den oben beschriebenen Haupt- und Nebenstromkreisen H, N sind die nachfolgend beschriebenen Entlade-Betriebsarten E1, E2, E3 durchführbar, die in der Schaltmatrix gemäß 6 aufgelistet sind: In einem ersten Entladebetrieb E1 (3) sind die Peltierelemente P alleine mittels der Stapelend-Elektroden A₀, K₀, das heißt ohne Mittel-Elektroden A₁, K₁ bestromt. Die stromführenden Leitungen sind in der 3 (wie auch in den 4 und 5) mit großer Strichstärke hervorgehoben. Zur Durchführung des ersten Entladebetriebs E1 ist der Hauptstromkreis-Schalter S4 unterbrochen, während der Nebenstromkreis-Schalter S3 geschlossen ist. Die Schalter S1 und S5 sind ebenfalls geschlossen, während der Schalter S2 geöffnet ist. In diesem Fall bewegen sich Elektronen von der Stapelend-Anode A₀ in einer Neben-Stromleitung 30 über die Peltierelemente P bis zur Stapelend-Kathode K₀. Gleichzeitig bewegen sich die in der Stapelend-Anode A₀ eingelagerten Lithiumionen über lange Bewegungspfade I, II im Elektrolyt bis zur Stapelend-Kathode K₀ und lagern sich dort ein.
• In einem zweiten Entladebetrieb E2 wird die Elektromaschine EM alleine durch die Mittel-Elektroden A₁, K₁, das heißt ohne Stapelend-Elektroden A₀, K₀ bestromt. Zur Durchführung des zweiten Entladebetriebs E2 ist der Nebenstromkreis-Schalter S3 geöffnet und der Hauptstromkreis-Schalter S4 geschlossen. In diesem Fall bewegen sich Elektronen von Mittel-Anoden A₁ in der Haupt-Stromleitung 19 über die Elektromaschine EM bis zu den Mittel-Kathoden K₁. Gleichzeitig bewegen sich in den Mittel-Anoden A₁ eingelagerten Lithiumionen über kurze Bewegungspfade III, das heißt über die jeweiligen Separatoren S, bis zur benachbarten Mittel-Kathode K₁ und lagern sich dort ein.
• In einem dritten Entladebetrieb E3 werden sowohl die Elektromaschine EM als auch die Peltierelemente P mittels sämtlicher Elektroden A₀, A₁, K₀, K₁ bestromt. Zur Durchführung des dritten Entladebetriebs E3 ist der Hauptstromkreis-Schalter S4 und der Nebenstromkreis-Schalter S3 geschlossen. Ebenso sind die weiteren Schalter S1, S2, S5 und S6 geschlossen.
• Beispielhaft wird in der 7 ein Batteriemodul mit zwölf Batteriezellen 1 betrachtet, die in unterschiedlichen Verschaltungsschemata zueinander in Reihen-/Parallelschaltung miteinander verschaltet sind. In jeder Batteriezelle 1 liefern die Stapelend-Anode A₀ und die Stapelend-Kathode K₀ im Entladebetrieb etwa 3,7 Volt. Angenommen, jede Zelle hat 40 Ah und es gibt zehn Anoden und Kathoden pro Zelle 1, dann hat ein Elektrodenpaar eine Kapazität von 4Ah. Das bedeutet, dass im Entladebetrieb die Stapelend-Anode A₀ und die Stapelend-Kathode K₀ zusammen 3,7 V x 4 Ah = 14,8 Wh Energie liefern können. Sofern das Modul zwölf Zellen aufweist, kann man bei verschiedenen Parallel- und Reihenkombinationen unterschiedliche Spannungen und Kapazitäten erhalten. Die zusätzliche Energie, die jetzt zur Verfügung steht, beträgt 14,8 Wh x 12 = 177,6 Wh. Diese Energie kann verwendet werden, um kleine Lasten wie Kühlelemente und Heizelemente zu betreiben und um Niederspannung (12 V) zu erzeugen.
• Beispielhaft wird sich auf ein 3P4S-System mit zwölf Zellen mit jeweils 40 Ah bezogen. In diesem Fall ergeben die Zellen 40 x 3 = 120 Ah und 3,7 x 4= 14,4 V. Das bedeutet, dass eine herkömmliche Zelle 1728 Wh Energie liefert. Mit der gegenwärtigen Idee kann man zusätzlich 10% Energie in der Zelle gewinnen, nämlich 1906 Wh. Es besteht kein Zweifel, dass die zusätzliche Energie bei niedriger C-Rate verfügbar ist, da die Lithiumionen mehr Zeit benötigen, um von der Stapelend-Anode A₀ zur Stapelend-Kathode K₀ zu gelangen. Diese 10% zusätzliche Energie, nämlich etwa 178 Wh, kann für viele Zwecke wie Zellsicherheit, Zellkühlung und Zellheizung verwendet werden.
• In der 8 ist ein Hochvoltbatteriesystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, dessen Aufbau sowie Funktionsweise im Wesentlichen dem Hochvoltbatteriesystem des ersten Ausführungsbeispiels entspricht. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist in der 8 die Stapelend-Anode A₀ lediglich eine Ableiterfahne 21 auf, die in elektrischem Kontakt mit der Anschlussstelle 25 der anodenseitigen Stromschiene 15 ist. In gleicher Weise ist auch die Stapelend-Kathode K₀ mit nur einer Ableiterfahne 31 ausgebildet, die in elektrischem Kontakt mit der Anschlussstelle 35 der kathodenseitigen Stromschiene 17 ist. Gemäß der 8 sind der anodenseitige Haupt-Zellableiter 7 und die Ableiterfahne 21 der Stapelend-Anode A₀ nicht über eine Verbindungsleitung miteinander verbindbar. Entsprechend sind auch der kathodenseitige Haupt-Zellableiter 11 und die Ableiterfahne 31 der Stapelend-Kathode K₀ nicht über eine Verbindungsleitung miteinander elektrisch verbindbar.
• Vielmehr sind in der 8 die Haupt-Stromleitung 19 und die Neben-Stromleitung 13 jeweils vor und nach der Nebenlast P und der Hauptlast EM über Schalter S1, S2 miteinander verbindbar oder voneinander entkoppelbar. Auf diese Weise lassen sich je nach Schaltstellungen der Schalter S1 bis S4 die in der Schaltmatrix gemäß 9 angedeuteten Entladebetriebsarten E1, E2, E3 durchführen.
• Die Funktionsweise der Peltierelemente P wird anhand der 10 bis 12 beschrieben. In der 10 ist in einer Ansicht von oben ein Batteriegehäuse 41 eines Hochvoltbatteriesystems gezeigt, in dem beispielhaft zwei Batteriemodule 43 angeordnet sind. Jedes der Batteriemodule 43 weist sechs Batteriezellen 1 mit zwischengeordneten Kompressionspads 45 auf. Die Zellableiter der Batteriezellen 1 sind über Stromschienen 15, 17 mit Zellterminals 47, 49 elektrisch verbunden. An, in Zellstapelrichtung gegenüberliegenden Modulwänden 51 sind die Peltierelemente P angeordnet. Die Peltierelemente P sind zusammen mit einer Kühlplatte 53 (11) Bestandteil eines Temperiersystems, mit dem das Batteriemodul 41 gekühlt oder erwärmt werden kann. Wie aus der Frontansicht der 11 hervorgeht, ist die Kühlplatte 53 unmittelbar unterhalb eines Modulbodens 55 angeordnet. Zwischen der Kühlplatte 53 und dem Batteriegehäuseboden 57 ist eine Wärmeleitpaste 59 positioniert.
• Wie aus der 10 hervorgeht, sind die Peltierelemente P an den Seiten der Modulplatten 51 angebracht. Peltierelemente P werden auch als Thermoelemente bezeichnet. Diese Elemente haben zwei Oberflächen. Die erste Oberfläche ist mit der Modulplatte 51 verbunden, die andere mit der Kühlplatte 53. Die Oberfläche der Peltierelemente P (in Kontakt mit dem Modul) kann je nach Stromrichtung Wärme erzeugen oder entziehen. Das heißt, wenn man Strom durch die Peltierelemente P fließen lässt, kann man Wärme erzeugen, die die Seitenplatte 51 des Moduls erwärmt. Dies führt schließlich zur Erwärmung der Zelle. In ähnlicher Weise wird die Seitenplatte des Moduls gekühlt, wenn die Stromrichtung umgekehrt wird. Dadurch wird die Zelle schließlich gekühlt. Da die Zelle von der größeren Seitenfläche aus gekühlt und erwärmt wird, geht dies viel schneller als ein herkömmlicher Heiz- und Kühlmechanismus. Die konventionelle Kühlung und Heizung wird ebenfalls beibehalten. Die zweite Oberfläche des Peltierelements P, die nicht in Kontakt mit der Seitenplatte 51 des Moduls 43 ist, hat eine entgegengesetzte Temperaturverteilung im Vergleich zur ersten Oberfläche des Peltierelements P (die in Kontakt mit der Seitenplatte 51 des Moduls 43 ist). Das heißt, wenn das erste Element des Peltierelements P erwärmt wird, ist das zweite Element kalt. Wenn die erste Oberfläche erwärmt wird, wird das zweite Element kalt sein. Diese zweite Oberfläche ist in Kontakt mit der Kühlplatte. Diese erwärmt oder kühlt die zweite Oberfläche, um sie auf Raumtemperatur zu bringen. Die Kühlplatte befindet sich daher nicht nur unter dem Modul, sondern auch an der Seite des Moduls (in Kontakt mit der zweiten Oberfläche des Peltierelements).
• Das Peltierelement P weist einen geringeren Wirkungsgrad auf. Es wäre daher ineffizient, dieses Peltierelement P mit der Hauptenergie der Zelle zu betreiben. Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die zusätzliche Energie der Zelle zu nutzen (durch Nutzung der Stapelend-Anode A₀ und der Stapelend-Kathode K₀). Alle Zellen des Moduls 43 werden mit zusätzlicher Energie versorgt. Alle diese Zellen werden in separaten Steckplätzen mit der Stromschiene verbunden. Der Anschluss ist so gestaltet, dass die zusätzliche Energie der Zelle nur für den Betrieb der Peltierelemente P verwendet wird. Die restliche Energie der Zelle wird für den Fahrmotor EM zur Verfügung stehen. Das bedeutet, dass die Hauptenergie der Zelle nicht für den Betrieb der Peltierelemente P verschwendet wird. Dies bedeutet, dass die Stapelend-Anode A₀ und die Stapelend-Kathode K₀ für die Peltierelemente P verwendet werden. Nur wenn die Energie für den Fahrmotor EM oder für die Peltierelemente P nicht ausreicht, wird die restliche Energie der Elektroden A₁, K₁ verwendet. Die Stromschiene ist direkt mit den Peltierelementen über einen Schalter verbunden, der vom Batteriemanagementsystem bedient wird.
• Die Peltierelemente P werden mit Hilfe von leitfähigem Klebstoff oder durch Schrauben mit der Seitenplatte 51 des Moduls 43 verbunden. Normalerweise sind Peltierelemente P in der maximalen Größe von 30 - 50 mm in der Länge und 30 - 50 mm in der Breite erhältlich. Daher kann man ein oder mehrere Peltierelemente P auf jeder Seite des Moduls anbringen. Die Peltierelemente P werden direkt an den Ausgang der Stromschiene angeschlossen, die wiederum mit dem verschweißten zweiten Kollektor jeder Zelle verbunden ist. Auf diese Weise werden die Peltierelemente P nur von der oberen und unteren Elektrode mit Strom versorgt. Die Peltierelemente P werden mit zusätzlicher Energie betrieben, die in konventionellen Zellen nicht verwendet wird. Beispielhaft kann je nach Schalterstellung, die Stromrichtung des durch die Peltierelemente P fließenden Stromes eingestellt werden. Auf dieser Grundlage können die Peltierelemente P entweder Wärme vom Modul aufnehmen oder Wärme an das Modul abgeben. Auf diese Weise kann die Zelle je nach Stromrichtung geheizt oder gekühlt werden. Der hierzu erforderliche Schalter wird vom Zellenmanagementsystem (CMS) bedient, das die Informationen vom BMS (Batteriemanagementsystem) erhält. Das BMS gibt Informationen an das CMS weiter, die auf den Temperatursensorwerten der einzelnen Module basieren.
• Bezugszeichenliste

1

Batteriezelle

3

Zellgehäuse

5

Ableiterfahnen der mittleren Anoden A₁

7

anodenseitiger Haupt-Zellableiter

9

Ableiterfahnen der mittleren Kathoden K₁

11

kathodenseitiger Haupt-Zellableiter

13

Anschlussstelle (Slot)

15

anodenseitige Stromschiene

16

Anschlussstelle (Slot)

17

kathodenseitige Stromschiene

19

Haupt-Stromleitung

21, 23

Ableiterfahnen der Stapelend-Anode A₀

25, 26

Anschlussstellen (Slots) der anodenseitigen Stromschiene 15

27

Verbindungsleitung

29, 31

Ableiterfahnen der Stapelend-Kathode K₀

30

Neben-Stromleitung

33, 35

Anschlussstellen (Slots) der kathodenseitigen Stromschiene 17

37

Verbindungsleitung in der kathodenseitigen Stromschiene 17

S1 bis S6

Schalter

H

Hauptstromkreis

N

Nebenstromkreis

A0

Stapelend-Anode

K0

Stapelend-Kathode

A1

Mittel-Anode

K1

Mittel-Kathode

P

Nebenlast bzw. Peltierelement

EM

Hauptlast

S

Separator

I, II

lange Bewegungspfade der Lithiumionen

III

kurze Bewegungspfade der Lithiumionen

41

Batteriegehäuse

43

Batteriemodul

45

Kompressionspads

47, 49

Zellterminals

51

Modulwände

53

Kühlplatte

55

Modulboden

57

Batteriegehäuseboden

59

Wärmeleitpaste

E1, E2, E3

Entladebetriebsarten

Claims (10)

1. Hochvoltbatteriesystem mit zumindest einem Zellverband, insbesondere Batteriemodul, der zumindest eine Lithiumionen-Batteriezelle (1) aufweist, in deren Zellgehäuse (3) zumindest ein Elektroden-/Separatorstapel angeordnet ist, der in Stapelrichtung unterteilt ist in zueinander gegenpolige Stapelend-Elektroden, das heißt Stapelend-Anode (A₀) und Stapelend-Kathode (K₀), sowie in Mittel-Elektroden, das heißt zumindest eine mittlere Anode (A₁) und eine mittlere Kathode (K₁), dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel-Elektroden (A₁, K₁) in einem Hauptstromkreis (H) zur Bestromung einer elektrischen Hauptlast, etwa Elektromaschine (EM), eingebunden sind, und dass die Stapelend-Elektroden (A₀, K₀) in einem Nebenstromkreis (N) zur Bestromung einer elektrischen Nebenlast, etwa Peltierelemente (P) eingebunden sind.
2. Hochvoltbatteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Elektroden (A₀, A₁, K₀, K₁) im Elektroden-/Separatorstapel ein folienartiges Elektrodensubstrat aufweist, das beidseitig mit Aktivmaterial beschichtet ist.
3. Hochvoltbatteriesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptstromkreis (H) die mittlere Anode (A₁), insbesondere alle mittleren Anoden (A₁) mit einem anodenseitigen Haupt-Zellableiter (7) elektrisch verbunden ist, und/oder dass die mittlere Kathode (K₁), insbesondere alle mittleren Kathoden (K₁) mit einem kathodenseitigen Haupt-Zellableiter (11) elektrisch verbunden ist, und dass insbesondere in einer, zwischen dem anodenseitigen Haupt-Zellableiter (7) und dem kathodenseitigen Haupt-Zellableiter (11) verlaufenden Haupt-Stromleitung (19) die elektrische Hauptlast (EM) angeordnet ist.
4. Hochvoltbatteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Nebenstromkreis die Stapelend-Anode (A₀) mit zumindest einem anodenseitigen Neben-Zellableiter (21, 23) elektrisch verbunden ist, und/oder die Stapelend-Kathode (K₀) mit zumindest einem kathodenseitigen Neben-Zellableiter (29, 31) elektrisch verbunden ist, und dass insbesondere in einer, zwischen dem anodenseitigen Neben-Zellableiter (21, 23) und dem kathodenseitigen Neben-Zellableiter (29, 31) verlaufenden Neben-Stromleitung (30) die elektrische Nebenlast (P) angeordnet ist.
5. Hochvoltbatteriesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der anodenseitige Haupt-Zellableiter (7) und der anodenseitige Neben-Zellableiter (21, 23) über eine elektrische Verbindungsleitung (27) mit integriertem Schalter (S2) elektrisch miteinander verbindbar sind, und/oder dass der kathodenseitige Haupt-Zellableiter (11) und der kathodenseitige Neben-Zellableiter (29, 31) über eine elektrische Verbindungsleitung (37) mit integriertem Schalter (S6) elektrisch miteinander verbindbar sind.
6. Hochvoltbatteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptstromkreis (H) ein Schalter (S4) angeordnet ist, mit dem ein Stromfluss im Hauptstromkreis (H) unterbrachbar ist, und/oder dass im Nebenstromkreis (N) ein Schalter (S3) angeordnet ist, mit dem ein Stromfluss im Nebenstromkreis (N) unterbrechbar ist.
7. Hochvoltbatteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Entladebetrieb (E1) die elektrische Nebenlast (P) alleine mittels der Stapelend-Elektroden (A₀, K₀), das heißt ohne mittlere Elektroden (A₁, K₁), bestrombar ist, und dass insbesondere im ersten Entladebetrieb (E1) ein Stromfluss im Hauptstromkreis (H) durch Öffnen des Schalters (S4) unterbrochen ist, und im Nebenstromkreis (N) durch Schließen des Schalters (S3) ein Stromfluss erfolgt, so dass sich Elektronen von der Stapelend-Anode (A₀) in einer Neben-Stromleitung (30) über die Nebenlast (P) bis zur Stapelend-Kathode (K₀) eingelagerten Lithiumionen über lange Bewegungspfade (I, II) im Elektrolyt bis zur Stapelend-Kathode (K₀) bewegen und dort einlagern.
8. Hochvoltbatteriesystem in einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Entladebetrieb (E2) die elektrische Hauptlast (EM) alleine durch die mittleren Elektroden (A₁, K₁), das heißt ohne Stapelend-Elektroden (A₀, K₀), bestrombar ist, und dass insbesondere im zweiten Entladebetrieb (E2) ein Stromfluss im Nebenstromkreis (N) durch Öffnen des Schalters (S3) unterbrochen ist, und im Hauptstromkreis (H) durch Schließen des Schalters (S4) ein Stromfluss erfolgt, so dass sich Elektronen von der mittleren Anode (A1) in einer Haupt-Stromleitung (19) über die Hauptlast (EM) bis zur mittleren Kathode (K₁) bewegen und gleichzeitig sich die in der Mittel-Anode (A₁) eingelagerten Lithiumionen über kurze Bewegungspfade (III), das heißt über den Separator (S), bis zur benachbarten Mittel-Kathode (K₁) bewegen und dort einlagern.
9. Hochvoltbatteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Entladebetrieb (E3) sowohl die Hauptlast (EM) als auch die Nebenlast (P) mittels sämtlicher Elektroden (A₀, A₁, K₀, K₁) bestrombar sind, und dass insbesondere im dritten Entladebetrieb (E3) im Hauptstromkreis (H) durch Schließen des Schalters (S4) ein Stromfluss erfolgt, im Nebenstromkreis durch Schließen des Schalters (S3) ein Stromfluss erfolgt, der anodenseitige Haupt-Zellableiter (7) und der anodenseitige Neben-Zellableiter (21, 23) durch Schließen des Schalters (S2) elektrisch verbunden sind, sowie der kathodenseitige Haupt-Zellableiter (11) und der kathodenseitige Neben-Zellableiter (29, 31) durch Schließen des Schalters (S6) elektrisch verbunden sind.
10. Hochvoltbatteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltierelemente (P) Bestandteil eine Temperiersystems der Hochvoltbatterie sind, und dass die Peltierelemente (P) an, in Zellstapelrichtung gegenüberliegenden Modulwänden (51) des jeweiligen Batteriemoduls (43) angeordnet sind, und dass insbesondere die Peltierelemente (P) zusammen mit einer Kühlplatte (53) Bestandteil des Temperiersystems der Hochvoltbatterie sind.

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