EP4562711A1 - Batteriemodul - Google Patents

Batteriemodul

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Publication number
EP4562711A1
EP4562711A1 EP23736687.7A EP23736687A EP4562711A1 EP 4562711 A1 EP4562711 A1 EP 4562711A1 EP 23736687 A EP23736687 A EP 23736687A EP 4562711 A1 EP4562711 A1 EP 4562711A1
Authority
EP
European Patent Office
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module
battery
battery module
battery cells
cells
Prior art date
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Pending
Application number
EP23736687.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marius Yves Kuhn
Klaus Huber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mercedes Benz Group AG filed Critical Mercedes Benz Group AG
Publication of EP4562711A1 publication Critical patent/EP4562711A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/615—Heating or keeping warm
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/653—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by electrically insulating or thermally conductive materials
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6554—Rods or plates
    • H01M10/6555—Rods or plates arranged between the cells
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/657—Means for temperature control structurally associated with the cells by electric or electromagnetic means
    • H01M10/6571—Resistive heaters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/64—Heating or cooling; Temperature control characterised by the shape of the cells
    • H01M10/643—Cylindrical cells

Definitions

  • the invention relates to a battery module with several individual battery cells in a housing according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • Battery modules especially battery modules based on lithium-ion battery cells, must, if possible, be operated within a certain temperature window in order to achieve the best function and the longest service life. At cold ambient temperatures it is therefore necessary to heat the individual battery cells of the battery module; at high temperatures it is necessary to cool them. This is to prevent so-called “lithium plating” in the individual battery cells with liquid electrolyte. In addition, very strong temperature gradients in the active material of the individual battery cells have a negative effect on the service life of the individual battery cells.
  • a cooling medium which is typically in heat-conducting contact with the individual battery cells via a heat exchanger, can be used on the one hand to heat the individual battery cells and on the other hand to cool them.
  • the cooling medium is heated appropriately at cold ambient temperatures via an electrical resistance heating element in order to indirectly control the temperature of the individual battery cells in the desired manner via the cooling medium.
  • the high temperature gradients that occur when the cooling medium is used on the one hand to cool and on the other hand to heat the individual battery cells can damage the coolant. For example, gel formation can occur, so that the coolant then has to be completely replaced in order to continue to ensure functionality.
  • DE 102017206 080 A1 describes a battery module in which an elastically and/or plastically deformable compensating element is arranged between the individual battery cells.
  • An electrical heating element in the form of a heating foil can be positioned within this compensation element. This is then surrounded on both sides by the elastic material and, if necessary, can heat the individual battery cells through this elastically and/or plastically deformable material of the compensating element.
  • DE 102016214 640 A1 also describes a battery module in which an electrically insulating casting compound is used to fix the individual battery cells.
  • This electrically insulating casting compound can be provided with silver particles or something similar to improve thermal conductivity.
  • the object of the present invention is to create an improved battery module with several individual battery cells and an integrated module heater, which avoids the disadvantages mentioned above and enables simple, efficient and cost-effective heating of the battery module if necessary.
  • the task is to specify a method for heating a battery with several such battery modules.
  • this object is achieved by a battery module with several individual battery cells and the features in claim 1, and here in particular with the features in the characterizing part of claim 1.
  • Advantageous refinements and further developments of the battery module according to the invention result from the dependent claims.
  • the object is achieved by a method for heating a battery with several such battery modules according to claim 9.
  • an advantageous embodiment of the method according to the invention results from the dependent claim.
  • the battery module according to the invention is provided with an integrated module heater, which is formed by an electrically conductive resistive material.
  • the material of the module heater is designed as a foamed material and fixes the individual battery cells in the housing.
  • the material serves to position and fix the individual battery cells in the housing and, for this purpose, surrounds the individual battery cells over a large part of their respective outer surface.
  • the material is designed as an electrically conductive thermal foam, which is particularly flame-retardant by adding a flame retardant to it. This electrically conductive thermal foam then forms part of the circuit together with a switching element, so that when the switching element is switched on, electrical current flows through the thermal foam and heats it up accordingly due to the electrical resistance of the current in the thermal foam.
  • the thermal foam can then pass on the thermal energy directly to the individual battery cells that are in direct contact with it, so that extraordinarily efficient heating is possible. Since the thermal foam simultaneously takes over the fixation of the individual battery cells in the housing, no additional installation space is required for it, as it would already be available for fixing the individual battery cells and now only takes on the additional task of module heating. According to an extremely favorable development of the battery module according to the invention, it can be provided that the thermal foam is constructed as a polyurethane foam with electrically conductive additives, for example based on carbon or aluminum, in particular based on graphite and / or aluminum oxides. However, other electrically conductive additives would also be conceivable.
  • Such a PU foam is therefore an ideal thermal foam for fastening the battery cells in the housing on the one hand and for forming a module heater on the other hand, thanks to the electrically conductive additives and preferably an additional flame retardant.
  • the flame retardant also makes it possible to achieve a high level of safety in the event of thermal runaway of the battery module.
  • the circuit itself can connect the poles of the battery module via the switching element and the module heater.
  • the energy for the module heating is therefore provided in the module itself by using part of the energy content of the battery module for the module heating. This enables very efficient heating of the respective battery module.
  • each individual module can be heated in a targeted manner, even in the event that a battery is made up of several battery modules, as is generally the case, for example, with traction batteries in electrically powered vehicles.
  • the module-related heating then allows very efficient heating of the entire battery, since only those modules actually have to be supplied with the amount of heating energy that is currently required for this exact module.
  • the switching element can be designed as a bipolar transistor with an insulated gate electrode (IGBT).
  • IGBT insulated gate electrode
  • a very favorable embodiment of the battery module according to the invention can also provide that the electrical contacting of the material of the module heater is realized via a first electrode at a first end of the battery module and via a second electrode at a second, opposite end of the battery module.
  • These electrodes can be integrated into the foamed material of the module heater or can also be arranged adjacent to it. They can then be connected directly to the poles of the battery module to form the circuit.
  • the switching element can then be integrated into one of these connections, for example between the first electrode and the positive pole of the battery module.
  • the electrodes each have projections or hooks that project in the direction of the other electrode.
  • Such projections or hooks can, on the one hand, facilitate the positioning of the electrodes relative to the individual battery cells and, on the other hand, improve the electrical contact by increasing the contact area between the foamed material of the module heater and the electrode.
  • Another very favorable embodiment can provide that the individual battery cells are arranged in a heat-conducting connection with a heat exchanger.
  • the module heater can take over the temperature control of the individual battery cells to the extent that it is necessary to heat the individual battery cells.
  • a heat exchanger known per se can now also be provided, which is in a heat-conducting connection, for example, with the elements of the individual battery cells that protrude beyond the foamed fixation.
  • Such a heat exchanger can be, for example, a cooling plate through which a fluid can flow, which is contacted with the individual battery cells in the battery module, for example from above and/or below.
  • One or two cooling plates can then be used for the cooling of the individual battery cells can be used in a conventional manner, without the individual battery cells having to be heated via the coolant, since this heating can be done directly via the module heater. As a result, the coolant is protected accordingly and achieves a long service life with good quality of the coolant and the associated good cooling efficiency.
  • the battery module can be constructed with any individual battery cells. It should particularly preferably be implemented with lithium-ion cells, the cells being designed as individual battery cells with liquid electrolyte, as is provided according to a very advantageous embodiment of the battery module according to the invention.
  • the method according to the invention for heating a battery with battery modules provides that the switching units of the battery modules are controlled in a pulse width modulated manner in accordance with the required thermal energy.
  • the switching units of the battery modules are controlled in a pulse width modulated manner in accordance with the required thermal energy.
  • the switching units of the battery modules are controlled in a pulse width modulated manner in accordance with the required thermal energy.
  • IGBT insulated gate electrode
  • the pulse width modulated control allows a comparatively good control of the thermal energy introduced simply and efficiently.
  • the required amount of heat for each individual battery module can be provided as a controlled variable by the module heater integrated into the respective module in accordance with a temperature measured in the respective module.
  • Such a temperature control now makes it possible to ideally control each individual battery module with regard to its required thermal energy within a larger battery with several battery modules very easily and without much effort. Since the control is part of the modules themselves, there is virtually no additional effort, especially if each of the modules includes an integrated temperature sensor and control electronics that provide the gate voltage for the
  • the module heating is only released when the charge state of the corresponding battery module is within predetermined limit values.
  • a release can, for example, take place in such a way that the state of charge does not fall below a predetermined limit value, in order to ensure, for example, that a vehicle that uses the battery with the battery in the respective battery module
  • the amount of energy stored can achieve the required remaining range in any case.
  • activation of the basic possibility of module heating which is controlled according to the state of charge, can prevent a deep discharge of the module, which has a positive effect on its service life.
  • FIG. 1 shows a schematic top view of a battery module in an embodiment according to the invention.
  • Fig. 2 is a side view of the battery module according to Fig. 1.
  • a top view of a battery module designated in its entirety by 1 can be seen. It consists of a housing designated 2 and a large number of individual battery cells 3, which are designed here as round cells, for example. These individual battery cells 3 are arranged upright in the housing 2. Only some of them are provided with a reference number.
  • the battery poles 4, 5 of the battery module 1, each marked plus and minus, can be seen at the top left and bottom right, the individual battery cells 3 of which are connected in a conventional manner, for example electrically in series. To fix the individual battery cells 3 in the housing 2, this is foamed with a material designated 6.
  • the individual battery cells 3 can therefore be positioned in the housing 2, for example which is open at the top, and are then fixed in the housing by the foamed material 6, a thermal foam.
  • This thermal foam 6 ensures the mechanical integrity of the cell assembly by reliably filling the spaces between the individual battery cells 3. This increases the robustness and the pressure, tensile and shear strength of the cell assembly of the battery module 2.
  • the thermal foam 6 used can be, for example, a polyurethane foam, which is flame retardant due to the use of flame retardants.
  • electrically conductive particles are added to the thermal foam 6, which are, for example, a combination of carbon or graphite and / or aluminum oxide, for example AI2O3, may contain. These can be arranged as powder or fibers in the thermal foam 6. The thermal foam 6 thereby becomes electrically conductive and has improved properties with regard to heat conduction.
  • the electrical conductivity of the thermal foam 6 is now used by integrating an electrode 7, 8 into the housing 2 at the left and right ends in the exemplary embodiment shown here, which is in intimate connection with the thermal foam 6.
  • the electrode 8 shown on the left is electrically connected to the positive pole 4 via a switching element 9, which is preferably designed as an IGBT, and the electrode 7 shown on the right is electrically connected directly to the negative pole 5 of the battery module 1.
  • the two electrodes 7, 8 are connected to the electrically conductive, resistive thermal foam 6.
  • the electrodes 7, 8 can have projections 10, hooks or the like facing the other electrode 8, 7, which, on the one hand, facilitate their positioning relative to the individual battery cells 3 during assembly and, on the other hand, the surface of the electrode 7, 8, which is covered with the thermal foam 6 If there is contact, increase it accordingly.
  • these electrodes 7, 8 are positioned together with the individual battery cells 3 in the housing 2 before the remaining empty spaces are filled with the thermal foam 6.
  • the thermal foam 6 now takes on the additional functionality of a module heater 60 by connecting the first electrode 8 to the positive pole 4 of the battery module 1 via the switching element 9, and by permanently connecting the other of the electrodes 7 to the negative pole 5 of the battery module 1.
  • a current thus flows through the thermal foam 6 as a module heater 60, as indicated by the arrows in Figure 1 in accordance with the technical direction of the current.
  • the thermal foam 6 heats up and heats the individual battery cells 3 as a module heater 60.
  • the switching element 9, particularly if it is designed as an IGBT, can now be controlled accordingly via its gate voltage.
  • This can preferably be used to implement a pulse width modulated control, in which a measured value from a temperature sensor 12 indicated in the illustration in FIG. 2 is used as a controlled variable in order to regulate a desired target temperature of the battery module 1.
  • the housing 2 is closed by a type of “lid”.
  • This conventional type of cooling is now efficiently supplemented in the structure of the battery module 1 by the use of the thermal foam 6, which serves on the one hand to fix the individual battery cells 3 and on the other hand as a module heater 60, in order to be able to temper the battery module 1 in any desired way. So, for example, to heat accordingly via the module heater 60 or to cool accordingly via the heat exchanger 13.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1) mit mehreren Batterieeinzelzellen (3) in einem Gehäuse (2), mit einer integrierten Modulheizung (60), wobei die Modulheizung (60) durch ein elektrisch leitendes widerstandsbehaftetes Material (6) ausgebildet ist, welches zusammen mit einem Schaltelement (9) in einem Stromkreis angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Batteriemodul ist dadurch gekennzeichnet, dass die Modulheizung (60) aus einem geschäumten Material (6) ausgebildet ist, welches die Batterieeinzelzellen (3) in dem Gehäuse (2) fixiert. Außerdem ist ein Verfahren zur Beheizung einer Batterie aus derartigen Batteriemodulen (1) angegeben, bei welcher über die jeweiligen Schaltelemente (9) der jeweiligen Batteriemodule (1) eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung entsprechend der benötigten Wärmeenergie erfolgt.

Description

Batteriemodul
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit mehreren Batterieeinzelzellen in einem Gehäuse nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Batteriemodule, insbesondere Batteriemodule, welche auf der Basis von Lithium-Ionen- Batteriezellen aufgebaut sind, müssen nach Möglichkeit in einem bestimmten Temperaturfenster betrieben werden, um die beste Funktion und die längste Lebensdauer zu erreichen. Bei kalten Umgebungstemperaturen ist es daher notwendig, die Batterieeinzelzellen des Batteriemoduls zu beheizen, bei hohen Temperaturen ist es notwendig, diese zu kühlen. Dies dient dazu, dass bei den Batterieeinzelzellen mit flüssigem Elektrolyt das sogenannte „Lithium-Plating“ verhindert werden kann. Außerdem wirken sich sehr starke Temperaturgradienten im aktiven Material der Batterieeinzelzellen negativ auf die Lebensdauer der Batterieeinzelzellen aus.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass ein Kühlmedium, welches typischerweise über einen Wärmetauscher in wärmeleitendem Kontakt zu den Batterieeinzelzellen steht, einerseits zur Erwärmung der Batterieeinzelzellen und andererseits zu deren Kühlung eingesetzt werden kann. Hierfür wird beispielsweise über ein elektrisches Widerstandsheizelement das Kühlmedium bei kalten Umgebungstemperaturen entsprechend erwärmt, um so mittelbar über das Kühlmedium die Batterieeinzelzellen in der gewünschten Art und Weise zu temperieren. Es ist jedoch so, dass die hohen dabei auftretenden Temperaturgradienten, wenn das Kühlmedium einerseits zur Kühlung und andererseits zur Erwärmung der Batterieeinzelzellen eingesetzt wird, dem Kühlmittel schaden können. Es kann beispielsweise zu einer Vergelung kommen, sodass das Kühlmittel dann vollständig ausgetauscht werden muss, um die Funktionalität weiterhin zu gewährleisten. Ferner ist es so, dass bei einer Erwärmung der Batterieeinzelzellen über das Kühlmedium durch den Einsatz verschiedener Komponenten und der benötigten Wärmeübergänge einerseits vom Heizelement auf das Kühlmittel und andererseits vom Kühlmittel auf die Batterieeinzelzellen ein vergleichsweise langsamer und ineffizienter Vorgang entsteht, bei welchem weitaus mehr Energie zur Temperierung der Batterieeinzelzellen benötigt wird, als zwingend notwendig.
Darüber hinaus sind flächige Heizfolien bekannt, welche in das Batteriemodul integriert werden können. Diese sind jedoch vergleichsweise kostenintensiv und benötigen zusätzlichen Bauraum. Dennoch werden sie beispielsweise im Bereich von Festkörperbatterien häufig eingesetzt, wofür beispielhaft auf die DE 10 2016214 337 A1 verwiesen werden kann.
Die DE 102017206 080 A1 beschreibt ein Batteriemodul, bei welchem zwischen den einzelnen Batterieeinzelzellen ein elastisch und/oder plastisch verformbares Ausgleichselement angeordnet ist. Innerhalb dieses Ausgleichselements kann ein elektrisches Heizelement in Form einer Heizfolie positioniert werden. Dieses ist dann beidseitig von dem elastischen Material umgeben und kann die Batterieeinzelzellen bei Bedarf durch dieses elastisch und/oder plastisch verformbare Material des Ausgleichselements hindurch beheizen.
Einen ähnlichen Aufbau mit einem porösen und flexiblen Ausgleichselement, welches auch zur Temperierung der Zellen eingesetzt werden kann, beschreibt die
DE 10 2009 052 508 A1. Hier wird zwar erwähnt, dass das Material sowohl thermisch als auch elektrisch leitfähig sein kann, eine elektrische Beheizung wird jedoch nicht erwähnt, vielmehr wird nur die Wärmleitfähigkeit des Ausgleichselements angesprochen, welches dann Wärme von einer angeschlossenen Heizung oder Kühleinrichtung an die Zellen weitergeben kann.
Letztlich beschreibt außerdem die DE 102016214 640 A1 ein Batteriemodul, bei dem eine elektrisch isolierende Vergussmasse eingesetzt wird, um die Batterieeinzelzellen zu fixieren. Diese elektrisch isolierende Vergussmasse kann zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit mit Silberpartikeln oder ähnlichem versehen werden. Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin ein verbessertes Batteriemodul mit mehreren Batterieeinzelzellen und einer integrierten Modulheizung zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile vermeidet und eine einfache, effiziente und kostengünstige Beheizung des Batteriemoduls im Bedarfsfall ermöglicht. Außerdem ist es die Aufgabe, ein Verfahren zur Beheizung einer Batterie mit mehreren derartigen Batteriemodulen anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Batteriemodul mit mehreren Batterieeinzelzellen und den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Beheizung einer Batterie mit mehreren derartigen Batteriemodulen gemäß Anspruch 9 gelöst. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem hiervon abhängigen Unteranspruch.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul ist mit einer integrierten Modulheizung versehen, welche durch ein elektrisch leitendes widerstandsbehaftetes Material ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass das Material der Modulheizung als geschäumtes Material ausgebildet ist und die Batterieeinzelzellen in dem Gehäuse fixiert. Das Material dient also einerseits zur Positionierung und Fixierung der Batterieeinzelzellen in dem Gehäuse und umgibt dazu die Batterieeinzelzellen über einen großen Teil ihrer jeweiligen Außenfläche. Das Material ist dabei als elektrisch leitender Thermoschaum ausgebildet, welcher insbesondere noch flammhemmend realisiert ist, indem ihm ein Flammschutzmittel zugesetzt ist. Dieser elektrisch leitende Thermoschaum bildet dann zusammen mit einem Schaltelement einen Teil des Stromkreises aus, sodass bei eingeschaltetem Schaltelement elektrischer Strom durch den Thermoschaum fließt und diesen aufgrund des elektrischen Widerstandes des Stroms in dem Thermoschaum entsprechend aufheizt. Der Thermoschaum kann dann die Wärmeenergie unmittelbar an die mit ihm in direktem Kontakt stehenden Batterieeinzelzellen weitergeben, sodass eine außerordentlich effiziente Beheizung möglich ist. Da der Thermoschaum gleichzeitig die Fixierung der Batterieeinzelzellen in dem Gehäuse übernimmt, wird für ihn kein zusätzlicher Bauraum benötigt, da er für die Fixierung der Batterieeinzelzellen ohnehin vorhanden wäre und nun lediglich die zusätzliche Aufgabe der Modulheizung mit übernimmt. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann es dabei vorgesehen sein, dass der Thermoschaum als Polyurethan- Schaum mit elektrisch leitenden Additiven, beispielsweise auf der Basis von Kohlenstoff oder Aluminium, insbesondere auf der Basis von Graphit und/oder Aluminiumoxiden, aufgebaut ist. Andere elektrisch leitende Additive wären jedoch ebenso denkbar. Ein solcher PU-Schaum ist dabei also über die elektrisch leitenden Additive und vorzugsweise ein zusätzliches Flammschutzmittel ein idealer Thermoschaum zur Befestigung der Batteriezellen in dem Gehäuse einerseits und zur Ausbildung einer Modulheizung andererseits. Durch das Flammschutzmittel lässt sich außerdem eine hohe Sicherheit im Falle eines thermischen Durchgehens des Batteriemoduls erzielen.
Der Stromkreis selbst kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls die Pole des Batteriemoduls über das Schaltelement und die Modulheizung verbinden. Die Energie für die Modulheizung wird also in dem Modul selbst bereitgestellt, indem ein Teil des Energieinhalts des Batteriemoduls für die Modulheizung verwendet wird. Damit ist eine sehr effiziente Beheizung des jeweiligen Batteriemoduls möglich.
Durch die Ausbildung des Stromkreises zwischen den Polen des Batteriemoduls kann somit jedes einzelne Modul gezielt beheizt werden, auch im Falle, dass eine Batterie aus mehreren Batteriemodulen aufgebaut ist, wie dies beispielsweise bei Traktionsbatterien in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen allgemein üblich ist. Die modulbezogene Beheizung erlaubt dann eine sehr effiziente Beheizung der Gesamtbatterie, da nur diejenigen Module tatsächlich mit derjenigen Menge an Heizenergie versorgt werden müssen, welche für genau dieses Modul aktuell benötigt wird.
Ist das Batteriemodul bzw. die das Batteriemodul umfassende Batterie an ein Ladegerät angeschlossen, dann liegt die Leistung des Ladegeräts auch an den Polen des jeweiligen Batteriemoduls zumindest mittelbar an. Wird in dieser Situation das Batteriemodul beheizt, kann bei dem beschriebenen Aufbau des Stromkreises die Energie also unmittelbar über das Ladegerät bereitgestellt werden, ohne zuerst in dem Batteriemodul gespeichert werden zu müssen, was die Energieeffizienz entsprechend erhöht. Das Schaltelement kann gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls als Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT) ausgebildet sein. Über eine entsprechende Ansteuerungsspannung an der Gateelektrode lässt sich dann der Stromfluss durch das Schaltelement und damit durch die Modulheizung des Batteriemoduls einfach und effizient steuern bzw. regeln, beispielsweise durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung.
Eine sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann es außerdem vorsehen, dass die elektrische Kontaktierung des Materials der Modulheizung über eine erste Elektrode an einem ersten Ende des Batteriemoduls und über eine zweite Elektrode an einem zweiten gegenüberliegenden Ende des Batteriemoduls realisiert ist. Diese Elektroden können in das aufgeschäumte Material der Modulheizung integriert oder auch benachbart zu diesen angeordnet sein. Sie lassen sich dann unmittelbar mit den Polen des Batteriemoduls verbinden, um den Stromkreis auszubilden. Das Schaltelement kann dann in eine dieser Verbindungen, beispielsweise zwischen die erste Elektrode und den Pluspol des Batteriemoduls, integriert werden.
Besonders günstig ist es dabei, wenn, und so ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee vorgesehen, die Elektroden jeweils in Richtung der anderen Elektrode überstehende Vorsprünge oder Haken aufweisen. Solche Vorsprünge oder Haken können einerseits die Positionierung der Elektroden gegenüber den Batterieeinzelzellen erleichtern und andererseits durch eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen dem geschäumten Material der Modulheizung und der Elektrode die elektrische Kontaktierung verbessern.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung kann es dabei vorsehen, dass die Batterieeinzelzellen mit einem Wärmetauscher in wärmeleitender Verbindung angeordnet sind. Die Modulheizung kann die Temperierung der Batterieeinzelzellen insoweit übernehmen, als durch sie ein Beheizen der Batterieeinzelzellen notwendig ist. Ein an sich bekannter Wärmetauscher kann nun außerdem vorgesehen sein, welcher beispielsweise mit den über die geschäumte Fixierung überstehenden Elementen der einzelnen Batterieeinzelzellen in wärmeleitender Verbindung steht. Ein solcher Wärmetauscher kann beispielsweise eine von einem Fluid durchströmbare Kühlplatte sein, welche in dem Batteriemodul beispielsweise von oben und/oder unten mit den Batterieeinzelzellen kontaktiert wird. Die eine oder die beiden Kühlplatten können dann für die Kühlung der Batterieeinzelzellen in herkömmlicher Art und Weise eingesetzt werden, ohne dass über das Kühlmittel eine Beheizung der Batterieeinzelzellen mit vorgenommen werden muss, da diese Beheizung über die Modulheizung direkt erfolgen kann. Hierdurch wird das Kühlmittel entsprechend geschont und erreicht eine hohe Lebensdauer bei guter Qualität des Kühlmittels und damit verbundener guter Effizienz der Kühlung.
Prinzipiell kann das Batteriemodul mit beliebigen Batterieeinzelzellen aufgebaut sein. Besonders bevorzugt soll es mit Lithium-Ionen-Zellen realisiert werden, wobei die Zellen als Batterieeinzelzellen mit flüssigem Elektrolyt ausgebildet sind, wie es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls vorgesehen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beheizen einer Batterie mit Batteriemodulen nach einem der vorhergehenden Ansprüche sieht es erfindungsgemäß vor, dass die Schalteinheiten der Batteriemodule entsprechend der benötigten Wärmeenergie pulsweitenmoduliert angesteuert werden. Dies kann bei der bevorzugten Ausgestaltung als Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT) vorzugsweise durch eine entsprechende Ansteuerung der Gatespannung erfolgen. Die pulsweitenmodulierte Ansteuerung erlaubt so einfach und effizient eine vergleichsweise gute Regelung der eingebrachten Wärmeenergie. Insbesondere kann die benötigte Wärmemenge für jedes einzelne der Batteriemodule durch die in das jeweilige Modul integrierte Modulheizung entsprechend einer in dem jeweiligen Modul gemessenen Temperatur als Regelgröße bereitgestellt werden. Eine solche Temperaturregelung erlaubt es nun innerhalb einer größeren Batterie mit mehreren Batteriemodulen sehr einfach und ohne größeren Aufwand jedes einzelne Batteriemodul hinsichtlich seiner benötigten Wärmeenergie ideal anzusteuern. Da die Ansteuerung Teil der Module selbst ist, entsteht hier quasi kein zusätzlicher Aufwand, insbesondere wenn jedes der Module einen integrierten Temperatursensor und einen die Gatespannung für den IGBT pulsweitenmoduliert bereitstellende Steuerungselektronik umfasst.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass die Modulheizung lediglich bei einem Ladezustand des entsprechenden Batteriemoduls innerhalb vorgegebener Grenzwerte freigegeben wird. Eine solche Freigabe kann beispielsweise so erfolgen, dass der Ladezustand nicht unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, um so beispielsweise sicherzustellen, dass ein Fahrzeug, welches die Batterie verwendet, mit der in dem jeweiligen Batteriemodul gespeicherten Energiemenge die erforderliche Restreichweite in jedem Fall erzielen kann. Außerdem kann durch eine solche entsprechend des Ladezustands gesteuerte Aktivierung der grundsätzlichen Möglichkeit der Modulbeheizung eine Tiefenentladung des Moduls verhindert werden, was sich positiv auf dessen Lebensdauer auswirkt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein Batteriemodul in einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 eine Seitenansicht des Batteriemoduls gemäß Fig. 1.
In der Darstellung der Figur 1 ist eine Draufsicht auf ein in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnetes Batteriemodul zu erkennen. Es besteht aus einem mit 2 bezeichneten Gehäuse sowie einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen 3, welche hier beispielhaft als Rundzellen ausgebildet sind. Diese Batterieeinzelzellen 3 sind stehend in dem Gehäuse 2 angeordnet. Es sind nur einige von ihnen mit einem Bezugszeichen versehen. Links oben und rechts unten sind die jeweils mit Plus und Minus bezeichneten Batteriepole 4, 5 des Batteriemoduls 1 zu erkennen, dessen Batterieeinzelzellen 3 in herkömmlicher Art und Weise, beispielsweise elektrisch in Reihe, verschaltet sind. Zur Fixierung der Batterieeinzelzellen 3 in dem Gehäuse 2 ist dieses mit einem mit 6 bezeichneten Material ausgeschäumt. Die Batterieeinzelzellen 3 können also in dem beispielsweise nach oben offenen Gehäuse 2 positioniert werden und werden dann durch das geschäumte Material 6, einen Thermoschaum, in dem Gehäuse fixiert. Dieser Thermoschaum 6 sorgt dabei für die mechanische Integrität des Zellverbunds, indem die Zwischenräume zwischen den Batterieeinzelzellen 3 zuverlässig ausgefüllt werden. Dies erhöht die Robustheit und die Druck-, Zug- und Scherfestigkeit des Zellverbunds des Batteriemoduls 2. Der eingesetzte Thermoschaum 6 kann beispielsweise ein Polyurethanschaum sein, welcher durch den Einsatz von Flammschutzmitteln schwer entflammbar ist. Zusätzlich sind dem Thermoschaum 6 elektrisch leitfähige Partikel zugesetzt, welche beispielsweise eine Kombination aus Kohlenstoff bzw. Graphit und/oder Aluminiumoxid, beispielsweise AI2O3, beinhalten können. Diese können als Pulver oder Fasern in dem Thermoschaum 6 angeordnet werden. Der Thermoschaum 6 wird dadurch elektrisch leitend und erhält verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeleitung.
Die elektrische Leitfähigkeit des Thermoschaums 6 macht man sich nun zunutze, indem in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel am linken und am rechten Ende jeweils eine Elektrode 7, 8 in das Gehäuse 2 integriert ist, welche entsprechend mit dem Thermoschaum 6 in inniger Verbindung steht. Die links dargestellte Elektrode 8 ist dabei über ein Schaltelement 9, welches vorzugsweise als IGBT ausgebildet ist, mit dem Pluspol 4 und die rechts dargestellte Elektrode 7 elektrisch direkt mit dem Minuspol 5 des Batteriemoduls 1 verbunden. Die beiden Elektroden 7, 8 stehen mit dem elektrisch leitenden widerstandsbehafteten Thermoschaum 6 in Verbindung. Die Elektroden 7, 8 können der jeweils anderen Elektrode 8, 7 zugewandte Vorsprünge 10, Haken oder dergleichen aufweisen, welche einerseits ihre Positionierung gegenüber den Batterieeinzelzellen 3 während der Montage erleichtern und andererseits die Oberfläche der Elektrode 7, 8, welche mit dem Thermoschaum 6 in Kontakt steht, entsprechend erhöhen. Bei der Montage werden diese Elektroden 7, 8 zusammen mit den Batterieeinzelzellen 3 in dem Gehäuse 2 positioniert, bevor die verbleibenden Leerräume mit dem Thermoschaum 6 ausgeschäumt werden.
Der Thermoschaum 6 übernimmt nun die zusätzliche Funktionalität einer Modulheizung 60, indem über das Schaltelement 9 die erste Elektrode 8 mit dem Pluspol 4 des Batteriemoduls 1 verbunden wird, und indem die andere der Elektroden 7 dauerhaft mit dem Minuspol 5 des Batteriemoduls 1 verbunden ist. Damit fließt ein Strom durch den Thermoschaum 6 als Modulheizung 60, wie es durch die Pfeile in Figur 1 entsprechend der technischen Stromrichtung angedeutet ist. Der Thermoschaum 6 erwärmt sich und beheizt als Modulheizung 60 die Batterieeinzelzellen 3.
Wie es durch den mit 11 bezeichneten Pfeil angedeutet ist, lässt sich das Schaltelement 9, insbesondere wenn es als IGBT ausgebildet ist, nun über seine Gatespannung entsprechend ansteuern. Dies kann vorzugsweise genutzt werden, um eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung zu realisieren, bei welcher als Regelgröße ein Messwert eines in der Darstellung der Figur 2 angedeuteten Temperatursensors 12 genutzt wird, um so eine gewünschte Zieltemperatur des Batteriemoduls 1 einzuregeln. In der Darstellung der Figur 2 ist erkennbar, dass in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel das Gehäuse 2 durch eine Art „Deckel“ verschlossen wird. Dieser soll als an sich bekannter Wärmetauscher 13 ausgebildet sein. Er dient als Deckel und Kühlplatte, welche in wärmeleitender Verbindung zu den Batterieeinzelzellen 3 steht und dieses bei Bedarf kühlt, beispielsweise indem der Wärmetauscher 13 durch ein Kühlmittel durchströmt wird. Diese herkömmliche Art der Kühlung wird nun also in dem Aufbau des Batteriemoduls 1 durch die Verwendung des Thermoschaums 6, welcher einerseits zur Fixierung der Batterieeinzelzellen 3 und andererseits als Modulheizung 60 dient, effizient ergänzt, um das Batteriemodul 1 in jeder gewünschten Art temperieren zu können, also beispielsweise über die Modulheizung 60 entsprechend zu beheizen oder über den Wärmetauscher 13 entsprechend zu kühlen.

Claims

Patentansprüche Batteriemodul (1) mit mehreren Batterieeinzelzellen (3) in einem Gehäuse (2), mit einer integrierten Modulheizung (60), wobei die Modulheizung (60) durch ein elektrisch leitendes widerstandsbehaftetes Material (6) ausgebildet ist, welches zusammen mit einem Schaltelement (9) in einem Stromkreis angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulheizung (60) aus einem geschäumten Material (6) ausgebildet ist, welches die Batterieeinzelzellen (3) in dem Gehäuse (2) fixiert, und durch welches bei eingeschaltetem Schaltelement (9) elektrischer Strom fließt und das geschäumte Material (6) aufheizt. Batteriemodul (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte Material (6) als Polyurethanschaum mit elektrisch leitenden Additiven ausgebildet ist. Batteriemodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkreis die Pole (4, 5) des Batteriemoduls (1) über das Schaltelement (9) und die Modulheizung (60) verbindet. Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (9) als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ausgebildet ist. Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung des geschäumten Materials (6) über eine erste Elektrode (7) an einem ersten Ende des Batteriemoduls (1) und eine zweite Elektrode (8) an einem zweiten gegenüberliegenden Ende des Batteriemoduls (1) innerhalb des Gehäuses (2) realisiert ist. Batteriemodul (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (7, 8) jeweils in die Richtung der jeweils anderen Elektrode (8, 7) überstehende Vorsprünge (10) oder Haken aufweisen. Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinzelzellen (3) mit einem Wärmetauscher (13) in wärmeleitender Verbindung angeordnet sind. Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinzelzellen (3) als Lithium-Ionen-Zellen mit flüssigem Elektrolyt ausgebildet sind. Verfahren zum Beheizen einer Batterie mit Batteriemodulen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (9) der jeweiligen Batteriemodule (1) entsprechend der benötigten Wärmeenergie pulsweitenmoduliert angesteuert werden. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des jeweiligen Batteriemoduls (1) nur dann freigegeben wird, wenn dessen Ladezustand innerhalb vorgegebener Grenzen, insbesondere oberhalb einer vorgegebenen Schwelle, liegt.
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