WO2013186079A1 - Vorrichtung und verfahren zum heizen einer batterie, batterie und kraftfahrzeug mit batterie - Google Patents

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WO2013186079A1
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heating element
heating
cell
temperature sensor
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PCT/EP2013/061422
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Eckart Reihlen
Jens Schneider
Anne HEUBNER
Christian Pankiewitz
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a device for heating a battery and a battery, comprising at least one lithium-ion battery cell, wherein the
  • Lithium-ion battery cell includes the device for heating. Furthermore, the invention relates to a method for heating a battery and a motor vehicle with a battery and the device for heating.
  • FIG. 1 shows discharge curves of a conventional 18650 Li-ion battery cell with a 0.5C rate at various temperatures. At temperatures below 10 ° C, this known battery cell experiences already noticeable losses of its capacity.
  • Battery heaters such as traction batteries in electric vehicles caused a delayed start-up of the traction batteries and a poor efficiency, as the indirect battery heater mitdiest peripherals.
  • DE 10 2008 054 943 A1 further describes a battery arrangement with a plurality of cuboid battery elements which are surrounded by heat transport elements and which are heated or cooled by them.
  • a device for heating a battery which comprises a heating element, a temperature sensor and a
  • Power supply includes.
  • the device according to the invention comprises a switching element that supplies the power supply to the
  • Heating element connects or disconnects.
  • the device according to the invention is characterized in that the heating element is integrated in the battery.
  • a battery according to the invention comprises at least one
  • Lithium-ion battery cell wherein the lithium-ion battery cell the
  • Heating device comprises.
  • a motor vehicle according to the invention which comprises a battery and the device according to the invention for heating, wherein the battery is connected to a drive system of the motor vehicle.
  • the method according to the invention for heating a battery comprises at least the following steps: detecting a temperature in the battery by means of a temperature sensor arranged in the battery, connecting or disconnecting a voltage supply to or from a heating element by means of a
  • the integration of the heating element in the battery preferably comprises a mounting in the battery or a placement therein.
  • the term battery also includes in particular a battery cell or a secondary or a rechargeable battery cell. If the battery is a lithium ion battery cell or a lithium polymer battery cell, then integrating the battery includes
  • Heating element in particular arranging the heating element within the battery cell, for example within a cell coil such
  • the device according to the invention can heat directly by the integrated arrangement of the heating element in the battery and thus largely avoids co-heating of the periphery, for. B. battery case, battery sockets, etc. This may increase the efficiency of the device according to the invention and the battery can be heated faster to a certain operating temperature.
  • the battery itself can be any material.
  • Form power supply of the heating element Form power supply of the heating element.
  • another battery for example, a low-voltage battery, form the power supply.
  • the heating element can be a
  • Resistor layer include and the battery may include a separator or a first polymer carrier on which the resistive layer is disposed.
  • the resistance heating layer comprises in particular metal or cermet. Cermet is generally a composite material made of metal and ceramic, which has, inter alia, a high thermal shock resistance.
  • the resistive layer may be printed, laminated, vapor deposited, or similarly disposed thereon on the first polymeric carrier or separator, wherein the first polymeric carrier or separator is disposed within the battery, the battery cell, or the cell coil.
  • the first polymer carrier or the separator generally also absorbs electrolyte of the battery and can thereby assume a dual function in the battery.
  • the battery may have a thermally conductive intermediate layer on which the resistance layer is arranged.
  • the intermediate layer has Preferably, a thermal conductivity that is higher than the thermal conductivity of surrounding battery components such. Separator, positive electrode, negative electrode, cell wrap, and the like.
  • the temperature sensor may advantageously be more areal resistive
  • Touch temperature sensor may be formed and the battery may comprise a cell winding foil or a second polymer carrier, on which the touch temperature sensor is arranged.
  • the cell wrap is
  • a cladding, wrapping or encapsulating flat battery components in particular, a cladding, wrapping or encapsulating flat battery components.
  • the battery constituents that is to say in particular the flat electrodes and the electrolyte, anhydrously by means of the cell winding foil, since otherwise the lithium in the battery components would react violently with the water.
  • the encapsulated flat battery components are wound, that is, they essentially form a cell coil and are preferably arranged in a cuboid metal housing or the like.
  • the cell wrapping film can fulfill an advantageous dual function by acting as cladding, wrapping or encapsulation of flat battery components and as a carrier of the surface resistive touch temperature sensor.
  • the second polymer carrier can form, in addition to the first polymer carrier or separator, a further polymer carrier arranged within the cell coil. Furthermore, the second polymer carrier can be arranged in the cell nucleus of the cell coil or wound around cell coils.
  • the heating element has a positive temperature coefficient and acts as the switching element. Materials with positive
  • Temperature coefficients also called PTC resistor or PTC resistor, are generally good at low temperatures conductive, but at high temperatures, poorly conductive.
  • the heating element is formed of a PTC thermistor, which is close to a certain setpoint temperature during heating, for. B. 35 ° C, has such a high resistance that virtually no current can flow through it and the heating element is thereby turned off or regulated, that is essentially separated from the power supply.
  • the positive temperature coefficient of the heating element can also be used as
  • Overheat protection mechanism act.
  • the heating element and the battery can be protected from overheating.
  • the heating element can perform a beneficial dual function by heating and additionally acts as the switching element, that is an otherwise
  • the heating element can act as a control element, which continuously up or down regulates the current through the heating element depending on the temperature by its PTC characteristic.
  • Switching element can form a closed loop.
  • Temperature sensor can determine the instantaneous temperature or actual temperature within the cell coil, the heating element is meanwhile preferably via the closed switching element with the
  • Temperature sensor detects an actual temperature corresponding to a desired target temperature, then the switching element separates the heating element from the power supply, it is then no longer heated.
  • the battery is preferably ready to operate in the heated state.
  • the heating element, the temperature sensor and the switching element in the battery or in the cell winding, that is, close to each other, since so disturbances of the control loop can be reduced.
  • a self-contained course of action for the influencing of a physical quantity in a technical process is referred to as the control loop.
  • the physical quantity in the device according to the invention is the temperature
  • the technical process is the heating in the battery.
  • Characteristic of the control loop here is essentially the feedback of the current temperature measurement value to a controller, in particular a negative feedback, as well as a continuous or digital controllers time-discrete target-actual comparison.
  • the controller may be formed, for example, by a battery management unit.
  • the heating element be used alternately as the
  • Temperature sensor can act. When the heating element is on
  • thermosensitive material e.g. As platinum includes, a
  • Battery management unit intermittently the heating element for a
  • Temperature detection unit can determine the physical properties of the heating element, for example, the ohmic resistance of the
  • Heating element and draw conclusions about the temperature within the cell coil.
  • lithium-ion battery cells can be suitable for the heating device according to the invention, since these are heated at low temperatures, eg. As temperatures below 10 ° C or below 0 ° C, strong losses in their
  • the battery in particular lithium-ion batteries, used in motor vehicles, the device according to the invention, the battery
  • the device according to the invention the battery in the
  • the device according to the invention comprises a display device, for example in the motor vehicle dashboard, which can signal the temperature state of the entire battery, individual battery modules or individual battery cells.
  • the inventive method regulates in particular the heating element by means of the switching element in an at least partially closed loop.
  • the method preferably includes setting a lower one
  • Target temperature of a battery by the method for heating is preferably heated to a range between T ug equal to 10 ° C and T og equal to 35 ° C.
  • the method comprises a variable selection of the setpoint temperature as a function of a further control variable, such as the ambient temperature, the
  • the heating element is a constant
  • Battery voltage is.
  • a variable voltage applied to the heating element for example, by pulse width modulated switching on and off of the battery voltage by means of the switching element or another
  • Switching element can be generated.
  • FIG. 1 shows a diagram of a temperature-dependent battery capacity
  • Figure 2 shows an embodiment of a battery according to the invention
  • Figure 3 is a detail view of the embodiment of Figure 2.
  • FIG. 2 shows a lithium-ion battery cell 200.
  • Lithium-ion battery cell 200 includes a cuboid aluminum housing
  • the cell wrap 204 comprises a wound strip-like sheet material having a plurality of layered battery components.
  • FIG. 3 shows a section 206 of the cell coil 204.
  • the section 206 includes a first diverter 208 for diverting currents.
  • the first arrester 208 is designed, for example, as a copper foil with a thickness of approximately 10 ⁇ m.
  • an anode layer 210 is disposed at the first arrester 208.
  • Anode layer 210 is formed, for example, from graphite and has a thickness of about 60 ⁇ .
  • the first arrester 208 is opposite to a second arrester 212, which also serves to divert currents.
  • the second arrester 212 is formed, for example, as aluminum foil with a thickness of approximately 15 ⁇ m.
  • a cathode layer 214 is arranged at the second arrester 212.
  • Cathode layer 212 includes, for example LiCo0 2 and has a thickness of about 150 ⁇ .
  • the anode layer 210 and the cathode layer 214 face each other but are separated by an electrically insulating separator layer 216 interposed therebetween.
  • the separator layer 216 is formed of, for example, polyethylene or polypropylene and forms a first polymeric carrier or separator. Between the first arrester 208 and the second arrester 212, the battery cell voltage U ba t is applied. about
  • a resistance layer 218 is arranged, which forms a heating element.
  • the resistive layer 218 is connected to the first arrester 208 via a switching element 220.
  • the resistive layer 218 is connected to the second arrester 212.
  • the lithium-ion battery cell 200 thus forms a voltage supply for the heating element.
  • the arrangement of the first arrester 208, the anode layer 210, the separator layer 216, the cathode layer 214 and the second arrester 212 is surrounded by a cell wrapping foil 222 which, for example, prevents moisture from penetrating into the cell coil 204.
  • a touch temperature sensor 224 is arranged between the cell winding foil 222 and the first arrester 208.
  • the touch temperature sensor 224 is provided with a
  • the lithium-ion battery 200 further includes a temperature control circuit including at least: the heating element, the switching element 220, the touch temperature sensor 224, the temperature detection unit 226, and a battery management unit.
  • the control loop works with the following procedure.
  • Touch temperature sensor 224 the actual temperature of the cell coil 204 is detected regularly. If the actual temperature is above a certain upper limit temperature, for example 35 ° C., the cell coil 204 is not heated. For this purpose, the battery management unit controls the switching element 220 such that the resistance layer 218 is de-energized, that is not heated. If the actual temperature is below a lower limit temperature of, for example, 10 ° C. or in a temperature intermediate range of, for example, 10 ° C. to 35 ° C., the battery management unit controls the switching element 220 in such a way that the resistance layer 218 is connected to the battery cell voltage U ba t, that is, it heats up the cell coil 204. Exceeds the measured
  • the resistive layer 218 is not connected to the battery cell voltage Ubat but to another one
  • the resistance layer 218 is arranged not on the separator layer 216, but on a thermally conductive intermediate layer 228 which, for example, is located between the separator layer 216 and the second absorber 212 is arranged.
  • the intermediate layer 228 may also be disposed on the cell wrap film 222, on the first absorber 208, between the first absorber 208 and the separator layer 216 or the like.
  • Resistor layer 218 is located directly on or within cell coil 204, regardless of the exact arrangement, so that cell coil 204 is directly heatable.
  • the arrangement of the resistance layer 218 on the intermediate layer 228 is taken into account in FIG. 3 by the interrupted line sections 230.
  • the resistance layer 218 acts both as a heating element and as a function of the wiring
  • Touch temperature sensor In this embodiment, the separate touch temperature sensor 224 and the
  • the resistive layer 218 also has a positive temperature gradient and is formed to have such a high resistance at temperatures above, for example, 35 ° C that virtually no current can flow therethrough, that is, the resistive layer 218 will not heat up.
  • the positive temperature gradient of the resistive layer 218 thereby also replaces the switching element 220 and the control of the switching element 220 by the battery management unit.
  • the resistive layer 218 is instead directly connected directly to the battery cell voltage U ba t.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Heizen einer Batterie (200) beschrieben, welche ein Heizelement (218), einen Temperatursensor (224), eine Spannungsversorgung (200) und ein Schaltelement (220), das die Spannungsversorgung (200) mit dem Heizelement (218) verbindet oder davon trennt, umfasst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Heizelement (218) in die Batterie (200) integriert ist. Ferner wird eine Batterie (200) mit wenigstens einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (200) vorgeschlagen, wobei die Lithium-Ionen-Batteriezelle (200) die Vorrichtung zum Heizen umfasst. Außerdem werden ein Kraftfahrzeug mit Batterie (200) und ein Verfahren zum Heizen einer Batterie (200) beschrieben.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung und Verfahren zum Heizen einer Batterie, Batterie und Kraftfahrzeug mit Batterie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heizen einer Batterie und eine Batterie, mit wenigstens einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, wobei die
Lithium-Ionen-Batteriezelle die Vorrichtung zum Heizen umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Heizen einer Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie und der Vorrichtung zum Heizen.
Stand der Technik
Viele herkömmliche Batterien weisen Temperaturabhängigkeiten auf. So
reduzieren Umgebungstemperaturen unterhalb der Raumtemperatur,
insbesondere unter 0 °C, die Batteriekapazität von Bleibatterien, von
NiMH-Batterien und von Lithium-Ionen-Batterien. Bei Lithium-Ionen-Batterien wird dieser Effekt beispielsweise durch die temperaturabhängige Leitfähigkeit des Elektrolyten und des Innenwiderstands hervorgerufen. In der Figur 1 sind Entladekurven einer herkömmlichen 18650 Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer 0,5C-Rate bei verschiedenen Temperaturen gezeigt. Bei Temperaturen unter 10 °C erfährt diese bekannte Batteriezelle bereits erkennbare Einbußen ihrer Kapazität.
Um solche Batteriezellen trotzdem effizient betreiben zu können, werden deren Gehäuse üblicherweise über einen externen Fluidkreislauf indirekt beheizt. Dazu ist eine erhebliche Energiemenge nötig, um die Temperatur im Batterieinneren anzuheben, da zunächst das Gehäuse der Batteriezelle und erst dann das
Batterieinnere beheizt werden. Die Anwendung dieser bekannten indirekten
Batterieheizungen, etwa bei Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen, verursacht eine verzögerte Inbetriebnahme der Traktionsbatterien und einen schlechten Wirkungsgrad, da die indirekte Batterieheizung Peripherie mitheizt.
Die DE 10 2008 054 943 A1 beschreibt ferner eine Batterieanordnung mit mehreren quaderförmigen Batterieelementen, die von Wärmetransportelementen umgeben sind und die von diesen geheizt oder gekühlt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Heizen einer Batterie zur Verfügung gestellt, welche ein Heizelement, einen Temperatursensor und eine
Spannungsversorgung umfasst. Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Schaltelement, das die Spannungsversorgung mit dem
Heizelement verbindet oder davon trennt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Heizelement in die Batterie integriert ist.
Eine erfindungsgemäße Batterie umfasst wenigstens eine
Lithium-Ionen-Batteriezelle, wobei die Lithium-Ionen-Batteriezelle die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heizen umfasst.
Außerdem wird ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, das eine Batterie und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heizen umfasst, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Heizen einer Batterie umfasst wenigstens folgende Schritte: Erfassen einer Temperatur in der Batterie mittels eines in der Batterie angeordneten Temperatursensors, Verbinden oder Trennen einer Spannungsversorgung mit bzw. von einem Heizelement mittels eines
Schaltelements und Heizen der Batterie mittels des Heizelements, wobei das Heizelement in die Batterie integriert ist.
Vorteile der Erfindung
Das Integrieren des Heizelements in die Batterie umfasst vorzugsweise ein Einbauen in die Batterie bzw. ein darin Anordnen. Der Begriff Batterie umfasst insbesondere auch eine Batteriezelle oder eine sekundäre bzw. eine wiederaufladbare Batteriezelle. Ist die Batterie eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder eine Lithium-Polymer-Batteriezelle, so umfasst das Integrieren des
Heizelements insbesondere ein Anordnen des Heizelements innerhalb der Batteriezelle, beispielsweise innerhalb eines Zellwickels einer solchen
Batteriezelle.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch die integrierte Anordnung des Heizelements in der Batterie direkt heizen und vermeidet so weitgehend ein Mitheizen von Peripherie, z. B. Batteriegehäuse, Batteriesockeln etc. Dadurch kann sich der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöhen und die Batterie kann schneller auf eine bestimmte Betriebstemperatur geheizt werden.
In einer vorteilhaften Ausbildung kann die Batterie selbst die
Spannungsversorgung des Heizelements bilden. Alternativ kann eine weitere Batterie, beispielsweise eine Niedervoltbatterie, die Spannungsversorgung bilden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann das Heizelement eine
Widerstandsschicht umfassen und die Batterie kann einen Separator oder einen ersten Polymerträger umfassen, auf dem die Widerstandsschicht angeordnet ist. Die Widerstandsheizschicht umfasst insbesondere Metall oder Cermet. Cermet ist im Allgemeinen ein Verbundwerkstoff aus Metall und Keramik, der unter anderem eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweist. Die
Temperaturwechselbeständigkeit ist eine für Heizelemente vorteilhafte
Eigenschaft.
Die Widerstandsschicht kann auf den ersten Polymerträger oder den Separator aufgedruckt, laminiert, aufgedampft oder auf ähnliche Weise darauf angeordnet sein, wobei der erste Polymerträger bzw. der Separator innerhalb der Batterie, der Batteriezelle bzw. des Zellwickels angeordnet ist. Der erste Polymerträger bzw. der Separator nimmt im Allgemeinen auch Elektrolyt der Batterie auf und kann dadurch eine Doppelfunktion in der Batterie übernehmen.
Ferner kann die Batterie eine wärmeleitfähige Zwischenschicht aufweisen, auf der die Widerstandsschicht angeordnet ist. Die Zwischenschicht weist vorzugweise eine Wärmeleitfähigkeit auf, die höher ist als die Wärmeleitfähigkeit umgebender Batteriebestandteile, wie z. B. Separator, positive Elektrode, negative Elektrode, Zellwickelfolie und dergleichen. Ferner kann der Temperatursensor auf vorteilhafte Weise als flächiger resistiver
Berührungs-Temperatursensor ausgebildet sein und die Batterie kann eine Zellwickelfolie oder einen zweiten Polymerträger umfassen, auf dem der Berührungs-Temperatursensor angeordnet ist. Die Zellwickelfolie ist
insbesondere eine Verkleidung, Umhüllung oder Kapselung von flächigen Batteriebestandteilen.
Bei Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymerbatterien ist es im Allgemeinen notwendig, die Batteriebestandteile, das heißt insbesondere die flächigen Elektroden und den Elektrolyten wasserfrei mittels der Zellwickelfolie zu kapseln, da das Lithium in den Batteriebestandteilen ansonsten mit dem Wasser heftig reagieren würde. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und der Anordnung von Batteriepolen werden die gekapselten flächigen Batteriebestandteile aufgewickelt, das heißt, sie bilden also im Wesentlichen einen Zellwickel und werden vorzugsweise in einem quaderförmigen Metallgehäuse oder dergleichen angeordnet.
Die Zellwickelfolie kann eine vorteilhafte Doppelfunktion erfüllen, indem sie als Verkleidung, Umhüllung bzw. Kapselung von flächigen Batteriebestandteilen sowie als Träger des flächigen resistiven Berührungs-Temperatursensors wirkt.
Der zweite Polymerträger kann neben dem ersten Polymerträger bzw. Separator einen weiteren innerhalb des Zellwickels angeordneten Polymerträger bilden. Ferner kann der zweite Polymerträger im Zellkern des Zellwickels angeordnet bzw. Zellwickel umwickelt sein.
Bevorzugt weist das Heizelement einen positiven Temperaturkoeffizienten auf und wirkt als das Schaltelement. Materialien mit positivem
Temperaturkoeffizienten, auch Kaltleiter oder PTC-Widerstand genannt, sind im Allgemeinen bei tiefen Temperaturen gut stromleitend, bei hohen Temperaturen jedoch schlecht leitend. Vorzugsweise ist das Heizelement aus einem Kaltleiter gebildet, der beim Aufheizen nahe einer bestimmten Solltemperatur, z. B. 35 °C, einen so hohen Widerstand aufweist, dass praktisch kein Strom mehr durch ihn fließen kann und das Heizelement dadurch abgeschaltet bzw. abgeregelt wird, das heißt im Wesentlichen von der Spannungsversorgung getrennt ist. Der positive Temperaturkoeffizient des Heizelements kann außerdem als
Überhitzungsschutzmechanismus wirken. Das Heizelement und die Batterie können dadurch vor einem Überheizen geschützt werden.
Das Heizelement kann eine vorteilhafte Doppelfunktion erfüllen, indem es heizt und zusätzlich als das Schaltelement wirkt, das heißt ein ansonsten
erforderliches diskretes Schaltelement ersetzt. Zusätzlich kann das Heizelement als Regelelement wirken, das durch seine Kaltleitercharakteristik den Strom durch das Heizelement je nach Temperatur kontinuierlich auf- oder abregelt.
Ferner wird eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, bei der das Heizelement, der Temperatursensor und das
Schaltelement einen geschlossenen Regelkreis bilden können. Der
Temperatursensor kann die Momentantemperatur bzw. IST-Temperatur innerhalb des Zellwickels ermitteln, das Heizelement ist währenddessen vorzugsweise über das geschlossene Schaltelement mit der
Spannungsversorgung verbunden und heizt direkt in der Batterie. Wenn der
Temperatursensor eine IST-Temperatur ermittelt, die einer gewünschten SOLL- bzw. Ziel-Temperatur entspricht, dann trennt das Schaltelement das Heizelement von der Spannungsversorgung, es wird dann nicht mehr geheizt. Die Batterie ist im aufgeheizten Zustand vorzugweise betriebsbereit.
Ferner ist es vorteilhaft, das Heizelement, den Temperatursensor und das Schaltelement in der Batterie bzw. im Zellwickel anzuordnen, das heißt nahe beieinander, da so Störungen des Regelkreises verringert werden können. Als Regelkreis wird im Allgemeinen ein in sich geschlossener Wirkungsablauf für die Beeinflussung einer physikalischen Größe in einem technischen Prozess bezeichnet. Die physikalische Größe in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Temperatur, der technische Prozess ist das Heizen in der Batterie.
Charakteristisch für den Regelkreis ist hierbei im Wesentlichen die Rückkopplung des aktuellen Temperaturmesswertes an einen Regler, insbesondere eine negative Rückkopplung, sowie ein kontinuierlicher bzw. bei digitalen Reglern ein zeitdiskreter Soll-Ist-Vergleich. Der Regler kann beispielsweise von einer Batteriemanagementeinheit gebildet sein.
Ferner ist es bevorzugt, dass das Heizelement wechselweise als der
Temperatursensor wirken kann. Wenn das Heizelement ein
temperaturempfindliches Material, z. B. Platin umfasst, kann eine
Batteriemanagementeinheit intermittierend das Heizelement für eine
vorbestimmte erste Zeitdauer mit der Spannungsquelle verbinden und die Batterie heizen sowie nach Ablauf der ersten Zeitdauer das Heizelement von der Spannungsquelle trennen und anschließend für eine vorbestimmte zweite
Zeitdauer mit einer Temperaturerfassungseinheit verbinden. Die
Temperaturerfassungseinheit kann die physikalischen Eigenschaften des Heizelements ermitteln, beispielsweise den ohmschen Widerstand des
Heizelements, und daraus Rückschlüsse auf die Temperatur innerhalb des Zellwickels ziehen.
Besonders können sich Lithium-Ionen-Batteriezellen für die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heizen eignen, da diese bei geringen Temperaturen, z. B. Temperaturen unter 10 °C oder unter 0 °C, starke Einbußen in ihrer
Batteriekapazität erleiden.
Werden Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, in Kraftfahrzeugen eingesetzt, so kann die erfindungsgemäße Vorrichtung die Batterie
beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen vor dem Anlassen oder während der Fahrt des Kraftfahrzeugs heizen. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung kann dafür sorgen, dass die Kraftfahrzeug-Batterien auf
energiesparende Weise geheizt werden und schnell betriebsbereit sind.
Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung die Batterie im
Kraftfahrzeug zeitgesteuert heizen. Es ist außerdem bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Anzeigevorrichtung, beispielsweise im Kraftfahrzeugarmaturenbrett, umfasst, die den Temperaturzustand der gesamten Batterie, einzelner Batteriemodule oder einzelner Batteriezellen signalisieren kann. Das erfindungsgemäße Verfahren regelt insbesondere das Heizelement mittels des Schaltelements in einem wenigstens teilweise geschlossenen Regelkreis.
Das Verfahren umfasst vorzugweise ein Festlegen einer unteren
Grenztemperatur Tug und einer oberen Grenztemperatur Tog, wobei die
Solltemperatur einer Batterie durch das Verfahren zum Heizen bevorzugt auf einen Bereich zwischen Tug gleich 10 °C und Tog gleich 35 °C geheizt wird.
Bevorzugt umfasst das Verfahren ein variables Auswählen der Solltemperatur in Abhängigkeit von einer weiteren Stellgröße, etwa der Umgebungstemperatur, der
IST-Fluidtemperatur eines anderen Batterie-Heiz- bzw. Kühlsystems oder des Innendrucks der Batteriezelle.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt am Heizelement eine konstante
Spannung der Spannungsversorgung an, die insbesondere gleich der
Batteriespannung ist. Alternativ kann am Heizelement eine variable Spannung anliegen, die beispielsweise durch pulsweitenmoduliertes Ein- und Ausschalten der Batteriespannung mittels des Schaltelements oder eines weiteren
Schaltelements erzeugt werden kann.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Diagramm einer temperaturabhängigen Batteriekapazität, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie, und Figur 3 eine Detailansicht des Ausführungsbeispiels von Figur 2.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 2 ist eine Lithium-Ionen-Batteriezelle 200 gezeigt. Die
Lithium-Ionen-Batteriezelle 200 umfasst ein quaderförmiges Aluminiumgehäuse
202, das an wenigstens einer Stirnseite eine Öffnung aufweist. Die Öffnung ist mit einem Deckel verschließbar, in der Figur 2 jedoch geöffnet gezeichnet. Im Inneren des Aluminiumgehäuses 202 ist ein Zellwickel 204 angeordnet. Der Zellwickel 204 umfasst ein aufgewickeltes bandförmiges Schichtmaterial, das mehrere schichtartige Batteriebestandteile aufweist.
Da Lithium-Ionen-Batteriezellen bei Temperaturen unter 10 °C und insbesondere unter 0 °C häufig starke Einbußen in Ihrer Batteriekapazität aufweisen, ist ein Heizen der Batteriezellen bei solchen Temperaturen erforderlich. Herkömmliche Batteriezellenheizungen heizen den Zellwickel jedoch nicht direkt, sondern sind außen am Aluminiumgehäuse angeordnet und heizen den Zellwickel nur indirekt.
In der Figur 3 ist ein Abschnitt 206 des Zellwickels 204 gezeigt. Der Abschnitt 206 umfasst einen ersten Ableiter 208 zum Ableiten von Strömen. Der erste Ableiter 208 ist beispielsweise als Kupferfolie mit einer Dicke von etwa 10 μηη ausgebildet. Am ersten Ableiter 208 ist eine Anodenschicht 210 angeordnet. Die
Anodenschicht 210 ist beispielsweise aus Graphit gebildet und weist eine Dicke von etwa 60 μηη auf. Dem ersten Ableiter 208 liegt ein zweiter Ableiter 212 gegenüber, der auch zum Ableiten von Strömen dient. Der zweite Ableiter 212 ist beispielsweise als Aluminiumfolie mit einer Dicke von etwa 15 μηη ausgebildet. Am zweiten Ableiter 212 ist eine Kathodenschicht 214 angeordnet. Die
Kathodenschicht 212 umfasst beispielsweise LiCo02 und weist eine Dicke von etwa 150 μηη auf. Die Anodenschicht 210 und die Kathodenschicht 214 liegen einander gegenüber, sind jedoch durch eine dazwischen angeordnete elektrisch isolierende Separatorschicht 216 getrennt. Die Separatorschicht 216 ist beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen gebildet und bildet einen ersten Polymerträger oder einen Separator. Zwischen erstem Ableiter 208 und zweitem Ableiter 212 liegt die Batteriezellenspannung Ubat an. Über
entsprechende Klemmen an den Abieitern 208, 212 kann die
Batteriezellenspannung Ubat beispielsweise an das Antriebssystem eines
Kraftfahrzeugs abgegeben werden.
An der Separatorschicht 216 ist eine Widerstandsschicht 218 angeordnet, die ein Heizelement bildet. Die Widerstandsschicht 218 ist mit dem ersten Ableiter 208 über ein Schaltelement 220 verbunden. Außerdem ist die Widerstandsschicht 218 mit dem zweiten Ableiter 212 verbunden. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle 200 bildet also eine Spannungsversorgung für das Heizelement. Die Anordnung aus dem ersten Ableiter 208, der Anodenschicht 210, der Separatorschicht 216, der Kathodenschicht 214 und dem zweiten Ableiter 212 ist von einer Zellwickelfolie 222 umgeben, die beispielsweise ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellwickel 204 verhindert. Zwischen der Zellwickelfolie 222 und dem ersten Ableiter 208 ist ein Berührungs-Temperatursensor 224 angeordnet. Der Berührungs-Temperatursensor 224 ist mit einer
Temperaturerfassungseinheit 226 verbunden, zusammen ermöglichen die beiden die direkte Messung der Temperatur des Zellwickels 204.
Die Lithium-Ionen-Batterie 200 umfasst ferner einen Temperatur-Regelkreis, der wenigstens folgende Elemente aufweist: das Heizelement, das Schaltelement 220, den Berührungs-Temperatursensor 224, die Temperaturerfassungseinheit 226 und eine Batteriemanagementeinheit.
Der Regelkreis arbeitet mit folgendem Verfahren. Mittels des
Berührungs-Temperatursensors 224 wird die IST-Temperatur des Zellwickels 204 regelmäßig erfasst. Liegt die IST-Temperatur über einer bestimmten oberen Grenztemperatur von beispielsweise 35 °C, wird der Zellwickel 204 nicht geheizt. Dazu steuert die Batteriemanagementeinheit das Schaltelement 220 derart an, dass die Widerstandsschicht 218 stromlos ist, das heißt nicht heizt. Liegt die IST-Temperatur unter einer unteren Grenztemperatur von beispielsweise 10 °C oder in einem Temperaturzwischenbereich von beispielsweise 10 °C bis 35 °C, steuert die Batteriemanagementeinheit das Schaltelement 220 derart an, dass die Widerstandsschicht 218 mit der Batteriezellenspannung Ubat verbunden ist, das heißt, sie heizt den Zellwickel 204 auf. Überschreitet die gemessene
IST-Temperatur die obere Grenztemperatur, wird der Zellwickel 204 nicht mehr geheizt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Widerstandsschicht 218 nicht mit der Batteriezellenspannung Ubat, sondern mit einer weiteren
Kleinspannungsbatterie verbunden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Widerstandsschicht 218 nicht an der Separatorschicht 216, sondern an einer wärmeleitfähigen Zwischenschicht 228 angeordnet, die beispielsweise zwischen der Separatorschicht 216 und dem zweiten Abieiter 212 angeordnet ist. Die Zwischenschicht 228 kann jedoch auch an der Zellwickelfolie 222, am ersten Abieiter 208, zwischen erstem Abieiter 208 und der Separatorschicht 216 oder dergleichen angeordnet sein. Die
Widerstandsschicht 218 ist unabhängig von der genauen Anordnung direkt am oder innerhalb des Zellwickels 204 angeordnet, so dass der Zellwickel 204 direkt heizbar ist. Der Anordnung der Widerstandsschicht 218 an der Zwischenschicht 228 ist in der Figur 3 durch die unterbrochen gezeichneten Leitungsstücke 230 Rechnung getragen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wirkt die Widerstandsschicht 218 je nach Beschaltung sowohl als Heizelement als auch als
Berührungs-Temperatursensor. In diesem Ausführungsbeispiel können der separate Berührungs-Temperatursensor 224 und die
Temperaturerfassungseinheit 226 entfallen. Die Widerstandsschicht 218 weist ferner einen positiven Temperaturgradienten auf und ist derart gebildet, dass sie bei Temperaturen über beispielsweise 35 °C einen derart hohen Widerstand aufweist, dass praktisch kein Strom mehr durch sie fließen kann, das heißt, die Widerstandsschicht 218 heizt dann nicht mehr. Der positive Temperaturgradient der Widerstandsschicht 218 ersetzt dadurch auch das Schaltelement 220 und die Steuerung des Schaltelements 220 durch die Batteriemanagementeinheit. Die Widerstandsschicht 218 ist stattdessen auf einfache Weise direkt mit der Batteriezellenspannung Ubat verbunden.

Claims

Ansprüche
Vorrichtung zum Heizen einer Batterie (200) mit
einem Heizelement (218),
einem Temperatursensor (224),
einer Spannungsversorgung (200),
einem Schaltelement (220), das die Spannungsversorgung (200) mit dem Heizelement (218) verbindet oder davon trennt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (218) in die Batterie (200) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher das Heizelement (218) eine Widerstandsschicht (218) umfasst und bei welcher die Batterie (200) einen Separator (216) oder einen ersten Polymerträger (216) umfasst, auf dem die Widerstandsschicht (218) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher das Heizelement (218) eine Widerstandsschicht (218) umfasst und bei welcher die Batterie (200) eine wärmeleitfähige Zwischenschicht (228) aufweist, auf der die
Widerstandsschicht (218) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Temperatursensor (224) als flächiger resistiver
Berührungs-Temperatursensor (224) ausgebildet ist, und bei welcher die Batterie (200) eine Zellwickelfolie (222) oder einen zweiten Polymerträger (222, 228) umfasst, auf dem der Berührungs-Temperatursensor (224) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Heizelement (218) einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und als das Schaltelement (220) wirkt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher das Heizelement (218), der Temperatursensor (224) und das Schaltelement (220) einen geschlossenen Regelkreis bilden.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Heizelement (218) wechselweise als der Temperatursensor (224) wirkt.
8. Batterie (200) mit wenigstens einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (200), wobei die Lithium-Ionen-Batteriezelle (200) die Vorrichtung zum Heizen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
9. Kraftfahrzeug mit einer Batterie (200) und einer Vorrichtung zum Heizen der Batterie (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Batterie (200) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
10. Verfahren zum Heizen einer Batterie umfassend wenigstens folgende
Schritte:
Erfassen einer Temperatur in der Batterie mittels eines in der Batterie angeordneten Temperatursensors,
Verbinden oder Trennen einer Spannungsversorgung mit bzw. von einem Heizelement mittels eines Schaltelements und
Heizen der Batterie mittels des Heizelements, wobei das Heizelement in die Batterie integriert ist.
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