WO2023011949A1 - Verfahren zum heizen einer batterie und batterie - Google Patents

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WO2023011949A1
WO2023011949A1 PCT/EP2022/070681 EP2022070681W WO2023011949A1 WO 2023011949 A1 WO2023011949 A1 WO 2023011949A1 EP 2022070681 W EP2022070681 W EP 2022070681W WO 2023011949 A1 WO2023011949 A1 WO 2023011949A1
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semiconductor switching
individual
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Lukas Rubacek
Hansen Chang
Anselm Mülberger
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Mercedes-Benz Group AG
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for heating a battery made up of individual battery cells according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a battery designed as a traction battery, which is set up to carry out the method.
  • Batteries are increasingly being used in at least partially electrically powered vehicles.
  • the batteries are usually made up of a large number of individual battery cells, which are implemented, for example, as individual battery cells using lithium-ion technology.
  • Such batteries need a certain operating temperature in order to work well. At very low temperatures, which are well below this operating temperature, for example at temperatures well below freezing, it is therefore necessary to heat the individual battery cells in order to ensure their full performance.
  • a common structure is the use of an electric heater, which is described in WO 2019/137670 A1, for example. There, heating mats are inserted between the individual battery cells and the batteries are electrically heated. The heat then has to get inside the battery through a housing of the battery, so that overall this is a very complex, time-consuming and energy-intensive way of heating batteries.
  • the object of the present invention consists in specifying a method for heating a battery made up of individual battery cells, which is improved compared to the use of heating mats known per se.
  • a battery suitable for the method should be specified.
  • this object is achieved by a method according to the invention with the features in claim 1 .
  • Advantageous refinements and developments result from the dependent subclaims.
  • a battery suitable for carrying out the method is described in claim 5.
  • advantageous refinements and developments of this battery result from the dependent claims.
  • the method according to the invention for heating a battery made up of individual battery cells uses semiconductor switching elements arranged between the poles of the individual battery cells, similar to the structures for cell balancing in the prior art mentioned above.
  • the individual battery cells are short-circuited for heating via the semiconductor switching elements, alternating phases with short-circuited individual battery cells and phases with non-short-circuited individual battery cells.
  • the short-circuiting of the single battery cell ensures that heat is generated in the single battery cell, specifically at its internal resistance, with electrical energy from the single battery cell itself. This has the decisive advantage that with minimal energy consumption, heat can be generated exactly where it is needed to heat up the individual battery cells, namely inside the individual battery cells themselves.
  • the individual battery cell Independent of heat conduction through a housing of the individual battery cells, independent of In the event of any heat transfer from a cooling medium to the individual battery cell or the like, the individual battery cell is heated exactly where it is ultimately needed.
  • the inventive method for heating the Individual battery cells are therefore extremely efficient and can be easily implemented with minimal additional effort, especially if semiconductor switching elements are already present for cell balancing.
  • the time phase with the short-circuited individual battery cells is up to 100 ms, the time phase with non-short-circuited individual battery cells being in the range of 10 to 20 s.
  • the time phase with non-short-circuited individual battery cells is particularly preferably in the range from 5 to 15 s.
  • the time phase with non-short-circuited individual battery cells is composed of a first time section of relaxation and a subsequent second time section of charging, with the time section of charging being longer lasts as the relaxation time segment.
  • the individual battery cell is not short-circuited, it is therefore granted a period of relaxation in which the charges can again be evenly distributed in the individual battery cell.
  • the battery is then charged, so that despite the heating process overall, the state of charge of the battery at least does not deteriorate, and can even be increased by charging the individual battery cells.
  • the semiconductor switching elements are selected in such a way that they have a lower internal resistance than the internal resistance of the individual battery cell assigned to them, so that the majority of the heat generated at the electrical resistance is inside the individual battery cell and not in the area of the semiconductor switching elements.
  • the semiconductor switching elements themselves can be implemented in almost any manner, for example thyristors, IGBTs or the like. In particular, MOSFETs are to be used here.
  • the battery according to the invention is now designed as a traction battery for at least partially electrically driven vehicles, for example hybrid vehicles or battery-electric vehicles. It has an interconnection of its individual battery cells and a controller which are set up to carry out the method described above.
  • Such a battery can therefore have suitable interconnection of the individual battery cells, semiconductor switches such as MOSFETs, in order to implement the method accordingly.
  • each individual battery cell is assigned three semiconductor switching elements which can connect the poles of the respective individual battery cell optionally or jointly to a positive bus line, a negative bus line or the respective other pole of the adjacent individual battery cell.
  • the individual battery cells can therefore have three semiconductor switching elements.
  • One can connect the respective adjacent and oppositely polarized poles of adjacent individual battery cells accordingly, in order to implement a series connection of the individual battery cells overall within the battery or a module of the battery.
  • the respective positive pole can then be connected to a positive busbar and the respective negative pole to a negative busbar via the other elements.
  • the individual battery cells can be connected in series, for example for charging and discharging the individual battery cells.
  • the semiconductor switching elements are formed on a flexible conductor foil.
  • a flexible conductor film with the semiconductor switching elements arranged thereon is a space-saving structure which can be integrated relatively easily into the overall structure of the battery.
  • a further semiconductor switching element is arranged in each case in the positive and the negative bus line between the connections to the semiconductor switching elements of the respective individual battery cell. This makes it possible, for example, to switch off individual battery individual cells from the overall assembly of the battery in order to be able to bridge defective cells, for example.
  • such a connection with five semiconductor switching elements assigned to each of the individual battery cells can also be used to implement the cell balancing described in the prior art mentioned at the outset, ie the charge equalization between the individual battery individual cells of the battery.
  • the individual battery cells are designed as prismatic cells with electrical poles arranged on opposite side edges, the electrical poles of adjacent individual battery cells being connected to the semiconductor switching elements via the flexible conductor foil.
  • Such a structure is particularly simple and efficient and can use the flexible conductor foils to connect the poles of the individual battery cells on the one hand and integrate the necessary switching elements directly into this connection on the other.
  • the individual battery cells are stacked with the flexible conductor film in between and connected to form a battery module or the battery, for example clamped in a housing or between end plates.
  • the flexible conductor foil can then extend essentially in a Z-shape between the surfaces of the battery, so that overall hardly any additional installation space is required for the structure. If there is heat loss in the area of the semiconductor switching elements, especially during the short circuit for heating the battery, then this also occurs directly in the area of the individual battery cells, not inside them, but between two adjacent individual battery cells, so that the resulting heat loss ultimately also contributes to Heating of the battery can contribute.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a first possible embodiment of a battery for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 2 shows a representation of the voltage and the current for a short period of time during the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the associated heating in a diagram
  • FIG. 4 shows a diagram with a schematic representation of the state of charge of an exemplary single battery cell during the method
  • Fig. 6 shows an alternative embodiment of the battery analogous to the representation in Fig. 1.
  • the electrical wiring of an exemplary battery 1 is shown schematically. It consists of a large number of individual battery cells 2.1 to 2.n, in which case the adjacent reversed poles of each of the individual battery cells 1 can be connected in a switchable manner via a respective semiconductor switch, such as a MOSFET. These semiconductor switches are denoted by (r).
  • the respective positive pole of each of the individual battery cells 2.1 to 2.n is connected via a semiconductor switch, for example again a MOSFET, with the designation (p) to a positive bus line 3 and the respective negative pole via a semiconductor switch (m) to a negative bus line 4 connected.
  • each of the individual battery cells 2.1 to 2.n can now be used for self-heating of the individual battery cells 2.1 to 2.n in the battery 1.
  • all three semiconductor switching elements (r), (p), (m) are switched to the switched-on state, as a result of which the individual battery cells 2.1 to 2.n are short-circuited. If the semiconductor switching elements (r), (p), (m) are selected in such a way that their own resistance in series is less than the internal resistance of the individual battery cell 2.1 to 2.n, the heat produced by the short circuit is almost exclusively absorbed by the internal resistance of the individual battery cell 2.1 to 2.n drop and also heat the cell directly where the heat is needed. For charging and discharging the battery 1, the semiconductor switches (p) and (m) are then switched off accordingly, so that only the series connection of the individual battery cells 2.1 to 2.n is maintained by the semiconductor switches (r).
  • a short circuit of the individual battery cells 2.1 to 2.n is therefore always generated for a first time phase, followed by a period of time for relaxation.
  • the time period for the short circuit can preferably be between 1 ms and 100 ms, the time frame for the relaxation can be several seconds, for example 1 to 5 s, in particular approx. 1.5 s.
  • the two diagrams in FIG. 2 now show an exemplary process in which the individual battery cells 2.1 to 2.n have each been loaded with a low external resistance of the order of magnitude of 10 for 50 ms, for example. This is followed by relaxation for approximately 1.5 s, followed by charging of the individual battery cells 2.1 to 2.n for approximately 7 s.
  • the diagram on the left describes the voltage U of an individual battery cell 2.1 to 2.n over time t, the diagram on the right describes the current I over time t.
  • the discharging, ie ultimately the short circuit is shown with a solid line and charging with a dashed line within the diagram.
  • the voltage falls slightly compared to the voltage during charging and then falls to almost zero in the relaxation phase.
  • charging takes place with a constant current intensity, so that the voltage increases accordingly before the whole process can start again.
  • the result achieved in this way is heating of the respective individual battery cells 2.1 to 2.n, as can be seen from the temperature (T) diagram over time t in FIG.
  • the temperature increases essentially in stages, since during the short circuit there is relatively strong heating of the individual battery cells 2.1 to 2.n, with the temperature also increasing during the subsequent charging process, but only minimally compared to the temperature increase during the short circuit , increases.
  • the temperature starting from a starting temperature of -30°C, rose by approx. 8 K within approx. 40 s, further heating up to an operating temperature of, for example, 40°C would therefore take which here over time, require a period of approx. 250 s.
  • the battery 1 can therefore be heated from extremely low temperatures to a reasonable operating temperature within a few minutes.
  • the charges behave as shown in the diagram in FIG. 4, which shows the time t over the state of charge SOC.
  • the surface charges are predominantly consumed, so that the behavior of the state of charge at the surface results here as shown by the solid line.
  • these charges are equalized again, which are more or less supplied from the inside of the individual electrodes of the battery 1 and are thus again available in the surface area for the next short circuit.
  • FIG. 5a shows the first of the individual battery cells 2.1 in a three-dimensional view.
  • the single battery cell 2.1 is arranged in a prismatic housing and has the two poles 5, 6 as connection lugs, as so-called terminal tabs, on two of its end faces.
  • 5b shows a flexible conductor foil 7, which is correspondingly connected to the terminal tab 6 and which includes the semiconductor switching elements (p), (m), (r) and optionally other semiconductor switching elements, conductor tracks and electronic components.
  • a further single battery cell 2.3 is stacked in order to clamp the flexible conductor foil 7 between its terminal tab 5 and the terminal tab 6 of the single battery cell 2.2, before the process is repeated again until a sufficient number of single battery cells 2.1 to 2.n have reached the desired size of the battery is realized.
  • FIG. 6 an alternative embodiment of the battery 1 is now shown.
  • different individual battery cells 2.1 to 2.n are installed accordingly, and corresponding semiconductor switches are used here analogously to the illustration in FIG. Again, these are labeled (r), (p), (m) for each of the individual battery cells 2.1 to 2.n.
  • additional semiconductor switching elements (bp) and (bm) are also arranged in the area of the two bus lines 3, 4 are.
  • These semiconductor switching elements (bp), (bm) are arranged between the respective branches of adjacent individual battery cells 2.1 to 2.n, so that the switching elements (bp) are arranged between the points at which their semiconductor switches (p) are connected to the positive bus line 3 are.
  • a comparable structure is also implemented on the negative bus line 4, so that here the semiconductor switching elements (bm) are arranged between the respective connections of the semiconductor switching elements (m) of adjacent individual battery cells 2.1 to 2.n.
  • a charge equalization between the individual battery cells 2.1 to 2.n can also be implemented. It is also possible to disconnect individual battery cells 2.1 to 2.n from battery 1, for example if these individual cells are defective, have a very low voltage, have reversed polarity or the like.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heizen einer aus Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) aufgebauten Batterie (1), wobei zwischen den Polen (5, 6) der Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) Halbleiterschaltelemente ((r), (p), (m), (bp), (bm)) angeordnet sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) zum Beheizen über die Halbleiterschaltelemente ((r), (p), (m), (bp), (bm)) kurzgeschlossen werden, wobei eine zeitliche Phase mit kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) und eine zeitliche Phase mit nicht kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) sich abwechseln. Außerdem ist eine Batterie (1) zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Description

Verfahren zum Heizen einer Batterie und Batterie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heizen einer aus Batterieeinzelzellen aufgebauten Batterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine als Traktionsbatterie ausgebildete Batterie, welche dazu eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen.
Batterien kommen heute zunehmend in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zum Einsatz. Meist sind die Batterien dabei aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen aufgebaut, welche beispielsweise als Batterieeinzelzellen in Lithium- lonen-Technologie realisiert sind. Derartige Batterien benötigen eine gewisse Betriebstemperatur, um gut zu funktionieren. Bei sehr niedrigen Temperaturen, welche deutlich unterhalb dieser Betriebstemperatur liegen, beispielsweise bei deutlich unter dem Gefrierpunkt liegenden Temperaturen ist es daher notwendig, die Batterieeinzelzellen zu beheizen, um ihre volle Leistungsfähigkeit sicherzustellen. Ein gängiger Aufbau ist dabei der Einsatz einer elektrischen Heizung, welcher beispielsweise in der WO 2019/137670 A1 beschrieben ist. Dort werden Heizmatten zwischen die Batterieeinzelzellen eingelegt und die Batterien werden elektrisch beheizt. Die Wärme muss dann durch ein Gehäuse der Batterie in das Innere der Batterie gelangen, sodass dies insgesamt ein sehr aufwändiger, zeitintensiver und energieintensiver Weg ist, Batterien zu beheizen.
Aus dem weiteren Stand der Technik bezüglich derartiger Batterien ist es auch bekannt, die Batterieeinzelzellen über entsprechende Schalter, insbesondere Halbleiterschalter miteinander zu verbinden, um beispielsweise ein sogenanntes Cell-Balancing, also ein Ladungsausgleich zwischen den gegebenenfalls unterschiedlich stark ge- oder entladenen Batterieeinzelzellen zu schaffen. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auf die EP 2 559 094 B1 oder mit einer ähnlichen Thematik auch auf die WO 2019/214824 A1 hingewiesen werden. Aus der US 2007 / 0 160 900 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei welchem die Batterieeinzelzellen über zeitlich begrenzte Kurzschlüsse beheizt werden. Die CN 1 12 531 855 A beschreibt einen Aufbau, welcher eine solche Vorgehensweise im Prinzip ebenfalls ermöglichen würde.
Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die US 201 / 0 380 697 A1 hingewiesen werden. Dort sind flexible Leitungselemente auf einer Folie beschreiben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Heizen einer aus Batterieeinzelzellen aufgebauten Batterie anzugeben, welches gegenüber dem Einsatz an sich bekannter Heizmatten verbessert ist. Außerdem soll eine für das Verfahren geeignete Batterie angegeben werden.
Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Batterie ist im Anspruch 5 beschrieben. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Batterie aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Heizen einer aus Batterieeinzelzellen aufgebauten Batterie nutzt zwischen den Polen der Batterieeinzelzellen angeordnete Halbleiterschaltelemente, ähnlich wie die Aufbauten zum Cell-Balancing in den oben genannten Stand der Technik. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun so, dass die Batterieeinzelzellen zur Beheizung über die Halbleiterschaltelemente kurzgeschlossen werden, wobei zeitliche Phasen mit kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen und zeitliche Phasen mit nicht kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen sich abwechseln. Das Kurzschließen der Batterieeinzelzelle sorgt dafür, dass mit elektrischer Energie aus der Batterieeinzelzelle selbst Wärme in der Batterieeinzelzelle, und zwar an deren Innenwiderstand, erzeugt wird. Dies hat den ganz entscheidenden Vorteil, dass mit minimalem Energieeinsatz Wärme an genau der Stelle erzeugt werden kann, an welcher sie zum Aufheizen der Batterieeinzelzellen auch benötigt wird, nämlich im Inneren der Batterieeinzelzellen selbst. Unabhängig von einer Wärmeleitung durch ein Gehäuse der Batterieeinzelzellen, unabhängig von einem eventuellen Wärmeübergang von einem Kühlmedium auf die Batterieeinzelzelle oder dergleichen wird so die Erwärmung der Batterieeinzelzelle genau dort bewirkt, wo sie letztlich benötigt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beheizen der Batterieeinzelzellen ist damit außerordentlich effizient und lässt sich, insbesondere wenn Halbleiterschaltelemente für ein Cell-Balancing ohnehin vorhanden sind, mit minimalem zusätzlichen Mehraufwand einfach realisieren.
Gemäß der Erfindung ist es dabei vorgesehen, dass die zeitliche Phase mit den kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen bis zu 100 ms beträgt, wobei die zeitliche Phase mit nicht kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen im Bereich von 10 bis 20 s liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung liegt die zeitliche Phase mit nicht kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 15 s liegt.
Bereits in dieser relativ kurzen Zeitspanne von bis zu 100 ms kann durch das Kurzschließen der Batterieeinzelzelle eine erhebliche Wärmemenge erzeugt werden. Anschließend wird das kurzschließen pausiert, um die Batterieeinzelzelle dann erneut kurzzuschließen.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass die zeitliche Phase mit nicht kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen sich aus einem ersten zeitlichen Abschnitt der Relaxation und einem sich daran anschließenden zweiten zeitlichen Abschnitt des Ladens zusammensetzt, wobei der zeitliche Abschnitt des Ladens länger andauert als der zeitliche Abschnitt der Relaxation. In der Phase mit nicht kurzgeschlossener Batterieeinzelzelle wir dieser also ein zeitlicher Abschnitt der Relaxation gewährt, in welcher die Ladungen wieder gleichmäßig in der Batterieeinzelzelle verteilt werden können. Im nächsten Abschnitt mit nicht-kurzgeschlossener Batterieeinzelzelle wird die Batterie dann geladen wird, sodass sich trotz des Heizverfahrens insgesamt der Ladezustand der Batterie zumindest nicht verschlechtert, gegebenenfalls sogar noch durch das Laden der Batterieeinzelzellen erhöht werden kann.
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Halbleiterschaltelemente dabei so ausgewählt, dass diese einen geringeren Innenwiderstand aufweisen als es der Innenwiderstand der ihnen jeweils zugeordneten Batterieeinzelzelle ist, sodass der überwiegende Teil der am elektrischen Widerstand anfallenden Wärme im Inneren der Batterieeinzelzelle und nicht im Bereich der Halbleiterschaltelemente anfällt. Die Halbleiterschaltelemente selbst können dabei in annähernd beliebiger Art und Weise realisiert werden, beispielsweise Thyristoren, IGBT oder dergleichen. Insbesondere sollen hier MOSFETs zum Einsatz kommen.
Die erfindungsgemäße Batterie ist nun als Traktionsbatterie für zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge, beispielsweise Hybridfahrzeuge oder batterieelektrische Fahrzeuge ausgebildet. Sie weist eine Verschaltung ihrer Batterieeinzelzellen und eine Steuerung auf, welche dazu eingerichtet sind, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
Eine solche Batterie kann also über eine geeignete Verschaltung der Batterieeinzelzellen, über Halbleiterschalter wie beispielsweise MOSFETs verfügen, um das Verfahren entsprechend umzusetzen.
In der erfindungsgemäßen Batterie sind dabei jeder Batterieeinzelzelle drei Halbleiterschaltelemente zugeordnet, welche die Pole der jeweiligen Batterieeinzelzelle wahlweise oder gemeinsam mit einer positiven Sammelleitung, einer negativen Sammelleitung oder dem jeweils anderen Pol der benachbarten Batterieeinzelzelle verbinden können. Die Batterieeinzelzellen verfügen können also über drei Halbleiterschaltelemente. Eines kann die jeweils benachbarten und umgekehrt polarisierten Pole benachbarter Batterieeinzelzellen entsprechend verbinden, um so insgesamt innerhalb der Batterie oder eines Moduls der Batterie eine Reihenschaltung der Batterieeinzelzellen zu realisieren. Über die anderen Elemente kann dann der jeweils positive Pol mit einer positiven Stromschiene und der jeweils negative Pol mit einer negativen Sammelschiene verbunden werden. Insgesamt können so beispielsweise zum Laden und Entladen der Batterieeinzelzellen die Batterieeinzelzellen in Reihe geschaltet werden. Werden diese Halbleiterschaltelemente zur Reihenschaltung der Batterieeinzelzellen geöffnet und alle Pluspole mit der positiven Sammelleitung und alle negativen Pole mit der negativen Sammelleitung verbunden, dann lassen sich die Batterieeinzelzellen jeweils kurzschließen, um das verfahrensgemäße Beheizen, wie oben beschrieben, umzusetzen.
Erfindungsgemäß sind die Halbleiterschaltelemente auf einer flexiblen Leiterfolie ausgebildet. Eine solche flexible Leiterfolie mit den darauf angeordneten Halbleiterschaltelementen ist ein Platz sparender Aufbau, welcher relativ einfach in den Gesamtaufbau der Batterie integriert werden kann. Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie kann es nun ferner vorgesehen sein, dass in der positiven und der negativen Sammelleitung zwischen den Verbindungen zu den Halbleiterschaltelementen der jeweiligen Batterieeinzelzelle jeweils ein weiteres Halbleiterschaltelement angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise einzelne Batterieeinzelzellen aus dem Gesamtverbund der Batterie herauszuschalten, um so beispielsweise defekte Zellen überbrücken zu können. Außerdem lässt sich über eine solche Verschaltung mit dann fünf jeder der Batterieeinzelzellen zugeordneten Halbleiterschaltelemente auch das im eingangs genannten Stand der Technik beschriebene Cell-Balancing, also den Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batterieeinzelzellen der Batterie entsprechend mit umsetzen.
Eine außerordentlich günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie kann es nun vorsehen, dass die Batterieeinzelzellen als prismatische Zellen mit an gegenüberliegenden Seitenkanten angeordneten elektrischen Polen ausgebildet sind, wobei die elektrischen Pole benachbarter Batterieeinzelzellen über die flexible Leiterfolie mit den Halbleiterschaltelementen verbunden sind. Ein solcher Aufbau ist besonders einfach und effizient und kann die flexiblen Leiterfolien einerseits zur Verbindung der Pole der Batterieeinzelzellen nutzen und andererseits die notwendigen Schaltelemente unmittelbar in diese Verbindung integrieren.
Insbesondere kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie dabei vorgesehen sein, dass die Batterieeinzelzellen mit der dazwischenliegenden flexiblen Leiterfolie aufgestapelt und zu einem Batteriemodul oder der Batterie verbunden, beispielsweise in einem Gehäuse oder zwischen Endplatten verspannt sind. Die flexible Leiterfolie kann sich dann im Wesentlichen Z- förmig zwischen den Flächen der Batterie erstrecken, sodass insgesamt kaum zusätzlicher Bauraum für den Aufbau benötigt wird. Kommt es nun im Bereich der Halbleiterschaltelemente, insbesondere während des Kurzschlusses zur Beheizung der Batterie zu Wärmeverlusten, dann entstehen auch diese unmittelbar im Bereich der Batterieeinzelzellen, zwar nicht in deren Innerem, jedoch zwischen jeweils zwei benachbarten Batterieeinzelzellen, sodass auch die hierbei entstehende Verlustwärme letztlich zur Aufheizung der Batterie beitragen kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer Batterie gemäß der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten möglichen Ausführungsform einer Batterie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine Darstellung der Spannung und des Stroms für einen kurzen Zeitraum während des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der damit verbundenen Erwärmung in einem Diagramm;
Fig. 4 ein Diagramm mit einer schematischen Darstellung des Ladezustands einer beispielhaften Batterieeinzelzelle während des Verfahrens;
Fig. 5 eine Darstellung eines möglichen Aufbaus von Batterieeinzelzellen mit ihrer Verschaltung in mehreren Herstellungsschritten; und
Fig. 6 eine alternative Ausführungsform der Batterie analog zur Darstellung in Fig. 1.
In der Darstellung der Figur 1 ist schematisch die elektrische Verschaltung einer beispielhaften Batterie 1 dargestellt. Sie besteht aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n, wobei die benachbarten umgekehrten Pole jeder der Batterieeinzelzellen 1 über jeweils einen Halbleiterschalter, wie z.B. einen MOSFET, schaltbar verbunden werden können. Diese Halbleiterschalter sind mit (r) bezeichnet. Darüber hinaus ist der jeweils positive Pol jeder der Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n über einen Halbleiterschalter, beispielsweise wiederum einem MOSFET, mit der Bezeichnung (p) mit einer positiven Sammelleitung 3 und der jeweils negative Pol über einen Halbleiterschalter (m) mit einer negativen Sammelleitung 4 verbunden.
Zum Selbstheizen der Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n in der Batterie 1 lässt sich nun der Innenwiderstand jeder der Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n nutzen. Hierfür werden alle drei Halbleiterschaltelemente (r), (p), (m) in den eingeschalteten Zustand versetzt, wodurch ein Kurzschluss der Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n erreicht wird. Sind die Halbleiterschaltelemente (r), (p), (m) dabei so gewählt, dass deren eigener Widerstand in Serie kleiner als der Innenwiderstand der Batterieeinzelzelle 2.1 bis 2.n ist, wird die durch den Kurzschluss produzierte Wärme annähernd ausschließlich am Innenwiderstand der Batterieeinzelzelle 2.1 bis 2.n abfallen und die Zelle unmittelbar dort, wo die Wärme benötigt wird, auch erwärmen. Zum Laden und Entladen der Batterie 1 werden dann die Halbleiterschalter (p) und (m) entsprechend ausgeschaltet, sodass durch die Halbleiterschalter (r) lediglich die Reihenschaltung der Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n aufrechterhalten bleibt.
Zum effizienten und dennoch schonenden Erwärmen der Batterie 1 wird nun zwischen diesen beiden Zuständen umgeschaltet. Es wird also immer für eine erste zeitliche Phase ein Kurzschluss der Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n erzeugt, danach eine Zeitspanne zur Relaxation. Die Zeitspanne für den Kurzschluss kann dabei vorzugsweise zwischen 1 ms und 100 ms liegen, der Zeitrahmen für die Relaxation kann mehrere Sekunden, beispielsweise 1 bis 5 s, insbesondere ca. 1 ,5 s betragen. In den beiden Diagrammen der Figur 2 ist nun ein beispielhafter Vorgang dargestellt, bei welchem die Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n mit einem jeweils geringen äußeren Widerstand in der Größenordnung von beispielsweise 10 für 50 ms belastet worden sind. Danach erfolgt eine Relaxation für ca. 1,5 s gefolgt von einem Laden der Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n für ca. 7 s. Dies führt dann zu dem durch die Diagramme der Figur 2 veranschaulichten Verhalten. Das Diagramm links beschreibt dabei die Spannung U einer Batterieeinzelzelle 2.1 bis 2.n über der Zeit t, das Diagramm rechts den Strom I über der Zeit t. Dabei ist das Entladen, also letztlich der Kurzschluss mit durchgezogener Linie und das Laden mit gestrichelter Linie innerhalb des Diagramms dargestellt. Die Spannung fällt beim Kurzschluss gegenüber der Spannung beim Laden etwas ab und sinkt dann in der Phase der Relaxation annähernd auf null. Nach der Relaxation erfolgt dann, wie es insbesondere anhand des rechts dargestellten Strom- Zeit-Diagramms gut zu erkennen ist, ein Laden mit konstanter Stromstärke, sodass die Spannung entsprechend ansteigt bevor der ganze Vorgang dann von Neuem beginnen kann.
Das damit erzielte Ergebnis ist ein Aufheizen der jeweiligen Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n, wie es durch das Temperatur-(T)-Diagramm über der Zeit t in Figur 3 zu erkennen ist. Im Wesentlichen in Stufen steigt die Temperatur an, da es während des Kurzschlusses jeweils zu einer relativ starken Erwärmung der Batterieeinzelzelle 2.1 bis 2.n kommt, wobei während des nachfolgenden Ladevorgangs die Temperatur zwar auch, jedoch nur minimal im Vergleich zu dem Temperaturanstieg während des Kurzschlusses, ansteigt. Dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Temperatur ausgehend von einer Starttemperatur bei -30°C innerhalb von ca. 40 s um ca. 8 K angestiegen, ein weiteres Erwärmen bis hin zu einer Betriebstemperatur von beispielsweise 40°C würde also bei einem im Mittel linearen Temperaturanstieg, welcher sich hier über die Zeit einstellt, eine Zeitspanne von ca. 250 s benötigen. Die Batterie 1 lässt sich also mit dem Verfahren innerhalb weniger Minuten von extrem niedrigen Temperaturen auf eine sinnvolle Betriebstemperatur aufheizen.
Die Ladungen verhalten sich dabei so wie es sich aus dem Diagramm der Figur 4, welche die Zeit t über dem Ladezustand SOC zeigt, ergibt. Während des Kurzschlusses werden überwiegend die Oberflächenladungen verbraucht, sodass sich hier das mit durchgezogener Linie gezeigte Verhalten des Ladezustands an der Oberfläche ergibt. Während der Relaxation und während des Ladens kommt es dann wieder zu einem Ausgleich dieser Ladungen, welche quasi vom Inneren der einzelnen Elektroden der Batterie 1 nachgeliefert werden und so für den nächsten Kurzschluss wieder im Oberflächenbereich zur Verfügung stehen.
Ein beispielhafter Aufbau zum konstruktiven Realisieren einer Batterie 1 , wie sie insbesondere in Figur 1 schematisch angedeutet ist, ist nun anhand der Figuren 5 entsprechend dargestellt. Die einzelnen Figuren 5a bis 5d zeigen dabei verschiedene Fertigungsschritte beim Aufstapeln der Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n. In der Darstellung der Figur 5a zeigt die erste der Batterieeinzelzellen 2.1 in einer dreidimensionalen Ansicht. Die Batterieeinzelzelle 2.1 ist in einem prismatischen Gehäuse angeordnet und weist an zwei ihrer Stirnseiten die beiden Pole 5, 6 als Anschlussfahnen, als sogenannte Terminal Tabs auf. In der Darstellung der Figur 5b ist dann eine flexible Leiterfolie 7 dargestellt, welche mit dem Terminal Tab 6 entsprechend verbunden ist und welche die Halbleiterschaltelemente (p), (m), (r) sowie gegebenenfalls weitere Halbleiterschaltelemente, Leiterbahnen und Elektronikbauteile umfasst. Auf diesen Aufbau wird nun, wie es in der Figur 5c gezeigt ist, eine zweite der Batterieeinzelzellen 2.2 aufgestapelt, wobei deren Terminal Tabs 5, 6 umgekehrt angeordnet sind, sodass also der Terminal Tab 6 nach vorn und der Terminal Tab 5 nach hinten ragt. Die beiden hinteren hier nicht mehr erkennbaren Terminal Tabs 6, 5 klemmen dabei die flexible Leiterfolie zwischen sich ein und kontaktieren sie entsprechend. Im vorderen Bereich wird, wie es in der Darstellung der Figur 5c zu erkennen ist, die flexible Leiterfolie 7 dann wieder umgeklappt und über die nun obere Batterieeinzelzelle 2.2 nach hinten geführt, bevor, wie es in der Darstellung der Figur 5d zu erkennen ist, eine weitere Batterieeinzelzelle 2.3 aufgestapelt wird, um die flexible Leiterfolie 7 zwischen ihrem Terminal Tab 5 und dem Terminal Tab 6 der Batterieeinzelzelle 2.2 einzuklemmen, bevor sich der Vorgang dann wieder wiederholt, bis über eine ausreichende Anzahl von Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n die gewünschte Größe der Batterie realisiert ist. In der Darstellung der Figur 6 ist nun eine alternative Ausführungsvariante der Batterie 1 dargestellt. Auch hier sind wieder verschiedene Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n entsprechend verbaut, sowie dass hier entsprechende Halbleiterschalter analog zur Darstellung in Figur 1 eingesetzt werden. Auch diese sind hier wieder mit (r), (p), (m) für jede der Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n bezeichnet. Ergänzend zu diesen drei Halbleiterschaltelementen (p), (r), (m) für jede der Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n ist es nun so, dass auch im Bereich der beiden Sammelleitungen 3, 4 zusätzliche Halbleiterschaltelemente (bp) und (bm) angeordnet sind. Diese Halbleiterschaltelemente (bp), (bm) sind dabei zwischen den jeweiligen Abzweigungen benachbarter Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n angeordnet, sodass zwischen den Punkten, an denen ihre Halbleiterschalter (p) mit der positiven Sammelleitung 3 verbunden sind, die Schaltelemente (bp) angeordnet sind. Ein vergleichbarer Aufbau ist auch auf der negativen Sammelleitung 4 realisiert, sodass hier die Halbleiterschaltelemente (bm) zwischen den jeweiligen Verbindungen der Halbleiterschaltelemente (m) benachbarter Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n angeordnet sind.
Mit diesem Aufbau lässt sich zusätzlich zum erfindungsgemäßen Verfahren zum Beheizen der Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n außerdem noch ein Ladungsausgleich zwischen den Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n realisieren. Ferner ist es möglich, einzelne der Batterieeinzelzellen 2.1 bis 2.n aus der Batterie 1 herauszuschalten, beispielsweise wenn diese Einzelzellen defekt sind, eine sehr niedrige Spannung haben, sich umgepolt haben oder dergleichen.

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Heizen einer aus Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) aufgebauten Batterie (1), wobei zwischen den Polen (5, 6) der Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) Halbleiterschaltelemente ((r), (p), (m), (bp), (bm)) angeordnet sind, wobei die Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) zum Beheizen über die Halbleiterschaltelemente ((r), (p), (m), (bp), (bm)) kurzgeschlossen werden, wobei eine zeitliche Phase mit kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) und eine zeitliche Phase mit nicht kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) sich abwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Phase mit kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) bis zu 100 ms beträgt, wobei die zeitliche Phase mit nicht kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) im Bereich von 1 bis 20 s liegt. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Phase mit nicht kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) im Bereich von 5 bis 15 s liegt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Phase mit nicht kurzgeschlossenen Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) sich aus einem ersten zeitlichen Abschnitt der Relaxation und einem sich daran anschließenden zweiten zeitlichen Abschnitt des Ladens zusammensetzt, wobei der zeitliche Abschnitt des Ladens länger andauert als der zeitliche Abschnitt der Relaxation. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand der jeweiligen Halbleiterschaltelemente ((r), (p), (m), (bp), (bm)) so ausgewählt wird, dass er kleiner als der Innenwiderstand der ihnen jeweils zugeordneten Batterieeinzelzelle (2.1 - 2.n) ist. Batterie (1) als Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit einer Verschaltung ihrer Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) und einer Steuerung, die dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen, wobei jeder der Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) drei Halbleiterschaltelemente ((r), (p), (m)) zugeordnet sind, welche die Pole (5, 6) wahlweise oder gemeinsam mit einer positiven Sammelleitung (3), einer negativen Sammelleitung (4) oder den jeweils anderen Polen (6, 5) der benachbarten Batterieeinzelzelle (2.1 - 2.n) verbinden können dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltelemente ((r), (p), (m), (bp), (bm)) auf einer flexiblen Leiterfolie (7) ausgebildet sind. Batterie (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der positiven Sammelleitung (3) und in der negativen Sammelleitung (4) zwischen den Verbindungen zu den Halbleiterschaltelementen ((p), (m)) der jeweiligen Batterieeinzelzelle (2.1 - 2.n), jeweils ein weiteres Halbleiterschaltelement ((bp), (bm)) angeordnet ist. Batterie (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) als prismatische Zellen mit an gegenüberliegenden Seitenkanten angeordneten elektrischen Polen (5, 6) ausgebildet sind, wobei die elektrischen Pole (5, 6) benachbarter Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) über die flexible Leiterfolie (7) verbunden sind. Batterie (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinzelzellen (2.1 - 2.n) mit dazwischenliegenden flexiblen Leiterfolien (7) aufgestapelt sind.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022110424A1 (de) * 2022-04-28 2023-11-02 BAVERTIS GmbH Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5599636A (en) * 1991-12-21 1997-02-04 Braun; Dieter Device for improving the current output of a chargeable battery at low outside temperature
US20070160900A1 (en) 2005-12-22 2007-07-12 Sagem Defense Securite Battery, electrical equipment, and a powering method implementing means for short-circuiting the battery
EP2559094B1 (de) 2010-04-16 2014-05-14 Samsung SDI Co., Ltd. Batterie mit cell-balancing
DE102013013170A1 (de) * 2013-08-08 2014-07-24 Daimler Ag Batterie mit Temperiereinrichtung und Verfahren zum Temperieren einer Batterie
US20150303444A1 (en) * 2013-10-11 2015-10-22 Ec Power Llc All climate battery and manufacturing and using the same
US20160380697A1 (en) 2015-06-24 2016-12-29 Casio Computer Co., Ltd. Decoding apparatus, decoding method and non-transitory computer readable recording medium
WO2019137670A1 (de) 2018-01-15 2019-07-18 Audi Ag Batterie, insbesondere für ein kraftfahrzeug, und verfahren zum betreiben einer batterie
US20190319321A1 (en) * 2018-04-16 2019-10-17 Ec Power, Llc Systems and method of battery charging assisted by heating
WO2019214824A1 (en) 2018-05-09 2019-11-14 Byton Limited Flexibly configurable traction battery
CN112531855A (zh) 2020-12-25 2021-03-19 河北工业大学 基于lc谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5599636A (en) * 1991-12-21 1997-02-04 Braun; Dieter Device for improving the current output of a chargeable battery at low outside temperature
US20070160900A1 (en) 2005-12-22 2007-07-12 Sagem Defense Securite Battery, electrical equipment, and a powering method implementing means for short-circuiting the battery
EP2559094B1 (de) 2010-04-16 2014-05-14 Samsung SDI Co., Ltd. Batterie mit cell-balancing
DE102013013170A1 (de) * 2013-08-08 2014-07-24 Daimler Ag Batterie mit Temperiereinrichtung und Verfahren zum Temperieren einer Batterie
US20150303444A1 (en) * 2013-10-11 2015-10-22 Ec Power Llc All climate battery and manufacturing and using the same
US20160380697A1 (en) 2015-06-24 2016-12-29 Casio Computer Co., Ltd. Decoding apparatus, decoding method and non-transitory computer readable recording medium
WO2019137670A1 (de) 2018-01-15 2019-07-18 Audi Ag Batterie, insbesondere für ein kraftfahrzeug, und verfahren zum betreiben einer batterie
US20210083339A1 (en) * 2018-01-15 2021-03-18 Audi Ag Battery, particularly for a motor vehicle, and method for operating a battery
US20190319321A1 (en) * 2018-04-16 2019-10-17 Ec Power, Llc Systems and method of battery charging assisted by heating
WO2019214824A1 (en) 2018-05-09 2019-11-14 Byton Limited Flexibly configurable traction battery
CN112531855A (zh) 2020-12-25 2021-03-19 河北工业大学 基于lc谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路

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