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1. WO2020109532 - BATTERY CELL, METHOD FOR HEATING A BATTERY CELL AND BATTERY MODULE

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[ DE ]

Beschreibung

Titel:

Bateriezelle, Verfahren zum Erwärmen einer Bateriezelle und Bateriemodul

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, umfassend ein negatives Terminal, ein positives Terminal, eine in einem Zellengehäuse angeordnete Elektrodeneinheit, welche eine mit dem negativen Terminal verbundene Anode und eine mit dem positiven Terminal verbundene Kathode aufweist, und eine Schalteinheit, welche mindestens einen ansteuerbaren Schalter aufweist herstellbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erwärmen einer erfindungsgemäßen

Batteriezelle. Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemodul, welches mindestens eine erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst.

Stand der Technik

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene

Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen werden. In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, wie Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, aber auch in stationären Anwendungen werden aufladbare Batteriesysteme eingesetzt, vorwiegend um elektrische Antriebseinrichtungen mit elektrischer Energie zu versorgen. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Batteriezellen. Lithium-Batteriezellen zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Mehrere derartige Lithium-Batteriezellen werden elektrisch seriell als auch parallel miteinander verschaltet und zu Batteriemodulen verbunden. Ein Batteriesystem des Elektrofahrzeugs umfasst mehrere derartig ausgebildete und miteinander verschaltete Batteriemodule.

Es sind Lithium-Ionen-Batteriezellen bekannt, welche einen flüssigen Elektrolyt aufweisen. Derartige Lithium-Ionen-Batteriezellen sind nur in bestimmten Temperaturbereichen, beispielsweise oberhalb von 5 °C, optimal betreibbar. Bei geringerer Temperatur haben derartige Lithium-Ionen-Batteriezellen einen verhältnismäßig hohen elektrischen Innenwiderstand und werden bereits beim ersten Ladevorgang nachhaltig geschädigt.

Lithium- Batteriezellen neuartiger Technologien weisen Festkörperelektrolyte auf und haben verhältnismäßig hohe Energiedichten. Die chemischen Bestandteile von solchen Lithium-Batteriezellen sind hoch aktiv, können aber nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs, beispielsweise oberhalb von 80°C, optimal betrieben werden. Batteriesysteme mit derartigen Lithium-Batteriezellen werden auch als Mitteltemperaturbatterien (Mid-T-Batterien) bezeichnet und haben bei geringerer Temperatur einen verhältnismäßig hohen elektrischen Innenwiderstand.

Bei niedrigen Temperaturen ist es erforderlich, derartige Batteriezellen zunächst auf eine geeignete Betriebstemperatur zu bringen. Dazu ist es bekannt,

Batteriezellen sowie Batteriemodule mit entsprechenden Heizeinrichtungen auszustatten. Solche Heizeinrichtungen sind beispielsweise in Form von elektrischen Heizwiderständen ausgeführt, welche benachbart zu Batteriezellen angeordnet sind, und die Wärmeenergie an die Batteriezelle abgeben, wodurch diese erwärmt werden.

Aus dem Dokument US 2012/176082 Al ist ein Batteriepack bekannt, das ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen aufweist. Um eine Temperatur der Batteriezellen zu erhöhen wird das Batteriemodul mit Strompulsen von einer Hilfsspannungsversorgung beaufschlagt. Besagte Strompulse bewirken an einem Innenwiderstand des Batteriemoduls eine Erwärmung, wodurch die Batteriezellen erwärmt werden.

Das Dokument US 2012/133329 Al offenbart ein Batteriesystem mit mehreren seriell verschalteten Batteriezellen. Jede der Batteriezellen weist dabei einen Schaltkreis auf, welcher mehrere ansteuerbare Schalter umfasst. Durch

Schließen der Schalter kann ein Kurzschluss an der Batteriezelle erzeugt werden.

Offenbarung der Erfindung

Es wird eine Bateriezelle vorgeschlagen. Die Bateriezelle umfasst ein negatives Terminal und ein positives Terminal. Über die beiden Terminals kann eine von der Bateriezelle zur Verfügung gestellte Ausgangsspannung abgegriffen werden. Ferner kann die Bateriezelle über die beiden Terminals durch einen Ladestrom geladen werden.

Die Bateriezelle umfasst ferner ein Zellengehäuse und eine in dem

Zellengehäuse angeordnete Elektrodeneinheit, welche eine als Anode

bezeichnete negative Elektrode und eine als Kathode bezeichnete positive Elektrode aufweist. Die Anode der Elektrodeneinheit ist mit dem negativen Terminal der Bateriezelle elektrisch verbunden, und die Kathode der

Elektrodeneinheit ist mit dem positiven Terminal der Bateriezelle elektrisch verbunden.

Die Bateriezelle umfasst auch eine Schalteinheit, welche mindestens einen ansteuerbaren Schalter aufweist. Die Schalteinheit weist auch eine Steuereinheit in Form einer elektronischen Schaltung zum Ansteuern des Schalters auf. Die Schalteinheit, insbesondere die Steuereinheit, ist beispielsweise, zumindest teilweise, in ein der Bateriezelle zugeordnetes Bateriemanagementsystem integriert, welches zum Steuern und Überwachen der Bateriezelle dient.

Erfindungsgemäß ist der Schalter derart angeordnet und ausgestaltet, dass mitels des Schalters eine elektrische Verbindung zwischen dem negativen Terminal und dem positiven Terminal herstellbar ist, wobei die mitels des Schalters hergestellte elektrische Verbindung einen elektrischen Widerstand aufweist, dessen Wert vorzugsweise geringer ist als 1/10 des eines

Innenwiderstandes der Elektrodeneinheit, besser kleiner als 1/10 Bei einer in einem Elektrofahrzeug eingesetzten Bateriezelle beträgt der Wert des elektrischen Widerstands der mitels des Schalters hergestellten elektrischen Verbindung beispielsweise weniger als 100 mW.

Die elektrische Verbindung zwischen dem negativen Terminal und dem positiven Terminal der Bateriezelle wird hergestellt, indem der Schalter geschlossen wird. Dadurch entsteht ein niederohmiger Kurzschluss zwischen der Kathode und der Anode der Elektrodeneinheit. Daraufhin fließt ein Kurzschlussstrom durch die Elektrodeneinheit und die mittels des Schalters hergestellte elektrische

Verbindung. Die Stromstärke des Kurzschlussstroms wird dabei wesentlich durch den Innenwiderstand der Elektrodeneinheit und des Schalters bestimmt.

Zusätzlich kann der erzielte Strom dynamisch durch die Parasiten der

Aufbautechnik und Verbindungstechnik eingestellt werden. Der Innenwiderstand der Elektrodeneinheit liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen ImOhm für große elektrische Antriebe, beispielsweise für in einem Elektrofahrzeug eingesetzte Batteriezellen, und 60mOhm, beispielsweise für in einem

elektrischen Zweirad eingesetzte Batteriezellen, und ist damit idealerweise signifikant größer, insbesondere mindestens zehnmal größer, als der elektrische Widerstand der mittels des Schalters hergestellten elektrischen Verbindung. Die Stromstärke des Kurzschlussstroms beträgt beispielsweise für große elektrische Antriebe bis 8000 Ampere, bei kleineren Antrieben auch nur unter 100 Ampere.

Der besagte, durch die Elektrodeneinheit fließende, Kurzschlussstrom erzeugt an dem Innenwiderstand der Elektrodeneinheit einen Spannungsabfall, wodurch elektrische Energie in Wärmeenergie gewandelt wird. Die frei werdende

Wärmeenergie verursacht eine Erwärmung der Elektrodeneinheit und der Batteriezelle. An der mittels des Schalters hergestellten elektrischen Verbindung fällt idealerweise nur eine verhältnismäßig geringe Spannung ab. Somit wird an der besagten elektrischen Verbindung nur verhältnismäßig wenig Wärmeenergie erzeugt, welche vorzugsweise an die Batteriezelle und nicht an die Umgebung abgegeben wird.

Bei dem Schalter handelt es sich beispielsweise um einen Halbleiterschalter mit vorzugsweise einem verhältnismäßig geringen Widerstand in Durchlassrichtung. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schalter als Transistor, insbesondere als MOSFET, ausgeführt. Vorteilhaft ist, dass der Schalter einen geringen Widerstand in Durchlassrichtung von beispielsweise weniger als 100 mW aufweist. Vorzugsweise ist der Schalter zur Durchführung verhältnismäßig schneller Schaltvorgänge geeignet. Insbesondere sollte der Schalter in der Lage sein, einen Schaltzyklus Schließen - Öffnen in einer Zeitspanne von weniger als 1 ms, vorzugsweise weniger als 100ps,

durchzuführen.

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Batteriezelle als Mitteltemperaturbatteriezelle ausgebildet und weist einen Festkörperelektrolyt auf.

Gemäß einer anderen möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die

Batteriezelle als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgebildet und weist einen flüssigen Elektrolyt auf.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Schalteinheit eine Steuereinheit in Form einer elektronischen Schaltung zum Ansteuern des Schalters, welche einen integrierten Schaltkreis aufweist. Der integrierte

Schaltkreis ist insbesondere in Form eines ASIC (application-specific integrated Circuit) ausgeführt.

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist der ansteuerbare Schalter innerhalb des Zellengehäuses der Batteriezelle angeordnet. Der Schalter benötigt in diesem Fall keinen zusätzlichen Bauraum.

Gemäß einer anderen möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist der

ansteuerbare Schalter außerhalb des Zellengehäuses der Batteriezelle angeordnet. Der Schalter ist in diesem Fall von außen zugänglich, ohne das Zellengehäuse der Batteriezelle zu öffnen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Zellengehäuse mit einem der Terminals elektrisch verbunden. Das Zellengehäuse ist dabei, zumindest teilweise, elektrisch leitend ausgebildet. Das Zellengehäuse liegt somit elektrisch auf dem gleichen Potential wie das mit dem Zellengehäuse

verbundene Terminal. Dabei ist ein elektrischer Anschluss des Schalters an dem Zellengehäuse befestigt. Der Schalter ist somit elektrisch und mechanisch mit dem Zellengehäuse verbunden.

Es wird auch ein Verfahren zum Erwärmen einer erfindungsgemäßen

Batteriezelle vorgeschlagen. Gemäß dem Verfahren wird durch Schließen des Schalters zunächst eine elektrische Verbindung zwischen dem negativen

Terminal und dem positiven Terminal der Batteriezelle hergestellt. Dadurch entsteht ein niederohmiger Kurzschluss zwischen der Kathode und der Anode der Elektrodeneinheit.

Daraufhin fließt ein Kurzschlussstrom durch die Elektrodeneinheit und die mittels des Schalters hergestellte elektrische Verbindung. Die Stromstärke des

Kurzschlussstroms wird dabei im Wesentlichen durch einen Innenwiderstand der Elektrodeneinheit und des Schalters (vorzugsweise dominiert der

Innenwiderstand der Elektrodeneinheit) bestimmt. Der durch die

Elektrodeneinheit fließende Kurzschlussstrom erzeugt an dem Innenwiderstand der Elektrodeneinheit einen Spannungsabfall, wodurch elektrische Energie in Wärmeenergie gewandelt wird. Die frei werdende Wärmeenergie verursacht eine Erwärmung der Elektrodeneinheit und der Batteriezelle.

Durch anschließendes Öffnen des Schalters in einer verhältnismäßig geringen Zeitspanne von weniger als 10 min, besser als 20 s vorzugsweise weniger als 10 ms wird die zuvor hergestellte elektrische Verbindung zwischen dem negativen Terminal und dem positiven Terminal dann wieder aufgehoben. Damit wird der Kurzschlussstrom unterbrochen und es wird keine weitere elektrische Energie in Wärmeenergie gewandelt. Dadurch wird eine Überhitzung der Batteriezelle verhindert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Schalter in der besagten Zeitspanne von weniger als 20 s, vorzugsweise weniger als 10 ms, mehrfach geschlossen und geöffnet. Durch mehrfaches Schließen und Öffnen des Schalters kann die Geschwindigkeit der Erwärmung der Batteriezelle moduliert werden. Das Schließen und Öffnen des Schalters findet beispielsweise mit einer Schaltfrequenz von 10 kHz statt.

Es wird auch ein Batteriemodul vorgeschlagen, welches mindestens eine erfindungsgemäße Batteriezelle, vorzugsweise mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen, umfasst. Die Batteriezellen können dabei innerhalb des

Batteriemoduls elektrisch sowohl seriell als auch parallel miteinander verschaltet sein.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Batteriezelle kann, insbesondere mittels des

erfindungsgemäßen Verfahrens, äußerst effizient und in verhältnismäßig kurzer Zeit auf eine geeignete Betriebstemperatur erwärmt werden. Die dafür vorgesehen Schalteinheit ist verhältnismäßig kostengünstig, hat ein

verhältnismäßig geringes Volumen und ein verhältnismäßig geringes Gewicht. Zusätzliche Heizsysteme, beispielsweise in Form von elektrischen

Heizwiderständen oder Flüssigkeitskreisläufen sind nicht erforderlich.

Insbesondere ist der Wirkungsgrad der Batteriezelle beim Erwärmen gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezellen vorteilhaft erhöht. Dadurch, dass die Wärmeenergie in einer vorteilhaften Ausprägung fast ausschließlich an dem Innenwiderstand der Elektrodeneinheit erzeugt wird, wird diese

Wärmeenergie auch annährend vollständig an die Elektrodeneinheit abgegeben und führt vorrangig zur Erwärmung der Elektrodeneinheit. Es wird fast keine Wärmeenergie erzeugt, welche vorrangig an die Umgebung abgegeben wird, ohne die Batteriezelle zu erwärmen. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung der elektrischen Energie in Wärmeenergie ist somit vorteilhaft hoch. Die hohe Geschwindigkeit der Erwärmung kann nur durch ein verteiltes Heizen im gesamten zu heizenden Volumen erreicht werden. Durch eine Integration der Schalteinheit, insbesondere die Steuereinheit in ein der Batteriezelle

zugeordnetes Batteriemanagementsystem können zusätzlich Synergien genutzt werden. Dadurch können Bauraum, Gewicht und Kosten der Batteriezelle weiter reduziert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Batteriezelle,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer ersten Ausführungsform und

Figur 3 eine schematische, semitransparente Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Figur 1 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Batteriezelle 2. Die

Batteriezelle 2 ist beispielsweise als Mitteltemperaturbatteriezelle mit einem Festkörperelektrolyt oder als Lithium- Ionen- Batteriezelle mit einem flüssigen Elektrolyt ausgebildet. Die Batteriezelle 2 ist Teil eines hier nicht dargestellten Batteriemoduls, das mehrere Batteriezellen 2 aufweist.

Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 15 und ein positives Terminal 16. Über die besagten Terminals 15, 16 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Ausgangsspannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die beiden Terminals 15, 16 durch einen Ladestrom geladen werden. Die Batteriezelle 2 umfasst auch ein hier nicht dargestelltes

Zellengehäuse 3. Die beiden Terminals 15, 16 sind außerhalb des

Zellengehäuses 3 angeordnet oder durchragen das Zellengehäuse 3.

Die Batteriezelle 2 umfasst auch eine Elektrodeneinheit 10, welche in dem Zellengehäuse 3 angeordnet ist. Die Elektrodeneinheit 10 umfasst eine als Anode 11 bezeichnete negative Elektrode und eine als Kathode 12 bezeichnete positive Elektrode. Die Anode 11 ist mit dem negativen Terminal 15 der

Batteriezelle 2 elektrisch verbunden, und die Kathode 12 ist mit dem positiven Terminal 16 der Batteriezelle 2 elektrisch verbunden.

Die Elektrodeneinheit 10 erzeugt die an den Terminals 15, 16 anliegende Ausgangsspannung. Die Elektrodeneinheit 10 weist eine Spannungsquelle 14 und einen Innenwiderstand 13 auf, welche hier in Form einer Reihenschaltung dargestellt sind. Die Größe der von der Spannungsquelle 14 gelieferten

Spannung ist insbesondere von einem Ladezustand der Elektrodeneinheit 10 abhängig. Die Größe des Innenwiderstandes 13 ist insbesondere von einer Temperatur der Elektrodeneinheit 10 abhängig.

Die Batteriezelle 2 umfasst auch eine Schalteinheit 20, welche einen

ansteuerbaren Schalter 25 aufweist. Die Schalteinheit 20 weist auch eine Steuereinheit 26 in Form einer elektronischen Schaltung zum Ansteuern des Schalters 25 auf. Die Steuereinheit 26 weist vorzugsweise einen integrierten Schaltkreis auf, welcher vorliegend in Form eines ASIC (application-specific integrated Circuit) ausgeführt ist.

Bei dem Schalter 25 handelt es sich um einen Halbleiterschalter mit

vorzugsweise einem verhältnismäßig geringen Widerstand in Durchlassrichtung, vorliegend um einen MOSFET. Ein SOU RCE-Kontakt des Schalters 25, welcher im Folgenden als erster Anschluss 21 des Schalters 25 bezeichnet wird, ist mit dem negativen Terminal 15 elektrisch verbunden. Ein DRAIN- Kontakt des Schalters 25, welcher im Folgenden als zweiter Anschluss 22 des Schalters 25 bezeichnet wird, ist mit dem positiven Terminal 16 elektrisch verbunden. Ein GATE- Kontakt des Schalters 25, welcher zum Ansteuern des Schalters 25 dient, ist mit der Steuereinheit 26 elektrisch verbunden.

Wenn der Schalter 25 geschlossen ist, so stellt dieser eine elektrische

Verbindung zwischen dem negativen Terminal 15 und dem positiven Terminal 16 her. Diese mittels des Schalters 25 hergestellte elektrische Verbindung weist einen verhältnismäßig geringen elektrischen Widerstand auf, dessen Wert z.B. geringer ist als ein Zehntel des Innenwiderstandes 13 der Elektrodeneinheit 10. Für eine in einem Elektrofahrzeug oder Hybrid- Elektrofahrzeug eingesetzte Batteriezelle 2 ergibt sich typisch ein Wert von weniger als 100 mW. Insbesondere ist der elektrische Widerstand dieser Verbindung vorzugsweise signifikant geringer als die Größe des Innenwiderstandes 13.

Durch die besagte elektrische Verbindung zwischen dem negativen Terminal 15 und dem positiven Terminal 16 entsteht somit ein niederohmiger Kurzschluss zwischen der Kathode 12 und der Anode 11 der Elektrodeneinheit 10. Daraufhin fließt ein Kurzschlussstrom durch den Innenwiderstand 13 der Elektrodeneinheit 10 und durch die besagte elektrische Verbindung. Die Stromstärke des

Kurzschlussstroms wird dabei vorzugsweise im Wesentlichen durch einen Innenwiderstand 13 und den Schaltverlauf mit den zugehörigen parasitären Elementen der Aufbautechnik und der Verbindungstechnik bestimmt.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Schalter 25 ist dabei außerhalb des

Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 angeordnet. Der erste Anschluss 21 des Schalters 25 ist mit einer ersten Anschlussschiene 31 elektrisch und mechanisch verbunden. Der zweite Anschluss 22 des Schalters 25 ist mit einer zweiten Anschlussschiene 32 elektrisch und mechanisch verbunden.

Die erste Anschlussschiene 31 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 15 verbunden. Die zweite Anschlussschiene 32 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 16 verbunden. Somit ist der erste Anschluss 21 des Schalters 25 vorliegend über die erste Anschlussschiene 31 mit dem negativen Terminal 15 elektrisch verbunden, und der zweite Anschluss 22 des Schalters 25 ist vorliegend über die zweite Anschlussschiene 32 mit dem positiven Terminal 16 elektrisch verbunden.

Vorliegend ist das Zellengehäuse 3 elektrisch leitend ausgebildet und

beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend mit dem positiven Terminal 16 elektrisch verbunden. Somit liegt das Zellengehäuse 3 elektrisch auf dem gleichen Potential wie das positive Terminal 16. Dabei ist die zweite Anschlussschiene 32 an dem Zellengehäuse 3 befestigt. Der zweite Anschluss 22 des Schalters 25 ist somit mittels der zweiten Anschlussschiene 32 an dem Zellengehäuse 3 befestigt. Der Schalter 25 ist also elektrisch und mechanisch mit dem Zellengehäuse 3 verbunden.

Figur 3 zeigt eine schematische, semitransparente Darstellung einer Batteriezelle 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Schalter 25 ist dabei innerhalb des Zellengehäuses 3 der Bateriezelle 2 angeordnet. Der erste Anschluss 21 des Schalters 25 ist mit einer ersten Anschlussschiene 31 elektrisch und mechanisch verbunden. Der zweite Anschluss 22 des Schalters 25 ist mit einer zweiten Anschlussschiene 32 elektrisch und mechanisch verbunden.

Die erste Anschlussschiene 31 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 15 verbunden. Die zweite Anschlussschiene 32 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 16 verbunden. Somit ist der erste Anschluss 21 des Schalters 25 vorliegend über die erste Anschlussschiene 31 mit dem negativen Terminal 15 elektrisch verbunden, und der zweite Anschluss 22 des Schalters 25 ist vorliegend über die zweite Anschlussschiene 32 mit dem positiven Terminal 16 elektrisch verbunden.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die

Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.