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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul gemäß dem Oberbegriff des ersten unabhängigen Anspruchs, eine Batterie gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch sowie ein Verfahren nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch.
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Stand der Technik
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Es sind elektrische Speichereinheiten bekannt, welche bei erhöhter Temperatur (d. h. oberhalb der Raumtemperatur) betrieben werden. Vorteile derartiger Batterien können bspw. im Bereich der Kosten, auf Seiten der spezifischen Energieinhalte oder auch im Bereich der Sicherheit liegen. Gründe für das erhöhte Temperaturniveau liegen zumeist im Ermöglichen hinreichend großer Leitfähigkeiten und Speicherfähigkeit der beteiligten Zellkomponenten und im Ermöglichen hinreichend großer Austauschstromdichten im Verbund mit den beteiligten elektrochemischen Zellreaktionen. Gattungsgemäße Energiespeichereinheiten müssen ggf. im Betrieb oder bei der Inbetriebnahme aufgeheizt werden. Dementsprechend wird für Energiespeicher, die erst bei erhöhten Temperaturen ihre optimale Leistungsfähigkeit erreichen, Energie für das Aufheizen der Speichereinheiten, z. B. beim Fahrzeugstart, benötigt. Darüber hinaus ist es möglich, dass in Standzeiten der Speichereinheiten ohne Betrieb oder nur mit eingeschränktem Betrieb stets Energie zum Beheizen benötigt wird, um auf den Weiterbetrieb der Batterie vorbereitet zu sein. Dies kostet Energie und kann ggf. die Batterie entleeren. Ein Verfahren zum Aufheizen einer Batterie eines Kraftfahrzeuges ist z. B. in der
DE 10 2012 022 553 A1 offenbart, bei der ein Verfahren zum Aufheizen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs durch einen Entladestrom und einer Kopplung der Batterie mit mind. einer elektrischen Stromsenke dazu führt, dass sich die Batterie darüber erwärmt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird nunmehr ein Batteriemodul mit einer Vielzahl an Batteriezellen, insbesondere Feststoff-Elektrolytzellen und einem Batteriemanagementsystem zur Steuerung und/oder Regelung der Batteriezellen, eine Batterie für ein zumindest elektrisch antreibbares Fahrzeug mit einer Vielzahl an erfindungsgemäßen Batteriemodulen und ein Verfahren zum Temperieren einer erfindungsgemäßen Batterie gemäß der jeweiligen unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei werden Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul beschrieben worden sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie und/oder dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungsgegenstände möglich.
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Erfindungsgemäß ist das Batteriemodul dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen in Sektionen zusammengefasst sind, die einen Aufheizbereich bilden und zumindest ein zugehöriges Heizelement aufweisen, wobei das Heizelement von dem Batteriemanagementsystem derart steuer- und/oder regelbar ist, dass eine bereichsweise Temperierung der Sektion durch das jeweilige Heizelement realisierbar ist. Die Batteriezellen können dabei mechanisch, insbesondere geometrisch, sowie elektrisch in Sektionen zusammengefasst sein, die einen Aufheizbereich bilden, wobei den Sektionen zumindest ein Heizelement zugeordnet ist. Dementsprechend können Batteriezellen einer Sektion mechanisch miteinander verbunden und/oder derart geometrisch in einem Modulgehäuse angeordnet sein, dass diese einen Aufheizbereich bilden und mechanisch, geometrisch und/oder elektrisch von weiteren Sektionen getrennt sind. Das Heizelement wird erfindungsgemäß von dem Batteriemanagementsystem derart gesteuert und/oder geregelt, dass die Batteriezellen der Sektionen je nach gewünschtem Temperaturlevel und der Betriebsstrategie entsprechend temperiert werden können. Dabei ist es denkbar, dass bspw. in einem eingeschränkten Betrieb (z. B. bei einem parkenden Fahrzeug) nur eine einzige Sektion oder ausgewählte Sektionen durch das Heizelement temperiert werden, sodass sich Aufheizbereiche mit einer definierbaren Anzahl an Batteriezellen bilden. Die Sektionen können dabei in der Anzahl der Batteriezellen variieren. Im Rahmen der Erfindung kann unter Temperieren sowohl ein Aufheizen als auch ein Abkühlen verstanden werden. So ist es denkbar, dass das Heizelement sowohl eine Aufheizfunktion, eine Warmhaltefunktion und/oder eine Abkühlfunktion ermöglicht. So kann das Heizelement bspw. derart ausgebildet sein, dass über ein derartiges Heizelement thermische Energie abgeführt werden kann. Bevorzugt ist es jedoch, dass das Heizelement den Batteriezellen im Aufheizbereich thermische Energie zuführt um insbesondere auf den Weiterbetrieb der Batteriemodule vorbereitet zu sein. Durch die sektionsweise Temperierung der Batteriezellen ist eine schnelle Nutzung der Batteriemodule z. B. für den Fahrbetrieb realisierbar. Gleichzeitig wird ein geringerer Energieaufwand notwendig um ein Vorheizen der Batteriemodule zu ermöglichen. Daraus kann sich eine höhere Reichweite der Batteriemodule und damit des Fahrzeugs ergeben. Das Heizelement kann im Rahmen der Erfindung passiv und/oder aktiv betreibbar sein. Ein passiv ausgebildetes Heizelement ermöglicht ein bereichsweises Temperieren der Sektionen dadurch, dass bspw. Energie zum Laden der Batteriezellen zu einer Erwärmung der jeweiligen Batteriezellen führt und das Heizelement die dadurch erzeugte thermische Energie speichert und/oder weiterleiten kann. Somit kann die thermische Energie der ladenden Batteriezellen an Batteriezellen weiterer Sektionen übertragen werden.
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Vorteilhafterweise können die Batteriezellen der einzelnen Sektionen über hochstromführende Verbindungselemente leitend miteinander verbunden sein, wodurch Energie zur Temperierung und/oder für das Heizelement übertragbar ist. Somit kann über die hochstromführenden Verbindungselemente elektrische und/oder thermische Energie zur Temperierung der Batteriezellen übertragen werden, sodass die jeweiligen Aufheizbereiche entsprechend temperiert werden können. Ein erfindungsgemäßes Heizelement kann dabei bspw. als eine Heizfolie, ein Heizdraht und/oder als Temperierplatte ausgebildet sein. Die Heizelemente können dabei an oder auch in zumindest einer Batteriezelle einer Sektion, bevorzugt an mehreren Batteriezellen einer Sektion, angeordnet sein. Darüber hinaus ist es denkbar, dass ein Heizelement an zumindest einer Seite einer Batteriezelle, insbesondere dem Batteriezellengehäuse, angeordnet ist. Weiterhin können sich die Heizelemente entlang mehrerer oder sämtlicher Batteriezellen einer Sektion zumindest abschnittsweise erstrecken. Eine Heizfolie ermöglicht dabei eine flächenweise Temperierung der Batteriezellen und/oder der Sektionen. Auch eine Temperierplatte ermöglicht eine flächenweise Temperierung der Batteriezellen bzw. der Sektionen, sodass über die Temperierplatten einzelne Aufheizbereiche gebildet werden können. Ein Heizdraht ermöglicht eine schnelle Aufheizung in Teilbereichen der Batteriezellen. Über die hochstromführenden Verbindungselemente kann somit elektrische Energie der Batteriezellen zum Laden und/oder zur elektrischen Versorgung eines externen Verbrauchers übertragen werden. Es ist denkbar, dass elektrische Energie über die hochstromführenden Verbindungselemente zum Laden der Batteriezellen der einzelnen Sektionen übertragen wird, sodass sich die Batteriezellen der einzelnen Sektionen erwärmen und einen Aufheizbereich bilden können. Ein zugehöriges Heizelement kann dabei zur Speicherung und/oder Übertragung der thermischen Energie dienen, wodurch ein schnelleres Aufheizen der Batteriezellen im Aufheizbereich ermöglicht ist oder die thermische Energie zum Aufheizen benachbarter Sektionen übertragen werden kann. Darüber hinaus ist es denkbar, dass über die hochstromführenden Verbindungselemente auch ein Fluid zur Wärmeübertragung leitbar ist. Das Fluid kann dabei bereits aufgeheizt sein oder durch die thermische Energie beim Laden und/oder Entladen der Batteriezellen aufgeheizt werden. Dadurch ist es ermöglicht, dass die Batteriezellen der einzelnen Sektionen gleichmäßig temperiert werden, wodurch ein schnelleres Nutzen der Batteriemodule ermöglicht sein kann. Dementsprechend kann eine Umverteilung der thermischen Energie innerhalb des Batteriemoduls durch die gebildeten Aufheizbereiche ermöglicht werden.
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Im Rahmen der Erfindung kann die Anzahl der Batteriezellen der Sektion voneinander unterschiedlich, insbesondere variabel schaltbar sein. Dies kann vorzugsweise über ein Batteriemanagementsystem erfolgen, sodass je nach Temperaturlevel und benötigter Betriebsstrategie, Batteriezellen zu- oder abgeschaltet werden. Somit kann die Größe der Sektionen unterschiedlich ausgebildet, insbesondere variabel schaltbar sein. Dementsprechend können sich auch unterschiedlich große Aufheizbereiche dadurch ergeben, dass an den Sektionen die Anzahl und/oder die Größe der Heizelemente unterschiedlich ausgestaltet ist. Dies führt zu einem geringeren Energieaufwand zum Vorheizen der Batteriezellen und somit des Batteriemoduls. Dabei ist es denkbar, dass im Betrieb oder bei der Inbetriebnahme der Batteriemodule zuerst Sektionen mit einer geringeren Anzahl an Batteriezellen, insbesondere Sektionen mit einer geringeren Oberfläche, zusammengeschaltet und/oder durch Heizelemente temperiert werden, sodass sich zuerst Aufheizbereiche mit einer geringen Oberfläche bilden, welche mit weniger Energieaufwand temperiert werden können. Somit können die temperierten Aufheizbereiche schneller genutzt werden bzw. eine entsprechend erhöhte Leistung bereitstellen. Nacheinander werden dann Sektionen mit einer größeren Anzahl an Batteriezellen dazu geschaltet, wobei weitere Sektionen durch die zuvor kleiner dimensionierten Aufheizbereiche temperiert werden können. Somit kann sich ein Aufheizvorgang/Aufheizmodus ergeben, bei dem zuerst eine geringere Anzahl an Batteriezellen temperiert und im weiteren Verlauf eine größere Anzahl an Batteriezellen durch die kleiner ausgebildeten Aufheizbereiche temperiert werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Aufheizbereich kugelförmig, quaderförmig oder zylinderförmig ausgebildet ist. Somit sind die Sektionen der Batteriezellen mit den jeweiligen Heizelementen zu einem Aufheizbereich geometrisch, mechanisch und/oder elektrisch derart zusammengefasst, dass sich eine im Wesentlichen kugelförmige, quaderförmige oder zylinderförmige Ausgestaltung der Aufheizbereiche ergeben. Die Aufheizbereich können dabei benachbart zueinander oder versetzt zueinander im Batteriemodul angeordnet sein. Vorteilhaft ist es, wenn bei einer Mehrzahl an Aufheizbereichen, diese unterschiedlich groß dimensioniert sind. Dabei kann die Anzahl der Batteriezellen eines Aufheizbereichs und/oder die Geometrie der Batteriezellen unterschiedlich groß sein. Es ist denkbar, dass die Aufheizbereiche sich zumindest abschnittsweise überschneiden oder ineinander angeordnet sind. Bei einer kugelförmigen Geometrie kann somit ein erster Aufheizbereich von zumindest einem schalenförmigen Aufheizbereich umgeben sein. Analog dazu kann ein zylinderförmig ausgebildeter Aufheizbereich von einem weiteren zylinderförmigen Aufheizbereich mit einer größeren Anzahl an Batteriezellen umgeben sein. Auch ist es denkbar, dass insbesondere quaderförmige Aufheizbereiche benachbart zueinander ausgebildet sind und somit die benachbarten Sektionen zusätzlich temperieren können.
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Im Rahmen der Erfindung kann zumindest ein innerer Aufheizbereich und zumindest ein äußerer Aufheizbereich vorgesehen sein. Somit ergeben sich ein Kernbetrieb und ein Randbetrieb, wobei der innere Aufheizbereich den Kernbetrieb und zumindest ein äußerer Aufheizbereich den Randbetrieb des Batteriemoduls ausbilden kann. Bevorzugt ist es dabei, dass in einer ersten Stufe des Aufheizmodus ein Kernbetrieb mit einer geringen Anzahl an Batteriezellen der Sektionen und einem zugehörigen Heizelement gebildet wird. In einer weiteren Stufe kann sich um die Kernsektion des ersten Aufheizbereiches ein zweiter Aufheizbereich ergeben, welcher sich bspw. bei einer zylinderförmigen Geometrie als eine ring-/ donutförmige Geometrie um den Kernaufheizbereich erstreckt. Dementsprechend kann nach dem Kernbetrieb, in dem zumindest eine Sektion auf Betriebstemperatur gebracht wurde, der ringförmige zweite Aufheizbereich temperiert werden. In einer dritten Stufe ist ein sog. Randbetrieb denkbar, welcher sich geometrisch um den zweiten Aufheizbereich erstreckt. Dabei werden jeweils die Batteriezellen sektionsweise betrieben und von dem Heizelement temperiert, sodass entsprechende Aufheizbereiche entstehen. Im quaderförmigen Aufheizbereich werden einzelne Batteriezellen somit derart miteinander verschaltet und von zumindest einem zugehörigen Heizelement temperiert, dass sich in einer ersten Stufe ein Kernaufheizbereich (Kernbetrieb), z. B. in Form eines Würfels, ergibt. In einer zweiten Stufe kann ein Zwischenaufheizbereich um den Kernaufheizbereich und in einer dritten Stufe ein Randbereich (Randbetrieb) um den Zwischenaufheizbereich ausgebildet werden. Dementsprechend kann je nach Betriebsmodus bzw. Betriebsstrategie ein stufenweiser Teilbetrieb des Batteriemoduls ermöglicht werden. Dabei ist die unterschiedliche Adressierbarkeit der einzelnen Sektionen bzw. Aufheizbereiche durch das Batteriemanagementsystem ermöglicht. Das hierzu angewandte Prinzip kann mit einer Zwiebelschalengeometrie verglichen werden.
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Es ist des Weiteren denkbar, dass die Heizelemente der Aufheizbereiche und/oder die Anzahl der Batteriezellen einzelner Sektionen temperaturabhängig steuer- und/oder regelbar sind. Ein je nach Temperaturlevel steuer- und/oder regelbares Temperieren der Sektionen benötigt einen geringen Energieaufwand zum Vorheizen der Batteriemodule. Somit kann je nach Standby-Dauer der Batteriemodule, d. h. wenig bis gar keine elektrische Energieentnahme und der damit schnelleren Abkühlung der Batteriezellen, die Heizelemente der Aufheizbereiche und/oder die Anzahl der Batteriezellen einzelner Sektionen steuer- und/oder regelbar sein. Sind die Batteriezellen in einem Niedrigtemperaturbereich und ermöglichen somit nur eine geringe Leistungsentnahme, so kann die Anzahl der Batteriezellen, welche durch die Heizelemente temperiert werden, variabel steuer- und/oder regelbar sein. Auch die Energie zur Versorgung der Heizelemente kann temperaturabhängig steuer- und/oder regelbar sein. Dementsprechend kann bei einem abgekühlten Batteriemodul die Energie für die Heizelemente erhöht und die Anzahl der Batteriezellen einzelner Sektionen verringert werden, sodass diese schneller aufgeheizt werden können und ein Teilbetrieb schneller und/oder mit höherer Leistung ermöglicht ist. Darauf folgend können die Anzahl Heizelemente der Aufheizbereiche und/oder die Anzahl der Batteriezellen vergrößert werden, sodass sich größere Aufheizbereiche mit einer größeren Anzahl an Batteriezellen ergeben. Befinden sich die Batteriezellen jedoch schon auf einem leistungsgerechten Temperaturbetriebsfenster, wird weniger Energie zum Betreiben der Heizelemente notwendig. Weiterhin kann eine Mehrzahl an Batteriezellen zu einzelnen Sektionen zusammengeschaltet werden und durch die Heizelemente zu einem großen Aufheizbereich zusammengefasst oder Heizelemente in bereits temperierten Bereich abgeschaltet werden.
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Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass die Aufheizbereiche schichtenweise in dem Batteriemodul ausgebildet sind. Das Batteriemodul weist dabei dementsprechend eine Vielzahl an Batteriezellen auf, wobei diese schichtenweise in dem Batteriemodulgehäuse angeordnet sind. Die Aufheizbereiche können dabei Teile oder sämtliche Batteriezellen einer Schicht des Batteriemoduls umfassen. Es ist ebenfalls denkbar, dass mehrere Schichten eines Batteriemoduls als Aufheizbereiche ausgebildet sind, sodass durch die Heizelemente der Aufheizbereiche benachbarte Sektionen im Batteriemodul temperiert werden können. Somit können sandwichartige Batteriemodule durch Schichtenweise angeordnete Aufheizbereich ausgebildet sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist zumindest eine Batterie für ein zumindest elektrisch antreibbares Fahrzeug beansprucht, wobei die Batterie eine Vielzahl an erfindungsgemäßen Batteriemodulen aufweist. Dabei ist es denkbar, dass die Batteriemodule ebenfalls Sektionen bilden können, welche durch Heizelemente zu Aufheizbereichen zusammengefasst werden. Auch die einzelnen Sektionen bzw. Aufheizbereiche der Batterie können dabei unterschiedlich adressiert und somit temperiert werden. Dementsprechend kann je nach Betriebsstrategie und/oder Aufwärmmodus Teile der Batterie und somit unterschiedliche Anzahl an Batteriemodulen temperiert werden. Somit ergeben sich für die erfindungsgemäße Batterie sämtliche Vorteile, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul beschrieben worden sind.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Temperieren einer erfindungsgemäßen Batterie beansprucht, wobei die Batterie zumindest einen Aufheizmodus aufweist, wobei in dem Aufheizmodus eine definierte Anzahl von Batteriezellen und/oder Batteriemodulen durch hochstromführende Verbindungselemente leitend miteinander verbunden sind und von einem Batteriemanagementsystem derart steuer- und/oder regelbar sind, dass eine bereichsweise Temperierung der Batterie erzielt wird. Das Verfahren zum Temperieren einer erfindungsgemäßen Batterie weist somit eine Vielzahl an erfindungsgemäßen Batteriemodulen auf, sodass sich für das erfindungsgemäße Verfahren sämtliche Vorteile ergeben, welche bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie und dem erfindungsgemäßen Batteriemodul beschrieben worden sind.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Batteriemodul in einer ersten Ausführungsform,
- 2a eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriemodulgeometrie,
- 2b eine weitere denkbare Ausführungsform einer Batteriemodulgeometrie,
- 2c eine weitere mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriemodulgeometrie,
- 3a eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen ersten Aufheizmodus,
- 3b eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aufheizmodus,
- 3c eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aufheizmodus,
- 4 der Energienutzen bei einer unterschiedlichen Anzahl von beheizten/betriebenen Batteriezellen.
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In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
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In 1 ist eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines Batteriemoduls 10 gezeigt, wobei das Batteriemodul 10 eine Vielzahl an Batteriezellen 11 aufweist. Die Batteriezellen 11 sind über hochstromführende Verbindungselemente 16 miteinander in Reihe bzw. parallel geschaltet. Das Batteriemodul 10 weist ein Modulgehäuse 10.1 auf, wobei die Batteriezellen 11 innerhalb des Batteriemodulgehäuses 10.1 parallel zueinander angeordnet sind. In 1 ist eine Sektion 13 mit Heizelementen 15 gezeigt, sodass ein Aufheizbereich 14 mittig im Modulgehäuse 10.1 des Batteriemoduls 10 gebildet ist. Die Heizelemente 15 sind dabei signalverbunden mit dem Batteriemanagementsystem 12. Das Batteriemanagementsystem 12 ist darüber hinaus in Signalverbindung mit den Batteriezellen 11. Über das Batteriemanagementsystem 12 sind die Heizelemente 15 unabhängig voneinander steuer- und/oder regelbar. Die Heizelemente 15 sind dabei zwischen zwei Batteriezellen 11 angeordnet, sodass zumindest die Batteriezellen 11 entlang der Längsseite temperiert werden können. Der in 1 gezeigte Aufheizbereich 14 der Sektion 13 umfasst sechs Batteriezellen 11 und weist vier Heizelemente 15 auf, welche zwischen den Batteriezellen 11 angeordnet sind. Eine weitere Sektion 13 mit insgesamt acht Batteriezellen 11 ist in 1 gezeigt, wobei die zweite Sektion 13 kein separates Heizelement 15 aufweist. Die zweite Sektion 13 ist dabei an einem Randbereich des Batteriemoduls 10 angeordnet und wird an zumindest zwei Seiten von dem Modulgehäuse 10.1 umgeben. Erfindungsgemäß ist es denkbar, dass der Aufheizbereich 14 in einer ersten Stufe temperiert wird und anschließend die thermische Energie an die benachbarten Batteriezellen 11 überträgt, sodass nacheinander Sektionen 13 des Batteriemoduls 10 temperiert und somit einsatzbereit gemacht werden können. Erfindungsgemäß ist es denkbar, dass die Heizelemente 15 hierbei als eine Heizfolie 15, eine Temperierplatte 15 oder als ein Heizdraht ausgebildet sind. In 1 ist das Heizelement 15 vorzugsweise als eine Heizfolie oder Temperierplatte 15 ausgebildet und zwischen den Batteriezellen 11 des Batteriemoduls 10 angeordnet. Die Heizleistung und die Heizdauer sind dabei über das Batteriemanagementsystem 12 steuer- und/oder regelbar, sodass eine bereichsweise Temperierung der Sektion 13 durch das jeweilige Heizelement 15 realisierbar ist. In 1 ist außerdem zu erkennen, dass die Anzahl der Batteriezellen 11 der Sektion 13 voneinander unterschiedlich sein kann. So umfasst die erste Sektion 13, welche den Aufheizbereich 14 bildet, sechs Batteriezellen 11 und die zweite Sektion 13 bereits acht Batteriezellen 11. Der Aufheizbereich 14 ist in 1 quaderförmig ausgebildet und ermöglicht einen Kernbetrieb des Batteriemoduls 10, in dem die in der Sektion 13 angeordneten sechs Batteriezellen 11 durch die Heizelemente 15 temperiert werden.
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Die 2a, 2b und 2c offenbaren im Rahmen der Erfindung denkbare Geometrien der Sektionen 13 des Batteriemoduls 10. In 2a weist die Sektion 13 des Batteriemoduls 10 eine kugelförmige Geometrie auf. In 2b ist eine quaderförmige Geometrie der Sektionen 13 und des Aufheizbereichs 14 des Batteriemoduls 10 gezeigt. Dabei ist an den Batteriezellen des Aufheizbereichs 14 ein Heizelement 15 angeordnet, wobei das Heizelement 15 hierbei drahtförmig ausgebildet ist. In 2c ist die Sektion 13 sowie der Aufheizbereich 14 zylinderförmig ausgebildet, wobei die Sektion 13 einen Randbereich und einen darin zylinderförmig ausgebildeten Aufheizbereich 14 aufweist. An den Batteriezellen des Batteriemoduls 10 im Aufheizbereich 14 sind Heizelemente 15 angeordnet, wobei in 2c die Heizelemente 15 ebenfalls als Heizdrähte an den Batteriezellen angeordnet sind.
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Die 3a, 3b und 3c zeigen mögliche, gemäß der Erfindung vorgesehene Aufwärmmodi, wobei die Sektionen 13 und Aufheizbereiche 14 hierbei zylinderförmig ausgebildet sind. In 3a ist ein Aufheizmodus für einen Zwischenbereich 14 dargestellt, wobei der Aufheizbereich 14 hierbei von den beiden Sektionen 13 eingeschlossen ist. Die erste Sektion 13 bildet einen Kernbereich 13 und die zweite Sektion 13 einen Randbereich 13. Lediglich der Aufheizbereich 14 wird durch das Heizelement 15 hierbei temperiert. In 3b ist ein Kernbetrieb als Aufwärmmodus gezeigt, wobei der Aufheizbereich 14 mittig in der Sektion 13 angeordnet ist und von einem Heizelement 15 umgeben ist. Gemäß 3b ist es denkbar, zuerst einen Kernbereich 14 als Aufheizbereich 14 auszubilden und über das Heizelement 15 zu temperieren. Die thermische Energie kann daraufhin zumindest tlw. auf die Sektion 13 übertragen werden, wobei die Batteriezellen 11 des Aufheizbereichs 14 als erstes betriebsbereit und auf entsprechende Temperatur gebracht werden können. Die 3c zeigt einen Randbetrieb als Aufheizmodus, wobei die Sektion 13 hierbei nunmehr nicht von einem Heizelement 15 temperiert wird. Lediglich die Außenschale in Form des Aufheizbereichs 14 wird von dem Heizelement 15 temperiert. Alle drei aufgezeigten Aufwärmmodi der 3a, 3b und 3c können dabei in beliebiger Reihenfolge nacheinander und/oder gleichzeitig betrieben werden. Bevorzugt ist in einem ersten Schritt ein Aufwärmmodus gemäß 3b, gefolgt von dem Aufwärmmodus der 3a und im Anschluss dem Aufwärmmodus der 3c, durchzuführen.
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Die 4 zeigt den Energienutzen bei einer unterschiedlichen Anzahl von beheizten und betriebenen Batteriezellen 11. Dabei zeigt die Grafik den Betrieb unterschiedlicher Sektionen 13, wobei in Abhängigkeit der Aufheizenergie, welche auf der X-Achse gezeigt ist, die ermöglichte Batterieleistung, welche auf der Y-Achse in Prozent angegeben ist, ermöglicht ist. Das in der 4 dargestellte Batteriemodul ist dabei in vier Sektionen 13 aufgeteilt. Wird die erste Sektion 13 mit einer Aufheizenergie von ungefähr 25% der gesamten Aufheizenergie, welche benötigt wird um das Batteriemodul 10 vollständig zu temperieren, betrieben, so wird durch die temperierte erste Sektion 13 bereits 30% der Batterieleistung ermöglicht. Wird anschließend eine weitere Sektion 13 entsprechend temperiert und somit betriebsbereit aufgewärmt, so stehen bereits 50% der Batterieleistung zur Verfügung. Beim Zuschalten einer dritten Sektion 13 stehen bei einer benötigten Aufheizenergie von ungefähr 50% bereits über 60% der Batterieleistung zur Verfügung. Wird nunmehr die vierte Sektion 13 entsprechend temperiert, so stehen 100% der Batterieleistung zur Verfügung. Somit ist zu erkennen, dass ein sektionsweises temperieren des Batteriemoduls einen sektionsweisen Teilbetrieb ermöglicht. Dabei wird für das sektionsweise Betreiben/Temperieren, der Energiebedarf für die Aufheizbereiche reduziert. Durch das sektionsweise steuer- und/oder regelbare Temperieren und Zuschalten zusätzlicher Batteriezellen, kann bei einer Energieersparnis bspw. eine höhere Reichweite eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs ermöglicht werden. Durch die sektionsweise Adressierbarkeit der Batteriezellen innerhalb der Sektionen 13 ist eine schnelle Nutzung der Batteriemodule und/oder der Batterien bspw. vor dem Fahrbetrieb möglich. Gleichzeitig wird ein geringer Energieaufwand zum Vorheizen nötig, da bereits - wie in 4 gezeigt - 30% der Batterieleistung zur Verfügung steht, wenn lediglich etwa 25% Aufheizenergie benötigt wird.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können Einzelmerkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012022553 A1 [0002]
