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Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung für ein Batteriemodul eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriemodul sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriemoduls.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Batterieanordnungen bekannt, welche beispielsweise eine Batteriezelle mit Aktivmaterial sowie entsprechende Kühleinrichtungen aufweisen, so dass beispielsweise bei einem Laden beziehungsweise nutzen der Batterieanordnung die Batteriezelle selbst gekühlt werden kann, wodurch eine Leistungssteigerung zu verzeichnen ist. Ferner ist bereits bekannt, dass beispielsweise auch beim Laden die Batteriezelle selbst eine entsprechende Temperatur aufweisen muss, um einen leistungsfähigen Ladevorgang realisieren zu können. Insbesondere müssen beispielsweise kalte Batteriezellen entsprechend aufgeheizt werden, so dass ein Schnellladen der Batteriezelle realisiert werden kann. Wenn die Batterie wiederum eine bestimmte Temperatur erreicht hat, dann erwärmt sich diese beim Ladevorgang weiter, so dass nun wiederum eine Kühlung erforderlich ist.
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Die
DE 11 2016 002 611 T5 beschreibt ein Kühlsystem zur thermischen Konditionierung einer Komponente, das einen Wärmeverteiler und eine thermoelektrische Vorrichtung umfasst, die mit dem Wärmeverteiler in thermischer Wirkverbindung steht. Eine Kühlplattenbaugruppe steht mit der thermoelektrischen Vorrichtung in thermischer Wirkverbindung. Ein Befestigungselement sichert die Kühlplattenbaugruppe an dem Wärmeverteiler, um eine Klemmkraft auf die thermoelektrische Vorrichtung und die Kühlplattenbaugruppe bereitzustellen, wobei die thermoelektrische Vorrichtung und die Kühlplattenbaugruppe als Modul miteinander integriert sind.
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Die
DE 10 2019 113 012 A1 beschreibt ein Batteriegehäuse, das so geformt und bemessen ist, dass es eine Batterie aufnimmt und umschließt, beinhaltend ein Außengehäuse, das eine Öffnung definiert und eine Basis aufweist, die einen Boden des Batteriegehäuses bildet, und in das Gehäuse eine mit einer zweiten Wand verbundene erste Wand aufweist, wobei die zweite Wand mit einer dritten Wand verbunden ist und eine vierte Wand mit der ersten und dritten Wand verbunden ist, worin sich die erste, zweite, dritte und vierte Wand jeweils orthogonal von der Basis erstrecken. Das Batteriegehäuse beinhaltet einen trennbaren Außendeckel, der so geformt ist, dass er um die Öffnung des Gehäuses passt. Das Außengehäuse und der Außendeckel weisen ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als etwa 0,3 W/mK auf, das Batteriegehäuse weist einen Lufteinlass auf, der selektiv einen Luftstrom zum Batteriegehäuse bereitgestellt und einen Luftauslass, der selektiv einen Luftstrom aus dem Batteriegehäuse bereitstellt, wobei das Außengehäuse eine erste Dicke aufweist, der Außendeckelabschnitt eine zweite Dicke aufweist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batteriezellenanordnung, ein Batteriemodul sowie ein Verfahren zu schaffen, mittels welchen ein verbesserter Ladevorgang der Batteriezelle realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezellenanordnung, ein Batteriemodul sowie durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung für ein Batteriemodul eines elektrischen Energiespeichers eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, mit zumindest einer Batteriezelle mit einem elektrischen Aktivmaterial, welches an einen Innenraum eines Batteriezellengehäuses der Batteriezelle angeordnet ist, und mit einer Temperiereinrichtung, welche das Batteriezellengehäuse zumindest bereichsweise kontaktiert.
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Es ist vorgesehen, dass die Temperiereinrichtung als ein Peltierelement ausgebildet ist und mit einer Warmseite des Peltierelements an dem Batteriezellengehäuse anliegt.
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Insbesondere ist somit vorgesehen, dass das Peltierelement eine Warmseite und eine Kaltseite aufweist. Mit der Warmseite liegt wiederum das Peltierelement nun an dem Batteriezellengehäuse auf, so dass Wärme von dem Peltierelement in das Aktivmaterial gebracht werden kann. Insbesondere bei sehr kalten Temperaturen der Batteriezelle bietet sich ein Heizen an, da somit ein verbesserter Ladevorgang realisiert werden kann, so dass beispielsweise ein Schnellladen mit einer höheren Wattanzahl durchgeführt werden kann. Somit kann auf Basis des Aufheizens mit dem Peltierelement ein verbesserter Ladevorgang insbesondere ein schneller Ladevorgang realisiert werden.
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Wenn die Batteriezelle beziehungsweise das Aktivmaterial eine gewisse Schwelltemperatur erreicht hat, wird das Heizen beendet und der Ladevorgang kann weiter durchgeführt werden. Bei einem Schnellladen kann es nun zu einer Erhitzung des Aktivmaterials kommen, wobei insbesondere dann bei ausgeschaltetem Peltierelement Wärme von dem Aktivmaterial abgeführt werden kann und so zu einer Kühlung führen. Somit kann in einem ersten Schritt ein aktives Heizen, in einem zweiten Schritt ein Ausschalten des Peltierelements und in einem dritten Schritt ein passives Kühlen des Aktivmaterial vorgesehen sein.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Temperiereinrichtung einer Kaltseite ein Aerogel aufweist. Insbesondere verhindert somit das Aerogel, dass ein entsprechender Kalt-Wärme-Übertrag an beispielsweise eine benachbarte Batteriezelle durchgeführt werden kann. Das Aerogel bietet somit eine Isolationsschicht, wodurch beispielsweise ein Stapeln beziehungsweise Nebeneinanderanordnen unterschiedlicher Batteriezellen beziehungsweise Batteriezellenanordnungen durchgeführt werden kann. Des Weiteren kann über das Aerogel beispielsweise in der dritten Phase, also wo eine Kühlung erforderlich ist, verbessert Wärme von dem Aktivmaterial abgeführt werden. Insbesondere wird das Aerogel, da es an der Kaltseite anliegt auch in der ersten Phase vorgekühlt und kann somit in der dritten Phase verbessert für eine Kühlung sorgen.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn das Batteriezellengehäuse im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist und die Temperiereinrichtung sich an einer langen Seite der Quaderform erstreckt. Insbesondere erstreckt sich die Temperiereinrichtung an nur einer einzigen Seite des Batteriezellengehäuses. Insbesondere kann somit realisiert werden, dass nur auf einer Seite die Temperiereinrichtung ausgebildet ist und dennoch zuverlässig ein hoher Wärmeertrag beziehungsweise Kälteertrag in das Aktivmaterial eingebracht werden kann. Somit kann bauteilreduziert und bauraumsparend eine Temperierung des Aktivmaterials durchgeführt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriemodul für einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs mit zumindest einer ersten Batterieanordnung nach dem vorhergehenden Aspekt und mit zumindest einer zweiten Batterieanordnung nach den vorhergehenden Aspekt. Das Batteriemodul kann beispielsweise ein Modulgehäuse aufweisen, in welchem die erste Batterieanordnung und die zweite Batterieanordnung angeordnet sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass die zumindest zwei Batterieanordnungen gestapelt oder nebeneinander angeordnet sind. Insbesondere sind die Batterieanordnungen quaderförmig und können somit gestapelt oder nebeneinander ausgebildet sein.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn eine Warmseite der Temperiereinrichtung der ersten Batterieanordnung der zweiten Batterieanordnung abgewandt ist. Insbesondere ist somit die Kaltseite der Temperiereinrichtung der zweiten Batterieanordnung zugewandt. Insbesondere ist zwischen der Kaltseite und dem zweiten Gehäuse der zweiten Batterieanordnung wiederum das Aerogel ausgebildet, so dass diese isoliert voneinander sind.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Batteriemodul zumindest eine elektronische Recheneinrichtung zum Ansteuern der Temperiereinrichtung aufweist. Ferner kann das Batteriemodul zumindest eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Innenraumtemperatur des Batteriemoduls und/oder einer jeweiligen Batterieanordnung aufweisen. Insbesondere kann somit vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit einer Innenraumtemperatur entsprechend die Temperiereinrichtung angesteuert wird, und beispielsweise ein aktives Aufheizen der Batteriezellen oder ein passiven Kühlen realisiert werden kann.
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Daher betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriemoduls nach dem vorhergehenden Aspekt mit den Schritten: Erfassen einer Innenraumtemperatur des Batteriemoduls und/oder der jeweiligen Batterieanordnung mittels der Erfassungseinrichtung; Erzeugen eines Steuersignals in Abhängigkeit von der erfassten Innenraumtemperatur für die Temperiereinrichtung mittels der elektronischen Recheneinrichtung und Erwärmen des Aktivmaterials mittels der Temperiereinrichtung.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Batterieanordnung sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Batteriemoduls sowie des Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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Insbesondere weist die Batterieanordnung sowie das Batteriemodul entsprechende gegenständliche Merkmale auf, um entsprechende Verfahrensschritte durchführen zu können.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Batteriezellenanordnung; und
- 2 eine weitere schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Batteriemoduls.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Batteriezellenanordnung 10 für einen nicht dargestellten elektrischen Energiespeicher, insbesondere für ein Batteriemodul 12 (2) des elektrischen Energiespeichers eines ebenfalls nicht dargestellten, zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs. Die Batteriezellenanordnung 10 weist zumindest eine Batteriezelle 14 mit einem elektrischen Aktivmaterial 16 auf. Das elektrische Aktivmaterial 16 ist in einem Innenraum 18 eines Batteriezellengehäuses 20 der Batteriezelle 14 angeordnet. Ferner weist die Batteriezellenanordnung 10 eine Temperiereinrichtung 22 auf, welche das Batteriezellengehäuse 20 zumindest bereichsweise kontaktiert. Die Temperiereinrichtung 22 ist insbesondere als Peltierelement 24 ausgebildet und mit einer Warmseite 26 an dem Batteriezellengehäuse 20 anliegend ausgebildet. Insbesondere zeigt die 1 ferner, dass die Temperiereinrichtung 22 an einer Kaltseite 28 ein Aerogel 30 aufweist.
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Des Weiteren zeigt die 1, dass das Batteriezellengehäuse 20 im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist und die Temperiereinrichtung 22 sich an einer langen Seite der Quaderform erstreckt, insbesondere ist die Temperiereinrichtung 22 an nur einer einzigen Seite des Batteriezellengehäuses 20 ausgebildet.
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Insbesondere zeigt die 1 somit, dass das Peltierelement 24 zur schnellen Erwärmung einer Batteriezelle 14 verwendet werden kann. Das Aerogel 30 kann dabei benachbarte Batteriezellen vor niedrigen Temperaturen schützen. Dadurch kann insbesondere ein schnelles Aufheizen des Aktivmaterials 16 zum Erreichen der Schnelllade-Zieltemperatur in sehr kurzer Zeit erreicht werden. Insbesondere kann dadurch ein schnelles Einschwingverhalten ebenfalls realisiert werden. Des Weiteren sind keine beweglichen Teile vorhanden und das Aerogel 30 fungiert als Isolator und hat keine untere Temperaturgrenze in Bezug auf die Lebensdauer.
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Insbesondere aus Komfortgründen sind entsprechende Ladezeiten, welche schnell sind, gefordert. Aktuelle Konzepte gemäß dem Stand der Technik erlauben kein schnelles Einschwingverhalten bei der Kühlung von Batterien. In der vorgeschlagenen Lösung ist ein integriertes Peltierelement 24 mit dem Aerogel 30 vorgesehen, das an der Seite der benachbarten Zelle angebracht ist, und ermöglicht somit eine Schnellladung bei nicht optimalen Temperaturen.
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2 zeigt eine weitere schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 12 mit zumindest einer ersten Batteriezellenanordnung 10a und einer zweiten Batteriezellenanordnung 10b. Ferner sind noch vier weiteren Batteriezellenanordnungen 10c bis 10f gezeigt. Die jeweiligen Batteriezellenanordnungen 10a bis 10f weisen ebenfalls die Temperiereinrichtungen 22 auf, wobei dies lediglich bei der ersten Batterieanordnung 10a und bei der zweiten Batterieanordnung 10b gezeigt ist. Insbesondere ist gezeigt, dass das Batteriemodul 12 somit mindestens eine erste Batteriezellenanordnung 10a sowie eine zweite Batteriezellenanordnung 10b aufweisen kann. Die Batteriezellenanordnungen 10a- 10f sind bevorzugt gestapelt beziehungsweise, wie vorliegend dargestellt nebeneinander ausgebildet. Insbesondere weist das Batteriemodul 12 ferner einen Modulrahmen 32 auf, in welchen die Vielzahl von Batteriezellenanordnungen 10a bis 10f untergebracht sein können.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass eine Warmseite der Temperiereinrichtung 22 der ersten Batterieanordnung 10a der zweiten Batterieanordnung 10b zugewandt ist. im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist dies umgekehrt der Fall, mit anderen Worten ist die Warmseite der zweiten Batterieanordnung 10b der ersten Batterieanordnung 10a zugewandt.
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Ferner ist gezeigt, dass das Batteriemodul zumindest eine elektronische Recheneinrichtung 34 sowie eine Erfassungseinrichtung 36 aufweisen kann. Insbesondere ist die elektronische Recheneinrichtung 34 zum Ansteuern der Temperiereinrichtungen 22 ausgebildet und die Erfassungseinrichtung 36 ist zum Erfassen einer Innenraumtemperatur des Batteriemoduls 12 und/oder der jeweiligen Batteriezellenanordnung ausgebildet.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriemoduls 10a - 10f, 12, wobei das Erfassen einer Innenraumtemperatur des Batteriemoduls 12 und/oder einer jeweiligen Batteriezellenanordnung 10a - 10f mittels der Erfassungseinrichtung 36 erfolgt und das Erzeugen des Steuersignals in Abhängigkeit von der erfassten Innenraumtemperatur für die Temperiereinrichtung 22 mittels der elektronischen Recheneinrichtung 34 durchgeführt wird. Es erfolgt dann das Erwärmen des Aktivmaterials 16.
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Bei dem Verfahren kann insbesondere vorgesehen sein, dass in einem ersten Schritt der Ladevorgang beginnt. Dabei ist das Peltierelement 34 an, insbesondere fließt ein entsprechender Strom durch das Peltierelement, insbesondere da beispielsweise Temperaturen von - 20 Grad vorliegen. Das Aktivmaterial 16 wird geheizt und das Aerogel 30 gekühlt. Im zweiten Schritt wird wiederum das Peltierelement 24 ausgeschaltet. Mit anderen Worten fließt kein Strom mehr durch das Peltierelement 24. Dabei kann sich beispielsweise die Temperatur zwischen - 20 und 15 Grad befinden. Mit anderen Worten wird das Aktivmaterial 16 nicht mehr beheizt und das niedrig temperierte Aerogel 30 startet das Kühlen des Aktivmaterials 16 bei einer entsprechend höheren Temperatur, insbesondere während des Aufladevorgangs, bei welchem höhere Temperaturen entstehen können. Damit bleibt das Aktivmaterial 16 in einem verbesserten Temperaturbereich. Es erfolgt dann in einem dritten Schritt wiederum das Laden des Aktivmaterials 16 im Temperaturbereich, beispielsweise zwischen 15 °C und 50 °C. Hierbei ist das Peltierelement 24 ebenfalls ausgeschaltet, wobei sich das Peltierelement 24 im so genannten Equilibrium befindet, was bedeutet, dass sowohl die Warmseite als auch die Kaltseite im Wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen. Dadurch kann die maximale Leistung beim Laden eingefordert werden. Wenn wiederum das Aktivmaterial 16 geladen ist, ist ebenfalls das Peltierelement 24 ausgeschaltet.
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Bezugszeichenliste
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- 10a-10f
- Batteriezellenanordnung
- 12
- Batteriemodul
- 14
- Batteriezelle
- 16
- Aktivmaterial
- 18
- Innenraum
- 20
- Batteriezellengehäuse
- 22
- Temperiereinrichtung
- 24
- Peltierelement
- 26
- Warmseite
- 28
- Kaltseite
- 30
- Aerogel
- 32
- Modulgehäuse
- 34
- elektronische Recheneinrichtung
- 36
- Erfassungseinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112016002611 T5 [0003]
- DE 102019113012 A1 [0004]
