DE102022213190A1 - battery - Google Patents

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Abstract

Batterie (30, 40) zur Bereitstellung elektrischer Energie, mit Mitteln zur Beheizung der Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel mindestens eine Heizeinrichtung (1, 41) umfassen, welche als Heizmatte zur Bereitstellung Joulescher Wärme ausgebildet ist.Battery (30, 40) for providing electrical energy, with means for heating the battery, characterized in that the means comprise at least one heating device (1, 41) which is designed as a heating mat for providing Joule heat.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Batterie nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Es ist schon ein aus der DE 10 2021 100 253 A1 eine Batterie mit Mitteln zur Beheizung bekannt, bei der jedoch im Bedarfsfall der Innenwiderstand der Batterie zu ihrer Beheizung genutzt wird.The invention is based on a battery according to the type of the independent claim. It is already a EN 10 2021 100 253 A1 A battery with heating means is known in which, if necessary, the internal resistance of the battery is used to heat it.

Zur Erwärmung von Körpern oder Medien, wie beispielsweise Gase oder Flüssigkeiten, an sich können grundsätzlich unterschiedlichste elektrische Heizelemente eingesetzt werden, wie zum Beispiel keramische PTC-Heizelemente, metallische Widerstandsheizungen oder auch Widerstandsheizungen auf Basis von elektrisch leitfähigen Kunststoffen, wie sie zum Beispiel aus der DE 10 2012 212 798 A1 bekannt sind.In principle, a wide variety of electrical heating elements can be used to heat bodies or media, such as gases or liquids, such as ceramic PTC heating elements, metallic resistance heaters or resistance heaters based on electrically conductive plastics, such as those used in EN 10 2012 212 798 A1 are known.

Auf Basis von Elastomeren lassen sich ebenfalls Heizelemente herstellen, wie aus der EP 0820 214 B1 bekannt. Hergestellt werden diese Heizelemente durch Urformen (d.h. Pressen, Transfermolding, Gießen, z.B. Spritzgießen) von mit elektrisch leitfähigen Partikeln (z.B. Ruß, Graphit, Kohlefasern, Carbonnanotubes, Metallfasern oder -partikel) gefüllten elastomeren Formmassen (wie z.B. thermoplastische Elastomere, EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, Fluorkautschuke, Silikonkautschuke, Kautschuke, ...). Beaufschlagt man diese Heizelemente mit elektrischem Strom, so entsteht Joulsche Wärme.Heating elements can also be manufactured on the basis of elastomers, as can be seen from the EP 0820 214 B1 These heating elements are manufactured by primary molding (ie pressing, transfer molding, casting, eg injection molding) of elastomer molding compounds (such as thermoplastic elastomers, EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, fluororubbers, silicone rubbers, rubbers, ...) filled with electrically conductive particles (eg carbon black, graphite, carbon fibers, carbon nanotubes, metal fibers or particles). If these heating elements are exposed to electrical current, Joule heat is generated.

Auch aus der DE 10 2012 207 708 A1 und der DE 10 2019 106 705 A1 sind Heizvorrichtungen für Fahrzeuge bekannt.Also from the EN 10 2012 207 708 A1 and the EN 10 2019 106 705 A1 Heating devices for vehicles are known.

Aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2022 210 476.5 ist es bekannt, eine Heizeinrichtung mit einem in einem Gehäuse eingelassenen Heizelement, welches aus mindestens einer Elastomerformmasse unter Einschluss elektrisch leitfähiger Partikel gefertigt ist, mit einer Stützstruktur auf einer Seite des Heizelements zu versehen.From the subsequently published German patent application with the file number 10 2022 210 476.5, it is known to provide a heating device with a heating element embedded in a housing, which is made of at least one elastomer molding compound including electrically conductive particles, with a support structure on one side of the heating element.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Batterie mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil einer homogenen Verteilbarkeit der Wärmeerzeugung innerhalb der Batterie. Des Weiteren von Vorteil ist, daß sich eine elastische Heizmatte bzw. elastische Heizmatten an die Oberfläche einzelner Batteriezellen gut anpassen können, wodurch ein optimaler Wärmeübertrag erfolgen kann.The battery according to the invention with the characterizing features of the independent claim has the advantage of homogeneous distribution of the heat generation within the battery. Another advantage is that an elastic heating mat or elastic heating mats can adapt well to the surface of individual battery cells, which allows optimal heat transfer.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Batterie möglich.The measures listed in the dependent claims enable advantageous further developments and improvements of the battery specified in the independent claim.

Besonders vorteilhaft ist es, Heizeinrichtungen mit Mitteln zur Ausdehnungskompensation zwischen Batteriezellen der Batterie anzuordnen, beispielsweise in Form einer elastischen Struktur, welche einen freien Raum zur Kompression bietet und ein Anschwellen der Batteriezellen während eines Lade- bzw. Entladebetriebs kompensieren kann. Darüber hinaus können thermische Ausdehnungen auch der heizenden Elastomerschicht selbst und örtliche Verformungen kompensiert bzw. die äußeren Maße des Batteriezellenstapels, also der Batterie, konstant gehalten werden.It is particularly advantageous to arrange heating devices with means for expansion compensation between battery cells of the battery, for example in the form of an elastic structure which offers free space for compression and can compensate for swelling of the battery cells during charging or discharging. In addition, thermal expansion of the heating elastomer layer itself and local deformations can be compensated or the external dimensions of the battery cell stack, i.e. the battery, can be kept constant.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the invention are illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description.

Es zeigen

  • 1 eine Heizeinrichtung,
  • 2 die Heizeinrichtung in Querschnittsseitenansicht,
  • 3 eine Batteriezelle,
  • 4 eine Batterie und
  • 5 eine weitere Batterie.
Show it
  • 1 a heating device,
  • 2 the heating device in cross-sectional side view,
  • 3 a battery cell,
  • 4 a battery and
  • 5 another battery.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine Heizeinrichtung 1 in Form einer Heizmatte. Diese Heizmatte ist vorzugsweise flach ausgeführt, insbesondere zirka 0,5 bis 1 Millimeter dick ausgeführt. Dargestellt ist sie in Draufsicht. Die Heizeinrichtung 1 weist ein Heizelement 2 in Form mindestens einer elektrisch leitfähigen Elastomerschicht auf. Diese mindestens eine elektrisch leitfähige Elastomerschicht enthält thermoplastische Elastomere, EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, Fluorkautschuke, Silikonkautschuke und/oder Kautschuke. Ferner enthält sie elektrisch leitfähige Partikel in Form von Ruß, Graphit, Kohlefasern, Carbon-Nanotubes, Metallfasern oder Metallpartikel zur Gewährleistung der elektrischen Leitfähigkeit und der Bereitstellung eines geeigneten elektrischen Heizwiderstands. Zur guten elektrischen flächigen Kontaktierung dieses flächig verteilten Heizwiderstands ist mindestens ein erster Kontaktstreifen 3, beispielsweise aus Kupferblech oder Kupferdraht, vorgesehen. Dieser erstreckt sich entlang einer Längskante des Heizelements und weist vorzugsweise beiderseits überstehende Anschlußbereiche zum Anschluß eines elektrischen Pols einer Heizstromversorgung auf. Des weiteren ist mindestens ein zweiter Kontaktstreifen entlang der gegenüberliegenden Längskante des Heizelements vorgesehen, ebenfalls vorzugsweise mit beiderseits überstehenden Anschlußbereichen. Der mindestens eine erste Kontaktstreifen und der mindestens eine zweite Kontaktstreifen sind bei der Verwendung von Kupfer bzw. Kupferdraht als Kontaktstreifenmaterial mechanisch gut mit dem Elastomermaterial verbunden. Symbolisch mit einem Plus-Symbol markiert ist ein anschließbarer Pluspol 7 der Heizstromversorgung sowie schräg gegenüber ein mit einem Minus-Symbol ein entsprechend anschließbarer Minuspol 9 der Heizstromversorgung. Die Wärmeerzeugung erfolgt beidseits jeweils auf der ganzen Heizmattenoberfläche. Es kann eine homogene Verteilung der Wärmeerzeugung auf der Heizmattenoberfläche erreicht werden bei Heiztemperaturen von bis zu 160 Grad Celsius. 1 shows a heating device 1 in the form of a heating mat. This heating mat is preferably flat, in particular approximately 0.5 to 1 millimeter thick. It is shown in plan view. The heating device 1 has a heating element 2 in the form of at least one electrically conductive elastomer layer. This at least one electrically conductive elastomer layer contains thermoplastic elastomers, EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, fluororubbers, silicone rubbers and/or rubbers. It also contains electrically conductive particles in the form of carbon black, graphite, carbon fibers, carbon nanotubes, metal fibers or metal particles to ensure electrical conductivity and to provide a suitable electrical heating resistor. For good electrical surface contact of this surface-distributed heating resistor, at least one first contact strip 3, for example made of copper sheet or copper wire, is provided. This extends along a longitudinal edge of the heating element and preferably has protruding connection areas on both sides for connecting an electrical pole of a heating power supply. Furthermore, at least a second contact strip is provided along the opposite long edge of the heating element, also preferably with protruding connection areas on both sides. The at least one first contact strip and the at least one second contact strip are mechanically well connected to the elastomer material when copper or copper wire is used as the contact strip material. A connectable positive pole 7 of the heating power supply is symbolically marked with a plus symbol and diagonally opposite a connectable negative pole 9 of the heating power supply is marked with a minus symbol. Heat is generated on both sides on the entire heating mat surface. A homogeneous distribution of heat generation on the heating mat surface can be achieved at heating temperatures of up to 160 degrees Celsius.

2 zeigt die Heizeinrichtung 1 in Form einer Heizmatte aus 1 in einer Querschnittsseitenansicht. Zusätzlich dargestellt ist die beiderseitige Wärmeabgabe zum Beispiel in Form von Strahlung 11 im Falle des Anschlusses einer Heizstromversorgung. 2 shows the heating device 1 in the form of a heating mat made of 1 in a cross-sectional side view. Additionally shown is the heat emission on both sides, for example in the form of radiation 11 in the case of connection to a heating power supply.

3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Batteriezelle 20 mit auf der oberen Seite angeordneten Polanschlüssen. 3 shows a perspective view of a battery cell 20 with pole connections arranged on the upper side.

4 zeigt eine Batterie 30 mit einer Mehrzahl von Batteriezellen 20, dargestellt in Draufsicht von oben. Die einzelnen Komponenten, insbesondere die Batteriezellen 20 und die Heizeinrichtungen 1, sind beabstandet voneinander dargestellt zur besseren Erläuterung der beiderseitigen Wärmeabgabe der Heizeinrichtungen 1 an ihre unmittelbar benachbarten Batteriezellen. In einer realen Ausführungsform jedoch sind sie sich gegenseitig flächenkontaktierend aufeinandergestapelt bzw. aneinandergereiht. Die drei Punkte am rechten Rand symbolisieren eine wählbare Vielzahl von Batteriezellen, die entsprechend mit dazwischenliegenden Heizeinrichtungen gestapelt sind. 4 shows a battery 30 with a plurality of battery cells 20, shown in a plan view from above. The individual components, in particular the battery cells 20 and the heating devices 1, are shown spaced apart from one another to better explain the mutual heat emission of the heating devices 1 to their immediately adjacent battery cells. In a real embodiment, however, they are stacked on top of one another or lined up in a row with mutual surface contact. The three dots on the right-hand edge symbolize a selectable plurality of battery cells that are stacked accordingly with heating devices in between.

Alternativ kann auch nur eine Heizmatte nur pro zwei Batteriezellen vorgesehen werden derart, daß jede aneinandergereihte Batteriezelle auf der einen Seite flächig mit einer Heizeinrichtung und auf der anderen Seite mit einer weiteren Batteriezelle - ohne dazwischenliegende Heizeinrichtung - in mechanischem Kontakt steht. Eine elastische Heizmatte kann sich an die Oberfläche der Batteriezellen anpassen, dadurch kann ein optimaler Wärmeübertrag erfolgen. Als Heizstromversorgung kann direkt die von der Batterie bereitgestellte elektrische Batteriespannung bzw. die Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs eingesetzt werden.Alternatively, only one heating mat can be provided for every two battery cells, so that each battery cell lined up next to one another is in mechanical contact with a heating device on one side and with another battery cell on the other side - without a heating device in between. An elastic heating mat can adapt to the surface of the battery cells, which allows for optimal heat transfer. The electrical battery voltage provided by the battery or the vehicle's on-board voltage can be used directly as the heating power supply.

5 zeigt eine Batterie 40 mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, ähnlich zur Batterie 30 nach 4, jedoch mit einer alternativen Heizmattenausstattung, welche Mittel zur Ausdehnungskompensation bereitstellt. Die hierzu alternativen Heizmatten 41 weisen eine elastische Struktur 47 auf, diese ist zwischen einer ersten Teilschicht 43 der Elastomerschicht und einer zweiten Teilschicht 45 der Elastomerschicht angeordnet und besteht aus elastomeren Verbindungen zwischen den Teilschichten sowie zwischen den elastomeren Verbindungen liegenden Hohlräumen. Die elastische Struktur bietet einen freien Raum zur Kompression und kann ein Anschwellen der Batteriezellen während eines Lade- bzw. Entladebetriebs kompensieren. Darüber hinaus können thermische Ausdehnungen und örtliche Verformungen kompensiert bzw. die äußeren Maße des Batteriezellenstapels, also der Batterie, konstant gehalten werden. 5 shows a battery 40 with a plurality of battery cells, similar to the battery 30 according to 4 , but with an alternative heating mat equipment, which provides means for expansion compensation. The alternative heating mats 41 have an elastic structure 47, which is arranged between a first partial layer 43 of the elastomer layer and a second partial layer 45 of the elastomer layer and consists of elastomer connections between the partial layers and hollow spaces between the elastomer connections. The elastic structure offers free space for compression and can compensate for swelling of the battery cells during charging or discharging. In addition, thermal expansion and local deformations can be compensated or the external dimensions of the battery cell stack, i.e. the battery, can be kept constant.

Eine Heizeinrichtung bzw. Heizmatte bzw. eine elektrisch leitfähige Elastomerschicht zwischen zwei Batteriezellen kann als Mittel zur Ausdehnungskompensation auch eine Stützstruktur wie in der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2022 210 476.5 beschrieben aufweisen, deren Offenbarung hiermit in die vorliegende Anmeldung einbezogen ist.A heating device or heating mat or an electrically conductive elastomer layer between two battery cells can also have a support structure as described in the subsequently published German patent application with the file number 10 2022 210 476.5 as a means of compensating for expansion, the disclosure of which is hereby incorporated into the present application.

Eine Heizeinrichtung bzw. Heizmatte bzw. eine elektrisch leitfähige Elastomerschicht zwischen zwei Batteriezellen kann auch zwei separate Elastomerteilschichten aufweisen, welche wechselseitig aufeinandergelegt werden und welche jeweils eine zur anderen Elastomerschicht hin orientierte Struktur, jedoch zur jeweils benachbarten Batteriezelle eine glatte Fläche haben. So ist bei dieser Variante einerseits durch die gegenüberliegenden Strukturen ein Mittel zur Ausdehnungskompensation bereitgestellt und andererseits ein optimaler Wärmeübergang zu den benachbarten Batteriezellen gewährleistet.A heating device or heating mat or an electrically conductive elastomer layer between two battery cells can also have two separate elastomer sub-layers, which are placed alternately on top of each other and which each have a structure oriented towards the other elastomer layer, but a smooth surface towards the adjacent battery cell. In this variant, the opposing structures provide a means of compensating for expansion on the one hand, and on the other hand, optimal heat transfer to the adjacent battery cells is ensured.

Eine Heizeinrichtung bzw. Heizmatte bzw. eine elektrisch leitfähige Elastomerschicht zwischen zwei Batteriezellen kann auch eine geschäumte Matte aus einem elektrisch leitfähigem Elastomer sein bzw. aufweisen. Eine solche Heizmatte kann chemisch oder physikalisch geschäumt werden. Die Wandungen werden durch die schnelle Erkaltung dicht und zur Mitte der Matte hin bildet sich zunehmend eine Schaumstruktur aus, welche ein Mittel zur Ausdehnungskompensation darstellt.A heating device or heating mat or an electrically conductive elastomer layer between two battery cells can also be or have a foamed mat made of an electrically conductive elastomer. Such a heating mat can be foamed chemically or physically. The walls become dense due to the rapid cooling and a foam structure increasingly forms towards the middle of the mat, which represents a means of compensating for expansion.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (12)

Batterie (20, 30, 40) zur Bereitstellung elektrischer Energie, mit Mitteln zur Beheizung der Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel mindestens eine Heizeinrichtung (1, 41) umfassen, welche als Heizmatte zur Bereitstellung Joulescher Wärme ausgebildet ist.Battery (20, 30, 40) for providing electrical energy, with means for heating the battery, characterized in that the means comprise at least one heating device (1, 41) which is designed as a heating mat for providing Joule heat. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizmatte mindestens eine elektrisch leitfähige Elastomerschicht (2) aufweist, welche zur Erzeugung der Jouleschen Wärme dient.Battery after Claim 1 , characterized in that the heating mat has at least one electrically conductive elastomer layer (2) which serves to generate the Joule heat. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizmatte mindestens ein Mittel (43, 45, 47) zur Ausdehnungskompensation aufweist.Battery after Claim 2 , characterized in that the heating mat has at least one means (43, 45, 47) for expansion compensation. Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Mittel zur Ausdehnungskompensation eine elastische Struktur (47) aufweist.Battery after Claim 3 , characterized in that the at least one means for expansion compensation has an elastic structure (47). Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Struktur durch einstückige Verbindungen zwischen zwei im Wesentlichen parallele Teilschichten (43, 45) der Elastomerschicht (2) gebildet wird, wobei die einstückigen Verbindungen Hohlräume zwischen den beiden Teilschichten voneinander zumindest teilweise trennen.Battery after Claim 4 , characterized in that the elastic structure is formed by one-piece connections between two substantially parallel partial layers (43, 45) of the elastomer layer (2), wherein the one-piece connections at least partially separate cavities between the two partial layers from one another. Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch leitfähige Elastomerschicht (2) thermoplastische Elastomere, EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, Fluorkautschuke, Silikonkautschuke und/oder Kautschuke und elektrisch leitfähige Partikel in Form von Ruß, Graphit, Kohlefasern, Carbon-Nanotubes, Metallfasern oder Metallpartikel enthält.Battery according to one of the Claims 2 until 5 , characterized in that the at least one electrically conductive elastomer layer (2) contains thermoplastic elastomers, EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, fluororubbers, silicone rubbers and/or rubbers and electrically conductive particles in the form of soot, graphite, carbon fibers, carbon nanotubes, metal fibers or metal particles. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizmatte mindestens einen sich längs einer Längserstreckung der Heizmatte erstreckenden ersten, insbesondere metallischen Kontaktstreifen (3) und mindestens einen weiteren solchen zweiten Kontaktstreifen (5) aufweist, welche zur Kontaktierung der Heizmatte mit einer elektrischen Stromversorgung dienen.Battery according to one of the preceding claims, characterized in that the heating mat has at least one first, in particular metallic, contact strip (3) extending along a longitudinal extent of the heating mat and at least one further such second contact strip (5), which serve to contact the heating mat with an electrical power supply. Batterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstreifen (3, 5) mindestens auf einer Seite der Heizmatte überstehen und dadurch Anschlußbereiche für die elektrische Stromversorgung bilden.Battery after Claim 7 , characterized in that the contact strips (3, 5) protrude at least on one side of the heating mat and thereby form connection areas for the electrical power supply. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrzahl von Batteriezellen (20) aufweist, welche eingerichtet sind zur Parallel- und/oder Reihenschaltung, wobei die mindestens eine Heizeinrichtung (1) zwischen zwei Batteriezellen angeordnet ist derart, daß sie bei Strombeaufschlagung Joulesche Wärme an die benachbarten zwei Batteriezellen abgeben kann.Battery according to one of the preceding claims, characterized in that it has a plurality of battery cells (20) which are designed for parallel and/or series connection, wherein the at least one heating device (1) is arranged between two battery cells in such a way that it can release Joule heat to the two adjacent battery cells when current is applied. Batterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Heizeinrichtung flächig mit den beiden Batteriezellen in mechanischem Kontakt steht.Battery after Claim 9 , characterized in that the at least one heating device is in mechanical contact with the two battery cells. Batterie nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Batteriezellen vorgesehen sind, wobei diese derart gestapelt bzw. aneinandergereiht sind, daß jeweils zwischen zwei benachbarten Batteriezellen eine Heizeinrichtung (1) angeordnet ist.Battery after Claim 9 or 10 , characterized in that more than two battery cells are provided, which are stacked or arranged in a row in such a way that a heating device (1) is arranged between each two adjacent battery cells. Batterie nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Batteriezellen vorgesehen sind, wobei diese derart gestapelt bzw. aneinandergereiht sind, daß jeweils einem Paar von Batteriezellen eine dazwischen angeordnete Heizeinrichtung (1) zugeordnet ist und daß diese Paare direkt aufeinander gestapelt bzw. aneinandergereiht sind.Battery after Claim 9 or 10 , characterized in that more than two battery cells are provided, these being stacked or arranged in a row in such a way that a heating device (1) arranged between them is assigned to each pair of battery cells and that these pairs are stacked or arranged directly on top of one another.
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