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DE102016121838A1 - Temperature control element for a battery - Google Patents

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DE102016121838A1
DE102016121838A1 DE102016121838.3A DE102016121838A DE102016121838A1 DE 102016121838 A1 DE102016121838 A1 DE 102016121838A1 DE 102016121838 A DE102016121838 A DE 102016121838A DE 102016121838 A1 DE102016121838 A1 DE 102016121838A1
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Germany
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tempering
ptc heating
battery
temperature control
heating element
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DE102016121838.3A
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German (de)
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Oliver Nolte
Udo Heim
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Dr Ing HCF Porsche AG
Volkswagen AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
Volkswagen AG
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Publication date
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Abstract

Ein Temperierelement (10) für eine Batterie (16) hat im Innenbereich mindestens einen Kühlmittelkanal (24), welcher dazu ausgebildet ist, eine Kühlung durch ein Kühlfluid zu ermöglichen. Das Temperierelement (10) hat im Innenbereich mindestens ein PTC-Heizelement (44), welches PTC-Heizelement (44) dazu ausgebildet ist, das Temperierelement (10) zu erwärmen, und das Temperierelement (10) hat eine erste Grundfläche (51), welche zur Wärmeübertragung zwischen dem Temperierelement (10) und mindestens einem Batteriemodul (14) der Batterie (16) vorgesehen ist. Eine Batterie (16) hat ein solches Temperierelement (10).A tempering element (10) for a battery (16) has at least one coolant channel (24) in the inner region, which is designed to allow cooling by a cooling fluid. The tempering element (10) has at least one PTC heating element (44) in the inner region, which PTC heating element (44) is designed to heat the tempering element (10), and the tempering element (10) has a first base surface (51), which is provided for heat transfer between the temperature control element (10) and at least one battery module (14) of the battery (16). A battery (16) has such a tempering element (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Temperierelement für eine Batterie.The invention relates to a tempering for a battery.

Batterien, wie sie bspw. zum Antrieb elektrischer Fahrzeuge verwendet werden, sind üblicherweise aus mehreren Batteriemodulen aufgebaut, welche wiederum aus mehreren Batteriezellen bestehen. Weder zu hohe noch zu niedrige Temperaturen sind vorteilhaft für den Betrieb der Batterie, und extreme Temperaturen können zu verminderter Leistung und auch zu einer verkürzten Lebensdauer führen.Batteries, as used, for example, for driving electric vehicles, are usually constructed from a plurality of battery modules, which in turn consist of a plurality of battery cells. Neither too high nor too low temperatures are favorable for the operation of the battery, and extreme temperatures can lead to reduced performance and also to a shortened service life.

Es ist bekannt, die Batteriemodule zur Kühlung auf einer gemeinsamen Kühlplatte anzuordnen, um eine Kühlung durch ein durch die Kühlplatte strömendes Fluid zu ermöglichen. Die Batteriemodule können auch einzeln auf einer Kühlplatte stehen.It is known to arrange the battery modules for cooling on a common cooling plate in order to allow cooling by a fluid flowing through the cooling plate. The battery modules can also stand individually on a cooling plate.

Es ist auch bekannt, bei niedrigen Temperaturen das Kühlfluid aufzuheizen, um eine Erwärmung der Kühlplatte und damit auch eine Erwärmung der Batteriemodule zu bewirken.It is also known to heat the cooling fluid at low temperatures in order to bring about heating of the cooling plate and thus also heating of the battery modules.

Die CN 205211893 U zeigt eine Heizanordnung für ein Batteriemodul. An einer Außenseite der Heizanordnung sind Heizelemente vorgesehen.The CN 205211893 U shows a heating arrangement for a battery module. On an outer side of the heating arrangement heating elements are provided.

Die US 2014/0050964 A1 , die US 2014/0287293 A1 , die CN 105070976 A und die CN 204857904 U zeigen Heizelemente, welche zwischen einzelnen Batteriezellen angeordnet sind.The US 2014/0050964 A1 , the US 2014/0287293 A1 , the CN 105070976 A and the CN 204857904 U show heating elements which are arranged between individual battery cells.

Die US 2006/0210868 A1 , die US 2013/0280564 A1 und die CN 102832425 A zeigen die Temperierung einer Batterie durch ein Kühlfluid.The US 2006/0210868 A1 , the US 2013/0280564 A1 and the CN 102832425 A show the temperature of a battery through a cooling fluid.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein neues Temperierelement bereit zu stellen.It is an object of the invention to provide a new tempering.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.This object is achieved by the subject matter of claim 1.

Durch die Integration des PTC-Heizelements wird ein verbesserter Wärmetransport der durch das PTC-Heizelement erzeugten Wärme zu den Batteriemodulen ermöglicht. Zudem kann durch die Integration Bauraum und Gewicht verringert werden. Die Anordnung der PTC-Heizelemente ermöglicht eine höhere Heizleistung im Bereich der Batteriemodule.The integration of the PTC heating element allows for improved heat transfer of the heat generated by the PTC heating element to the battery modules. In addition, the integration space and weight can be reduced by the integration. The arrangement of the PTC heating elements enables a higher heating power in the area of the battery modules.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind bei mindestens einem PTC-Heizelement auf mindestens zwei Seiten dieses mindestens einen PTC-Heizelements Kühlmittelkanäle vorgesehen. Dies ermöglicht eine Anordnung der PTC-Heizelemente in einem inneren Bereich des Temperierelements und damit eine gleichmäßigere Erwärmung als bei einer Anordnung im Randbereich, die jedoch zusätzlich möglich ist.According to a preferred embodiment, at least one PTC heating element on at least two sides of this at least one PTC heating element coolant channels are provided. This allows an arrangement of the PTC heating elements in an inner region of the tempering and thus a more uniform heating than in an arrangement in the edge region, which is also possible.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Kühlmittelkanäle in einem ersten Tiefenbereich des Temperierelements, und das mindestens eine PTC-Heizelement erstreckt sich in einem zweiten Tiefenbereich des Temperierelements. Dabei überlappen der erste Tiefenbereich und der zweite Tiefenbereich zumindest teilweise. Dies ermöglicht eine platzsparende Anordnung der PTC-Heizelemente und Kühlmittelkanäle, und das Temperierelement kann flach ausgebildet werden.According to a preferred embodiment, the coolant channels extend in a first depth region of the tempering element, and the at least one PTC heating element extends in a second depth region of the tempering element. In this case, the first depth range and the second depth range overlap at least partially. This allows a space-saving arrangement of the PTC heating elements and coolant channels, and the tempering can be made flat.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die erste Grundfläche durch eine Platte ausgebildet. Hierdurch können die Batteriemodule einfach an der ersten Grundfläche angeordnet werden.According to a preferred embodiment, the first base is formed by a plate. As a result, the battery modules can be easily arranged on the first base.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist auf der von der ersten Grundfläche abgewandten zweiten Grundfläche eine Kunststoffabdeckung vorgesehen, um eine thermische Isolierung zu bewirken. Bei dem Aufheizen mit den Heizelementen kann eine deutlich bessere Ausnutzung der Heizleistung erzielt werden.According to a preferred embodiment, a plastic cover is provided on the side facing away from the first base surface second base to effect thermal insulation. When heating with the heating elements, a significantly better utilization of the heating power can be achieved.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mindestens zwei Batteriemodule an der ersten Grundfläche angeordnet, bevorzugt mindestens drei Batteriemoduie. Das Temperierelement ist gut zum Erwärmen einer Mehrzahl von Batteriemodulen geeignet, beispielsweise auch für mindestens 10 oder mindestens 20 Batteriemodule.According to a preferred embodiment, at least two battery modules are arranged on the first base, preferably at least three battery modules. The tempering is well suited for heating a plurality of battery modules, for example, for at least 10 or at least 20 battery modules.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das PTC-Heizelement in das Temperierelement eingeklebt. Dies ergibt eine gute Verbindung, auch zwischen schwierigen Verbindungspartnern.According to a preferred embodiment, the PTC heating element is glued into the tempering. This results in a good connection, even between difficult connection partners.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mindestens 10 PTC-Heizelemente vorgesehen, bevorzugt mindestens 20 PTC-Heizelemente. Es damit eine gleichmäßige Erwärmung der Batteriemodule erzielbar.According to a preferred embodiment, at least 10 PTC heating elements are provided, preferably at least 20 PTC heating elements. It thus achieves a uniform heating of the battery modules.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem PTC-Heizelement und der ersten Grundfläche ein Wärmeübertrager vorgesehen, um eine bessere Wärmeverteilung im Temperierelement zu bewirken. Dieser Wärmeübertrager ist bevorzugt flächig ausgebildet.According to a preferred embodiment, a heat exchanger is provided between the PTC heating element and the first base area in order to effect a better heat distribution in the tempering element. This heat exchanger is preferably formed flat.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wärmeübertrager als flächiges Keramikbauteil ausgebildet, um eine elektrische Isolierung zwischen dem PTC-Heizelement und der Grundfläche zu bewirken. According to a preferred embodiment, the heat exchanger is formed as a planar ceramic component to effect an electrical insulation between the PTC heating element and the base.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wärmeübertrager als Metallplatte ausgebildet, beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.According to a preferred embodiment, the heat exchanger is designed as a metal plate, for example made of copper or a copper alloy.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Temperierelement flächig ausgebildet. Dies ermöglicht eine gute Ausnutzung der Wärmeleistung der PTC-Heizelemente.According to a preferred embodiment, the tempering is formed flat. This allows a good utilization of the thermal power of the PTC heating elements.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das Temperierelement mindestens drei PTC-Heizelemente, welche nicht auf einer geraden Linie angeordnet sind. Die PTC-Heizelemente sind somit flächig angeordnet, und hierdurch kann eine gleichmäßigere Erwärmung des Temperierelements erzielt werden.According to a preferred embodiment, the tempering has at least three PTC heating elements, which are not arranged on a straight line. The PTC heating elements are thus arranged flat, and thereby a more uniform heating of the tempering can be achieved.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Formteil vorgesehen, welches den mindestens einen Kühlmittelkanal zumindest bereichsweise ausbildet, und welches eine Aussparung ausweist, in welcher das PTC-Heizelement angeordnet ist.According to a preferred embodiment, a molded part is provided, which at least partially forms the at least one coolant channel, and which identifies a recess in which the PTC heating element is arranged.

Gemäß einem bevorzugten Austührungsbeispiel hat eine Batterie ein Temperierelement, und die Batterie ist dazu ausgebildet, für eine Erwärmung sowohl das mindestens eine PTC-Heizelement als auch eine Entladung der Batterie zu nutzen. Die Kombination hat eine bessere Wärmeleistung ermöglicht, als es mit den Einzelverfahren vorhersehbar war.According to a preferred embodiment, a battery has a tempering element, and the battery is configured to use both the at least one PTC heating element and a discharge of the battery for heating. The combination has allowed for better thermal performance than was foreseeable with the individual processes.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen.Further details and advantageous developments of the invention will become apparent from the following described and illustrated in the drawings, in no way as a limitation of the invention to be understood embodiments, and from the dependent claims.

Es zeigt

  • 1 eine raumbildliche Darstellung des Temperierelements,
  • 2 in einem Schnitt entlang der Schnittlinie II-II von 1 das Temperierelement mit schematisch angedeuteter Batterie,
  • 3 in schematischer Darstellung das Temperierelement mit darauf angeordneten Batteriemodulen,
  • 4 eine Messung der Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit,
  • 5 ein Messdiagramm der Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit,
  • 6 ein Messdiagramm der Aufwärmzeit in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur,
  • 7 ein Messdiagramm der Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der Zeit,
  • 8 ein Diagramm des ohmschen Widerstands eines Heizelements in Abhängigkeit von der Temperatur, und
  • 9 ein Messdiagramm der Temperatur am Heizelement in Abhängigkeit von der Zeit.
It shows
  • 1 a spatial representation of the tempering,
  • 2 in a section along the section line II-II of 1 the tempering element with schematically indicated battery,
  • 3 a schematic representation of the tempering with arranged thereon battery modules,
  • 4 a measurement of the temperature as a function of time,
  • 5 a measurement diagram of the temperature as a function of time,
  • 6 a measurement diagram of the warm-up time as a function of the ambient temperature,
  • 7 a measurement diagram of the power consumption as a function of time,
  • 8th a diagram of the ohmic resistance of a heating element as a function of the temperature, and
  • 9 a measurement diagram of the temperature at the heating element as a function of time.

Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in den verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben. Dies gilt auch für die den Teilen zugeordneten Eigenschaften.Identical or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the various figures and usually described only once. This also applies to the properties assigned to the parts.

1 zeigt ein Heizelement 10 in raumbildlicher Darstellung, und 2 zeigt einen Schnitt durch das Heizelement 10 von 1. Zusätzlich sind in 2 schematisch die Lage eines Batteriemoduls 14 und ein Batteriegehäuse 12 einer Batterie 16 dargestellt. Solche Batterien 16 für Fahrzeuge werden auch als Traktionsbatterien bezeichnet, und es sind üblicherweise Hochvoltbatterien. Die Batterien 16 enthalten üblicherweise auch eine Elektronik, die für die Steuerung der Ladung, der Entladung und der Einhaltung der physikalischen Grenzbedingungen für die Batterie 16 ausgebildet ist. 1 shows a heating element 10 in spatial representation, and 2 shows a section through the heating element 10 from 1 , Additionally are in 2 schematically the location of a battery module 14 and a battery case 12 a battery 16 shown. Such batteries 16 for vehicles are also referred to as traction batteries, and they are usually high-voltage batteries. The batteries 16 Usually also contain electronics that are responsible for controlling the charge, discharge and compliance with the physical boundary conditions for the battery 16 is trained.

Das Temperierelement 10 hat einen Kühlmittelanschluss 21 und einen Kühlmittelanschluss 22, über welche ein Kühlmittel (Kühlfluid) bspw. vom Kühlmittelanschluss 21 durch das Temperierelement 10 zum Kühlmittelanschluss 22 strömen kann, um eine Kühlung des Temperierelements 10 und damit der Batteriemodule 14 zu bewirken. Ein elektrischer Anschluss 31 ist am Temperierelement 10 vorgesehen.The tempering element 10 has a coolant connection 21 and a coolant port 22 , via which a coolant (cooling fluid), for example, from the coolant connection 21 through the tempering 10 to the coolant connection 22 can flow to a cooling of the tempering 10 and thus the battery modules 14 to effect. An electrical connection 31 is at the tempering element 10 intended.

Das Temperierelement 10 ist flächig ausgebildet, und so erlaubt es die Anordnung einer Mehrzahl von Batteriemodulen 14 am Temperierelement 10. Man kann auch von einer Temperierplatte 10 sprechen.The tempering element 10 is flat, and so it allows the arrangement of a plurality of battery modules 14 at Temperierelement 10 , You can also use a tempering plate 10 speak.

Das Temperierelement 10 hat eine erste Grundfläche 51 und eine der ersten Seite 51 entgegen gesetzte zweite Grundfläche 52. Die erste Grundfläche 51 ist dazu ausgebildet, die Batteriemodule 14 an dieser zu positionieren, um eine Wärmeübertragung zwischen den Batteriemodulen 14 und dem Temperierelement 10 zu ermöglichen.The tempering element 10 has a first floor space 51 and one of the first page 51 opposite second base 52 , The first floor space 51 is designed to be the battery modules 14 at this position, to transfer heat between the battery modules 14 and the tempering 10 to enable.

Zur Bildung der ersten Grundfläche 51 hat das Temperierelement 10 bevorzugt eine Platte 41. Im Inneren des Temperierelements 10 sind Kühlmittelkanäle 24 vorgesehen, um eine Durchströmen eines Kühlfluids zu ermöglichen. Die Kühlmittelkanäle 24 werden bevorzugt durch ein Formteil 48 gebildet, sie können aber auch mit Schläuchen gebildet werden. Im Inneren des Temperierelements 10 ist ein PTC-Heizelement 44 vorgesehen. Bevorzugt bildet das Formteil 48 den mindestens einen Kühlmittelkanal 24 zumindest bereichsweise aus, und das Formteil 48 hat eine Aussparung, in welcher das PTC-Heizelement 44 angeordnet ist. Das Formteil 48 ist bevorzugt aus einem Metall oder einem Kunststoff ausgebildet, wobei der Werkstoff bevorzugt gut wärmeleitend ist.To form the first base 51 has the tempering element 10 preferably a plate 41 , Inside the tempering element 10 are coolant channels 24 provided to allow passage of a cooling fluid. The coolant channels 24 are preferred by a molding 48 formed, but they can also be formed with hoses. Inside the tempering element 10 is a PTC heating element 44 intended. The molding preferably forms 48 the at least one coolant channel 24 at least in some areas, and the molding 48 has a recess in which the PTC heating element 44 is arranged. The molding 48 is preferably formed of a metal or a plastic, wherein the material is preferably good thermal conductivity.

Bevorzugt ist zwischen dem PTC-Heizelement 44 und der Platte 41 ein Wärmeübertrager 42 vorgesehen. Als Wärmeübertrager 42 kann beispielsweise ein Keramikbauteil vorgesehen werden, um neben der besseren und flächigen Wärmeverteilung auch eine elektrische Isolierung zu bewirken. Hierbei kann ein Keramikbauteil verwendet werden, das so groß ist, dass es für mehrere PTC-Heizelemente 44 wirkt, oder es kann jedem oder nur einem Teil der PTC-Heizelemente 44 zugeordnet werden. Zwischen dem PTC-Heizelement 44 und dem Wärmeübertrager 42 kann zusätzlich ein Kontaktblech 43 vorgesehen werden. Die zweite Grundfläche 52 des Temperierelements 10 wird bevorzugt durch eine zweite Platte 46 ausgebildet. Die zweite Platte 46 ist bevorzugt ein Kunststoffbauteil, so dass die als Kunststoffabdeckung dienen kann. Dies führt zu einer besseren thermischen Isolierung des Temperierelements 10 nach außen. Während eine solche thermische Isolierung bei einer reinen Kühlplatte ohne Heizelement unnötig und sogar wegen der verringerten Kühlleistung negativ wäre, führt sie bei der Verwendung der PTC-Heizelemente zu einer deutlichen Verkürzung der Aufheizzeit und damit zu einer vorteilhaften Ausführungsform.It is preferred between the PTC heating element 44 and the plate 41 a heat exchanger 42 intended. As a heat exchanger 42 For example, a ceramic component can be provided in order to effect an electrical insulation in addition to the better and areal heat distribution. In this case, a ceramic component that is so large that it can be used for several PTC heating elements 44 acts, or it can affect any or all of the PTC heating elements 44 be assigned. Between the PTC heating element 44 and the heat exchanger 42 Can additionally a contact plate 43 be provided. The second floor space 52 of the tempering 10 is preferred by a second plate 46 educated. The second plate 46 is preferably a plastic component, so that it can serve as a plastic cover. This leads to a better thermal insulation of the tempering 10 outward. While such a thermal insulation in a pure cooling plate without heating element would be unnecessary and even negative because of the reduced cooling capacity, it leads to a significant shortening of the heating time and thus to an advantageous embodiment when using the PTC heating elements.

Es ist zu sehen, dass sich die Kühlmittelkanäle 24 in einem ersten Tiefenbereich des Temperierelements 10 erstrecken, und dass sich das mindestens eine PTC-Heizelement 44 in einem zweiten Tiefenbereich des Temperierelements 10 erstreckt, wobei der erste Tiefenbereich und der zweite Tiefenbereich zumindest teilweise überlappen. Anders ausgedrückt sind die Kühlmittelkanäle 24 und die PTC-Heizelemente 44 zumindest teilweise im gleichen Tiefenbereich angeordnet. Dies ermöglicht eine gute Ausnutzung der Geometrie des Temperierelements 10, und es kann mit vergleichsweise geringer Dicke ausgebildet werden. Man könnte auch sagen, dass die PTC-Heizelemente 44 und die Kühlmittelkanäle 24 zumindest teilweise nebeneinander angeordnet sind.It can be seen that the coolant channels 24 in a first depth region of the tempering element 10 extend, and that the at least one PTC heating element 44 in a second depth range of the tempering element 10 extends, wherein the first depth range and the second depth range overlap at least partially. In other words, the coolant channels 24 and the PTC heating elements 44 at least partially arranged in the same depth range. This allows a good utilization of the geometry of the tempering 10 , And it can be formed with a comparatively small thickness. You could also say that the PTC heating elements 44 and the coolant channels 24 at least partially arranged side by side.

Das PTC-Heizelement 44 ist bevorzugt in das Temperierelement 10 eingeklebt, um eine sichere mechanische Verbindung zu gewährleisten. Es kann aber beispielsweise auch eingelegt oder verklemmt sein.The PTC heating element 44 is preferably in the tempering 10 glued to ensure a secure mechanical connection. However, it can also be inserted or jammed, for example.

Es wurden Versuche durchgeführt, wie viele PTC-Heizelemente 44 im Temperierelement 10 vorteilhaft sind. Hierbei wurde insbesondere untersucht, ob mit der verfügbaren Anzahl an PTC-Heizelementen eine gleichmäßige Erwärmung der Batteriemodule 14 erzielbar ist. Ab einer Anzahl von 10 PTC-Heizelementen 44 konnte eine ausreichend gleichmäßige Erwärmung der Batteriemodule 14 erzielt werden, mit 20 oder mehr PTC-Heizelementen 44 konnte eine gute gleichmäßige Erwärmung der Batteriemodule 14 an dem Temperierelement 10 erzielt werden.Tests were carried out, as were many PTC heating elements 44 in the tempering 10 are advantageous. In particular, it was examined whether with the available number of PTC heating elements a uniform heating of the battery modules 14 is achievable. From a number of 10 PTC heating elements 44 could a sufficiently even heating of the battery modules 14 be achieved with 20 or more PTC heating elements 44 could a good uniform heating of the battery modules 14 on the tempering 10 be achieved.

Untersuchungen mit einem bevorzugten Batteriemodul haben ergeben, dass die optimale Temperatur im Bereich von 15 °C und 45 °C lag, im Bereich ab 45 °C und im Bereich zwischen -2 °C und 15 °C ist die Leistung der Batterie reduziert und der Betrieb nur mit Einschränkungen möglich, und im Bereich unter -2 °C ist nur eine Entladung möglich. In Abhängigkeit vom verwendeten Batteriemodul können diese Grenzen leicht abweichen. Bei einer Batterietemperatur unter 0 °C wird kein elektrisches Fahren und Laden zugelassen, allenfalls in Notfallsituationen.Tests with a preferred battery module have shown that the optimum temperature was in the range of 15 ° C and 45 ° C, in the range above 45 ° C and in the range between -2 ° C and 15 ° C, the performance of the battery is reduced and the Operation is possible only with restrictions, and in the range below -2 ° C only one discharge is possible. Depending on the battery module used, these limits may vary slightly. At a battery temperature below 0 ° C, no electric driving and charging is allowed, at best in emergency situations.

3 zeigt das Temperierelement 10 mit 26 darauf angeordneten Batteriemodulen 14. Es können beispielsweise zwei 13er-Module der Fa. Samsung SDI verwendet werden. Der Kühlmittelanschluss 21 ist über mindestens einen Kühlmittelkanal 24 mit dem Kühlmittelanschluss 22 verbunden, und durch eine Verzweigung und anschließende Zusammenführung werden sowohl die linken als auch die rechten Batteriemodule 14 gekühlt, wenn ein Kühlmittel die Kühlmittelkanäle durchströmt. Der Kühlmittelkanal 24 könnte auch im Temperierelement 10 mäanderförmig hin und her verlaufen, um eine großflächige Kühlung zu erreichen. 3 shows the tempering 10 with 26 battery modules arranged thereon 14 , For example, two 13-inch modules from Samsung SDI can be used. The coolant connection 21 is via at least one coolant channel 24 with the coolant connection 22 By branching and then merging, both the left and right battery modules are connected 14 cooled when a coolant flows through the coolant channels. The coolant channel 24 could also be in the tempering 10 meandering back and forth to achieve a large-scale cooling.

Bevorzugt sind die PTC-Heizelemente 44 zumindest teilweise derart angeordnet, dass auf mindestens zwei ihrer Seiten Kühlmittelkanäle 24 vorgesehen sind. Dies ermöglicht eine Anordnung der PTC-Heizelemente 44 im inneren Bereich und einen kompakten Aufbau.Preference is given to the PTC heating elements 44 at least partially arranged such that on at least two of its sides coolant channels 24 are provided. This allows an arrangement of the PTC heating elements 44 in the inner area and a compact construction.

Die PTC-Heizelemente 44 sind flächig angeordnet, also nicht nur an einem Punkt oder in einer geraden Linie. Anders ausgedrückt hat das Temperierlement 10 mindestens drei PTC-Heizelemente, welche nicht auf einer geraden Linie angeordnet sind. In Versuchen hat sich bei einer Anordnung der PTC-Heizelemente auf einer geraden Linie gezeigt, dass die Batteriemodule 14 sehr ungleichmäßig erwärmt werden, da Bereiche, die einen größeren Abstand von den PTC-Heizelementen 44 haben, weniger erwärmt werden als in der Nähe angeordnete Bereiche. Durch die flächige Anordnung der PTC-Heizelemente kann eine gleichmäßigere Erwärmung erzielt werden.The PTC heating elements 44 are arranged flat, so not only at one point or in a straight line. In other words, the tempering element has 10 at least three PTC heating elements, which are not arranged on a straight line. In tests, when the PTC heating elements are arranged in a straight line, it has been shown that the battery modules 14 be heated very unevenly, as areas that are a greater distance from the PTC heating elements 44 have less heat than nearby areas. Due to the flat arrangement of the PTC heating elements, a more uniform heating can be achieved.

Der elektrische Anschluss 31 ist über Leitungen 32 mit den PTC-Heizelementen 44 elektrisch verbunden, um mittels einer Verbindung des elektrischen Anschlusses 31 mit einer Strom- oder Spannungsquelle ein Erhitzen des Temperierelements 10 und damit auch der Batteriemodule 14 zu bewirken.The electrical connection 31 is via lines 32 with the PTC heating elements 44 electrically connected to by means of a connection of the electrical connection 31 heating the temperature control element with a current or voltage source 10 and thus also the battery modules 14 to effect.

4 zeigt ein Messdiagramm der Temperatur T an den Batteriemodulen 14 in Abhängigkeit von der Zeit t. Die Linie 101 zeigt die Temperaturerhöhung, die durch eine gesteuerte Entladung der Batteriemodule 14 erzielbar ist. Die Temperatur steigt im Laufe von 2.000 Sekunden von -20 °C auf ca. -15 °C. Bei der Erwärmung durch Entladung wird ausgenutzt, dass die Batteriemodule 14 bei einer Entladung Wärme erzeugen und sich damit quasi selbst erwärmen. Die Linie 102 zeigt die Temperatur an einem der Batteriemodule 14 bei einem Heizen mit Hilfe der PTC-Heizelemente 44. Geheizt wurde mit einer Nennleistung der PTC-Heizelemente von 600 W, und die Temperatur erhöht sich innerhalb von 2.000 Sekunden von -20 °C auf ca. 25 °C. Es ist somit eine hohe Aufheizgeschwindigkeit erzielbar. 4 shows a measurement diagram of the temperature T at the battery modules 14 depending on the time t. The line 101 shows the temperature increase caused by a controlled discharge of the battery modules 14 is achievable. The temperature rises over the course of 2,000 seconds from -20 ° C to about -15 ° C. When heating by discharge is exploited that the battery modules 14 generate heat during a discharge and thus virtually heat itself. The line 102 shows the temperature at one of the battery modules 14 when heating with the help of PTC heating elements 44 , The heating was done with a rated output of 600 W PTC heating elements, and the temperature increases from -20 ° C to approximately 25 ° C within 2,000 seconds. It is thus a high heating speed achievable.

Die Linie 103 zeigt eine Kombination der Aufheizung mittels der PTC-Heizelemente 44 und zusätzlich mittels Entladung. Die Aufheizgeschwindigkeit kann mit dieser Kombination der Maßnahmen weiter erhöht werden, und die Endtemperatur beträgt ca. 35 °C.The line 103 shows a combination of heating by means of the PTC heating elements 44 and additionally by means of discharge. The heating rate can be further increased with this combination of measures, and the final temperature is about 35 ° C.

Insgesamt lässt sich mit Hilfe des Temperierelements 10 eine große Aufheizgeschwindigkeit erreichen. Dies wird deutlich beim Vergleich mit dem bisher eingesetzten Verfahren, bei dem das Kühlmittel 45 Minuten lang mit einer elektrischen Leistung von 1,3 kW erwärmt werden musste, um einen Temperaturanstieg von -20 °C auf 0 °C zu erzielen. Dies wird darauf zurückgeführt, dass bei dem bisherigen Verfahren durch das erwärmte Kühlmittel zusätzlich Bauteile außerhalb der Batterie erwärmt werden, so dass die Wärmeenergie nur zu einem kleinen Teil der Erwärmung der Batterie gedient hat. Zudem muss der Kühlmittelkreislauf aktiviert werden. Die Integration des PTC-Heizelements 44 in das Temperierelement 10 ermöglicht auch eine Gewichtsersparnis, da kein zusätzliches Gehäuse für ein externes PTC-Heizelement vorgesehen werden muss. Ein beispielhafter PTC-Heizer, der außerhalb des Temperierelements 10 angeordnet ist, wiegt 2,6 kg und benötigt einen Bauraum von 71 x 195 x 207 mm3.Overall, can be with the help of the tempering 10 reach a high heating rate. This becomes clear when comparing with the previously used method, in which the coolant 45 It had to be heated for a few minutes with an electrical power of 1.3 kW to increase the temperature from -20 ° C to 0 ° C. This is attributed to the fact that in the previous method by the heated coolant in addition components are heated outside the battery, so that the heat energy has served only a small part of the heating of the battery. In addition, the coolant circuit must be activated. The integration of the PTC heating element 44 in the tempering 10 also allows weight savings, since no additional housing for an external PTC heating element must be provided. An exemplary PTC heater, outside the tempering 10 is arranged, weighs 2.6 kg and requires a space of 71 x 195 x 207 mm 3 .

Es wurden Messungen der Spreizung der Aufheizzeiten der Batteriemodule durchgeführt. Hierbei hat sich gezeigt, dass die vertikale Spreizung der Aufheizzeiten vergleichsweise gering ist, und die vertikalen Temperaturgradienten bewegen sich üblicherweise in einem Bereich kleiner als 5 K. Die horizontale Spreizung der Aufheizzeiten ist jedoch vergleichsweise groß. An Stelle des Keramikbauteils 42 kann beispielsweise auch ein metallisches Bauteil aus einem gut wärmeleitenden Metall verwendet werden.Measurements of the spread of the heating times of the battery modules were carried out. It has been shown that the vertical spread of the heating times is comparatively low, and the vertical temperature gradients usually move in a range smaller than 5 K. However, the horizontal spread of the heating times is comparatively large. In place of the ceramic component 42 For example, a metallic component made of a good heat-conducting metal can be used.

5 zeigt ein Messdiagramm entsprechend 4, wobei bei einer Starttemperatur von -10 °C gestartet wurde. Die Linie 111 zeigt die Erwärmung, die durch Entladung erzielbar ist,
die Linie 112 die Erwärmung durch das Temperierelement 10, und die Linie 113 die Erwärmung bei einer Kombination des Temperierelements 10 und der Entladung. Diese Kombination entsprechend Linie 113 hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, da insbesondere zu Beginn des Heizens ein großer Temperaturanstieg durch das Temperierelement 10 erzielbar ist und anschließend der Effekt des Entladens stärker zum Tragen kommt. Zudem hat die Kombination der Heizverfahren den Vorteil, dass der maximal zulässige Entladestrom und damit die Heizleistung abhängig sind von der Temperatur der Batteriemodule 14. Dadurch, dass diese durch das Temperierelement 10 mit aufgeheizt werden, kann der Entladestrom früher erhöht werden, und die Kombination des Heizens durch das Temperierelement 10 und durch die Entladung führt zu einem besseren Ergebnis, als es vorhersehbar war.
5 shows a measurement diagram accordingly 4 , which was started at a starting temperature of -10 ° C. The line 111 shows the heating that can be achieved by discharging,
the line 112 the heating by the tempering 10 , and the line 113 the heating in a combination of the tempering 10 and the discharge. This combination according to line 113 has proved to be very advantageous, since in particular at the beginning of heating, a large increase in temperature by the tempering 10 achievable and then the effect of unloading comes more to the fore. In addition, the combination of the heating method has the advantage that the maximum allowable discharge current and thus the heating power are dependent on the temperature of the battery modules 14 , Because of this by the tempering 10 can be heated with the discharge current can be increased earlier, and the combination of heating by the tempering 10 and discharging leads to a better result than was foreseeable.

6 zeigt ein Messdiagramm, bei dem die Zeit, die zum Erhöhen der Temperatur am Batteriemodul 14 um 10 K benötigt wird, in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur dargestellt ist. Die Linie 121 zeigt die benötigte Zeit für ein Heizelement mit einer Nennleistung von 300 W, und die Linie 122 wurde mit einem Heizelement mit einer Nennleistung von 600 W gemessen. Die Aufwärmzeit τ10 nimmt mit steigender Temperatur zu. 6 shows a measurement diagram in which the time taken to increase the temperature on the battery module 14 is required by 10 K, depending on the ambient temperature is shown. The line 121 shows the time required for a heating element with a nominal power of 300 W, and the line 122 was measured with a heating element with a rated power of 600 W. The warm-up time τ 10 increases with increasing temperature.

7 zeigt ein Messdiagramm, in dem die elektrische Leistungsaufnahme P durch das PTC-Heizelement 44 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt ist. Die Linie 131 zeigt die Messung bei einer Nennleistung von 300 W, und die Linie 132 zeigt die Messung bei einer Nennleistung von 600 W. Bei der Linie 131 wurde die Messung bei einer Umgebungstemperatur von -10 °C begonnen, und bei der Linie 132 bei einer Umgebungstemperatur von -20 °C. 7 shows a measurement diagram in which the electrical power consumption P through the PTC heating element 44 is shown as a function of time t. The line 131 shows the measurement at a nominal power of 300 W, and the line 132 shows the measurement at a rated power of 600 W. At the line 131 the measurement was started at an ambient temperature of -10 ° C, and at the line 132 at an ambient temperature of -20 ° C.

Es ist zu sehen, dass die Leistungsaufnahme bei niedrigen Temperaturen größer ist als bei hohen Temperaturen. Die Nominalleistung steht nur wenige Sekunden nach dem Beginn des Heizens zur Verfügung.It can be seen that the power consumption is greater at low temperatures than at high temperatures. The nominal power is available only a few seconds after the start of heating.

8 zeigt eine Kennlinie des elektrischen Widerstandes R eines PTC-Heizelements 44 in Abhängigkeit von der Temperatur T am PTC-Heizelement 44. Der elektrische Widerstand R ist logarithmisch aufgetragen, und er nimmt ab einer Anfangstemperatur TA des PTC-Verhaltens mit steigender Temperatur stark zu. Es ist eine Temperatur TE als Endtemperatur des PTC-Verhaltens eingezeichnet, und zwischen der Anfangstemperatur TA und der Endtemperatur TE ist eine Temperatur TN eingetragen, bei der der Widerstand stark ansteigt. Die maximale Oberflächentemperatur am PTC-Heizelement 44 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 80 °C. Dieses Verhalten von PTC-Heizelementen 44 ist vorteilhaft, da eine Überhitzung durch den starken Anstieg des Widerstands des PTC-Heizelements 44 verhindert wird. 8th shows a characteristic of the electrical resistance R of a PTC heating element 44 as a function of the temperature T at the PTC heating element 44 , The electrical resistance R is plotted logarithmically, and it increases sharply from an initial temperature T A of the PTC behavior with increasing temperature. A temperature T E is plotted as the end temperature of the PTC behavior, and between the initial temperature T A and the final temperature T E , a temperature T N is entered at which the resistance rises sharply. The maximum surface temperature at the PTC heating element 44 in this embodiment is 80 ° C. This behavior of PTC heating elements 44 is beneficial because overheating due to the sharp increase the resistance of the PTC heating element 44 is prevented.

9 zeigt ein Messdiagramm für die Temperatur an dem Temperierelement 10 bei einer Langzeiterwärmung. Die Starttemperatur lag bei -10 °C, und eine Erhöhung der Temperatur um 10 K ist nach 990 Sekunden erfolgt. Eine Erhöhung der Temperatur um 20 K ist nach 2378 Sekunden erfolgt, und es wurde eine maximale Temperatur Tmax von 69 °C erreicht. Eine Überhitzung wird somit vermieden, und dies ist ein vorteilhafter Sicherheitsaspekt der Lösung. Die Wachstumskonstante k hat den Wert 2,9 • 10-4 1/s. 9 shows a measurement diagram for the temperature at the tempering 10 during a long-term warm-up. The starting temperature was -10 ° C, and an increase in temperature of 10 K occurred after 990 seconds. An increase in temperature of 20 K has occurred after 2378 seconds and a maximum temperature T max of 69 ° C has been reached. Overheating is thus avoided and this is an advantageous safety aspect of the solution. The growth constant k has the value 2.9 · 10 -4 1 / s.

Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.Naturally, many modifications and modifications are possible within the scope of the present invention.

Die Versuche wurden mit Batteriemodulen der Fa. Samsung SDI mit einer elektrischen Ladung von 37 Ah durchgeführt, es sind aber auch andere Batteriemodule einsetzbar.The experiments were carried out with battery modules from Samsung SDI with an electrical charge of 37 Ah, but other battery modules can also be used.

Es hat sich bei den Versuchen gezeigt, dass sich PTC-Heizelemente gut für Anwendungen eignen, bei denen viel Wärmeenergie zur Verfügung gestellt werden muss.It has been shown in experiments that PTC heating elements are well suited for applications where much heat energy must be provided.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (15)

Temperierelement (10) für eine Batterie (16), welches Temperierelement (10) im Innenbereich mindestens einen Kühlmittelkanal (24) aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, eine Kühlung durch ein Kühlfluid zu ermöglichen, welches Temperierelement (10) im Innenbereich mindestens ein PTC-Heizelement (44) aufweist, welches PTC-Heizelement (44) dazu ausgebildet ist, das Temperierelement (10) zu erwärmen, und welches Temperierelement (10) eine erste Grundfläche (51) aufweist, welche zur Wärmeübertragung zwischen dem Temperierelement (10) und mindestens einem Batteriemodul (14) der Batterie (16) vorgesehen ist.Tempering element (10) for a battery (16), which tempering element (10) has at least one coolant channel (24) in the interior region, which is adapted to allow cooling by a cooling fluid, which tempering element (10) has at least one PTC heating element (44) in the interior region, which PTC heating element (44) is designed to heat the temperature control element (10), and which tempering element (10) has a first base area (51) which is provided for heat transfer between the tempering element (10) and at least one battery module (14) of the battery (16). Temperierelement (10) nach Anspruch 1, bei welchem bei mindestens einem PTC-Heizelement (44) auf mindestens zwei Seiten dieses mindestens einen PTC-Heizelements (44) ein Kühlmittelkanal (24) vorgesehen ist.Tempering element (10) after Claim 1 in which a coolant channel (24) is provided on at least one PTC heating element (44) on at least two sides of this at least one PTC heating element (44). Temperierelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem sich der mindestens eine Kühlmittelkanal (24) in einem ersten Tiefenbereich des Temperierelements (10) erstreckt, bei welchem sich das mindestens eine PTC-Heizelement (44) in einem zweiten Tiefenbereich des Temperierelements (10) erstreckt, wobei der erste Tiefenbereich und der zweite Tiefenbereich zumindest teilweise überlappen.Tempering element (10) after Claim 1 or 2 in which the at least one coolant channel (24) extends in a first depth region of the tempering element (10), in which the at least one PTC heating element (44) extends in a second depth region of the tempering element (10), the first depth region and the second depth range overlap at least partially. Temperierelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die erste Grundfläche (51) durch eine Platte (41) ausgebildet ist.Temperature control element (10) according to any one of the preceding claims, wherein the first base surface (51) by a plate (41) is formed. Temperierelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem auf der von der ersten Grundfläche (51) abgewandten zweiten Grundfläche (52) eine Kunststoffabdeckung (46) vorgesehen ist, um eine thermische Isolierung zu bewirken.Tempering element (10) according to one of the preceding claims, wherein on the first base surface (51) facing away from the second base surface (52), a plastic cover (46) is provided to effect a thermal insulation. Temperierelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mindestens zwei Batteriemodule (14) an der ersten Grundfläche (51) angeordnet sind, bevorzugt mindestens drei Batteriemodule (14).Temperature control element (10) according to one of the preceding claims, wherein at least two battery modules (14) are arranged on the first base surface (51), preferably at least three battery modules (14). Temperierelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das PTC-Heizelement (44) in das Temperierelement (10) eingeklebt ist.Temperature control element (10) according to one of the preceding claims, wherein the PTC heating element (44) is glued into the temperature control element (10). Temperierelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mindestens 10 PTC-Heizelemente (44) vorgesehen sind, bevorzugt mindestens 20 PTC-Heizelemente (44).Temperature control element (10) according to one of the preceding claims, wherein at least 10 PTC heating elements (44) are provided, preferably at least 20 PTC heating elements (44). Temperierelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zwischen dem PTC-Heizelement (44) und der ersten Grundfläche (51) ein Wärmeübertrager (42) vorgesehen ist, um eine bessere Wärmeverteilung im Temperierelement (10) zu bewirken.Temperature control element (10) according to one of the preceding claims, wherein between the PTC heating element (44) and the first base surface (51), a heat exchanger (42) is provided to effect a better heat distribution in the tempering (10). Temperierelement (10) nach Anspruch 9, bei welchem der Wärmeübertrager (42) als flächiges Keramikbauteil (42) ausgebildet ist, um eine elektrische Isolierung zwischen dem PTC-Heizelement (44) und der Grundfläche (51) zu bewirken.Tempering element (10) after Claim 9 in which the heat exchanger (42) is designed as a planar ceramic component (42) in order to effect an electrical insulation between the PTC heating element (44) and the base surface (51). Temperierelement (10) nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem der Wärmeübertrager (42) als Metallplatte ausgebildet ist.Tempering element (10) after Claim 9 or 10 in which the heat exchanger (42) is formed as a metal plate. Temperierelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches flächig ausgebildetTempering element (10) according to one of the preceding claims, which has a planar design Temperierelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mindestens drei PTC-Heizelemente (44) aufweist, welche nicht auf einer geraden Linie angeordnet sind.Temperature control element (10) according to one of the preceding claims, which has at least three PTC heating elements (44) which are not arranged on a straight line. Temperierelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ein Formteil (48) aufweist, welches Formteil (48) den mindestens einen Kühlmittelkanal (24) zumindest bereichsweise ausbildet, und welches Formteil (48) eine Aussparung ausweist, in welcher das PTC-Heizelement (44) angeordnet ist.Tempering element (10) according to any one of the preceding claims, which has a molded part (48), the molding (48) the at least one coolant channel (24) at least partially formed, and which molded part (48) has a recess in which the PTC heating element (44) is arranged. Batterie (16) mit einem Temperierelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Batterie (16) dazu ausgebildet ist, für eine Erwärmung sowohl das mindestens eine PTC-Heizelement (44) als auch eine Entladung der Batterie (16) zu nutzen.Battery (16) with a tempering element (10) according to one of the preceding claims, which battery (16) is adapted to use for heating both the at least one PTC heating element (44) and a discharge of the battery (16).
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