本发明涉及一种用于可再充电电池单元、特别是用于可再充电锂离子电池的电池加热单元，并且涉及一种特别地用于汽车应用的、包括这种电池加热单元的可再充电电化学电池单元。
背景技术：
在特别地用于汽车应用的可再充电电池领域中，众所周知，适当的电池温度管理对于保持高性能和长寿命至关重要。电池温度管理需要监测合适位置处的电池温度以进行控制、例如触发电池冷却系统。
例如，专利申请公开文件us2014/0377598a1描述了一种用于机动车辆的电池。所述电池包括至少一个电池基元或多个电池基元，优选锂离子电池基元，其具有其中布置有电极装置的壳体。第一温度传感器被布置在电池基元壳体的外部，并且电池基元中的至少一个具有布置在相关电池基元的壳体内的第二温度传感器。第二温度传感器的温度动态高于第一温度传感器的温度动态。此外，在电池中的电池基元的冷却系统中可以布置第三温度传感器。由于壳体内部温度的检测，电池控制单元中的电池模型可以被更准确地参数化并且被更好地评估，以用于模拟和状态识别以及预测的目的。各个温度传感器被描述为被设计成ntc热敏电阻、ptc热敏电阻或差分温度传感器。
本发明的目的
特别地用于汽车应用的、可再充电电池领域中的一个发展目标是体积功率密度。从这个要求出发，诸如预定用于定位在电池壳体内部的加热器、传感器和电子器件的辅助设备可用的空间通常非常小。
关于这种辅助设备的厚度尺寸的制造公差和机械性能的进一步要求由运行期间电池壳体内部的现有条件引起，因为这些部件通常在安装状态下需要固定地附接至电池基元，其中例如通过使用拉杆或金属带而向堆叠电池基元施加了通常15kn的压缩载荷。
此外，已知电池壳体内的运行条件是高度腐蚀性的，由此为了这种辅助设备的可靠运行而设定了与抗腐蚀性相关的高要求。
因此，本发明的目的是提供一种电池加热单元，所述电池加热单元至少使得能够从电池壳体内部进行加热，并具有降低的空间要求且同时满足至少一些上述运行条件要求。
技术实现要素：
在本发明的一个方面中，所述目的通过一种用于可再充电电池单元的电池加热单元来实现，所述可再充电电池单元包括至少一个堆叠电池块。特别地，所述可再充电电池单元被设计成可再充电锂离子电池。
所提出的电池加热单元包括：
-至少第一电绝缘片，所述第一电绝缘片具有平坦的、平行表面，
-布置在所述第一电绝缘片的一个表面上的多个电阻平面加热器构件，
-布置在所述第一电绝缘片的所述表面上的多个导电接触构件，
-布置在所述第一电绝缘片的所述表面上的多个第一导电径迹。
所述电阻平面加热器构件通过所述多个第一导电径迹中的导电径迹电连接至所述多个导电接触构件中的接触构件。
如本申请中所使用的术语“多个”应理解为一定数量的至少两个实体。
在一个合适的实施例中，特别地在垂直于所述第一电绝缘片的表面的方向上可以提供紧凑设计的电池加热单元，所述方向对应于堆叠电池块的优选方向。其结果是，安装的电池加热器单元对可再充电电池的体积功率密度的影响可以有利地保持是小的。同时，由于消除了因通过壳体壁和其他机械交界面进行的热传导而造成的温度差，可以实现至少一个堆叠电池块的高效加热。
在一个实施例中，所述至少一个电阻平面加热器构件可以被配置用于使可再充电电池的电池基元升温(预热)至已知对电池性能有益的预定标称运行温度。待经由所述导电接触构件提供至所述至少一个电阻平面加热器构件的电压可以由控制单元控制，或者可以提供至所述电阻平面加热器构件并可以由电加热构件自身控制。
如在本申请中所使用的术语“电连接”应理解为包括电流电连接以及通过电容性和/或电感性电磁耦合建立的连接。
此处进一步指出，术语“第一”、“第二”等在本申请中仅仅用于区别目的，并不意味着以任何方式指示或预设顺序或优先级。
优选地，所述多个导电接触构件和所述多个第一导电径迹通过应用印刷或涂覆工艺来制造，并且包括银、铜和铝中的至少一种。
根据本发明，所述电池加热单元包括多个电阻平面加热器构件。所述电阻平面加热器构件通过所述多个第一导电径迹中的导电径迹电连接至所述多个导电接触构件中的接触构件。
这使得能够有目的地布置电阻平面加热器构件，以便通过施加独特的预定电力来加热第一电绝缘片的表面的独特区域。例如，所述第一电绝缘片的表面的已知在寒冷环境温度下与中心区域相比承受较大热量损失的外围区域可以配备有与中心区域相比以较大面积密度(每单位面积的电阻平面加热器构件的数量)相同(独特)设计的电阻平面加热器构件。
如果所述多个电阻平面加热器构件在垂直于所述第一电绝缘片的表面的方向上与所述第一电绝缘片的大于或等于其表面面积的5％、更优选大于其表面面积的10％、并且最优选大于其表面面积的15％的部分相交叠，则可以实现通过施加低电力密度而获得至少一个堆叠电池块的、在单个电池基元上具有小的温度差的特别温和的升温。
在一优选实施例中，至少一个电阻平面加热器构件包括具有正温度系数的电阻率的材料，并且特别地由固化导电墨制成。具有正温度系数的电阻墨易于在市场上获得。所述电阻墨可以通过丝网印刷或喷墨印刷或任何其他对于本领域技术人员来说看起来合适的方法来施加。
以这种方式，所述电池加热单元可以以具有成本效益的方式设有多个单个加热器构件和/或所述第一电绝缘片的表面面积的大部分可以由电阻平面加热器构件覆盖，从而有助于向至少一个堆叠电池块进行有效的热传递并且有效地防止在升温期间形成热点。
在所述电池加热单元的另一优选实施例中，所述多个第一导电径迹中的一个导电径迹的位于与其电连接的接触构件的远侧的一个端部区域被设计成以彼此间隔且平行的方式布置的第一多个导电分接径迹。
此外，所述多个第一导电径迹中的另一个导电径迹的位于与其电连接的接触构件的远侧的一个端部区域被设计成以彼此间隔且平行的方式布置的第二多个导电分接径迹。
所述第一多个导电分接径迹和所述第二多个导电分接径迹彼此电隔离地布置并且以交指(交错)方式布置。
此外，所述多个电阻平面加热器构件中的每个电阻平面加热器构件通过一个端部电连接至所述第一多个导电分接径迹中的导电分接径迹，并且通过另一个端部电连接至所述第二多个导电分接径迹中的导电分接径迹。
以此方式，布置在所述第一电绝缘片的整个表面上的多个电阻平面加热器构件中的电阻平面加热器构件可以有效地电连接至所述第一导电径迹，从而使得易于向每个电阻平面加热器构件提供电力。
为了实现至少一个堆叠电池基元的尽可能均匀(平稳)的升温，所述电阻平面加热器构件可以沿着与其电连接的全部两个相邻的导电分接径迹等间隔。
在又一优选实施例中，所述第一多个导电分接径迹中的大多数导电分接径迹从所述多个第一导电径迹中的一个第一导电径迹的端部区域以垂直方式延伸，并且所述第二多个导电分接径迹中的大多数导电分接径迹从所述多个第一导电径迹中的另一个第一导电径迹的端部区域以垂直方式延伸。
以这种方式，可易于布置成所述多个电阻平面加热器构件在所述第一电绝缘片的表面上均匀分布。
如果所述第一导电径迹的端部区域中的至少一个被布置成平行于所述第一电绝缘片的一个边缘行进，则可易于实现所述多个电阻平面加热器构件几乎在所述第一电绝缘片的整个表面上均匀分布。
在又一优选实施例中，所述电池加热单元进一步包括由表面安装装置ntc温度传感器形成的至少一个温度传感器。所述温度传感器可以提供指示所述可再充电电池的所述电池加热单元的位置处的温度的温度传感器输出信号。表示在至少一个堆叠电池块的优选关注区域中感测到的最重要(显著)温度的传感器输出信号可易于传递至电池块的外围区域以用于进一步评估。例如，为了温度控制的目的，所述温度传感器输出信号可以有益地传递至控制单元。所述至少一个温度传感器可以电连接至所述多个第一导电径迹中的导电径迹。然而，也可以设想到，所述至少一个温度传感器电连接至特别地仅仅分配给(专用于)所述至少一个温度传感器的导电径迹。
特别有益地，在垂直于所述第一电绝缘片的表面的方向上测得的所述多个电阻平面加热器构件中的电阻平面加热器构件、所述多个第一导电径迹中的导电径迹、所述第一电绝缘片以及如果适用(应用)的话所述至少一个温度传感器的最大总高度小于或等于1.0mm。
以这种方式，在垂直于所述第一电绝缘片的表面的方向上测得的所述第一电绝缘片、所述电阻平面加热器构件、所述第一导电径迹、所述第一电绝缘片以及如果适用的话所述至少一个温度传感器的尺寸的绝对变化可以固有地(本质地)保持是小的。由此，通常因温度变化和所涉及的材料的热膨胀系数的差异而产生的热机械力可以保持是低的，并且特别地低于所涉及的材料的最大可容许机械应力水平。
在一个实施例中，所述电池加热单元进一步包括电绝缘覆盖物，所述电绝缘覆盖物被布置在所述电阻平面加热器构件的、所述第一导电径迹的以及如果适用的话所述至少一个温度传感器的至少一部分的背离所述第一电绝缘片的顶表面上并粘接性地附接至所述电阻平面加热器构件的、所述第一导电径迹的以及如果适用的话所述至少一个温度传感器的至少一部分的背离所述第一电绝缘片的顶表面。
以这种方式，可以提供具有有效的腐蚀保护的电池加热单元。
在所述电池加热单元的一个优选实施例中，所述多个导电接触构件和所述多个第一导电径迹中的至少之一包括固化的导电墨。
导电墨可在市场上获得。以这种方式，促进了诸如丝网印刷和喷墨印刷的高精度、具有成本效益的制造方法的应用，从而实现低制造公差，特别是沿着垂直于所述第一电绝缘片或所述第二电绝缘片的表面的方向的尺寸的低制造公差。该尺寸的低制造公差可以使得能够在电池加热单元的压缩状态下具有均匀的压缩载荷。
优选地，固化的导电墨包含银。
在另一个优选实施例中，所述电池加热单元包括多个导电端子构件，其中，
-所述多个导电端子构件中的每个电端子构件电连接至所述多个导电接触构件中的至少一个导电接触构件，并且
-所述多个导电端子构件(48)以共面方式布置，其中布置平面被布置成与第二电绝缘片的底表面形成直角。
以此方式，可易于提供用于从电池基元的外部至电池基元的核心区域向电阻平面加热器构件提供电力和/或如果适用的话用于将温度传感器输出信号传递至电池基元的外部的接口。此外，所述多个导电端子构件可以确保与电子控制单元的电连接和机械连接。
有益地，所述第一电绝缘片中的至少一个的大部分由塑料材料制成，所述塑料材料选自于由聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、聚醚酰亚胺(pei)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚甲醛(pom)、聚酰胺(pa)、聚邻苯二甲酰胺(ppa)、聚醚醚酮(peek)以及这些塑料材料中的至少两种的组合形成的塑料材料组。
如在本申请中所使用的术语“大部分”特别地应理解为在体积上等于或大于50％，更优选大于70％，且最优选大于80％，并且应包括100％的部分，即完全包括。
这些材料允许提供具有低制造公差的易于制造、耐用并且具有成本效益的电绝缘片。
在本发明的另一方面中，提供了一种特别地用于汽车应用的可再充电电化学电池单元。所述可再充电电化学电池单元包括：
-电池壳体，
-至少一个电池块，其包括多个堆叠电池基元，所述至少一个电池块至少部分地布置在所述电池壳体的内部，以及
-布置在所述至少一个电池块中的所公开的电池加热单元的至少一个实施例。
对于根据本发明的电池加热单元所呈现的优点也适用于可再充电电化学电池单元。
附图说明
根据下面参考附图给出的非限制性实施例的详细描述，本发明的进一步的细节和优点将变得明显，其中：
图1示意性地示出了包括根据本发明的温度控制单元的用于汽车应用的电池单元的立体图；
图2显示了根据本发明的电池加热单元的一个实施例的示意性局部分解立体图；和
图3以俯视图示意性地示出了根据本发明的电池加热单元的备选实施例。
具体实施方式
图1示意性地示出了可再充电电化学电池单元10(即，用于汽车应用的锂离子电池单元)的组件。在运行状态下，所述组件被容纳在电池单元10的壳体中，为了清楚起见，所述壳体在图1中未完全示出。电池单元10包括多个(多组)七个电池块12，每个电池块12包括多个堆叠的电池基元，其中电池块12以平行且并列的方式紧密堆积。电池单元10进一步包括电力电子单元14、电连接至多个电池块12的断续开关18(如本领域中所公知)以及由鼓风机20形成的冷却器件，所述鼓风机20用于冷却电池块12。
此外，电池单元10包括多个(多组)七个电池加热单元22。在七个电池块12中的每一个中各安装了一个电池加热单元22。每个电池加热单元22的固定通过压缩的堆叠电池基元电池块12来建立。由此，在安装情况下，每个电池加热单元22暴露于高达15kn的均匀压缩载荷。
在图2中示出了根据图1的电池加热单元22中的一个的示意性局部分解立体图。由于七个电池加热单元22全部被相同地设计，所以参考电池加热单元22之一便足以以示例性方式描述电池加热单元22的特征。
电池加热单元22包括具有基本上平行布置的平坦表面的第一电绝缘片24。所述第一电绝缘片具有大致矩形形状，并且完全由聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)制成，且具有沿着垂直于其表面的方向26测得的、125μm的厚度。
然后，电池加热单元22包括多个(多组)两个第一导电径迹28、30，所述多个(多组)两个第一导电径迹28、30布置在第一电绝缘片24的一个表面上，并且抵接并电连接至电池加热单元22的略微较宽的多个导电接触构件32、34中的接触构件32、34，所述接触构件32、34被布置在第一电绝缘片24的大体矩形形状的延伸部36的表面上。延伸部36位于第一电绝缘片24的较长边缘之一处，其中第一电绝缘片24的所述表面与大体矩形形状的延伸部36的所述表面重合。第一电绝缘片24和延伸部36一体地形成并由相同的材料(即pet)制成。
多个第一导电径迹28、30已经通过应用丝网印刷方法、使用包含银的导电墨来附接至第一电绝缘片24。还设想到了备选的制造方法，例如将铜箔层压到第一电绝缘片24上。
在下文中，第一导电径迹28、30中的任一个的位于与该特定第一导电径迹28、30电连接的接触构件32、34的远侧的区域被称为该特定第一导电径迹28、30的端部区域。
多个(多组)两个第一导电径迹28、30中的该一个第一导电径迹28的端部区域被设计成第一多个导电分接径迹38，所述第一多个导电分接径迹38以彼此间隔且平行的方式布置。第一多个导电分接径迹38被布置成平行于第一电绝缘片24的较短边缘行进。第一多个导电分接径迹38中的大多数导电分接径迹38从所述一个第一导电径迹28以基本上垂直的方式延伸。
多个(多组)两个第一导电径迹28、30中的另一个第一导电径迹30的端部区域被设计成第二多个导电分接径迹40，所述第二多个导电分接径迹40以彼此间隔且平行的方式布置。第二多个导电分接径迹40被布置成平行于第一电绝缘片24的较短边缘行进。第二多个导电分接径迹40中的大多数导电分接径迹40从所述另一个第一导电径迹30以基本上垂直的方式延伸。
第一多个导电分接径迹38和第二多个导电分接径迹40彼此电隔离地布置并且以交指(交错)方式布置在第一电绝缘片24的表面上。
电池加热单元22进一步包括多个数百个电阻平面加热器构件42，所述多个数百个电阻平面加热器构件42与多个第一导电径迹28、30布置在第一电绝缘片24的同一表面上。电阻平面加热器构件42通过应用丝网印刷方法、使用导电墨(随之以使所述墨固化的步骤)来制成，所述导电墨包含具有正温度系数的电阻率的材料。
当电压源被用于向电阻平面加热器构件42提供电力时，电阻率随着温度增大的效果最终将在电池块12达到特定温度时限制加热电流。所述特定温度由用于制造电阻平面加热器构件42的导电墨的特性预先确定。换句话说，电阻平面加热器构件42被设计用于在电连接至电压源(未示出)时自调节运行以达到预定温度。
每个电阻平面加热器构件42通过一个端部电连接至第一多个导电分接径迹38中的导电分接径迹38，并由此电连接至两个第一导电径迹28、30中的一个第一导电径迹28和接触构件32、34中的一个接触构件32。每个电阻平面加热器构件42通过另一个端部电连接至第二多个导电分接径迹40中的导电分接径迹40，并由此电连接至两个第一导电径迹28、30中的另一个第一导电径迹30和接触构件32、34中的另一个接触构件34。
电阻平面加热器构件42沿着两个相邻的导电分接径迹等间隔，所述两个相邻的导电分接径迹为与所述电阻平面加热器构件42电连接的第一多个导电分接径迹38之一和第二多个导电分接径迹40之一。多个电阻平面加热器构件42在与第一电绝缘片24的表面垂直的方向26上与第一电绝缘片24的占其表面的总面积的约24％的部分相交叠。由此，可以实现堆叠电池块12的在单个电池基元上具有小的温度差的、特别温和的升温(预热)。原则上，电阻平面加热器构件42的较低的覆盖率也可以考虑，但不应设计成使覆盖率低于5％的最小覆盖率。
电池加热单元22进一步包括接触板44。接触板44包括第二电绝缘片46，所述第二电绝缘片46具有基本上彼此平行地布置的平坦的上表面和平坦的底表面、布置在所述第二电绝缘片46的底表面上的多个第二导电径迹48、50以及多个(多组)两个导电端子构件52、54。
每个电端子构件52、54电连接至多个第二导电径迹48、50中的第二导电径迹48、50之一。如图1中由箭头所示，接触板44可附接至第一电绝缘片24，以使得多个导电接触构件32、34中的每个导电接触构件32、34电连接至多个第二导电径迹48、50中的第二导电径迹48、50之一。多个(多组)两个导电端子构件52、54以共面方式布置。多个(多组)两个导电端子构件52、54的布置平面被布置成与第二电绝缘片46的底表面形成直角。
为了改进的和稳固的腐蚀保护，通过施加具有约800μm的最大厚度的聚氯乙烯(pvc)涂层，电绝缘覆盖物(未示出)被布置在电阻平面加热器构件42的以及多个第一导电径迹28、30中的第一导电径迹28、30的背离(远离)第一电绝缘片24的顶表面上并粘接性地附接至电阻平面加热器构件42的以及多个第一导电径迹28、30中的第一导电径迹28、30的背离(远离)第一电绝缘片24的顶表面。作为附加选项，包括可uv固化环氧树脂的电绝缘覆盖物可以施加在电阻平面加热器构件42的顶表面上，作为侧面作用，所述电绝缘覆盖物机械地增强了电阻平面加热器构件42，以便抵抗在安装于压缩堆叠电池基元的电池块12中的状态下施加至电池加热单元22的压缩载荷。
由于丝网印刷的电阻平面加热器构件42的使用以及多个第一导电径迹28、30的扁平化，在垂直于第一电绝缘片24的表面的方向26上测得的电阻平面加热器构件42、第一导电径迹28、30和第一电绝缘片24的最大总高度仅仅为约950μm，以使得电池块12的体积功率密度几乎不受影响。
在图2中示意性地示出了根据本发明的电池加热单元的备选实施例22'的俯视图。为了简洁起见，将仅仅描述与先前公开的实施例的不同之处。
电池加热单元的备选实施例22'进一步包括由表面安装装置(smd)ntc(负温度系数)温度传感器形成的温度传感器68。ntc温度传感器在第一电绝缘片70的表面上布置于由第一电绝缘片70的较长边缘和多个(多组)两个第一导电径迹72、74中的一个第一导电径迹74限定的区域内，与电池加热单元的第一实施例22相比，通过向所述一个第一导电径迹74赋予两个逆向旋转90°的转弯而对其进行了修改。两个第一导电径迹72、74中的每一个以与对于电池加热单元的第一实施例22的第一接触板44和两个第一导电径迹28、30所描述的方式相同的方式电连接至接触构件32、34之一。
ntc温度传感器电连接至布置在第一电绝缘片70的表面上的两个接触构件76、78。
电池加热单元22'进一步包括第二接触板56。第二接触板56包括第三电绝缘片58，所述第三电绝缘片58具有基本上彼此平行地布置的平坦的上表面和平坦的底表面、布置在第三电绝缘片58的底表面上的多个第三导电径迹60、62以及多个(多组)两个导电端子构件64、66。
多个(多组)两个导电端子构件64、66中的每个电端子构件64、66电连接至第三导电径迹60、62中的一个。如图2所示，第二接触板56可附接至第一电绝缘片70，以使得导电接触构件76、78电连接至第三导电径迹60、62中的一个。
多个(多组)两个导电端子构件64、66以共面方式布置。多个(多组)两个导电端子构件64、66的布置平面被布置成与第三电绝缘片58的底表面形成直角。
如对于第一实施例所述，为了改进的和稳固的腐蚀保护，电池加热单元的备选实施例22'设有通过施加约800μm的pvc涂层(未示出)而获得的电绝缘覆盖物。作为附加选项，包含可uv固化环氧树脂的电绝缘覆盖物可以施加在smdntc温度传感器的顶表面上，以支持抵抗在安装于压缩堆叠电池基元的电池块12中的状态下施加至电池加热单元22'的压缩载荷。众所周知，这种环氧树脂材料例如在板上芯片技术领域中被用作“顶部封装(glob-tops)”，并且易于在市场上获得。
电池单元10还包括控制单元16(图1)，所述控制单元16被配置成接收由电池加热单元22'的温度传感器68提供的输出信号并且被配置成在达到预定最大可容许温度的情况下控制用于冷却多个电池块12的鼓风机20的运行。
尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的本发明时可以理解和实现要公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括(包含)”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一种(an)”不排除多个。术语“多个”应当被理解为一定数量的至少两个实体。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一事实并不表示这些措施的组合不能被用于获益。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
附图标记列表
10电池单元46第二电绝缘片
12电池块48第二导电径迹
14电力电子单元50第二导电径迹
16控制单元52端子构件
18断续开关54端子构件
20鼓风机56第二接触板
22电池加热单元58第三电绝缘片
24第一电绝缘片60第三导电径迹
26方向62第三导电径迹
28第一导电径迹64导电端子构件
30第一导电径迹66导电端子构件
32接触构件68温度传感器
34接触构件70第一电绝缘片
36延伸部72第一导电径迹
38导电分接径迹74第一导电径迹
40导电分接径迹76接触构件
42平面加热器构件78接触构件
44接触板