电池系统和机动车的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电池系统，该电池系统包括至少一个电池电芯、热电元件和用于影响电流的可热控的部件，其中，热电元件和用于影响电流的可热控的部件与电池电芯热耦合。此外，本发明涉及一种机动车，该机动车包括根据本发明的电池系统。
【背景技术】
[0002]日益彰显的是，将来不仅在固定应用(例如风力设备)中、在设计为混合动力车辆或电动车辆的机动车中，而且在(移动)设备(例如笔记本电脑、移动电话)或工具(电动工具)中，将使用新的电池系统作为蓄能器，对该电池系统在可靠性、安全性、性能和使用寿命方面提出了非常高的要求。特别是锂离子电池由于相对较高的能量密度而被用于这些应用场合。
[0003]图1示出了如何能够将多个电池电芯10组成一个电池模块12以及接下来如何能够将多个电池模块12组成一个电池14 (常被称为“电池组”或简称为“组”)。常常在将多个电池模块12组成电池14之前将所述电池模块12分组成所谓的“子单元”，并且之后将多个子单元分组成电池14。通过电池电芯10的电极接头20的未示出的并联或串联实现这种分组。电极接头20的互连通常通过未示出的、可实施为汇流条的电芯连接器实现。该电芯连接器例如与电池电芯10的电极接头20螺接或者焊接。电池14的电压例如为在12V和750V之间的直流电压。
[0004]电池电芯被理解为次级元件，即蓄能器。在文献中，概念电池电芯、电池模块、子单元、电池组和电池常常也被同义地使用。
[0005]特别是在例如具有锂离子电池电芯的电池化学中，电池电芯的温度影响电池电芯的老化。如果锂离子电池电芯被加热超过大约60°C的温度，首先可能出现加速的老化。在120°C以上的温度的情况下存在热失控(英文-Thermal Runaway)的危险，即存在电池电芯的放热的分解反应的危险。
[0006]因此，根据现有技术在电池中使用热管理系统。特别是借助冷却液工作的热管理系统在技术上很复杂，可靠性和安全性的保证(例如对密封性、传热性和控制的要求)是有挑战性的。由于冷却系统产生的附加的重量和为此所需的冷却能量可能缩小使用范围。
[0007]电池管理系统和进而热管理系统需要外部的电力供给，也就是说，它们直到有了外部的电力供给才能作为整体系统正常工作。电池电芯通常通过电池冷却系统调节温度。这涉及到高成本，因为需要完整的冷却系统，其包括热交换器、冷却板、温度探测系统、冷却回路、泵、控制系统等等。如果代替热交换器与存在于车辆中的冷却系统(例如空调设备)联接，则存在可靠性和/或安全等级ASIL(汽车安全完整性等级)不足以满足该附加的与安全相关的冷却功能和/或必须被提高的风险。发动机冷却设备通常由于过高的温度而不考虑作为电池冷却系统的基础。
[0008]通过空气冷却的系统通常需要空气处理设备。此外，可能没有实现密封的或封闭的系统。
[0009]此外指出的是，由于电池电芯的高的热容量，在一般行驶运行中冷却的必要性不是必须的。由于在其他情况下冷却所需的能量，电池的内能被更有效地利用，这可实现相应地扩大了使用范围。随着车辆越来越轻，这种趋势通常越来越明显。
[0010]文献DE 00 0004 017 475 Al 和 DE 10 2008 048 002 Al 公开了电池系统，其中，根据电流和电流方向借助于帕尔帖元件(Peltier-Element)进行冷却或者加热。在此，文献DE 00 0004 017 475 Al公开了借助于温度传感器、热开关和极变换开关的控制方式。文献DE 10 2008 048 002 Al描述了借助于温度传感器和控制装置的控制方式。
【发明内容】
[0011]根据本发明提供了一种电池系统，该电池系统包括至少一个电池电芯、热电元件和用于影响电流的可热控的部件，其中，热电元件和用于影响电流的可热控的部件与至少一个电池电芯热耦合，其特征在于，热电元件和用于影响电流的可热控的部件串联连接。
[0012]根据本发明的电池系统用于调节至少一个电池电芯的温度。热电元件优选为帕尔贴元件。借助于帕尔贴元件可通过电能消耗进行至少一个电池电芯的调温，即冷却或加热。帕尔贴元件通常构造成作为温差发电器运行。借助于温差发电器可从至少一个电池电芯的余热的一部分中获取电能。此外，热电元件可优选为温差发电器。
[0013]由于热电元件和用于影响电流的可热控的部件串联连接，实现为热电元件供电或者电流从热电元件通过用于影响电流的可热控的部件。由此，借助于热电元件的与温度相关的供电进行调温。
[0014]典型地，热电元件和/或用于影响电流的可热控的部件与至少一个电池电芯、特别是与至少一个电池电芯的电池电芯壳体导热地连接。热电元件和/或用于影响电流的可热控的部件同样可与包括至少一个电池电芯的电池模块、子单元或电池导热地连接。
[0015]除了在电池电芯中的化学过程之外，物理过程也可导致升温，可根据用于影响电流的可热控的部件的定位和连接方式考虑这种升温。因此，用于影响电流的可热控的部件优选地也可与电池系统的电导体热耦合，即特别是与其导热地连接。电导体可由于电流和其电阻升温。此外，用于影响电流的可热控的部件也可与冷却体(散热器)热耦合，特别是导热地连接。
[0016]借助于用于影响电流的可热控的部件的控制方式基于这样的物理联系:其电阻据此物理联系根据其温度发生变化。由此产生可简单地实现的纯粹热电式的且尤其也可机械式工作的切换系统或控制系统。此外，控制发生在产生热量的级上、特别是直接在至少一个电池电芯的表面上和/或也在电导体上并且例如不是首先在系统级或组级上。由此，特别是在系统级上替换或至少缩小和/或大大地简化调温系统以及实质性地减轻移动系统的重量，由此提高总效率。控制进行得非常快，因为不存在可能妨碍和/或拖延控制和温度探测的高的热容量。
[0017]由此实现这样的安全系统，其优点在于已经集成在电芯级或模块级上的有效的冷却，由此提高安全性。因此不需要控制器(例如电池管理系统(BMS)或热管理系统)来确保至少一个电池电芯的温度调节。这实现了提高的安全性并且例如可补充性地被使用或者用作电池管理系统的替代方案和/或简化方案。
[0018]如上所述，冷却控制在电芯级和/或模块级上是可行的，此外根据现有技术，监测在系统级上是可行的。通过本发明，可实现热电的、特别也是机械的系统，由此不需要冷却介质，例如空气、水、冷却剂、制冷剂。由此通过使用热电的调温方式、特别是这样的冷却方式简化了调温系统、特别是冷却系统。
[0019]此外，通过相应的调温可实现电池电芯的独立的切换和/或控制。这在已经老化的电池电芯和/或电池模块的与维修相关的局部替换中是特别有意义的。
[0020]此外，调温系统可与已使用的、现有的安全功能系统(例如过载保护装置(Overcharge Safety Device，简称 OSD))或电池管理系统(BMS)组合。
[0021]在至少一个电池电芯的充电或放电期间，调温部也起作用。此外，电池系统可与可集成在固定的充电站中的调温部(特别是冷却部)组合。由此，无需过大尺寸的调温装置即可对正常行驶模式进行快速充电。由此实现移动系统的进一步减重。
[0022]用于影响电流的可热控的部件优选包括温度开关、正温度系数导体(Kaltleiter)和/或负温度系数导体(Hei β leiter)。温度开关特别优选地为双金属开关。由此，用于影响电流的可热控的部件为控制元件，其实施成与温度有关的导体(特别是有优化的特性曲线)和/或温度开关或者包括这些部件。这些部件典型地导热地安装在至少一个电池电芯上或者备选地安装在包括至少一个电池电芯的电池模块、子单元或电池上。
[0023]根据本发明的优选的设计方案，温度开关与正温度系数导体或负温度系数导体串联连接。通过串联连接的温度开关可实现在预定义的温度以上或以下完全中断流过用于影响电流的可热控的部件的电流。同时在预定义的温度以上或以下可借助于正温度系数导体或负温度系数导体行连续地控制。
[0024]温度开关优选与正温度系数导体或负温度系数导体并联连接。由此，通过借助温度开关在极限温度以上或以下桥接正温度系数导体或负温度系数导体，可实现进一步提高安全性。由此，例如用于冷却的负温度系数导体可在预定义(临界)的温度以上被桥接。由此，在负温度系数导体处没有电压降的情况下为热电元件供电。
[0025]优选可通过电池管理系统(BMS)进行监测。
[0026]用于影响电流的可热控的部件和热电元件优选可导电地与至少一个电池电芯的电极接头连接。由此，至少一个电池电芯与热电元件形成一个单元。此外，用于影响电流的可热控的部件和热电元件优选可导电地与包括至少一个电池电芯的电池模块、子单元或电池的电极接头连接。
[0027]根据本发明的优选的设计方案，电池系统设立成借助于热电元件冷却和/或加热至少一个电池电芯。通过热电效应根据流过热电元件的电流和电流方向控制至少一个电池电芯的温度。由此，热电效应用于特别是通过冷却的温度控制。根据电流的方向可实现利用同一热电元件的冷却或加热(例如在冷启动时)。为此，也可设置技术人员常用的其他的电气或电子构件。优选地，至少一个电池电芯或者包括至少一个电池电芯的电池模块、子单元或电池承担用于调温的供电。
[0028]电池系统优选地设立成借助于热电元件由至少一个电池电芯的余热产生电能。通过热电效应可由热量获取电流。借助于上述设计方案可实现热电效应的利用以进行至少一个电池电芯的温度控制。通过余热的利用提高了总效率，其实现了电驱动的车辆的提高的行驶距离。
[0029]电池系统优选地设立成将由热电元件提供的电能输送到至少一个电池电芯中。由此，至少一个电池电芯涉及到能量获取以及其储存。
[0030]根据本发明的优选的设计方案，至少一个电池电芯为锂离子电池电芯(二次电芯)。通过使用锂离子技术特别是达到高的能量密度，这特别是在电动汽车领域中带来了其他好处。
[0031]此外，提供了一种包括根据本发明的电池系统的机动车。电池系统通常设置成用于为机动车的电驱动系统供电，
[0032]在从属权利要求中给出了本发明的有利的改进方案并且在说明书中予以说明。
【附图说明】
[0033]借助于附图和下面的说明详细地阐述本发明的实施例。其中:
[0034]图1示出了电池电芯、电池模块和电池(现有技术)，
[0035]图2示出了用于影响电流的可热控的部件的设计方案，
[0036]图3示出了用于影响电流的可热控的部件的另一设计方案，以及
[0037]图4示出了根据本发明的电池系统的根据优选