运行电池单池装置的方法、电池单池、控制设备和机动车与流程

1.本发明涉及一种用于运行电池单池装置的方法、用于电池单池装置的电池单池(batteriezelle)和具有电池单池装置的机动车。


背景技术：

2.电池单池装置包括至少一个电池单池、电路和用于控制电池单池装置的运行的控制设备。通过电路将至少一个电池单池与至少一个用电器导电连接。电池单池包括至少一个壳体以及布置在所述壳体中的堆垛，所述堆垛由多个电极膜和布置在所述电极膜之间的分隔材料形成。电极膜布置在电解质中。每个电极膜分别通过集流器与电池单池的穿过壳体向外延伸的电流接头(所谓的放电器，ableiter)连接。通过电流接头将电池单池连接在电路上。
3.壳体尤其是能弹性变形的或者形状固定的、气体密封地设计的壳体，其中，在所述壳体中布置有相叠布置的电极膜的堆垛。
4.电池单池是例如在机动车中用于存储电能的电流存储器。尤其是，机动车例如具有用于驱动机动车的电机(牵引驱动器)，其中，电机能够通过存储在电池单池中的电能驱动。
5.例如已知具有液态或者固态的电解质的电池单池(固体电池)。
6.电池模块尤其包括多个电池单池，所述电池单池相互电气地串联或者并联连接并且布置在模块壳体中。各个单独的电池模块也可以相互电气地串联或者并联连接。电池包括一个电池模块或者多个电池模块。
7.已知具有不同的阴极材料和/或阳极材料的电池单池，其中，电池单池的这些由阴极和阳极组成的电极对彼此并联连接地布置。尤其可以一方面关于较高的能量密度(即用于存储更大量的能量)并且提供低功率(即所存储的能量的输出速率较小)或者另一方面关于较低的能量密度但为此提供较高的功率地选择活性材料。
8.由kr 10 2018 0013512 a1已知一种具有不同的阴极材料的电池单池。
9.由us 2019/0198864 a1已知一种阴极的多层式的活性材料涂层。


技术实现要素：

10.本发明所要解决的技术问题在于，至少部分地解决关于现有技术提到的问题。尤其应该建议一种方法，通过所述方法能够尽可能有效地运行电池单池装置或者电池单池。
11.该技术问题按本发明通过一种用于运行电池单池装置的方法解决。在此单独地说明的特征能够以技术合理的方式相互组合并且通过在说明书中阐述的事实和/或附图中的细节补充，其中，显示了本发明的其它实施变型方案。
12.建议一种用于运行电池单池装置的方法。电池单池装置包括至少一个电池单池、电路和控制设备。
13.电池单池包括至少一个壳体和布置在所述壳体中的堆垛，所述堆垛由多个电极膜
和布置在所述电极膜之间的分隔材料形成。所述多个电极膜包括第一电极类型、即按照阴极的类型的至少一个第一电极膜和至少一个第二电极膜，以及第二电极类型、即按照阳极的类型的至少一个第三电极膜。每个电极膜分别通过集流器与电池单池的穿过壳体向外延伸的各一个(电气的)电流接头连接。电池单池具有至少三个电流接头，电池单池通过所述至少三个电流接头连接在电路上。所述至少一个第一电极膜和所述至少一个第二电极膜具有彼此不同地设计的活性材料。所述至少一个第一电极膜与第一电流接头导电连接，所述至少一个第二电极膜与第二电流接头导电连接并且所述至少一个第三电极膜与第三电流接头导电连接。
14.控制设备控制电池单池与电路的电接线(verschaltung)。控制设备适当地设计用于执行以下阐述的方法。
15.所述方法至少包括以下步骤：
16.a)确定电池单池的温度并且将所确定的温度与(预设的或者能够预设的)极限温度进行比较；
17.b)其中，
18.在所确定的温度处于极限温度以下时，
19.i.只通过所述至少一个第一电极膜和所述至少一个第三电极膜运行电池单池；
20.或者
21.在所述温度至少与极限温度一致(或者高于极限温度)时，
22.ii.只通过
[0023]-所述至少一个第二电极膜和所述至少一个第三电极膜，或者
[0024]-通过所述至少一个第二电极膜、所述至少一个第一电极膜和所述至少一个第三电极膜
[0025]
运行电池单池。
[0026]
以上对步骤的(非封闭式)的划分主要用于区分并且不强制规定顺序和/或相关性。同样地，步骤可以至少部分在时间上相互重叠。步骤b)特别优选地在步骤a)之后进行。步骤a)也可以独立于步骤b)地执行。步骤a)也可以连续地或者周期性地执行。步骤b)是有条件的并且按照所说明的备选方案在所确定的温度与极限温度存在确定的关联时实施。
[0027]
电池单池尤其是袋型单池(pouchzelle，具有由袋型膜制成的可变形的壳体，或称为软包电池)或者棱柱型单池(具有形状固定的壳体)。袋型膜是已知的可变形的壳体部件，所述壳体部件用作用于所谓的袋型单池的壳体。在此是复合材料、例如包括塑料和铝。
[0028]
在电池单池内部尤其不设置其它的布置有电极膜的单独组的壳体。电极膜尤其只由一个共同的壳体包围。壳体尤其是液密地设计，必要时气密地设计。在壳体内部尤其布置有液态的电解质，但也可以设置固态的或者凝胶状的电解质。
[0029]
电池单池尤其是锂离子电池单池。
[0030]
多个电极膜的各个单独的膜相叠地布置并且尤其形成堆垛。在此，阳极和阴极交替地并且分别通过分隔材料彼此隔开地布置。
[0031]
电极膜尤其通过(金属的)集流器、尤其是膜形成，所述集流器尤其在其最大的、相互对置的侧面上涂覆有活性材料或者说用活性材料涂层。
[0032]
在电池单池中设置有至少两个不同的阴极，即具有第一活性材料的至少一个第一
电极膜和具有第二活性材料的至少一个第二电极膜。
[0033]
在当前的电池单池中，作为用于阴极的活性材料通常使用li(nicomn)o2、也称为li-nmc，即称为锂-镍-锰-钴-氧化物。然而，这种阴极材料不能良好地适用于零摄氏度以下的温度。因此在温度低于零摄氏度时，装备有这种电池单池的机动车的行驶里程降低约30％。
[0034]
因此，迄今预加热电池或者电池单池。然而，预加热要求较高的能量使用，从而由此降低了机动车的行驶里程。备选地，使用具有用于阴极的不同活性材料、例如具有lifepo4(磷酸铁锂)的电池单池。然而，这种活性材料具有较低的能量密度，从而由此主要在高于零摄氏度的温度中机动车的行驶里程相对于具有其它活性材料的电池降低。
[0035]
在此背景下建议，电池单池设计具有至少两种不同的阴极活性材料。由于通过控制设备实现的、对第一电极类型的不同电极膜的有针对性的接线，在较低的温度中恰恰可以将至少一个第一电极膜用于提供电能。在此在电池单池中形成的热量用于加热至少一个第二电极膜，所述至少一个第二电极膜则尤其在达到极限温度时可以通过控制设备接通以提供电能。所述至少一个第一电极膜则可以从电路中断开(auskoppeln)或者如果需要则继续运行。因此，尤其不需要使用附加的能量来预加热电池单池。
[0036]
为此，每个电极膜尤其分别通过集流器与电池单池的穿过壳体向外延伸的各一个电流接头连接。电池单池具有至少三个电流接头，电池单池通过所述至少三个电流接头连接在电路上。所述至少一个第一电极膜、或者所有的第一电极膜与第一电流接头导电连接。所述至少一个第二电极膜、或者所有的第二电极膜与第二电流接头导电连接。所述至少一个第三电极膜、或者所有的第三电极膜与第三电流接头导电连接。通过控制设备可以经由至少一个第一电极膜和至少一个第三电极膜(即在没有接入至少一个第二电极膜的情况下)闭合电路，或者备选地或者在必要时附加地经由至少一个第二电极膜和至少一个第三电极膜(即在没有接入至少一个第一电极膜的情况下)闭合电路。然而，必要时也可以至少暂时地同时运行所有的电极膜。控制设备尤其也可以与温度无关地对电极膜进行确定的接线。
[0037]
电池单池的运行尤其包括电池单池或者连接在电路上的电极膜的充电或者放电。
[0038]
在所述方法的范围内，按照步骤a)，确定电池单池的温度并且与极限温度进行比较。极限温度尤其保存或者存储在控制设备中。极限温度例如在-5摄氏度至 5摄氏度之间，优选为零摄氏度。
[0039]
温度的确定可以包括测量温度或者估计温度。在此，在电池单池内部或者附近测量温度并不是绝对必要的。确定或者测量环境温度并且由此推导出电池单池的温度可能就足够了。
[0040]
尤其是在温度低于极限温度时执行步骤b)的情况i.。根据步骤b)的情况i.，只通过至少一个第一电极膜和至少一个第三电极膜实现电池单池的运行。
[0041]
尤其是在温度至少与极限温度一致时执行步骤b)的情况ii.。根据步骤b)的情况ii.，只通过至少一个第二电极膜和至少一个第三电极膜或者附加地通过至少一个第一电极膜和至少一个第三电极膜实现电池单池的运行。
[0042]
第二活性材料在电池单池中的重量比例尤其高于第一活性材料的比例。由于电池单池内的第二活性材料的比例较高而第一活性材料的比例相对较低，通过电池单池运行的
机动车的行驶里程可以在较高的温度(即高于例如零摄氏度的温度)在很大程度上保持不变。然而，在较低的温度(即低于例如零摄氏度的温度)，与必须用加热元件或者通过加热介质预加热的传统电池单池相比，行驶里程明显提高。此外，所建议的电池单池例如成本更低廉，因为第一活性材料、例如lifepo4每千瓦时比第二活性材料li(nicomn)o2价格更便宜。然而，平均温度下的行驶里程有所减小。但是可以通过安装附加的电池单池来补偿行驶里程的这种损失。
[0043]
第一电极膜和/或第二电极膜的数量或者相应活性材料的份额的比例尤其可以基本上自由地确定，尤其是关于
[0044]-低温下的期望的能量密度；
[0045]-第二电极膜的期望的预加热
[0046]-期望的最大能量密度(行驶里程)
[0047]-电池单池的总成本。
[0048]
尤其是至少一个第一电极膜这样布置在电池单池中，使得通过根据步骤b)的情况i.地运行电池单池，将所述至少一个第二电极膜中的尽可能多的第二电极膜尽可能快地加热到极限温度。至少一个第一电极膜的特别有利的布置或者多个第一电极膜在堆垛中的分布尤其可以通过在电池单池的设计期间的模拟来确定。尤其是例如至少一个第一电极膜可以布置在堆垛的中央，从而以这一个第一电极膜为出发点加热可能布置在这一个第一电极膜的不同侧上的多个第二电极膜。
[0049]
电池单池因此可以通过控制设备、尤其是在根据步骤b)的情况i.或者步骤b)的情况ii.选择的运行模式中至少暂时地运行。在此，除了电池单池的温度之外，还可以通过控制设备识别或者考虑其它边界条件(例如是否需要较高或者较低的充电或者放电速率)。
[0050]
此外建议一种电池单池装置，其至少包括电池单池、电路和控制设备。所述控制设备适当地设计用于执行所述的方法并且因此用于适当地设计用于运行所述电池单池装置。控制设备尤其适当地设计用于控制电池单池与电路的电接线。
[0051]
参考关于方法的说明，尤其是在该处关于电池单池、电路和控制设备的说明。
[0052]
此外建议一种用于所述的电池单池装置的电池单池。参考关于方法和电池单池装置的说明，尤其是在该处关于电池单池、电路和控制设备的说明。电池单池的至少一个第一电极膜具有第一活性材料并且至少一个第二电极膜具有第二活性材料，其中，活性材料具有彼此不同的组成成分。
[0053]
尤其是第一电极类型的所有具有相同地设计的活性材料的电极膜都与一个共同的电流接头导电连接。因此，尤其是所有的第一电极膜与第一电流接头导电连接并且所有的第二电极膜与第二电流接头导电连接。
[0054]
所述电池单池具有的第一电极膜的数量尤其小于第二电极膜的数量。
[0055]
第一电极膜和第二电极膜尤其沿着堆垛方向交替地布置在堆垛中。在此，第一电极类型的电极膜和第二电极类型的电极膜也以已知的方式沿着堆垛方向分别交替地布置。此外，分隔件或者分隔材料以已知的方式布置在不同电极类型的电极膜之间。
[0056]
此外建议一种机动车，其至少包括所述的电池单池装置和用于驱动机动车的牵引驱动器，其中，通过所述电池单池装置的至少一个电池单池能够为所述牵引驱动器供应能量。
[0057]
建议一种控制设备，其被装备、配置或者编程以执行所述的方法。
[0058]
此外，该方法也可以由计算机或者通过控制单元的处理器来执行。
[0059]
因此也建议一种用于数据处理的系统，该系统包括处理器，该处理器被这样适配/配置，使得其执行所述方法或者所建议的方法的部分步骤。
[0060]
可以规定一种计算机可读的存储介质，其包括指令，所述指令在通过计算机/处理器执行时，使得所述计算机/处理器执行该方法或者所建议的方法的至少一部分步骤。
[0061]
针对方法的说明尤其可以转用到电池单池装置、电池单池、控制设备和/或计算机实施的方法(即计算机或者处理器、用于数据处理的系统、计算机可读的存储介质)和机动车上并且反之亦然。
[0062]
不定冠词(“一个”)的使用、尤其在权利要求书和再现权利要求书的说明书中理解为这种(als solche)并且不理解为数词。因此，相应地由此引入的术语或者部件这样理解，即它们存在至少一次并且尤其也可以多次地存在。
[0063]
需要注意的是，在此使用的数词(“第一”、“第二”、
…
)主要(只)用于区分多个相同类型的物体、尺寸或者过程，即尤其不强制地规定这些物体、尺寸或者过程的相关性和/或顺序。如果相关性和/或顺序是必要的，则这在此明确地说明或者对于本领域技术人员在研究具体描述的设计方案时是明显的。如果构件可能出现多次(“至少一个”)，则针对这些构件之一的说明相同地适用于所有这些构件或者多个这些构件的一部分，但这不是强制的。
附图说明
[0064]
以下根据附图详细阐述本发明以及技术领域。需要指出的是，本发明不受所述实施例的限制。尤其是如果没有明确地另作说明，则也可以提炼在附图中阐述的事实的部分方面并且与本说明书中的其它的组成部分和认知相结合。尤其需要指出的是，附图和尤其是所示的尺寸关系只是示意性的。在附图中：
[0065]
图1示出具有牵引驱动器和电池单池装置的机动车；
[0066]
图2以立体图示出电池单池的第一实施变型方案的电极膜堆垛；
[0067]
图3以立体图示出电池单池的第二实施变型方案的电极膜堆垛；并且
[0068]
图4以立体图示出电池单池的第三实施例变型方案的电极膜堆垛。
具体实施方式
[0069]
图1示出具有牵引驱动器17和电池单池装置1的机动车16。牵引驱动器17可以由电池单池装置1的电池单池2供应能量。电池单池装置1包括电池单池2、电路3和控制设备4。控制设备4适当地设计用于执行所述方法并且因此适当地设计用于运行电池单池装置1。在此，控制设备4适当地设计用于控制电池单池2与电路3的电接线。
[0070]
电池单池2包括壳体5和布置在所述壳体中的堆垛6，所述堆垛由多个电极膜7、8、9和布置在所述电极膜之间的分隔材料10形成。所述多个电极膜7、8、9包括第一电极类型的、即阴极的一个第一电极膜7和多个第二电极膜8，以及第二电极类型的、即阳极的多个第三电极膜9。每个电极膜7、8、9分别通过集流器11与电池单池2的穿过壳体5向外延伸的各一个电流接头12、13、14连接。电池单池2具有三个电流接头12、13、14，电池单池2通过所述三个电流接头连接在电路3上。所述一个第一电极膜7和所述多个第二电极膜8具有彼此不同地
设计的活性材料。所述一个第一电极膜7与第一电流接头12导电连接，所述多个第二电极膜8与第二电流接头13导电连接并且所述多个第三电极膜9与第三电流接头14导电连接。
[0071]
控制设备4适当地设计用于执行所述方法并且控制电池单池2与电路3的电接线。
[0072]
所述多个电极膜7、8、9的各个单独的膜相叠地布置并且形成堆垛6。在此，阳极和阴极交替地并且分别通过分隔材料10彼此隔开地布置。
[0073]
每个电极膜7、8、9通过金属的集流器11、例如膜形成，所述集流器在其最大的、相互对置的侧面上涂覆有活性材料。
[0074]
在电池单池2中设置有两个不同的阴极，即具有第一活性材料的第一电极膜7和具有第二活性材料的多个第二电极膜8。
[0075]
由于通过控制设备4实现的、对第一电极类型的不同电极膜7、8的有针对性的电接线，在较低的温度中，恰恰可以将所述一个第一电极膜7用于提供电能。在此在电池单池2中形成的热量用于加热第二电极膜8，所述第二电极膜则尤其在达到极限温度时可以通过控制设备4接通以提供电能。所述第一电极膜7则可以从电路3中断开或者如果需要则继续运行。
[0076]
通过控制设备4可以经由第一电极膜7和第三电极膜9、即在没有接入第二电极膜8的情况下闭合电路3，或者备选地或者在必要时附加地经由第二电极膜8和第三电极膜9、即在没有接入第一电极膜7的情况下闭合电路。然而，必要时也可以至少暂时地同时运行所有的电极膜7、8、9。控制设备4也可以与温度无关地对电极膜7、8、9进行确定的接线。
[0077]
在所述方法的范围内，按照步骤a)，确定电池单池2的温度并且与极限温度进行比较。极限温度保存或者存储在控制设备4中。
[0078]
在温度低于极限温度时执行步骤b)的情况i.。根据步骤b)的情况i.，只通过第一电极膜7和第三电极膜9实现电池单池2的运行。
[0079]
在温度至少与极限温度一致时执行步骤b)的情况ii.。根据步骤b)的情况ii.，只通过第二电极膜8和第三电极膜9或者附加地通过第一电极膜7和第三电极膜9实现电池单池2的运行。
[0080]
第一电极膜7这样布置在电池单池2中，使得通过根据步骤b)的情况i.地运行电池单池2，将所述第二电极膜8中的尽可能多的第二电极膜尽可能快地加热到极限温度。第一电极膜7为此布置在堆垛6的中央，从而以这一个第一电极膜7为出发点加热布置在这一个第一电极膜7的不同侧上的多个第二电极膜8。
[0081]
图2以立体图示出电池单池2的第一实施变型方案的电极膜7、8的堆垛6。参考关于图1的说明。
[0082]
只显示了第一电极膜7和第二电极膜8。在电池单池2中，第二电极类型的第三电极膜9则分别布置在第一电极类型的电极膜7、8之间，并且分隔材料10布置在每两个彼此相邻布置的电极膜7、8、9之间。
[0083]
第一电极膜7和第二电极膜8沿堆垛方向15交替地布置在堆垛6中。在此，第一电极类型的电极膜7、8和第二电极类型的电极膜9以已知的方式沿堆垛方向15也分别交替地布置。此外，分隔件或者分隔材料10以已知的方式布置在不同电极类型的电极膜7、8、9之间。
[0084]
图3以立体图示出电池单池2的第二实施变型方案的电极膜7、8的堆垛6。参考关于图2的说明。
[0085]
与第一实施变型方案不同，在此示出用于圆柱形的电池单池2的堆垛6。
[0086]
图4以立体图示出电池单池2的第三实施变型方案的电极膜7、8的堆垛6。参考关于图2的说明。
[0087]
与第一实施变型方案不同，在此示出用于棱柱形的电池单池2的堆垛6。
[0088]
附图标记清单
[0089]
1 电池单池装置
[0090]
2 电池单池
[0091]
3 电路
[0092]
4 控制设备
[0093]
5 壳体
[0094]
6 堆垛
[0095]
7 第一电极膜
[0096]
8 第二电极膜
[0097]
9 第三电极膜
[0098]
10 分隔材料
[0099]
11 集流器
[0100]
12 第一电流接头
[0101]
13 第二电流接头
[0102]
14 第三电流接头
[0103]
15 堆垛方向
[0104]
16 机动车
[0105]
17 牵引驱动器