DE102011013617A1

DE102011013617A1 - Energiespeichervorrichtung, Energiespeicherzelle und Wärmeleitelement

Info

Publication number: DE102011013617A1
Application number: DE201110013617
Authority: DE
Inventors: Tim Schäfer
Original assignee: Li Tec Battery GmbH
Current assignee: Li Tec Battery GmbH
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2012-09-13
Also published as: WO2012123064A3; KR20140015402A; US20140072855A1; WO2012123064A2; EP2684234A2; CN103430347A; JP2014511552A

Abstract

Eine Energiespeichervorrichtung weist eine Mehrzahl von Speicherzellen und eine Temperiereinrichtung zum Temperieren der Speicherzellen oder eines durch die Speicherzellen gebildeten Zellverbundes auf, wobei zwischen einer Speicherzelle und einem anderen Bauelement elastische Mittel zur stoßdämpfenden Lagerung oder Beabstandung vorgesehen sind, wobei das andere Bauelement eine andere Speicherzelle oder ein Halteelement oder ein sonstiges Gehäuseteil oder ein Wärmeleitelement ist. Die elastischen Mittel sind als funktionaler Bestandteil der Temperiereinrichtung ausgelegt und eingerichtet. Es werden auch zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung geeignete Speicherzellen und Wärmeleitelemente beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, eine Energiespeicherzelle und ein Wärmeleitelement.
Es ist bekannt, dass eine Batterie zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Hybridantrieb oder in Elektrofahrzeugen, mehrere elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltete Zellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, aufweist.
Die Zellen müssen oft gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme abzuführen. Dazu ist es bekannt, eine indirekte Kühlung durch einen Kühlmittelkreislauf oder eine direkte Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die zwischen die Zellen geleitet wird, einzusetzen. Bei einer Kühlung durch den Kühlmittelkreislauf kann am Zellenblock der Batterie eine von Kühlmittel durchströmte metallische Kühlplatte angeordnet sein, oft unterhalb der Zellen. Von den Zellen zur Kühlplatte wird die Verlustwärme beispielsweise entweder über separate Wärmeleitelemente, z. B. Wärmeleitstäbe oder -bleche, oder über entsprechend aufgedickte Zellgehäusewände der Zellen geleitet. Häufig sind die Zellgehäuse der Zellen metallisch ausgeführt, und es liegt an ihnen eine elektrische Spannung an. Zur Verhinderung von Kurzschlüssen wird die Kühlplatte von den Zellgehäusen dann durch eine elektrische Isolation, beispielsweise eine Wärmeleitfolie, einen Formkörper, eine Vergussmasse oder eine auf die Kühlplatte aufgebrachte Beschichtung oder Folie, getrennt. Der Kühlmittelkreislauf kann auch zur Erwärmung der Batterie z. B. beim Kaltstart verwendet werden.
Es sind bereits verschiedene derartige Batterien bekannt. Beispielsweise sind aus DE 10 2008 034 869 A1 Batterien bekannt, deren Zellen als sogenannte Pouchzellen ausgebildet sind, deren im Wesentlichen quaderförmig ausgebildeter aktiver Teil in einer Hüllfolie (oder einem Paar von Hüllfolien) sandwichartig eingefasst und dicht verschweißt ist, wobei die Hüllfolie eine umlaufende Siegelnaht ausbildet und wobei die Zellenpole durch Ableiter ausgebildet sind, welche an der Oberseite der Zellen durch die Siegelnaht hindurchtreten und nach oben abragen. Zwischen den Zellen sind Kühlbleche angeordnet, die an den Flachseiten der Zellen anliegen, unterhalb der Zellen jeweils abgewinkelt sind und dort auf einer Kühlplatte aufliegen. Über die Kühlbleche kann die in der Zelle erzeugte Wärme an die Kühlplatte abgegeben werden. Die Kühlplatte ist von einem Wärmeträger durchströmt und transportiert die Wärme an einen externen Wärmetauscher ab. Aus der gleichen Druckschrift sind Batterien bekannt, deren Zellen als sogenannte Flachzellen ausgebildet sind, die im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und stapelartig hintereinander auf einer Kühlplatte angeordnet und mit dieser verspannt sind, wobei eine als Zellenpol dienende, elektrisch leitende Seitenwand der Zellen jeweils an der Unterseite, die zu der Kühlplatte hin weist, abgewinkelt ist, um eine möglichst große Wärmeübergangsfläche zu der dort befindlichen Kühlplatte auszubilden. Die Zellen werden in beiden Fällen durch eine Spanneinrichtung, beispielsweise durch eine separate Spannplatte und/oder durch Spannbänder, miteinander verspannt und an die Kühlplatte gepresst.
Aus WO 2010/081704 A2 ist eine Batterie bekannt, bei welcher mit Hilfe zweier Druckrahmen und einiger Zuganker mehrere Zellen in Coffeebag-Bauweise zwischen Rahmenelementen verspannt sind. Aus der gleichen Druckschrift ist es bekannt, zwischen aufeinanderfolgenden Zellen in einem Batterieblock nachgiebige Elemente vorzusehen. Damit können auch mechanische Einwirkungen auf die Flachseiten der Zellen abgemildert und Relativbewegungen wie auch thermische Ausdehnungen ausgeglichen werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufbau nach dem Stand der Technik zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Energiespeichervorrichtung vorgeschlagen, welche eine Mehrzahl von Speicherzellen und eine Temperiereinrichtung zum Temperieren der Speicherzellen oder eines durch die Speicherzellen gebildeten Zellverbundes aufweist, wobei zwischen einer Speicherzelle und einem anderen Bauelement elastische Mittel zur stoßdämpfenden Lagerung oder Beabstandung vorgesehen sind, wobei das andere Bauelement eine andere Speicherzelle oder ein Halteelement oder ein sonstiges Gehäuseteil oder ein Wärmeleitelement ist, und wobei die elastischen Mittel als funktionaler Bestandteil der Temperiereinrichtung ausgelegt und eingerichtet sind.
Als eine Energiespeichervorrichtung wird im Sinne der Erfindung eine Einrichtung verstanden, die auch in der Lage ist, insbesondere elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, gegebenenfalls unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Als eine Speicherzelle wird im Sinne der Erfindung eine in sich abgeschlossene Funktionseinheit der Energiespeichervorrichtung verstanden, die für sich genommen auch in der Lage ist, insbesondere elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, gegebenenfalls unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Eine Speicherzelle kann beispielsweise, aber nicht nur, eine galvanische Primär- oder Sekundärzelle (im Rahmen dieser Anmeldung werden Primär- oder Sekundärzellen unterschiedslos als Batteriezellen und eine daraus aufgebaute Energiespeichervorrichtung als Batterie bezeichnet), eine Brennstoffzelle, ein Hochleistungskondensator wie etwa Supercap oder dergleichen, oder eine Energiespeicherzelle anderer Art sein. Insbesondere weist eine als Batteriezelle aufgebaute Speicherzelle beispielsweise einen aktiven Bereich oder aktiven Teil, in welchem elektrochemische Umwandlungs- und Speicherungsprozesse stattfinden, eine Einhausung zur Kapselung des aktiven Teils von der Umgebung und wenigstens zwei Stromableiter, die als elektrische Pole der Speicherzelle dienen, auf. Der aktive Teil weist beispielsweise eine Elektrodenanordnung auf, die vorzugsweise als Stapel oder Wickel mit Stromsammelfolien, aktiven Schichten und Separatorschichten ausgebildet ist, auf. Die aktiven und Separatorschichten können wenigstens teilweise als eigenständige Folienzuschnitte oder als Beschichtungen der Stromsammelfolien vorgesehen sein. Die Stromableiter sind mit den Stromsammelfolien elektrisch verbunden oder durch diese gebildet.
Eine Speicherzelle kann auch eine Zelle sein, welche Energie nicht als elektrische, sondern als thermische, potentielle, kinetische oder sonstige Energieart aufnimmt und/oder abgibt oder eine Zelle welche Energie in einer Energieart aufnimmt und in einer anderen Energieart wieder abgibt, wobei die Speicherung in einer noch anderen Energieart erfolgen kann.
Unter einem Temperieren wird im Sinne der Erfindung eine Ab- oder Zufuhr, insbesondere Abfuhr, von Wärme verstanden. Es kann als eine passive Kühlung, etwa durch Wärmeabstrahlung an Wärmeabstrahlflächen, als eine aktive Kühlung, etwa durch erzwungene Konvektion an Wärmeaustauschflächen oder durch Wärmeaustausch mit einem insbesondere zirkulierenden Wärmeträger wie etwa Wasser, Öl oder dergleichen in einem Wärmetauscher verwirklicht sein. Dabei kann eine Steuerung bzw. Regelung vorgesehen sein, um einen vorbestimmten zulässigen Temperaturbereich einzuhalten. Eine Temperiereinrichtung im Sinne der Erfindung kann als Einrichtung zum bloßen Temperaturaustausch innerhalb der Energiespeichervorrichtung oder zum Austausch von Wärme mit einer Umgebung verstanden werden.
Als ein elastisches Mittel wird im Sinne der Erfindung insbesondere ein Bauelement verstanden, welches auch Relativbewegungen zwischen Speicherzellen, ggf. auch zwischen Speicherzellen und anderen Bauelementen, abfangen kann. Es kann sich also insbesondere um ein Dämpfungselement, beispielsweise, aber nicht nur, von der Form eines Kissens, eines Streifens, einer Schichtlage oder dergleichen, handeln.
Wenn die elastischen Mittel als funktionaler Bestandteil der Temperiereinrichtung ausgelegt und eingerichtet sind, können konstruktive Einschränkungen hinsichtlich der Lage und dem Einsatz solcher elastischer Mittel, überwunden werden. Solche Einschränkungen sind oft gegeben, da Dämpfungselemente oft aus thermisch isolierenden Materialien, die eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wie etwa PU-Schaum, Moosgummi, Wellpappe oder dergleichen, bestehen und daher einer effizienten Wärmeableitung im Wege stehen können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung können die elastischen Mittel eine wärmeleitende Hülle und einen Innenraum aufweisen, wobei der Innenraum mit einem elastisch nachgiebigen Material gefüllt ist. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können die elastischen Mittel aus einem wärmeleitenden und elastisch nachgiebigen Material ausgebildet sein. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können die elastischen Mittel eine wärmeleitende oder wärmedurchlässige Hülle und einen Innenraum aufweisen, wobei der Innenraum mit einem wärmeleitenden und elastisch nachgiebigen Material gefüllt ist.
Als wärmeleitend wird im Sinne der Erfindung ein Material dann verstanden, wenn es eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die einen Einsatz als Wärmeleiter im technischen Sinn erlaubt. Es ist in diesem Zusammenhang von einer technisch nutzbaren und konstruktiv intendierten Wärmeleiffähigkeit, nicht etwa von einer auch bei an sich wärmedämmenden Materialien vorhandenen, minimalen und physikalisch unvermeidlichen Restwärmeleitung die Rede. Eine Untergrenze für eine technisch nutzbare Wärmeleiffähigkeit kann im Bereich von etwa 10 bis 20 Wm^–1K^–1 angenommen werden; das entspricht der Wärmeleitfähigkeit von hochlegiertem Stahl und einigen mit gut wärmeleitenden Füllmaterialien versehenen Kunststoffen. Bevorzugt ist es, wenn die Wärmeleiffähigkeit im Bereich von wenigstens 40 bis 50 Wm^–1K^–1 liegt, was derjenigen von Federstahl (z. B. 55Cr3) entspricht. Besonders bevorzugt ist eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 100 oder einigen 100 Wm^–1K^–1 gegeben. Beispielsweise, aber nicht nur, kann etwa Silizium mit 148 Wm^–1K^–1 oder Aluminium mit 221 bis 237 Wm^–1K^–1 oder Kupfer mit 240 bis 400 Wm^–1K^–1 oder Silber mit etwa 430 Wm^–1K^–1 als geeignet gelten.
Kohlenstoffnanoröhrchen, deren Wärmeleitfähigkeit mit etwa 6000 Wm^–1K^–1 angegeben wird, sollten hinsichtlich dieses Gesichtspunkts das derzeit erreichbare Optimum darstellen; ihr Einsatz oder der anderer Spezialwerkstoffen ist im Hinblick auf die Kosten, die Verarbeitbarkeit und sonstige technische Eignung abzuwägen. Vor diesem Hintergrund ist eine Ausbildung mit einem wärmeleitenden Material im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass die elastischen Mittel oder ein Bestandteil davon entweder im Wesentlichen aus diesem Material bestehen oder aber, etwa aus Gründen der Festigkeit, der elektrischen Isolation, der Temperaturbeständigkeit oder sonstiger Eigenschaften oder Einsatzzwecke, nur einen Kern, eine Beschichtung oder Schicht, einen Mantel oder dergleichen aus einem solchen Material aufweisen. Durch geeignete Materialkombination können so die gewünschten Eigenschaften zwischen Wärmeleitung und Dämpfung eingestellt werden. Die gleichen Materialien wie die oben genannten, oder auch andere gute Wärmeleiter wie etwa Keramiken oder Diamant, kommen auch als Füllmaterialien für wärmeleitende Kunststoffe in Betracht. So können etwa an sich wärmeisolierende Schäume durch Dotierung mit solchen Materialien eine technisch nutzbare Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 10 bis 20 Wm^–1K^–1 erhalten. (Alle Angaben zur Wärmeleitfähigkeit bei 20°C nach Hütte, Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften, Springer-Verlag, 31. Auflage 2000, Engelkraut et al., Wärmeleitfähige Kunststoffe für Entwärmungsaufgaben, Fraunhofer Institut für Integrierte System und Bauelementetechnologie, Stand 15.07.2008, Deutsche Edelstahlwerke, Datenblatt 1.7176, und Wikipedia, Artikel zu "Wärmeleitfähigkeit", Stand 22.02.411; Rundungen und Bereichszusammenfassungen ggf. diesseits.)
Wenn die elastischen Mittel wenigstens abschnittsweise, vorzugsweise flächig, an Wärmeaustauschflächen der Speicherzellen anliegen, ist auch ein guter Wärmeübergang erzielbar.
In bevorzugten Ausgestaltungen sind die elastischen Mittel elektrisch leitend oder elektrisch isolierend ausgebildet, um beispielsweise technischen Randbedingungen Rechnung zu tragen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die elastischen Mittel an jeweiligen Speicherzellen befestigt oder als integraler Bestandteil jeweiliger Speicherzellen ausgebildet.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung sind die elastischen Mittel an jeweiligen Wärmeleitelementen, die wenigstens abschnittsweise zwischen jeweiligen Speicherzellen angeordnet sind, befestigt oder als integraler Bestandteil solcher Wärmeleitelemente ausgebildet.
Besonders bevorzugt weist die Temperiereinrichtung eine Wärmetauschereinrichtung auf und weisen Wärmeleitelemente, die wenigstens abschnittsweise zwischen jeweiligen Speicherzellen angeordnet sind, wärmeleitenden Kontakt mit der Wärmetauschereinrichtung auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine Spanneinrichtung zum Verspannen der Speicherzellen vorgesehen, wobei vorzugsweise die Spanneinrichtung als funktionaler Bestandteil der Temperiereinrichtung ausgelegt und eingerichtet ist. Unter einem Verspannen wird im Sinne der Erfindung ein Festhalten in einer vorbestimmten Lage, insbesondere Relativlage zueinander, durch Spannkräfte verstanden. Bei einem Verspannen können auch, aber nicht nur, elastische und Reibkräfte ausgenutzt werden. Das Verspannen schließt im Übrigen eine formschlüssige Lagefestlegung nicht aus; es kann, muss aber nicht, sich auf eine Verhinderung eines Auseinanderfallens beschränken. Wenn die Spanneinrichtung als funktionaler Bestandteil der Temperiereinrichtung ausgelegt und eingerichtet ist, kann die Spanneinrichtung auch Funktionen erfüllen, die mit der Temperierung der Speicherzellen bzw. des Zellverbundes zusammenhängen. Diese Funktionen können beispielsweise, aber nicht nur, die Wärmeübertragung von und zu den Speicherzellen, die Wärmeabgabe über Wärmeabstrahlflächen, die Wärmeübertragung von und zu einem Wärmeträger, die Wärmeleitung von und zu einer Wärmequelle oder Wärmesenke und/oder dergleichen umfassen. Hierzu kann beispielsweise die Spanneinrichtung mit einem wärmeleitenden Material ausgebildet sein.
Beispielsweise weist die Spanneinrichtung wenigstens ein Spannband auf, das mit dem wärmeleitenden Material ausgebildet ist und das vorzugsweise wenigstens in Abschnitten in sich federnd, etwa wellenfederförmig, ausgebildet ist und/oder einen Spannabschnitt wie etwa ein Spannschloss oder dergleichen aufweist, wobei vorzugsweise mehrere Spannbänder vorgesehen sind, von denen wenigstens ein Spannband wenigstens ein anderes Spannband überdeckt. Unter einem Spannband wird im Sinne der Erfindung ein längliches, insbesondere flaches, bandartiges Bauelement verstanden, welches auch verwendbar ist, eine Anordnung von Speicherzellen gegeneinander zu verspannen, insbesondere umschlingend zu verspannen. Dabei kann ein Verschlussmechanismus, ein Spannmechanismus oder dergleichen vorgesehen sein, um eine Montage unter Spannung zu ermöglichen. Durch eine in sich federnde Ausbildung kann auch erreicht werden, dass eine gleichmäßige Spannkraft auf den Zellblock ausgeübt. Eine elastische Längung des Spannbandes kann derart ausgelegt sein, dass das Spannband bei Montage unter Vorspannung Übermaß gegenüber dem Zellblock aufweist und über diesen gestreift werden kann, wobei dann, wenn die Vorspannung nachgelassen wird, sich das Spannband fest um den Zellblock legt. Hierzu kann das Spannband in Abschnitten beispielsweise wellenfederförmig ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft weisen die wellenfederförmig ausgebildeten Abschnitte ebene Abschnitte auf, die sich unter Spannung flächig an Wärmeaustauschflächen von Speicherzellen, Wärmeleitelementen oder dergleichen anlegen.
In einer anderen Ausgestaltung kann die Spanneinrichtung eine Mehrzahl von Zugankern aufweisen, die mit dem wärmeleitenden Material ausgebildet sind. Als ein Zuganker wird im Sinne der Erfindung ein länglich ausgebildeter, insbesondere eine Gesamtlänge des Zellstapels überragender Stab verstanden, welcher inbesondere über Druckelemente wie Platten oder Flansche, die in einer Stapelrichtung der Speicherzellen auf die jeweils äußeren Speicherzellen drücken, den Zellblock verspannt. Üblicherweise sind mehrere Zuganker vorgesehen, etwa vier, sechs, acht oder mehr. Solche Zuganker weisen beispielsweise einen Kopf an einem Ende und ein Gewinde an dem anderen Ende oder Gewinde an beiden Enden auf, um eine zuverlässige Verspannung durch Anziehen, durch Einschrauben oder durch Verschrauben mit Hilfe von Muttern zu ermöglichen. Die Verwendung von Zugankern hat bei entsprechender Formgebung der Speicherzellen auch den Vorteil, dass Speicherzellen vor dem Verspannen auf verhältnismäßig einfache Weise auf die Zuganker gefädelt werden können, was auch die Montage vereinfachen kann. Zuganker können sich beispielsweise durch entsprechende Ausnehmungen von Rahmenelementen von Rahmenflachzellen erstrecken und von diesen Wärme aufnehmen. Dabei kann die Spanneinrichtung ferner Halteelemente und Spannelemente aufweisen, wobei die Halteelemente im Wechsel mit den Speicherzellen angeordnet sind, um die Speicherzellen zwischen sich zu halten, und wobei die Spannelemente die Halteelemente mit den Speicherzellen verspannen, wobei die Halteelemente wenigstens abschnittsweise mit Wärmeaustauschflächen der Speicherzellen thermisch gekoppelt sind, und wobei die Spannelemente wenigstens abschnittsweise an Wärmeaustauschflächen der Halteelementen anliegen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Halteelemente wenigstens zwischen den Kontaktflächen mit den Speicherzellen und den Kontaktflächen mit den Spannelementen mit einem wärmeleitenden Material ausgebildet sind. Auf diese Weise kann auch eine zuverlässige Verspannung der Halteelemente und der Speicherzellen zu einem Batterieblock vorgesehen sein. Wärmeaustauschflächen der Halteelemente können Außenflächen, insbesondere Randflächen, der Halteelemente sein, beispielsweise, aber nicht nur, wenn Spannbänder als Spannelemente vorgesehen sind. Spannelemente wie beispielsweise, aber nicht nur, Zuganker können auch durch Durchlässe, etwa Bohrungen, in den Halteelementen geführt sein; in diesem Fall können Wärmeaustauschflächen der Halteelemente durch Innenflächen der Durchlässe gebildet sein. Wärmeaustauschflächen der Speicherzellen können durch Flach- oder Randseiten der Speicherzellen, durch Stromableiter oder an Durchtrittsbereichen von Stromableitern durch eine Einhausung der Speicherzellen vorgesehen sein.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Spanneinrichtung wenigstens abschnittsweise, insbesondere durch flächigen Kontakt, mit Abschnitten einer Wärmetauschereinrichtung thermisch gekoppelt ist, wobei die Wärmetauschereinrichtung vorzugsweise an einen Wärmeträgerkreislauf angeschlossen ist und wobei der Wärmeträgerkreislauf vorzugsweise steuerbar bzw. regelbar ist. Auf diese Weise kann die Spanneinrichtung von den Speicherzellen aufgenommene Wärme zu der Wärmetauschereinrichtung transportieren und dort an einen Wärmeträger wie beispielsweise, aber nicht nur, Wasser oder Öl abgeben. Der erwärmte Wärmeträger kann durch den Wärmeträgerkreislauf zirkulieren und an anderer Stelle die aufgenommene Wärme wieder abgeben, etwa an einen Luftkühler oder dergleichen.
Nach weiteren Gesichtspunkten werden eine Energiespeicherzelle mit einem aktiven Teil und einer den aktiven Teil umgebenden Einhausung sowie mit elastischen Mitteln, die an der Speicherzelle befestigt oder als integraler Bestandteil derselben ausgebildet sind und zur stoßdämpfenden Lagerung oder Beabstandung der Speicherzelle gegenüber anderen Bauelementen ausgelegt und eingerichtet sind, ein Wärmeleitelement zur Anordnung zwischen Energiespeicherzellen, gekennzeichnet durch elastische Mittel, die an dem Wärmeleitelement befestigt oder als integraler Bestandteil desselben ausgebildet sind und die ausgelegt und eingerichtet sind, Wärme zu leiten, und ein Wärmeleitelement mit einer insbesondere dünnwandigen Trägerstruktur, insbesondere zur Aufnahme einer Energiespeicherzelle, wobei die dünnwandige Struktur eine Form eines vorzugsweise flachen Quaders umschreibt, und wobei die dünnwandige Struktur wenigstens eine Flachseite und wenigstens zwei an die Flachseite angrenzende Schmalseiten aufweist, und mit elastischen Mitteln, die an dem Wärmeleitelement befestigt oder als integraler Bestandteil desselben ausgebildet sind, und die ausgelegt und eingerichtet sind, Wärme zu leiten, vorgeschlagen. Vorzugsweise sind die elastischen Mittel jeweils gemäß vorstehender Beschreibung ausgebildet.
Eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung, eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle und ein erfindungsgemäßes Wärmeleitelement sind insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei das Kraftfahrzeug insbesondere ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug ist.
Die vorstehenden und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung deutlicher ersichtlich werden, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angefertigt wurde.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Rahmenflachzelle in einer schematischen räumlichen Ansicht;
2 eine schematische Querschnittsansicht der Zelle gemäß 1,
3 eine schematische räumliche Explosionsdarstellung der Zelle gemäß 1;
4 eine Batterie mit mehreren Rahmenflachzellen in einer schematischen räumlichen Explosionsdarstellung;
5 eine schematische räumliche Ansicht der Batterie gemäß 4 in einem zusammengebauten Zustand;
6 eine schematische Querschnittsansicht eines Dämpfungselements;
7 eine schematische Querschnittsansicht eines anderen Dämpfungselements;
8 eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Dämpfungselements;
9 eine andere Rahmenflachzelle in einer schematischen räumlichen Explosionsdarstellung;
10 eine ähnliche Rahmenflachzelle in einer schematischen räumlichen Explosionsdarstellung;
11 eine weitere Batterie mit Rahmenflachzellen in einer schematischen räumlichen Ansicht;
12 eine Pouchzelle mit Dämpfungselementen in einer schematischen räumlichen Ansicht;
13 eine Batterie mit einer Mehrzahl von Pouchzellen, die mittels Zugankern zwischen Rahmenelementen verspannt sind, in einer schematischen räumlichen Ansicht;
14 eine Einzelzelle und ein Wärmeleitelement in einer schematischen räumlichen Ansicht,
15 eine Einzelzelle und ein Wärmeleitelement in einer schematischen Querschnittsansicht,
16 eine Einzelzelle und ein Wärmeleitelement in einer schematischen Querschnittsansicht,
17 eine Einzelzelle und ein Wärmeleitelement in einer schematischen perspektivischen Explosionsdarstellung,
18 eine Einzelzelle und ein Wärmeleitelement in einer schematischen perspektivischen Explosionsdarstellung,
19 eine Batterie in einer schematischen räumlichen Explosionsdarstellung,
20 eine montierte Batterie in einer schematischen räumlichen Ansicht,
21 ein Wärmeleitelement in einer schematischen Querschnittsansicht;
22 ein Wärmeleitelement mit Rahmenflachzelle in einer schematischen räumlichen Ansicht;
23 ein ähnliches Wärmeleitelement in einer schematischen räumlichen Ansicht;
24 eine Batterie mit einem in drei Raumrichtungen verspannten Zellblock aus mehreren Rahmenflachzellen in einer schematischen räumlichen Ansicht;
25 eine Batterie mit mehreren Reihen von zylindrischen Batteriezellen, die mittels eines Befestigungsbandes mit einer Batteriegehäusewand verspannt sind, in einer schematischen Draufsicht;
26 eine Batterie mit mehreren Reihen von zylindrischen Batteriezellen, die mittels Befestigungsbändern zwischen zwei Batteriegehäusewänden verspannt sind, in einer schematischen Draufsicht;
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Darstellungen in den Figuren schematisch sind und sich wenigstens im Wesentlichen auf die Wiedergabe von für das Verständnis der Erfindung hilfreichen Merkmalen beschränken. Auch ist darauf hinzuweisen, dass in den Figuren wiedergegebene Abmessungen und Größenverhältnisse im Wesentlichen der Deutlichkeit der Darstellung geschuldet sind und nicht notwendig einschränkend zu verstehen sind, es sei denn, aus der Beschreibung ergäbe sich etwas anderes.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 und 2 zeigen eine als Flachzelle ausgebildete galvanische Zelle 2 (auch als Einzelzelle 2 oder Zelle 2 bezeichnet). Dabei ist ein Zellgehäuse der Einzelzelle 2 aus zwei Zellgehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 und einem dazwischen angeordneten, randseitig umlaufenden Zellgehäuserahmen 2.3 gebildet.
Die Zellgehäuseseitenwände 2.1, 2.2 der Einzelzelle 2 sind elektrisch leitend ausgeführt und bilden Pole P+, P– der Einzelzelle 2.
Auf der Zellgehäuseseitenwand 2.1 des negativen Pols P– sind zwei Dämpfungselemente 2.4 angeordnet. Die Dämpfungselemente 2.4 sind mit elastisch nachgiebigen Eigenschaften ausgebildet. Zusätzlich sind die Dämpfungselemente 2.4 elektrisch leitend ausgebildet und weisen gute Wärmeleiteigenschaften auf. Die Dämpfungselemente 2.4 sind mit der Zellgehäuseseitenwand 2.1 verklebt, wobei die Klebung wärmeleitend bzw. wärmeduchlässig und elektrisch leitend ausgeführt ist.
Die Einzelzelle 2 weist mindestens drei Spannungs-Anschlusskontakte K1 bis K3 auf. Und zwar weist die den Pol P– bildende Zellgehäuseseitenwand 2.1 mindestens zwei Spannungs-Anschlusskontakte K1, K2 auf, die insbesondere zellintern elektrisch miteinander verschaltet, insbesondere parallel geschaltet sind. Dabei ist der erste Spannungs-Anschlusskontakt K1 durch die an dem Pol P– der Einzelzelle 2 und somit der Zellgehäuseseitenwand 2.1 elektrisch leitend angebrachten Dämpfungselemente 2.4 gebildet. Der zweite Spannungs-Anschlusskontakt K2 ist als Messanschluss 2.11 ausgeführt, der radial über die Zellgehäuseseitenwand 2.1 an einer beliebigen Position, hier an der Oberseite der Zelle 2, über die Einzelzelle 2 als eine fahnenartige Verlängerung hinausragt.
Der dritte Spannungs-Anschlusskontakt K3 ist durch die den Pol P+ ausbildende Zellgehäuseseitenwand 2.2 gebildet.
Der Zellgehauserahmen 2.3 ist elektrisch isolierend ausgeführt, so dass die Zellgehäuseseitenwände 2.1, 2.2 unterschiedlicher Polarität elektrisch voneinander isoliert sind. Der Zellgehauserahmen 2.3 weist zusätzlich an einer Oberseite eine partielle Materialerhöhung 2.31 auf, deren Funktion in der Beschreibung der 4 und 5 näher erläutert wird.
2 zeigt die Einzelzelle 2 gemäß 1 in einer Querschnittsansicht, wobei in dem Zellgehäuse 2 ein Elektrodenstapel 2.5 angeordnet ist.
In einem mittleren Bereich sind dabei Elektrodenfolien 2.51 unterschiedlicher Polarität, insbesondere Aluminium- und/oder Kupferfolien und/oder Folien aus einer Metalllegierung, übereinander gestapelt und mittels eines Separators (nicht näher dargestellt), insbesondere einer Separatorfolie, elektrisch voneinander isoliert.
In einem über den mittleren Bereich des Elektrodenstapels 2.5 überstehenden Randbereich der Elektrodenfolien 2.51 sind Elektrodenfolien 2.51 gleicher Polarität elektrisch miteinander verbunden. Die miteinander verbundenen Enden der Elektrodenfolien 2.51 gleicher Polarität bilden somit einen Polkontakt 2.52. Die Polkontakte 2.52 unterschiedlicher Polarität der Einzelzelle 2.2 werden im Weiteren auch als Stromableiterfahnen 2.52 bezeichnet. Im Detail werden die Enden der Elektrodenfolien 2.51 elektrisch leitend miteinander verpresst und/oder verschweißt und bilden die Stromableiterfahnen 2.52 des Elektrodenstapels 4.
Der Elektrodenstapel 2.5 ist in dem den Elektrodenstapel 2.5 randseitig umlaufenden Zellgehäuserahmen 2.3 angeordnet. Der Zellgehäuserahmen 2.3 weist dazu zwei voneinander beabstandete Materialrücknahmen 2.33, 2.34 auf, die so ausgebildet sind, dass die Stromableiterfahnen 2.52 unterschiedlicher Polarität in den Materialrücknahmen 2.33, 2.34 angeordnet sind. Die lichte Höhe h1 der Materialrücknahmen 2.33, 2.34 ist so ausgebildet, dass sie der Erstreckung der unbeeinflusst übereinander gestapelten Stromableiterfahnen 2.52 entspricht oder geringer als diese ist. Die Tiefe t der Materialrücknahmen 2.33, 2.34 entspricht der Erstreckung der Stromableiterfahnen 2.52 oder ist größer ausgebildet als diese.
Da der Zellgehäuserahmen 2.3 vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist, sind die Stromableiterfahnen 7 unterschiedlicher Polarität elektrisch voneinander isoliert, so dass zusätzliche Anordnungen für eine elektrische Isolation nicht notwendig sind.
Bei einer Befestigung der Zellgehäuseseitenwände 2.1, 2.2, welche beispielsweise in nicht näher dargestellter Weise mittels Kleben und/oder Umbördeln der Flachseiten 2.8 in eine in dem Zellgehäuserahmen 2.3 umlaufende Aussparung erfolgt, werden die Stromableiterfahnen 2.52 unterschiedlicher Polarität gegen die Zellgehäuseseitenwände 2.1, 2.2 gepresst, so dass ein jeweiliges elektrisches Potenzial der Stromableiterfahnen 2.52 an den Zellgehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 anliegt und diese die Pole P+, P– der Einzelzelle 2 bilden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann zwischen den Stromableiterfahnen 2.52, welche z. B. aus Kupfer gefertigt sind, und den Gehäuseseitenwänden 2.1, 2.2, welche z. B. aus Aluminium gefertigt sind, zusätzlich eine nicht näher dargestellte Folie, welche z. B. aus Nickel gefertigt ist, angeordnet sein, um eine verbesserte elektrische Anbindung zwischen den Stromableiterfahnen 2.52 und den Zellgehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 zu erreichen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist es weiterhin möglich, eine nicht näher dargestellte elektrisch isolierende Folie zwischen den Stromableiterfahnen 2.52 und den Zellgehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 anzuordnen bzw. die Zellgehäuseseitenwände 2.1, 2.2 einseitig mit einer elektrischen isolierenden Schicht auszuführen, so dass eine elektrische Kontaktierung der Stromableiterfahnen 2.52 mit den Zellgehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 erst bei einem nicht näher ausgeführten, aus dem Stand der Technik bekannten Durchschweißverfahren von außen durch die Zellgehäuseseitenwände 2.1, 2.2 entsteht.
Gemäß der Darstellung in 2 sind die Dämpfungselemente 2.4 auf in etwa gleicher Höhe wie die Stromableiterfahnen 2.52 an der Gehäuseseitenwand 2.1 angeordnet und weisen von der Gehäuseseitenwand 2.1 aus gemessen eine Höhe h2 auf. Derjenige Teil der Flachseite 2.8 der Zelle 2 bzw. der Gehäuseseitenwand 2.1, der den Elektrodenstapel 2.5 begrenzt, ist frei von Dämpfungselementen 2.4. Wenn bei Aneinanderreihung und Verspannung mehrerer Einzelzellen 2 in Richtung eines Zellstapels (Stapelrichtung s) eine Druckkraft D auf die Einzelzelle 2 ausgeübt wird, beschränkt sich die Einleitung der Druckkraft D auf die Stromableiterfahnen 2.52 und die angrenzenden Bereiche des Zellgehäuserahmens 2.3, während der Elektrodenstapel 2.5 frei von Druckkräften bleibt. Dies bleibt auch dann so, wenn sich der Elektrodenstapel 2.5 während des Betriebs der Einzelzelle 2 in Stapelrichtung s ausdehnen sollte.
3 stellt eine Explosionsdarstellung der in 1 und 2 näher erläuterten Einzelzelle 2 dar und zeigt auch die Anordnung des Elektrodenstapels 2.5 in dem Zellgehäuserahmen 2.3 sowie der Zellgehäuseseitenwände 2.1, 2.2.
Dabei ist die Zellgehäuseseitenwand 2.1 mit dem fahnenartigen Messanschluss 2.11 in einem unteren Bereich um 90° in Richtung des Zellgehäuserahmens 2.3 gebogen, um eine Abkantung 2.12 auszubilden, so dass bei einer Verwendung einer in 4 und 5 dargestellten Wärmeleitplatte 4 eine Vergrößerung einer wirksamen Wärmeübergangsfläche A1 und somit eine verbesserte Kühlung der Batterie 1 erzielt werden.
In Abwandlungen dieses Ausführungsbeispiels sind die Dämpfungselemente 2.4 auf der anderen Gehäuseseitenwand 2.2 oder auf beiden Gehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 angeordnet. In letzterer Abwandlung kann als weitere Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass ein Dämpfungselement 2.4 im oberen Bereich der Gehäuseseitenwand 2.1 und ein weiteres Dämpfungselement 2.4 im unteren Bereich der Gehäuseseitenwand 2.2 oder umgekehrt angeordnet sind. Eine solche Anordnung kann, insbesondere wenn der Messanschluss 2.11 fehlt, einer ungewollten Verpolung der Zellen vorbeugen, da durch die Position der Dämpfungselemente 2.4 die Pollage kodiert ist.
In 4 und 5 ist die Batterie 1, welche beispielsweise in einem Fahrzeug, insbesondere einem Hybrid- und/oder Elektrofahrzeug zum Einsatz kommt, in einer Explosionsdarstellung und in einer perspektivischen Ansicht dargestellt.
4 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Batterie 1 mit einem aus mehreren Einzelzellen 2 gebildeten Zellverbundes Z. Zur Bildung des Zellverbundes Z werden die Pole P+, P– mehrerer Einzelzellen 2 in Abhängigkeit von einer gewünschten elektrischen Spannung und Leistung der Batterie 1 seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet. Ebenfalls in Abhängigkeit von der gewünschten elektrischen Spannung und Leistung der Batterie 1 kann der Zellverbund Z in Weiterbildungen der Erfindung aus einer beliebigen Anzahl von Einzelzellen 2 gebildet sein.
Durch die elektrische Kontaktierung der Zellgehäuseseitenwände 2.1, 2.2 von benachbarten Einzelzellen 2 mit unterschiedlichem elektrischem Potenzial jeweils über die Dämpfungselemente 2.4 wird eine serielle elektrische Verschaltung der Pole P+, P– der Einzelzellen 2 realisiert. Dabei liegt insbesondere die Zellgehäuseseitenwand 2.2 einer der Einzelzellen 2 kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig an den an der Zellgehäuseseitenwand 2.1 mit dem fahnenartigen Messanschluss 2.11 angebrachten Dämpfungselementen 2.4 einer benachbarten Einzelzelle 2 an und ist, da die Dämpfungselemente 2.4 elektrisch leitend sind, auf diese Weise mit der benachbarten Einzelzelle 2 elektrisch verbunden.
Die Batterie 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung aus dreißig Einzelzellen 2 gebildet, welche elektrisch seriell miteinander verschaltet sind. Zu einer Entnahme und/oder einer Zuführung von elektrischer Energie aus und/oder in die Batterie 1 ist an der Zellgehäuseseitenwand 2.2 der ersten Einzelzelle E1 des Zellverbundes Z, welche insbesondere den positiven Pol P+ der ersten Einzelzelle E1 bildet, ein elektrisches Anschlusselement 10 angeordnet. Dieses Anschlusselement 10 ist als elektrische Anschlussfahne ausgeführt und bildet den positiven Polanschluss P_pos der Batterie 1.
Auch an der Zellgehäuseseitenwand 2.1 der letzten Einzelzelle E2 des Zellverbundes Z, welche insbesondere den negativen Pol P– der letzten Einzelzelle E2 bildet, ist ein elektrisches Anschlusselement 11 angeordnet. Dieses Anschlusselement 11 ist ebenfalls als elektrische Anschlussfahne ausgeführt und bildet den negativen Polanschluss P_neg der Batterie 1. Es sei angemerkt, dass an dieser Stelle wenigstens das obere Dämpfungselement 2.4 der letzten Einzelzelle E2 entfernt ist.
An der Unterseite der Batterie 1 ist der Zellverbund Z thermisch mit der Wärmeleitplatte 3 gekoppelt. Die Wärmeleitplatte weist Wärmeträgeranschlüsse 3.1 auf, die mit einem im Inneren der Wärmeleitplatte 3 angeordneten, bspw. mäanderförmigen und ggf. verzweigten Wärmeträgerkanal (nicht näher dargestellt) verbunden sind. Dabei sind die Zellgehäuseseitenwände 2.1 mit der um 90° in Richtung des Zellgehäuserahmens 2.3 gebogenen Abkantung 2.12 direkt oder indirekt über ein wärmeleitfähiges Material, insbesondere eine Wärmeleitfolie 4, thermisch an die Wärmeleitplatte 3 gekoppelt, sodass eine effektive Kühlung der Batterie 1 erzielt wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann das wärmeleitfähige Material zusätzlich oder alternativ aus einer Vergussmasse und/oder einem Lack gebildet sein.
Zu einer kraftschlüssigen Verbindung der Einzelzellen 2 zu dem Zellverbund Z und einer kraftschlüssigen Anbindung der Wärmeleitplatte 3 und der Wärmeleiffolie 4 an den Zellverbund Z sind der Zellverbund Z, die Wärmeleitplatte 3 und die Wärmeleiffolie 4 in einem Gehäuserahmen angeordnet. Dieser Gehäuserahmen ist insbesondere aus einem oder mehreren den Zellverbund Z vollständig umschließenden Spannelementen 8, z. B. Spannbänder, gebildet, die die Einzelzellen 2 bzw. den Zellverbund Z, die Wärmeleitplatte 3 und die Wärmeleitfolie 4 sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung kraftschlüssig verbinden. Um einen sicheren Halt der Spannelemente 8 zu ermöglichen, sind an einer Unterseite der Wärmeleitplatte 3 vorzugsweise zu den Abmessungen der Spannelemente 8 korrespondierende Materialvertiefungen 3.2 ausgebildet.
In nicht näher dargestellten Weiterbildungen der Erfindung können einige oder alle Komponenten, d. h. die Einzelzellen 2, die Wärmeleitplatte 8, die Wärmeleiffolie 11 oder die gesamte Batterie 1 alternativ oder zusätzlich in einem Batteriegehäuse teilweise oder vollständig gekapselt verbaut sein.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Dämpfungselemente 2.4 elastisch nachgiebig, elektrisch leitend und wärmeleitend ausgebildet. Daher sind die Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2, welche die Pole P– und P+ der Zellen 2 ausbilden, zwischen benachbarten Zellen zuverlässig über die Dämpfungselemente 2.4 elektrisch kontaktierbar. Ferner wird eine Druckkraft, die über die Spannbänder 8 in den Zellblock Z eingeleitet wird, über die Dämpfungselemente 2.4 in den Rahmenbereich der Zellen 2 eingeleitet, wobei der Bereich des Elektrodenstapels 2.5 frei von Spannkräften bleibt. Die Zelle 2, insbesondere der Elektrodenstapel 2.5 kann sich im Betrieb vergleichsweise frei in Stapelrichtung ausdehnen. Auch Erschütterungen können in den Dämpfungselementen 2.4 absorbiert werden, wobei die Einzelzellen 2 mechanisch weitgehend voneinander entkoppelt sind. Schließlich weisen die Dämpfungselemente 2.4 gute Wärmeleiteigenschaften auf. Hierdurch kann ein Wärmeaustausch zwischen benachbarten Einzelzellen 2 stattfinden. Überschüssige Wärme einer Einzelzelle 2 kann nicht nur über die Zellgehauseseitenwand 2.1 dieser Einzelzelle 2, sondern zusätzlich über die Zellgehäuseseitenwand 2.1 einer benachbarten Einzelzelle 2 abgeleitet werden.
Ist die Batterie 1 beispielsweise eine Lithium-Ionen-Hochvolt-Batterie, wird im Allgemeinen eine spezielle Elektronik benötigt, welche z. B. eine Zellspannung der Einzelzellen 2 überwacht und korrigiert, ein Batteriemanagementsystem, welches insbesondere eine Leistungsaufnahme und -abgabe der Batterie 1 steuert (= Batteriesteuerung), und Sicherungselemente, welche bei Fehlfunktionen der Batterie 1 eine sichere Abtrennung der Batterie 1 von einem elektrischen Netz durchführen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein elektronisches Bauelement 13 vorgesehen, welches zumindest nicht näher dargestellte Einrichtungen zur Zellspannungsüberwachung und/oder zu einem Zellspannungsausgleich beinhaltet. Das elektronische Bauelement 13 kann in einer Weiterführung der Erfindung auch als gekapselte elektronische Baueinheit ausgebildet sein.
Das elektronische Bauelement 13 ist kopfseitig an dem Zellverbund auf den Spannelementen 12 und den Zellgehäuserahmen 2.3 der Einzelzellen 2 angeordnet. Um eine möglichst große Auflagefläche des elektronischen Bauelementes 13 und gleichzeitig eine Fixierung der Spannelemente 8 an der Oberseite des Zellverbundes Z zu erreichen, ist an der Oberseite des Rahmens 2.3 einer jeden Einzelzelle 2 partiell die Materialerhöhung 2.31 ausgebildet, deren Höhe insbesondere der Dicke des Spannelementes 8 entspricht. Zu einer Befestigung des elektronischen Bauelementes 13 an dem Zellverbund Z und/oder an den Spannelementen 8 kommen nicht näher dargestellte kraftschlüssige, formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindungstechniken zum Einsatz.
Für einen elektrischen Kontakt des Zellverbundes Z mit dem elektronischen Bauelement 13 sind die an den Zellgehäuseseitenwänden 2.1 angeordneten fahnenartigen Messanschlüsse 2.11 durch in dem elektronischen Bauelement 13 angeordnete Kontaktelemente 13.3 geführt, die eine zu den fahnenartigen Messanschlüsse 2.11 korrespondierende Form aufweisen.
Zusätzlich sind auch weitere nicht dargestellte elektronische Baueinheiten vorgesehen, welche beispielsweise das Batteriemanagementsystem, die Batteriesteuerung, die Sicherungselemente und/oder weitere Einrichtungen zum Betrieb und zur Steuerung der Batterie 1 beinhalten.
6 zeigt in einer schematisierten Querschnittsansicht einen Aufbau eines in 1, 2 oder 3 dargestellten Dämpfungselements 2.4 in einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante.
Gemäß der Darstellung in 6 weist das Dämpfungselement 2.4 eine erste Schale 2.41 und eine zweite Schale 2.42 auf. Die Schalen 2.41, 2.42 sind an einer Naht 2.43 miteinander verbunden, beispielsweise durch Verschweißen, Verkleben oder dergleichen. Die Schalen 2.41, 2.42 sind aus einem elektrisch leitfähigen und wärmeleitfähigen Material wie etwa Aluminium, oder dergleichen hergestellt. Die Schalen 2.41, 2.42 schließen einen Innenraum 2.44 ein, der in der dargestellten Ausführungsvariante mit einem Dämmstoff wie etwa einem PU-Schaum, Moosgummi, Filz oder dergleichen gefüllt ist. Es ist in einer weiteren Ausführungsvariante auch denkbar, den Innenraum 2.44 nur mit Luft zu füllen.
7 zeigt in einer schematisierten Querschnittsansicht einen Aufbau eines in 1, 2 oder 3 dargestellten Dämpfungselements 2.4 in einer anderen bevorzugten Ausführungsvariante.
Gemäß der Darstellung in 7 weist das Dämpfungselement 2.4 eine erste Schale 2.41 und eine zweite Schale 2.42 auf. Zwischen den Schalen 2.41, 2.42 erstreckt sich randseitig eine Balgstruktur 2.45, die an Nähten 2.43 an die Schalen 2.41, 2.42 angebunden ist. Die Schalen 2.41, 2.42 sind aus einem elektrisch leitfähigen und wärmeleitfähigen Material wie etwa Aluminium, oder dergleichen hergestellt. Die Schalen 2.41, 2.42 schließen einen Innenraum 2.44 ein, der in der dargestellten Ausführungsvariante mit einem Dämmstoff wie etwa einem PU-Schaum, Moosgummi, Filz oder dergleichen gefüllt ist. Bei entsprechender Steifigkeit der Balgstruktur 2.45 ist in einer weiteren Ausführungsvariante auch denkbar, den Innenraum 2.44 nur mit Luft zu füllen.
8 zeigt in einer schematisierten Querschnittsansicht einen Aufbau eines in 1, 2 oder 3 dargestellten Dämpfungselements 2.4 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante.
Gemäß der Darstellung in 8 weist das Dämpfungselement 2.4 einen Schaumblock 2.45 auf. Der Schaumblock 2.45 weist einen wärmeleitfähigen und elektrisch leitfähigen Kunststoff auf. In einer weiteren Ausführungsvariante ist der Schaumblock 2.45 aus einem an sich elektrisch und thermisch isolierenden Material geschäumt, das mit Füllstoffen dotiert ist, welche gute elektrische und thermische Leiter sind.
Es sei insbesondere, aber nicht nur, im Hinblick auf 6 bis 8 nochmals darauf hingewiesen, dass die Relationen von Dimensionen von Bauteilen, wie etwa Bauteildicken bzw. Bauteilstärken, in den Figuren zur Verdeutlichung der Darstellung verzerrt dargestellt sein können und von tatsächlichen Realisierungen, ggf. deutlich, abweichen können.
9 veranschaulicht in einer schematisierten räumlichen Explosionsdarstellung eine als Flachzelle ausgebildete Einzelzelle 2 als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel ist eine Abwandlung des in 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiels; soweit aus den nachstehenden Erläuterungen nichts anderes hervorgeht, sind die zu 1 bis 5 gemachten Erläuterungen entsprechend anzuwenden.
Gemäß der Darstellung in 9 ist ein Zellgehäuse (eine Einhausung) der Zelle 2 aus zwei Zellgehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 und einem dazwischen angeordneten, randseitig umlaufenden Zellgehäuserahmen 2.3 gebildet. Die Zellgehäuseseitenwände 2.1, 2.2 der Zelle 2 sind elektrisch leitend ausgeführt und bilden Pole P+, P– der Zelle 2. Der Zellgehäuserahmen 2.3 ist elektrisch isolierend ausgeführt, so dass die Zellgehauseseitenwande 2.1, 2.2 unterschiedlicher Polarität elektrisch voneinander isoliert sind. Der Zellgehäuserahmen 2.3 weist zusätzlich an einer Oberseite eine partielle Materialerhöhung 2.31 auf.
Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist auch hier die Zellgehäuseseitenwand 2.1 mit dem fahnenartigen Messanschluss 2.11 in einem unteren Bereich eine um 90° in Richtung des Zellgehäuserahmens 2.3 gebogene Abkantung 2.12 auf. Ferner weist diese Zellgehäuseseitenwand 2.1 in einem oberen Bereich zwei um 90° in Richtung des Zellgehäuserahmens 2.3 gebogene Laschen 2.13 auf. Im Zusammenbau greifen die Laschen 2.13 neben der Materialerhöhung 2.31 auf die obere Schmalseite 2.32 des Zellgehäuserahmens 2.3, während die Kante 2.12 auf die untere Schmalseite des Zellgehäuserahmens 2.3 greift.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die als positiver Pol P+ dienende Zellgehäuseseitenwand 2.2 ein Dämpfungselement 2.4 auf, das sich von der Zellgehäuseseitenwand 2.2 erhebt. Somit bildet das Dämpfungselement 2.4 hier den dritten Spannungs-Anschlusskontakt K3 der Zelle 2, während die andere Zellgehäuseseitenwand 2.1 den ersten Spannungs-Anschlusskontakt K1 bildet. Zu den Eigenschaften des Dämpfungselements 2.4 sei auf die Erläuterungen des vorherigen Ausführungsbeispiels und seiner Abwandlungen verwiesen. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Dämpfungselernent 2.4 bis auf einen kleinen Randbereich über die gesamte Fläche der Zellgehäuseseitenwand 2.2, was eine Verteilung von Druckkräften auf die gesamte Fläche der Zellgehäuseseitenwände 2.1, 2.2 der Zelle 2 ermöglicht. In Ausführungsvarianten kann das Dämpfungselement 2.4 nur abschnittsweise auf der Zellgehäuseseitenwand 2.2 ausgebildet sein.
10 veranschaulicht in einer schematisierten räumlichen Explosionsdarstellung eine Abwandlung der in 9 dargestellten Zelle 2.
Die Zellgehäuseseitenwand 2.1 mit dem fahnenartigen Messanschluss 2.11 weist in einem unteren Bereich eine um 90° in Richtung des Zellgehäuserahmens 2.3 gebogene Unterkante (Abkantung) 2.12 auf. Bei dieser Abwandlung weist die andere Zellgehäuseseitenwand 2.2 in einem oberen Bereich zwei um 90° in Richtung des Zellgehäuserahmens 2.3 gebogene Laschen 2.22 auf. Im Zusammenbau greifen die Laschen 2.22 der zweiten Gehäuseseitenwand 2.2 neben der Materialerhöhung 2.31 auf die obere Schmalseite 2.32 des Zellgehäuserahmens 2.3, während die Kante 2.12 der ersten Gehäuseseitenwand 2.1 auf die untere Schmalseite des Zellgehäuserahmens 2.3 greift.
Gemäß der Darstellung in 10 weist die zweite Zellgehäusewand 2.2 ein Dämpfungselement 2.4 auf, und zusätzlich weist die erste Zellgehäusewand 2.1 ein Dämpfungselement 2.4 auf. Beide Dämpfungselemente 2.4 sind wie das Dämpfungselement 2.4 des in 8 gezeigten Ausführungsbeispiels ausgebildet und bilden den ersten und den dritten Spannungs-Anschlusskontakt K1, K3 der Zelle 2.
Ein Aufbau der Zelle 2 gemäß 9 oder 10 ist vorteilhaft bei einer Batterie, die als Abwandlung von der in 4 und 5 gezeigten Batterie 1 beschrieben wird. Dabei sind die Spannbänder 8 aus einem wärmeleitenden Material wie etwa Metall hergestellt und liegen an den oberen Schmalseiten 2.32 der Zellen 2 und damit an den Laschen 2.13 der Zellgehäuseseitenwand 2.1 flächig an. Dadurch kann ein Wärmeübergang zwischen den Laschen 2.13 der Zellgehäuseseitenwand 2.1 in die Spannbänder 8 stattfinden, und die Überschusswärme kann durch die Spannbänder 8 ggf. bis zu der Kühlplatte 3 transportiert werden.
Durch eine elektrisch isolierende, aber wärmeleitende bzw. wärmedurchlässige Beschichtung der Spannbänder bzw. eine entsprechende Zwischenlage zwischen den Spannbändern 8 und den Laschen 2.13 der Zellgehäuseseitenwand 2.1 (nicht näher dargestellt) wird ein Kurzschließen bzw. ein unerwünschter Kontakt zwischen benachbarten Zellen 2 vermieden.
Zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche kann gegenüber der in 4 und 5 gezeigten Batterie 1 die Breite der Spannbänder 8 vergrößert und die Breite der Materialerhöhung 2.31 des Zellgehäuserahmens 2.3 entsprechend verringert werden.
Eine elektrische Kontaktierung der Zellen 2 untereinander erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel über das Dämpfungselement 2.4. Ein Wärmeaustausch zwischen benachbarten Zellen 2 sowie eine Ableitung von im Inneren der Zellen 2 erzeugter Wärme wird über das Dämpfungselement 2.4 erleichtert.
11 veranschaulicht in einer schematisierten räumlichen Ansicht den Aufbau einer solchen Batterie 1 als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 1 dieses Ausführungsbeispiels kann als eine Abwandlung der in 4 und 5 gezeigten Batterie verstanden werden, sodass in Bezug auf den grundsätzlichen Aufbau auf die diesbezüglichen Erläuterungen verwiesen wird.
Die Batterie 1 ist aus fünfunddreißig Einzelzellen 2 aufgebaut. Die Einzelzellen 2 sind Sekundärzellen (Akkumulatorzellen) mit aktiven Bereichen, die Lithium enthalten, und sind als Rahmenflachzellen gemäß 9 oder 10 aufgebaut.
Unter den Zellen 2 ist eine Kühlplatte 3 zum Temperieren der Zellen 2 angeordnet. Die Kühlplatte 3 weist in ihrem Inneren einen Kühlkanal (nicht näher dargestellt), der von einem Kühlmittel durchströmbar ist, sowie zwei Kühlmittelanschlüsse 3.1 zum Zu- und Abführen des Kühlmittels auf. Über die Kühlmittelanschlüsse 3.1 ist die Kühlplatte 3 an einen nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf anschließbar, über den von dem Kühlmittel aufgenommene Abwärme aus der Batterie 1 abführbar ist.
Zwischen der Kühlplatte 3 und den Bodenflächen der Zellen 2 bzw. den unteren Abkantungen 2.12 der Zellgehäuseseitenwände 2.1 ist eine Wärmeleitfolie 4 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet, welche die Kühlplatte 3 von den Zellen 2 elektrisch isoliert. Über den Zellen 2 ist eine Andruckplatte 5 aus einem Metall wie etwa Stahl, Aluminium oder dergleichen hergestellt, wobei an der Unterseite eine elektrisch isolierende Beschichtung (nicht näher dargestellt) vorgesehen ist. angeordnet. Weiter alternativ kann die Andruckplatte 5 aus einem elektrisch isolierenden Material mit guten Wärmeleiteigenschaften wie etwa einem verstärkten Kunststoff mit wärmeleitenden Dotierungen hergestellt sein.
An einem vorderen Ende des Zellenverbundes befindet sich eine vordere Polplatte 6, und an einem hinteren Ende des Zellenverbundes ist eine hintere Polplatte 7 angeordnet. Die Polplatten 6 und 7 bilden jeweils einen Pol der Batterie 1 und weisen jeweils eine über die Andruckplatte 5 hinaus ragende fahnenartige Verlängerung 6.1, 7.1 auf, welche jeweils einen Polkontakt der Batterie 1 bilden. Ferner weisen die Polplatten 6 und 7 jeweils zwei Befestigungsnasen (vgl. 6.2, 7.2 in 3) auf, die parallel zu der Andruckplatte 5 von der jeweiligen Polplatte 6, 7 abgewinkelt sind und auf der Andruckplatte 5 anliegen und elektrisch von der Andruckplatte 5 isoliert sind.
Die Andruckplatte 5, die Zellen 2, die Polplatten 6, 7 und die Kühlplatte 3 sind durch zwei Spannbänder 8 aneinander gepresst, die jeweils um die Andruckplatte 5, die Polplatten 6, 7 und die Kühlplatte 3 herum geführt sind. Die Spannbänder 8 spannen vertikal verlaufende Ebenen bezüglich der Batterie 1 auf und werden daher auch als vertikale Spannbänder 8 bezeichnet.
Die Spannbänder 8 sind aus einem guten Wärmeleiter wie etwa Federstahl ausgebildet und weisen eine elektrisch isolierende, aber wärmeleitende bzw. wärmedurchlässige Beschichtung auf. Alternativ kann zwischen der Andruckplatte 5 und den Zellen 2 eine elektrisch isolierende Zwischenlage ähnlich der Wärmeleitfolie 4 angeordnet sein. Die vertikal verlaufenden Spannbänder 8 weisen wärmeleitenden, flächigen Kontakt mit der Andruckplatte 5 und der Kühlplatte 3 auf.
Durch die wärmeleitenden Eigenschaften der vertikalen Spannbänder 8 und der Andruckplatte 5 und den wärmeleitenden Kontakt der Andruckplatte 5 mit den oberen Schmalseiten der die Zellen 2 aufnehmenden Wärmeleitelementen 15 und den vertikalen Spannbändern 8 kann auch im oberen Bereich der Batterie ein Wärmeausgleich zwischen den Zellen 2 sowie ein Wärmetransport von der Oberseite zu der auf der Unterseite liegenden Kühlplatte 3 erfolgen.
Die Andruckplatte 5 ist in einer Ausführungsvariante wenigstens teilweise als Leiterplatte aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial, vorzugsweise aus Kunststoff mit einer optionalen Glasfaserverstärkung, ausgebildet und trägt elektrische Bauelemente zur Überwachung und/oder Steuerung der Batteriefunktionen sowie Leiterbahnen, die jeweils nicht dargestellt sind. Derartige elektrische Bauelemente sind beispielsweise Zellspannungsüberwachungselemente und/oder Zellspannungsausgleichselemente zum Ausgleich unterschiedlicher Ladungsstände von Zellen, welche beispielsweise auf der Leiterplatte in Form von Mikrochips vorliegen, und/oder Temperatursensoren zur Überwachung einer Temperatur der Zellen 2. Wenigstens in Bereichen, auf welchen die Spannbänder 8 aufliegen, weist die Andruckplatte 5 gute Wärmeleiteigenschaften auf; derartige Zonen können auch als Wrmeleitzonen bezeichnet werden. Die Andruckplatte 5 ist dabei vorzugsweise ferner so ausgebildet, dass Wärme erzeugende und/oder wärmeempfindliche Schaltungselemente in der Nähe der Wärmeleitzone und/oder in wärmeleitendem Kontakt mit der Wärmeleitzone anordenbar sind. Besonders bevorzugt weist die Leiterplatte selbst gute Wärmeleiteigenschaften auf und bildet als solches die Andruckplatte 5. Die Andruckplatte 5 kann in einer weiteren Ausführungsvariante ganz aus einem Material mit guten Wärmeleiteigenschaften ausgebildet sein, wobei in Bereichen, an denen keine Spannbänder 8 aufliegen, eine Leiterplatte wie vorstehend beschrieben vorgesehen ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Spanneinrichtung durch zwei metallische Spannbänder 8 verwirklicht, die mit einer elektrisch isolierenden, aber Wärme leitenden Schicht versehen sind. Alternativ zu einer Beschichtung können auch elektrisch isolierende, aber wärmeleitende oder wärmedurchlässige Zwischenlagen wie etwa die Wärmeleitfolie 4 auch zwischen den vertikalen Spannbändern 8 und den Polplatten 6, 7.
In einer Ausführungsvariante können die Spannbänder 8 aus einem Nichtleitermaterial hergestellt sein, etwa aus einem wärmeleitenden Kunststoff, vorzugsweise mit Glasfaser-, Kevlar- oder Metallarmierung und einem wärmeleitenden Füllmaterial. In einem solchen Fall ist eine zusätzliche Isolierung unter Umständen nicht erforderlich.
In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Spannbänder 8 jeweils einen Spannbereich auf, der in der dargestellten Ausführungsvariante als wellenartiger Dehnbereich ausgebildet ist. Anstelle eines Dehnbereichs der Spannbänder 8 kann auch ein Crimpverfahren angewendet werden, um die Spannbänder zu spannen und die Enden fest miteinander zu verbinden. In einer weiteren Ausführungsalternative können Knebelverschlüsse, Schraubverschlüsse oder eine vergleichbare Art von Spannschloss vorgesehen sein.
Die Spannbänder 8 können in einer Ausführungsvariante in nicht näher dargestellten Vertiefungen über die Andruckplatte 5, die hintere Polplatte 7, die Kühlplatte 3 und die vordere Polplatte 6 verlaufen.
12 veranschaulicht in einer schematischen räumlichen Ansicht den Aufbau einer Batteriezelle 2 als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Batteriezelle 2 dieses Ausführungsbeispiels ist eine sogenannte Coffeebag- oder Pouchzelle, deren flacher, in etwa quaderförmiger Elektrodenstapel (aktiver Teil) in eine Folie eingeschlagen ist, welche im Randbereich versiegelt ist und eine sogenannte Siegelnaht 2.7 bildet. Stromableiter 2.6 der Zelle 2 erstrecken sich an Durchtrittsbereichen 2.71 durch die Siegelnaht 2.7 hindurch. Die Stromableiter 2.6 der Zelle 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel an gegenüberliegenden Schmalseiten, vorzugsweise den kürzeren Schmalseiten der Zelle 2 angeordnet. An den anderen Schmalseiten der Siegelnaht 2.7 ist ein Falz 2.72 ausgebildet.
An den Flachseiten der Zelle 2 sind Dämpfungselemente 2.4 als elastische Mittel (Polster) angebracht, z. B. aufgeklebt oder dergleichen. Die Dämpfungselemente 2.4 dienen der elastischen Abstützung der Zelle 2 gegen andere Zellen oder einen Batteriegehäuserahmen oder ein Rahmenelement und sind geeignet, thermische Ausdehnungen auszugleichen oder Stöße abzufedern. Die Dämpfungselemente 2.4 weisen gute Wärmeleiteigenschaften auf, sie sind aber elektrisch nicht leitend. Dazu ist beispielsweise ein nachgiebiges, an sich nicht besonders wärmeleitend ausgebildetes Material wie etwa PU-Schaum, Moosgummi oder dergleichen in einer gut wärmeleitenden Hülle (Folie oder dergleichen) angeordnet. Die Hülle ist vorzugsweise selbst dehnbar oder balgartig ausgebildet, um den Bewegungen des nachgiebigen Materials folgen zu können.
In einer Abwandlung weist das nachgiebige Material, das in einer gesonderten Hülle angeordnet sein kann, aber nicht muss, selbst wärmeleitende Eigenschaften auf. Es handelt sich beispielsweise um ein Wärmeleitgel, eine Anordnung von Metallfedern, -spänen oder dergleichen oder einen mit Metallteilen dotierten Schaum.
Im Übrigen können die Erläuterungen anhand der 6 bis 8 zu den Dämpfungselementen 2.4 sinngemäß herangezogen werden.
Aufgrund der wärmeleitenden Eigenschaften der Dämpfungselemente 2.4 kann ein thermischer Ausgleich zwischen benachbarten Zellen 2 erleichtert werden. Falls zwischen benachbarten Zellen 2 Wärmeleitmittel wie etwa Wärmeleitbleche oder dergleichen angeordnet sind, kann auch eine wirksame Wärmeableitung aus einem Zellverbund aus Zellen 2 verwirklicht werden, ohne im Inneren des Zellverbundes eine aktive Kühlung vorsehen zu müssen.
13 veranschaulicht in einer räumlichen Ansicht eine Batterie 1 mit mehreren Zellen 2 gemäß 12 als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der Darstellung in 13 sind mehrere Zellen 2 zwischen jeweils zwei Halterahmen 16, 16 oder 16, 17 angeordnet. Die Anordnung aus Zellen 2 und Halterahmen 16, 17 ist zwischen zwei Endplatten 18, 19 angeordnet. Vier Zuganker 20 mit Gegenmuttern 21 sind zur Verspannung des Verbundes aus Zellen, Halterahmen 16, 17 und Endplatten 18, 19 vorgesehen.
Die Endplatten 18, 19 dienen auch als elektrische Pole der Batterie 1. Zum Anschluss sind entsprechende Anschlusseinrichtungen 23, 24 vorgesehen. Ein an Streben 25 angebrachtes Steuergerät 26 ist zur Überwachung von Zustandsparametern der Batterie 1 und der einzelnen Zellen 2, zum Ladungsausgleich und dergleichen vorgesehen. Um einen Kurzschluss zwischen den Endplatten 18, 19 zu vermeiden, sind die Zuganker 20 und/oder Gegenmuttern 21 gegen wenigstens eine der Endplatten 18, 19 elektrisch isoliert.
Die Zellen 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel als sogenannte Coffeebag- oder Pouch-Zellen gemäß 12 ausgebildet. Die Zellen 2 werden von den Halterahmen 16, 17 an den Ableitern selbst oder in den Durchtrittsbereichen 2.71 gefasst und geben an dieser Stelle Wärme an die Rahmenelemente 16, 17 ab. Ferner sind zwischen den Dämpfungselementen 2.4 einer Zelle 2 und einer leeren Flachseite 2.8 einer benachbarten Zelle 2 Wärmeleitfolien (nicht näher dargestellt) angeordnet, die sich nach oben und unten bis in den Bereich des Falzes 2.72 der Siegelnaht 2.7 erstrecken und dort zwischen dem Falz 2.72 und einem jeweiligen Halterahmen 16, 17 eingeklemmt wird. Auf diese Weise kann auch über die Flachseiten 2.8, die Dämpfungselemente 2.4 und die nicht näher dargestellten Wärmeleitfolien Wärme aus dem Zellinneren an die Rahmenelemente 16, 17 abgegeben werden. Von den einen kompakten Block ausbildenden Rahmenelementen 16, 17 kann die Wärme durch Konvektion oder Wärmesenken wie etwa eine Kühlplatte, beispielsweise wie in 5 u. a. gezeigt, abgeführt werden.
In einer Ausführungsvariante nehmen die Zuganker 20 Wärme von den Rahmenelementen 16, 17 auf, um sie nach außen abzuleiten. Sie befinden sich hierzu in Wärme leitendem Kontakt mit den Endplatten 18, 19. Über die Endplatten 18, 19 kann dann die Wärme mittels einer geeigneten Kühleinrichtung (nicht näher dargestellt) abgeleitet werden. Die Zuganker verlaufen durch die Rahmenelemente 16, 17 hindurch und nehmen Wärme von den Halterahmen 16, 17 auf. Alternativ können separate Kontaktelemente vorgesehen sein, die von den Halterahmen 16, 17 gefasst werden und den Anpressdruck auf die Randabschnitte der Zellen 2 ausüben und Wärme von diesen aufnehmen. Als Kühleinrichtung kommt z. B. ein von Luft umströmtes Profil aus Aluminium oder einem anderen guten Wärmeleiter in Betracht, das durch die Zuganker auf der Kopfseite und/oder der Mutterseite mit den Endplatten 18, 19 verschraubt wird. Alternativ kann auch an einer oder beiden der Endplatten 18, 19 eine Kühlplatte mit oder ohne zirkulierendes Wärmeträgermedium stirnseitig angebracht sein, an welchen die Zuganker 20 Wärme abgeben können. Es sind auch noch andere Arten der Wärmeableitung über die Zuganker 20 denkbar.
In weiteren Ausführungsvarianten können mehr als vier Zuganker, z. B. sechs oder acht Zuganker, vorgesehen sein, um den Zellblock zu verspannen und Wärme abzuleiten.
Alternativ kann auch bei dieser Form eines Zellblocks die Verspannung beispielsweise über wärmeleitende Spannbänder erfolgen (vgl. 11). In einer weiteren Ausführungsvariante können solche Spannbänder beispielsweise, aber, nicht nur, über Abschrägungen 16.1, 17.1, 18.1, 19.1 der Halterahmen 16, 17 und der Endplatten 18, 19 geführt werden
In den 14 und 15 ist eine als Flachzelle ausgeführte galvanische Zelle bzw. Batteriezelle (Einzelzelle) 2 und ein zu ihr korrespondierendes Wärmeleitelement 14 dargestellt, wobei 14 eine perspektivische Ansicht und 15 eine Querschnittsansicht der Einzelzelle 2 und des Wärmeleitelementes 14 zeigen.
Die Einzelzelle 2 weist eine nicht näher bezeichnete Einhausung auf, die einen hier nicht näher dargestellten Elektrodenstapel umschließt. Die Einhausung weist zwei Folienschichten auf, die in einem Randbereich verschweißt sind, um eine sogenannte Siegelnaht 2.7 auszubilden, um den Elektrodenstapel gas- und feuchtigkeitsdicht zu umschließen. Der Elektrodenstapel ist als Verdickung der Einzelzelle 2 ausgeprägt. Die sich in einer Stapelrichtung s an die Flachseiten des Elektrodenstapels anschließenden Teile der Einhausung können im Sinne der Definition in 1 ff. auch als Gehäuseseitenwände 2.1, 2.2 verstanden werden.
Der Elektrodenstapel ist ähnlich wie der in 2 dargestellte Elektrodenstapel 2.5 aufgebaut; jedoch ragen Ableitfahnen, je nach Polarität seitlich versetzt, an einer einzigen Schmalseite (hier der Oberseite) des Elektrodenstapels ab und sind noch innerhalb der Einhausung mit Stromableitern 2.6 verbunden, die sich durch die Siegelnaht 2.7 hindurch nach außen erstrecken und Polkontakte P+, P– der Zelle 2 ausbilden. In einer Ausführungsvariante können nach Polarität zusammengefasste Ableitfahnen des Elektrodenstapels selbst als Stromableiter 2.6 durch die Siegelnaht 2.7 nach außen geführt sein.
Auf einer der Gehäuseseitenwände, hier der Gehäuseseitenwand 2.2, ist ein Dämpfungselement 2.4 angeordnet. Das Dämpfungselement 2.4 ist in diesem Ausführungsbeispiel integral mit der Gehäuseseitenwand 2.2 gebildet. Und zwar weist die Gehäuseseitenwand eine Innenschale 2.2a und eine Außenschale 2.2b auf, die beispielsweise aus einem Folienmaterial gebildet sind und als Analogie zu den Schalen 2.41, 2.42 des Dämpfungselements 2.4 gemäß 6 verstanden werden können. Zwischen der Innenschale 2.2a und der Außenschale 2.2b erstreckt sich ein Hohlraum 2.44, der mit einem elastisch nachgiebigen und wärmeleitenden Material gefüllt ist; zu möglichen Ausführungsvarianten sei auf die Ausführungen zu 6 verwiesen. Im Unterschied zu dem in 6 gezeigten Dämpfungselement 2.4 ist darauf hinzuweisen, dass bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Außenschale 2.2b nicht elektrisch leitend ist, und dass die Füllung des Hohlraums 2.44 wärmeleitend ist.
Das Wärmeleitelement 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Wärmeleitblech der Breite w und Höhe h mit einem langen Schenkel 14.11 und einem kurzen Schenkel 14.12 ausgebildet, wobei der kurze Schenkel 14.12 von dem langen Schenkel 14.11 L-förmig um etwa 90° abgewinkelt ist und eine Länge d hat. Die Unterseite des kurzen Schenkels 14.12 bildet eine Kühlkontaktfläche A1, welche in unten näher beschriebener Weise kühlbar ist.
Der lange Schenkel 14.11 des Wärmeleitelementes 14 hat eine Dicke b und weist eine Zellkontaktfläche A2 auf, welche an der ersten Gehäuseseitenwand 2.1 der Einzelzelle 2 anliegt. Dadurch kann ein Wärmefluss W von der Einzelzelle 2 großflächig durch die Zellkontaktfläche A2 zu dem langen Schenkel 14.11 des Wärmeleitelementes 14 und von dort zu dessen kurzem Schenkel 14.12 geleitet und über den kurzen Schenkel 14.12 durch dessen Kühlkontaktfläche A1 abgeführt werden. Gleichzeitig kann in einer Stapelanordnung mehrerer Zellen 2 und Wärmeleitelemente 14 in einem weiteren, nicht näher dargestellten Wärmefluss Wärme aus dem Inneren der Zelle 2 über das wärmeleitende Dämfpungselemente 2.4 an den langen Schenkel 14.12 eines Wärmeleitelements 14 abgegeben und über den kurzen Schenkel 14.12 durch dessen Kühlkontaktfläche A1 abgeführt werden.
16 zeigt in einer Darstellung entsprechend 15 eine Einzelzelle 2 und ein Wärmeleitelement 14 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Querschnittsansicht.
Die Einzelzelle 2 ist ähnlich wie die Einzelzelle in 14 und 15 aufgebaut. Der Einzelzelle 2 dieses Ausführungsbeispiels fehlt jedoch ein Dämpfungselement (2.4 in 14 bzw. 2.2a, 2.2b, 2.44 in 15). Stattdessen weist das Wärmeleitelement 14 an einer der Einzelzelle 2 abgewandten Seite des langen Schenkels 14.11 ein Dämpfungselement 14.2 auf.
Das Dämpfungselement 14.2 weist gute Wärmeleiteigenschaften auf. Dazu ist beispielsweise ein nachgiebiges, an sich nicht besonders wärmeleitend ausgebildetes Material wie etwa PU-Schaum, Moosgummi oder dergleichen in einer gut wärmeleitenden Hülle (Folie oder dergleichen) angeordnet. Die Hülle ist vorzugsweise selbst dehnbar oder balgartig ausgebildet, um den Bewegungen des nachgiebigen Materials folgen zu können.
In einer Abwandlung weist das nachgiebige Material, das in einer gesonderten Hülle angeordnet sein kann, aber nicht muss, selbst wärmeleitende Eigenschaften auf. Es handelt sich beispielsweise um ein Wärmeleitgel, eine Anordnung von Metallfedern, -spänen oder dergleichen oder einen mit Metallteilen dotierten Schaum.
In einer weiteren Abwandlung kann das Dämpfungselemente 14.2 als wärmeleitende Dämpfungsschicht direkt auf den langen Schenkel 14.11 aufgetragen sein.
Aufgrund der wärmeleitenden Eigenschaften der Dämpfungselemente 14.2 kann ein thermischer Ausgleich zwischen benachbarten Zellen 2 erleichtert werden und eine wirksame Wärmeableitung aus einem Zellverbund aus Zellen 2 verwirklicht werden, ohne im Inneren des Zellverbundes eine aktive Kühlung vorsehen zu müssen.
17 zeigt eine Einzelzelle 2 und ein Wärmeleitelement 14 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer räumlichen Explosionsdarstellung.
Die Einzelzelle 2 ist wie die Einzelzelle in 16 aufgebaut. Das Wärmeleitelement 14 ist ebenfalls im Wesentlichen wie das Wärmeleitelement 14 in 16 aufgebaut; jedoch weist das Wärmeleitelement 14 in diesem Ausführungsbeispiel ein Dämpfungselement 14.2 an einer der Einzelzelle 2 zugewandten Seite des langen Schenkels 14.11 auf. Zu Einzelheiten bezüglich des Dämpfungselements 14.2 sei auf die Erläuterungen zu 21 verwiesen.
18 zeigt in einer Darstellung entsprechend 17 eine Einzelzelle 2 und ein Wärmeleitelement 14 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer räumlichen Explosionsdarstellung.
Die Einzelzelle 2 ist wie die Einzelzelle in 17 aufgebaut. Das Wärmeleitelement 14 ist ebenfalls im Wesentlichen wie das Wärmeleitelement 14 in 16 oder 17 aufgebaut; jedoch weist das Wärmeleitelement 14 in diesem Ausführungsbeispiel ein Dämpfungselement 14.2 an beiden Flachseiten des langen Schenkels 14.11 auf. Zu Einzelheiten bezüglich der Dämpfungselemente 14.2 sei auf die Erläuterungen zu 21 verwiesen.
19 und 20 zeigen eine Batterie 1 mit mehreren anhand der 14 bis 18 beschriebenen Einzelzellen 2 und zwischen diesen angeordneten Wärmeleitelementen 14, wobei die Batterie 1 in 19 in einer Explosionsdarstellung und in 20 in einem montierten Zustand gezeigt ist. Die Einzelzellen 2 sind zu einem Zellenverbund Z zusammengefasst.
Zur Kühlung der Batterie 1 ist an den Einzelzellen 2 bodenseitig eine Kühlplatte 3 angeordnet. Dabei sind die kurzen Schenkel 14.12 der Wärmeleitelemente 14 wärmeleitend, nämlich durch flächigen Kontakt, mit der Kühlplatte 3 verbunden. Dadurch wird von den Einzelzellen 2 auf die zugehörigen Wärmeleitelemente 14 übertragene Wärme an die Kühlplatte 3 abgeführt, wenn deren Temperatur niedriger als die Temperatur der Wärmeleitelemente 14 ist.
Die Wärmeleitelemente 14 sind mittels Spannelementen 8, insbesondere Spanngurten, mit den Einzelzellen 2 verpresst und an der Kühlplatte 3 fixiert. Dazu weist die Kühlplatte 3 an einer dem Zellenverbund Z abgewandten Seite in Längsrichtung Einkerbungen 3.2 auf, die zu den Abmaßen des Spannelementes 8, insbesondere dessen Breite und Höhe, korrespondieren. Die Anzahl der Einkerbungen 3.2 entspricht insbesondere der Anzahl der Spannelemente 8, die zur Befestigung des Zellenverbundes Z verwendet werden.
Die Kühlplatte 3 weist ferner eine Kühlmittelanschlusseinheit 3.10 mit wenigstens einer Eintrittsöffnung 3.11 und wenigstens einer Austrittsöffnung 3.12 auf, über welche ein Kühlmedium bzw. Wärmeträger der Kühlplatte 3 zuführbar bzw. aus ihr abführbar ist. Durch die Kühlmittelanschlusseinheit 3.10 ist die Kühlplatte 3 an einen Kühlmittelkreislauf anschließbar, beispielsweise einen Kühlmittelkreislauf einer nicht dargestellten Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges. In dem Kühlmittelkreislauf strömt das Kühlmedium, welches über den Kühlmittelkreislauf aufgenommene Wärme abführt.
21 veranschaulicht in einer Querschnittsansicht den Aufbau einer Wärmeleitelement 14 als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Wärmeleitelement 14 dieses Ausführungsbeispiels weist eine Trägerstruktur 14.1 und zwei Dämpfungselemente 14.2 auf. Die Trägerstruktur 14.1 ist aus einem gut wärmeleitenden Material wie etwa Aluminium oder einem anderen Metall, einem wärmeleitenden Kunststoff oder dergleichen hergestellt. Sie weist im Querschnitt die Form eines T-Profils mit einem langen Schenkel 14.11 und zwei kurzen Schenkeln 14.12 auf. Der lange Schenkel 14.11 ist zur Anordnung zwischen Batteriezellen 2 (als gestrichelte Umrisse 2 dargestellt) eines Zellverbundes vorgesehen, um in den Batteriezellen 2 erzeugte Wärme aufzunehmen. Die kurzen Schenkel 14.12 sind zur Anlage an einer Wärmeleitplatte 3 (als gepunkteter Umriss 3 dargestellt) oder dergleichen vorgesehen, um die von den Batteriezellen 2 aufgenommen Wärme abzugeben.
Auf beiden Seiten des langen Schenkels 14.11 sind die Dämpfungselemente 14.2 angeordnet, z. B. aufgeklebt oder dergleichen. Die Dämpfungselemente 14.2 dienen der elastischen Abstützung der Zellen 2 gegeneinander und sind geeignet, thermische Ausdehnungen der Zellen 2 auszugleichen oder Stöße abzufedern. Im Übrigen wird in Bezug auf Eigenschaften der Dämpfungselemente 14.2 auf die Erläuterungen zu dem Dämpfungselement 14.2 in dem Wärmeleitelement 14 gemäß 16 verwiesen.
Die Dämpfungselemente 14.22 können sich in einer Abwandlung auf die kurzen Schenkel 14.12 erstrecken, um insbesondere bei Rahmenflachzellen auch eine Abfederung nach unten zu erzielen.
Zwischen den kurzen Schenkeln 14.22 und der Kühlplatte 3 kann eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie oder dergleichen vorgesehen sein.
Das Wärmeleitelement 14 dieses Ausführungsbeispiels kann in einer Batterie 1, wie sie in 4 und 5 dargestellt ist, zwischen Zellen 2, die selbst keine Federelemente aufweisen, verwendet werden.
Für den Einsatz mit Zellen, deren Flachseiten als Zellenpole ausgebildet sind, sind sowohl die Dämpfungselemente 14.2 als auch die Trägerstruktur 14.1 elektrisch leitend ausgebildet. An Stellen innerhalb einer Batterie, an welcher eine Reihenschaltung von derartigen Zellen unterbrochen werden soll, sowie für den Einsatz mit Zellen, bei denen Zellenpole anders, etwa durch fahnenartige Ableiter ausgebildet sind, können wenigstens die Dämpfungselemente 14.2 elektrisch isolierend ausgebildet sein.
22 veranschaulicht als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Wärmeleitelement 15 mit einer als Rahmenflachzelle ausgebildeten galvanischen Zelle (Einzelzelle) 2 in einer räumlichen Ansicht, wobei die Rahmenflachzelle 2 und das Wärmeleitelement 15 zum Zwecke der Erläuterung voneinander getrennt dargestellt sind.
Gemäß der Darstellung in 22 ist die Zelle 2 ähnlich den in 1 bis 3 oder 9 oder 10 gezeigten Zellen 2 ausgebildet. Allerdings weisen die Zellgehauseseitenteile 2.1, 2.2 keine gebogenen Abschnitte (2.12, 2.13 oder 2.22 in 6 oder 8) auf, und keines der Zellgehauseseitenteile 2.1, 2.2 trägt ein Dämpfungselement. Die Zellgehauseseitenteile 2.1, 2.2 sind somit im Wesentlichen als ebene Platten ausgebildet, deren Höhe und Breite im Wesentlichen denjenigen des Zellgehäuserahmens 2.3 ohne die Materialerhöhung 2.31 entsprechen. Es sei erwähnt, dass die Erfindung in der Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels auch funktionsfähig ist, wenn die Zellgehäuseseitenteile 2.1, 2.2 der Zelle 2 gebogene Abschnitte und/oder Federelemente aufweisen.
Das Wärmeleitelement 15 ist als ein flacher Kasten mit einem Boden 15.1 und einem schmalen, umlaufenden Rand 15.2 ausgebildet. Dabei bildet der Boden 15.1 eine erste Flachseite des Wärmeleitelements 15 und bildet der Rand 15.2 vier Schmalseiten des Wärmeleitelements, während eine freiliegende Kante 15.20 des Randes 15.2 eine zweite, offene Flachseite des Wärmeleitelements 15 definiert. Das Wärmeleitelement 15 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein Tiefziehteil aus einem Material mit guten elektrischen und thermischen Leitereigenschaften, vorzugsweise aus Aluminium oder Stahl oder einem anderen Metall, hergestellt.
Der Rand 15.2 weist in einem oberen Bereich in der Mitte eine Materialausnehmung 15.3 auf. Die Breite der Materialausnehmung 15.3 entspricht der Breite der Materialerhöhung 2.31 des Zellgehäuserahmens 2.3 der Zelle 2 auf Spiel. Die Innenabmessungen, insbesondere Innenhöhe und Innenbreite des Wärmeleitelements 15, sind mit geringem Spiel an die Außenabmessungen der Zelle 2 angepasst, sodass die Zelle 2 im Inneren des Wärmeleitelements 15 Platz findet und ohne Kraft eingesetzt werden kann (vgl. Pfeil ”F” in 21). Wenn sich die Zelle 2 im Betrieb erwärmt und dadurch ausdehnt, kann das Zellgehäuse dann fest an dem Rand 15.2 des Wärmeleitelements 15 anliegen. Die Höhe des Randes 15.2 ist dabei so bemessen, dass dann, wenn die Zelle 2 mit ihrer Zellgehäuseseitenwand 2.2 an dem Boden 15.1 des Wärmeleitelements 15 anliegt, der Rand 15.2 die andere Zellgehäuseseitenwand 2.1 nicht erreicht.
Auf der Innenfläche des Bodens 15.1 ist ein Dämpfungselement 15.5 angeordnet. Zu Eigenschaften des Dämpfungselements 15.5 sei auf die Erläuterungen zu Dämpfungselementen 2.4, 14.2 gemäß vorstehender Beschreibung verwiesen.
Eine Mehrzahl von Zellen 2 mit Wärmeleitelement 15 können ähnlich wie in 4 und 5 dargestellt zu einem Zellblock bzw. einer Batterie zusammengefasst werden. Dabei wirken die Wärmeleitelemente 15 einerseits als Kontaktierung zwischen Kontaktabschnitten K1, K3 aufeinander folgender Zellen, andererseits transportieren sie im Inneren der Zellen 2 erzeugte Wärme über die Dämpfungselemente 15.5 und die Böden 15.1 zu den nach außen hin frei liegenden Rändern 15.2, wo die Wärme entweder direkt an eine Kühlplatte abgegeben oder über Spanneinrichtungen zu einer Kühlplatte geleitet werden kann. Analog den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist für eine elektrische Isolierung zwischen den Wärmeleitelementen 15 und der Kühlplatte bzw. den Spannbändern (vgl. 8 in 5 u. a.) zu sorgen, um eine Fehlkontaktierung zu vermeiden.
In einer Ausführungsvariante sind die Innenabmessungen des Wärmeleitelements 15 nicht auf Spiel, sondern mit leichtem Untermaß zu den Außenabmessungen der Zelle 2 dimensioniert, sodass das Wärmeleitelement 15 und die Zelle 2 mit einer gewissen Kraft zu fügen sind.
Obschon in der Figur nicht näher dargestellt, können Vertiefungen vorgesehen sein, die der Aufnahme und Führung von Spannbändern dienlich sind.
23 veranschaulicht in einer schematisierten räumlichen Ansicht eine Abwandlung des Wärmeleitelements 15 gemäß 22.
Gemäß der Darstellung in 23 weist der Rand 15.2 des Wärmeleitelements an seinen Kanten Unterbrechungen (Einschnitte) 15.4 auf, sodass der durchgehende Rand 15.2 (21) in zwei seitliche Randabschnitte 15.21, einen unteren Randabschnitt 15.22 und zwei obere Randabschnitte 15.23 zerfällt. Wenn der Rand mit Untermaß zu der Zelle 2 dimensioniert ist, kann bei dieser Abwandlung eine Fügekraft geringer sein, da die Randabschnitte 15.21, 15.22, 15.23 federnd nachgeben können. Das Wärmeleitelement 15 kann bei der Herstellung zunächst aus einem planen Blechteil gestanzt oder geschnitten und dann in Form gebogen werden. Alternativ kann das Wärmeleitelement 15 tiefgezogen und dann ausgeschnitten werden.
Als eine weitere Abwandlung sind hier vier Dämpfungselemente 15.5 vorgesehen, die sich über die Innenfläche des Bodens 15.1 verteilen. Zu Eigenschaften der elastischen Elemente 15.5 dieser Abwandlung sind die Erläuterungen zu den Dämpfungselementen 2.4 oder 14.2 sinngemäß anwendbar.
24 veranschaulicht in einer schematisierten räumlichen Ansicht den Aufbau einer Batterie 1 als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 1 ist aus fünfunddreißig Einzelzellen 2 aufgebaut, die jeweils in einem Wärmeleitelement 15 gemäß 22 oder 23 aufgenommen sind. Die Einzelzellen 2 sind Sekundärzellen (Akkumulatorzellen) mit aktiven Bereichen, die Lithium enthalten, und sind als Rahmenflachzellen gemäß 22 aufgebaut. Im Übrigen kann die Batterie 1 dieses Ausführungsbeispiels als eine Abwandlung der in 4 und 5 gezeigten Batterie verstanden werden, sodass in Bezug auf den grundsätzlichen Aufbau auf die diesbezüglichen Erläuterungen verwiesen wird.
Zusätzlich zu den vertikalen Spannbändern 8, welche aus einem wärmeleitenden Material ausgebildet sind und Wärme von der Oberseite der Batterie zu der Kühlplatte 3 leiten können, ist noch ein weiteres Spannband 9 vorgesehen, welches über die lateralen Seiten der Einzelzellen 2 bzw. der Wärmeleitelemente 15 verläuft und die Batterie 1 in einer horizontalen Ebene umschließt; es wird daher auch als horizontales Spannband 9 bezeichnet. Zu Eigenschaften des horizontalen Spannbandes 9 sei auf die Erläuterungen zu den vertikalen Spannbändern 8 gemäß 11 verwiesen. Insbesondere ist auch das horizontale Spannband 9 wärmeleitend ausgebildet. Das horizontale Spannband 9 überdeckt im Bereich der Polplatten 6, 7 die Spannbänder 8. In einer Ausführungsalternative können die Spannbänder 8 das Spannband 9 überdecken. Das horizontale Spannband 9 weist im Bereich der lateralen Schmalseiten der Wärmeleitelemente 15 flächigen, wärmeleitenden Kontakt mit diesen und weist ferner im Bereich der Polplatten 6, 7 flächigen, wärmeleitenden Kontakt mit den vertikalen Spannbändern 8 auf.
Durch die wärmeleitenden Eigenschaften des horizontalen Spannbandes 9 und den wärmeleitenden Kontakt des horizontalen Spannbandes 9 mit den seitlichen Schmalseiten der die Zellen 2 aufnehmenden Wämeleitelemente 15 und den vertikalen Spannbändern 8 kann einerseits auch im seitlichen Bereich der Batterie ein Wärmeausgleich zwischen den Zellen 2 sowie ein Wärmetransport von der lateralen Seite über die vertikalen Spannbänder 8 zu der auf der Unterseite liegenden Kühlplatte 3 erfolgen.
Das Spannband 9 kann wie die Spannbänder 8, 9 eine elektrisch isolierende, aber wärmeleitende oder wärmedurchlässige Beschichtung aufweisen. Alternativ kann zwischen der Andruckplatte 5 und den Zellen 2 bzw. den oberen Schmalseiten der Wärmeleitelemente 15 eine elektrisch isolierende Zwischenlage ähnlich der Wärmeleitfolie 4 angeordnet sein. Alternativ können wärmeleitende oder wärmedurchlässige Zwischenlagen wie etwa die Wärmeleitfolie 4 auch zwischen den vertikalen Spannbändern 8 und den Polplatten 6, 7, zwischen dem horizontalen Spannband 9 und den Wärmeleitelementen 15 sowie zwischen dem horizontalen Spannband 9 und den Polplatten 6, 7 vorgesehen sein. Eine elektrische Isolierung zwischen den Wärmeleitelementen 15 einerseits und der Kühlplatte 3, der Andruckplatte 5 und dem Spannband 9 andererseits ist nicht erforderlich, wenn die Außenseiten der Ränder der Wärmeleitelemente 15 als eine weitere Ausführungsvariante ihrerseits eine elektrisch isolierende Schicht tragen.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann das Spannband 9 in nicht näher dargestellten Vertiefungen in den lateralen Schmalseiten der Wärmeleitelemente 15 und der vorderen und hinteren Polplatte 6, 7 verlaufen. In einer weiteren Variante können auch zwischen dem Spannband 9 und den lateralen Schmalseiten der Wärmeleitelemente 15 Andruckplatten (nicht näher dargestellt) vorgesehen sein.
25 veranschaulicht als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den Aufbau einer Batterie 1 in einer schematischen Darstellung.
Die Batterie 1 ist aus einer Mehrzahl von Einzelzellen (Zellen) 2 aufgebaut, die in drei Reihen R1 bis R3 angeordnet sind. Eine erste Reihe R1 ist an eine Batteriegehäusewand 27 angrenzend angeordnet, während die darauf folgenden Reihen jeweils um eine Reihenbreite weiter von der Batteriegehäusewand 27 entfernt angeordnet sind. In der Figur ist aus jeder Reihe R1 bis R3 eine Zelle 2 dargestellt, während die weiteren Zellen der Reihen durch Punkte symbolisiert sind. Quer zur Erstreckungsrichtung der Reihen R1 bis R3 aneinander grenzende Batteriezellen definieren eine Säule S_i von Zellen 2.
Die Zellen 2 der Batterie 1 dieses Ausführungsbeispiels sind zylindrisch ausgebildete Zellen 2. Die Zellen 2 einer Säule Si sind durch ein geschlungenes Befestigungsband 28 an der Batteriegehäusewand 27 befestigt. Das Befestigungsband 28 verläuft von der Batteriegehäusewand 27 und umschlingt die Zellen 2 der Säule S_i zunächst wellenförmig bis zur Zelle 2 der entferntesten Reihe R3, umschlingt diese weiter in einer Schlaufe und verläuft sodann zurück zur Batteriegehäusewand 27, wobei es die Zellen 2 der Säule S_i in umgekehrter Reihenfolge als zuvor wiederum wellenförmig umschlingt. Auf diese Weise werden die Zellen 2 einer Säule S_i in ihrer Position gehalten.
Das Befestigungsband 28 ist aus einem Wärme leitenden Material hergestellt. Durch Umschlingung der Zellen 2 befindet es sich in engem Kontakt mit diesen, nimmt Wärme, welche in den Zellen 2 erzeugt wird, auf und transportiert sie zu der Batteriegehäusewand 27. Die Batteriegehäusewand 27 ist aktiv oder passiv gekühlt bzw. temperiert.
26 veranschaulicht als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den Aufbau einer Batterie 1 in einer schematischen Darstellung. Dieses Ausführungsbeispiel ist eine Abwandlung des in 25 dargestellten Ausführungsbeispiels. Hier befinden sich die Zelle 2 der drei Reihen R1 bis R3 zwischen zwei Gehäuseseitenwänden 27.1, 27.2. Zwei Befestigungsbänder 28.1, 28.2 verlaufen zwischen den Gehäuseseitenwänden 27.1, 27.2, wobei sie die Batteriezellen 2 wellenförmig umschlingen.
Die Befestigungsbänder 28 bzw. 28.1, 28.1 der in 25 oder 26 dargestellten Batterien 1 sind aus einem elastisch nachgiebigen, vorzugsweise gut biegsamen Material hergestellt. So wird eine elastische Abstützung zwischen Einzelzellen 2 untereinander und mit einem Batteriegehäuse erzielt.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf eine bestimmte Mehrzahl von Säulen Si ausgerichtet ist; vielmehr ist die Erfindung gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen auch auf Batterien anwendbar, die nur eine Säule S von Batteriezellen 2 aufweisen.
Es versteht sich ferner, dass die Erfindung nicht auf drei Reihen R1 bis R3 von Batteriezellen 2 beschränkt ist; vielmehr ist die Erfindung gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen auch auf Batterien anwendbar, die mehr oder weniger Reihen Ri von Batteriezellen 2 aufweist.
Obschon in 25 und 26 von länglichen, zylindrischen Zellen 2 ausgegangen wurde, können in einer Ausführungsvariante an deren Stelle Stapel von flachen zylindrischen Zellen, etwa Knopfzellen oder dergleichen, vorgesehen sein, die durch eine weitere, nicht näher dargestellte Spanneinrichtung in Achsenrichtung aneinander gepresst werden.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, Ausführungsvarianten und -alternativen sowie Abwandlungen beschrieben, die ihrerseits ebenfalls als bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zu verstehen sind. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wurde dabei, wo es sich anbot, auf Erläuterungen zu anderen Ausführungsbeispielen, -varianten etc. verwiesen. Es sei nochmals betont, dass überall dort, wo es sich nicht ersichtlich verbietet, Merkmale und Eigenschaften eines Ausführungsbeispiels, einer Variante, Alternative oder Abwandlungen auf ein anderes Ausführungsbeispiel, eine andere Variante, Alternative oder Abwandlung wenigstens analog anwendbar sind.
Alle Zellen bzw. Einzelzellen 2 der vorstehenden Beschreibung sind Speicherzellen bzw. Energiespeicherzellen im Sinne der Erfindung. Alle Batterien 1 der vorstehenden Beschreibung sind Energiespeichervorrichtungen im Sinne der Erfindung. Alle Dämpfungselemente 2.4, 14.2, 15.5 sowie die Befestigungsbänder 28, 28.1, 28.2 der vorstehenden Beschreibung sind elastische Mittel im Sinne der Erfindung. Letztere Befestigungsbänder 28, 28.1, 28.2 sind auch eine Spanneinrichtung im Sinne der Erfindung, ebenso wie die Spannbänder 8, 9 und die Zuganker 20 mit Muttern 21, Halterahmen 16, 17 und Druckrahmen 18, 19 der vorstehenden Beschreibung. Alle Bestandteile, die mit der Wärmeableitung zu tun haben, insbesondere Kühlplatten 3, Wärmeleitelemente 14, 15 und alle wärmeleitenden Dämpfungselemente 2.4, 14.2, 15.5 der vorstehenden Beschreibung sind funktionale Bestandteile einer Temperiereinrichtung im Sinne der Erfindung. Kühlplatten 3 der vorstehenden Beschreibung sind Wärmetauschereinrichtungen im Sinne der Erfindung. Schalen 2.41, 2.42, eine Innenschale 2.2a, eine Außenschale 2.2b der vorstehenden Beschreibung sind wärmeleitende Hüllen im Sinne der Erfindung.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2: Zelle
2.1: Zellgehäuseseitenwand
2.11: Messanschluss
2.12: Abkantung
2.13: Lasche
2.2: Zellgehäuseseitenwand
2.2a: Innenschale
2.2b: Außenschale
2.4: Dämpfungselement
2.22: Lasche
2.3: Zellgehäuserahmen
2.31: Materialerhöhung
2.32: Obere Schmalseite
2.33, 2.34: Materialrücknahme
2.4: Dämpfungselement
2.41, 4.42: Schale
2.43: Naht
2.44: Innenraum
2.45: Balgstruktur
2.46: Schaumblock
2.5: Elektrodenstapel
2.51: Elektrodenfolie
2.52: Ableitfahne
2.6: Polkontakt (Stromableiter)
2.7: Siegelnaht
2.71: Durchtrittsbereich
2.72: Falz
2.8: Flachseite
3: Kühlplatte
3.1: Kühlmittelanschluss
3.2: Vertiefung
3.3: Kühlkanal
4: Wärmeleitfolie
5: Andruckplatte
5.1: Vertiefung
6: Vordere Polplatte
7: Hintere Polplatte
6.1, 7.1: Fahnenartige Verlängerung
6.2, 7.2: Befestigungsnase
7.3: Vertiefung
8: Spannelement (Vertikales Spannband)
8.1: Spannbereich
9: Horizontales Spannband
10, 11: Elektrisches Anschlusselement
13: Elektronisches Bauelement
13.1: Einrichtung zur Zellspannungsüberwachung
13.2: Einrichtung zum Zellspannungsausgleich
13.3: Kontaktelement
14: Wärmeleitelement
14.1: Trägerstruktur
14.11: Langer Schenkel
14.12: Kurzer Schenkel
14.2: Dämpfungselement
14.21: Nachgiebiges Material
14.22: Hülle
15: Wärmeleitelement
15.1: Boden
15.2: Rand
15.20: Kante
15.21, 15,22, 15.23: Randteilstücke
15.3: Ausnehmung
15.4: Einschnitte
15.5: Dämpfungselement
15: Bodenplatte
16, 17: Halterahmen
16.1, 17.1: Abschrägung
18, 19: Endplatten
18.1, 19.1: Abschrägung
20: Zuganker
21: Mutter
22, 23, 24: Anschlusseinrichtung
25: Strebe
26: Steuergerät
27, 27.1, 27.2: Gehäusewand
28, 28.1, 28.2: Befestigungsband
A1: Kühlkontaktfläche
A2: Zellkontaktfläche
B: Biegerichtung
D: Druckkraft
E1: Erste Zelle
E2: Letzte Zelle
F: Fügerichtung
K1 bis K3: Spannungs-Anschlusskontakte
P+: Positiver Pol
P–: Negativer Pol
P_neg: Negativer Polanschluss
P_pos: Positiver Polanschluss
R1 bis R3: Zellenreihen
S_i: Zellensäule
W: Wärmefluss
Z: Zellverbund
b, w: Breite
d: Dicke
h, h1, h2: Höhe
s: Stapelrichtung
t: Tiefe, Dicke

Es wird darauf hingewiesen, dass vorstehende Bezugszeichenliste integraler Bestandteil der Beschreibung ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008034869 A1 [0004]
WO 2010/081704 A2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften, Springer-Verlag, 31. Auflage 2000, Engelkraut et al. [0016]
Wärmeleitfähige Kunststoffe für Entwärmungsaufgaben, Fraunhofer Institut für Integrierte System und Bauelementetechnologie, Stand 15.07.2008 [0016]
Deutsche Edelstahlwerke, Datenblatt 1.7176, und Wikipedia, Artikel zu ”Wärmeleitfähigkeit”, Stand 22.02.411; Rundungen und Bereichszusammenfassungen ggf. diesseits. [0016]

Claims

Energiespeichervorrichtung, aufweisend eine Mehrzahl von Speicherzellen und eine Temperiereinrichtung zum Temperieren der Speicherzellen oder eines durch die Speicherzellen gebildeten Zellverbundes, wobei zwischen einer Speicherzelle und einem anderen Bauelement elastische Mittel zur stoßdämpfenden Lagerung oder Beabstandung vorgesehen sind, wobei das andere Bauelement eine andere Speicherzelle oder ein Halteelement oder ein sonstiges Gehäuseteil oder ein Wärmeleitelement ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel als funktionaler Bestandteil der Temperiereinrichtung ausgelegt und eingerichtet sind.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel mit einem wärmeleitenden Material ausgebildet sind.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel eine wärmeleitende Hülle und einen Innenraum aufweisen, wobei der Innenraum mit einem elastisch nachgiebigen Material gefüllt ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel aus einem wärmeleitenden und elastisch nachgiebigen Material ausgebildet sind.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel eine wärmeleitende oder wärmedurchlässige Hülle und einen Innenraum aufweisen, wobei der Innenraum mit einem wärmeleitenden und elastisch nachgiebigen Material gefüllt ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel wenigstens abschnittsweise, vorzugsweise flächig, an Wärmeaustauschflächen der Speicherzellen anliegen.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel elektrisch leitend ausgebildet sind.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel elektrisch isolierend ausgebildet sind.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel an jeweiligen Speicherzellen befestigt oder als integraler Bestandteil jeweiliger Speicherzellen ausgebildet sind.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel an jeweiligen Wärmeleitelementen, die wenigstens abschnittsweise zwischen jeweiligen Speicherzellen angeordnet sind, befestigt oder als integraler Bestandteil solcher Wärmeleitelemente ausgebildet sind.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung eine Wärmetauschereinrichtung aufweist und Wärmeleitelemente, die wenigstens abschnittsweise zwischen jeweiligen Speicherzellen angeordnet sind, wärmeleitenden Kontakt mit der Wärmetauschereinrichtung aufweisen.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spanneinrichtung zum Verspannen der Speicherzellen vorgesehen ist, wobei vorzugsweise die Spanneinrichtung als funktionaler Bestandteil der Temperiereinrichtung ausgelegt und eingerichtet ist.
Energiespeicherzelle, mit einem aktiven Teil und einer den aktiven Teil umgebenden Einhausung, sowie mit elastischen Mitteln, die an der Speicherzelle befestigt oder als integraler Bestandteil derselben ausgebildet sind und zur stoßdämpfenden Lagerung oder Beabstandung der Speicherzelle gegenüber anderen Bauelementen ausgelegt und eingerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel ausgelegt und eingerichtet sind, Wärme zu leiten, wobei die elastischen Mittel vorzugsweise als funktionaler Bestandteil der Temperiereinrichtung ausgelegt und eingerichtet sind.
Wärmeleitelement zur Anordnung zwischen Energiespeicherzellen, gekennzeichnet durch elastische Mittel, die an dem Wärmeleitelement befestigt oder als integraler Bestandteil desselben ausgebildet sind, und die ausgelegt und eingerichtet sind, Wärme zu leiten, wobei die elastischen Mittel vorzugsweise als funktionaler Bestandteil der Temperiereinrichtung ausgelegt und eingerichtet sind.
Wärmeleitelement, mit einer insbesondere dünnwandigen Trägerstruktur, insbesondere zur Aufnahme einer Energiespeicherzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die dünnwandige Struktur eine Form eines vorzugsweise flachen Quaders umschreibt, und wobei die dünnwandige Struktur wenigstens eine Flachseite und wenigstens zwei an die Flachseite angrenzende Schmalseiten aufweist, und weiter gekennzeichnet durch elastische Mittel, die an dem Wärmeleitelement befestigt oder als integraler Bestandteil desselben ausgebildet sind und die ausgelegt und eingerichtet sind, Wärme zu leiten, wobei die elastischen Mittel vorzugsweise als funktionaler Bestandteil der Temperiereinrichtung ausgelegt und eingerichtet sind.