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Die hier offenbarte Technologie betrifft eine elektrische Energiespeichereinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Energiespeichereinrichtung.
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Energiespeichereinrichtungen können eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen aufweisen, welche jeweils zur Speicherung von elektrischer Energie ausgebildet sind. Als Alternative zu großen Energiespeicherzellen, welche alleine oder zumindest in einer Gruppe von nur wenigen Energiespeicherzellen die Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs übernehmen können, kann es häufig sinnvoll sein, zahlreiche Energiespeicherzellen zu verwenden, welche im Vergleich dazu kleiner sein können und somit eine bessere Ausnutzung von Bauräumen ermöglichen. Typischerweise werden dabei Parallel- und Serienschaltungen verwendet, um die Speicherkapazität zu erhöhen und/oder die Ausgangsspannung zu erhöhen. Bei bekannten Ausführungen teilen sich Systemstrom und Parallelstrom typischerweise den gleichen elektrischen Pfad. Parallelströme entstehen dabei insbesondere durch leicht unterschiedliche elektrische Innenwiderstände von parallel geschalteten Energiespeicherzellen. Parallelströme gleichen dies in vorteilhafter Weise aus. Systemströme sind typischerweise diejenigen Ströme, welche nach außen geführt werden und dort durch einen Verbraucher fliesen.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine elektrische Energiespeichereinrichtung mit erhöhter Resistenz gegen Fehlfunktionen vorzusehen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft eine elektrische Energiespeichereinrichtung, die mehrere Energiespeicherzellen aufweist. Einige der Energiespeicherzellen sind entlang einem ersten Systemstrompfad elektrisch in Reihe verbunden und einige der Energiespeicherzellen sind entlang einem zweiten Systemstrompfad elektrisch in Reihe verbunden. Jeder Systemstrompfad weist eine Stromtragfähigkeit auf. Jeder Systemstrompfad ist mittels mehrerer Verbindungsstellen ausgebildet, wobei jede Verbindungsstelle einen Pol einer Energiespeicherzelle mit einem Pol einer weiteren Energiespeicherzelle im Systemstrompfad verbindet. Zwischen den Systemstrompfaden sind ausschließlich einer oder mehrere Parallelstrompfade ausgebildet. Jeder Parallelstrompfad verläuft zwischen einer Verbindungsstelle eines Systemstrompfads und einer Verbindungsstelle eines anderen Systemstrompfads. Jeder Parallelstrompfad hat zweckmäßig eine niedrigere Stromtragfähigkeit als jeder Systemstrompfad.
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Mittels einer solchen elektrischen Energiespeichereinrichtung kann dafür gesorgt werden, dass Fehlfunktionen in einzelnen Energiespeicherzellen, welche bei bekannten Ausführungen zu besonders hohen Parallelströmen führen können, nicht Energiespeicherzellen anderer Systemstrompfade beschädigen. Eine Fehlfunktion, beispielsweise in Form eines Kurzschlusses in einer Energiespeicherzelle, bleibt somit auf diese Energiespeicherzelle beschränkt.
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Grundsätzlich kann in einer Abwandlung auch nur ein Parallelstrompfad eine niedrigere Stromtragfähigkeit haben als ein, einige oder alle Systemstrompfad(e), oder es können einige Parallelstrompfade eine niedrigere Stromtragfähigkeit haben als ein, einige oder alle System strom pfad(e).
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In Systemstrompfaden fließen typischerweise diejenigen Ströme, welche nach außerhalb der Energiespeichereinrichtung geführt werden und dort durch Verbraucher fließen, beispielsweise durch einen Elektromotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs. Parallelstrompfade sind Strompfade, in welchen typischerweise Ströme aufgrund leicht unterschiedlicher Innenwiderstände zwischen Energiespeicherzellen bzw. zwischen Systemstrompfaden fließen, wobei derartige Parallelströme typischerweise relativ gering sind. Sollte jedoch eine Energiespeicherzelle kurzgeschlossen sein oder einen thermischen Fehlerfall aufweisen, so können derartige Parallelströme sehr große Werte annehmen und deshalb gefährlich werden. Genau dies wird durch die hier offenbarte Technologie verhindert, und zwar aufgrund der geringeren Stromtragfähigkeit.
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Ein thermischer Fehlerfall ist regelmäßig ein Fehlerfall, bei dem eine exotherme chemische Reaktion auftritt. Ein solcher Fehlerfall kann auch ein thermisches Ereignis (englisch „Thermal Runaway“) sein. Der Fehlerfall kann insbesondere ein Ereignis sein, das eine nicht betriebsgemäße und sich selbst verstärkende Wärmeproduktion in den Einzelzellen bewirkt. Es könnte dabei unter Umständen eine Propagation einsetzen. Ein solcher Fehlerfall kann beispielsweise durch einen internen Kurzschluss in einer Einzelzelle oder durch einen Brandherd verursacht werden.
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Systemstrompfade sind, abgesehen von den Parallelstrompfaden, getrennt voneinander. Eine Ausnahme hiervon können gemeinsame Verbindungselemente an Enden der Systemstrompfade darstellen. Diese werden dann nicht als Teil der Systemstrompfade betrachtet, sie verbinden typischerweise Anschlüsse von Energiespeicherzellen gleicher Polarität. Typischerweise verbindet jeder Systemstrompfad ausschließlich Energiespeicherzellen, die von keinem anderen Systemstrompfad verbunden werden bzw. zu keinem anderen Systemstrompfad gehören. Insbesondere kann entlang eines Systemstrompfads jeweils ein Pluspol einer Energiespeicherzelle mit einem Minuspol der im Systemstrompfad nächsten Energiespeicherzelle verbunden sein, oder umgekehrt. Dies entspricht einer Reihenschaltung der Energiespeicherzellen. Entlang des Systemstrompfads addieren sich somit typischerweise die Spannungen der Energiespeicherzellen, so dass eine höhere Ausgangsspannung erreicht wird.
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Unter einer Verbindung ist hier insbesondere eine elektrische Verbindung zu verstehen.
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Die Parallelstrompfade können insbesondere Verbindungsstellen miteinander verbinden, die an der gleichen Seite bzw. an nebeneinander liegenden Längsenden von Energiespeicherzellen angeordnet sind. Typischerweise verbindet eine Verbindungsstelle genau einen Pol einer Energiespeicherzelle mit genau einem Pol einer weiteren Energiespeicherzelle.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass alle Systemstrompfade die gleiche Stromtragfähigkeit haben. Es kann auch vorgesehen sein, dass alle Parallelstrompfade die gleiche Stromtragfähigkeit haben. Insbesondere bei den Parallelstrompfaden können auch Abweichungen vorhanden sein, beispielsweise an oder benachbart zu Unterbrechungen.
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Die Verbindungsstellen können durch geeignete Verbindungsmittel wie beispielsweise Platten, Drähte oder sonstige elektrische Leiter ausgebildet sein. Ihre Ausgestaltung definiert typischerweise die Stromtragfähigkeit der Systemstrompfade. Jede Verbindungsstelle verbindet typischerweise zwei Pole von Energiespeicherzellen, welche entlang des jeweiligen Systemstrompfads hintereinander verschaltet sind, insbesondere Pole unterschiedlicher Polarität.
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Eine Stromtragfähigkeit ist typischerweise der maximale Strom, welcher entlang eines Strompfads fließen kann, insbesondere ohne dass es zu einer Unterbrechung des Stromflusses kommt. Die Stromtragfähigkeit eines Systemstrompfads kann insbesondere durch die Verbindungsstellen bzw. deren Ausgestaltung definiert werden. Die Verbindungsstellen eines Verbindungspfads können insbesondere eine identische Stromtragfähigkeit haben, welche dann die Stromtragfähigkeit des Systemstrompfads darstellt. Die Verbindungsstellen können jedoch auch unterschiedliche Stromtragfähigkeiten haben, wobei in diesem Fall beispielsweise die niedrigste Stromtragfähigkeit unter den Verbindungsmitteln die Stromtragfähigkeit des Systemstrompfads definieren kann.
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Die elektrische Energiespeichereinrichtung ist insbesondere eine Einrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie, insbesondere um mindestens eine elektrische (Traktions-) Antriebsmaschine anzutreiben. Die Energiespeichereinrichtung umfasst mehrere Energiespeicherzellen, welche jeweils als Einzelzellen ausgebildet sind, und typischerweise eine Vielzahl solcher Einzelzellen, die die elektrochemischen Energiespeicherzellen ausbilden. In der Regel sind eine Vielzahl an Einzelzellen vorgesehen. Beispielsweise kann die Energiespeichereinrichtung ein Hochvoltspeicher bzw. eine Hochvolt-Batterie sein.
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Typischerweise umfasst die Energiespeichereinrichtung mindestens ein Speichergehäuse. Das Speichergehäuse ist zweckmäßig eine Einhausung, die zumindest die Hochvoltkomponenten der Energiespeichereinrichtung umgibt. Zweckmäßig ist das Speichergehäuse gasdicht ausgebildet, so dass eventuell aus den Speicherzellen austretende Gase abgefangen werden. Vorteilhaft kann das Gehäuse zum Brandschutz, Kontaktschutz, Intrusionsschutz und/oder zum Schutz gegen Feuchtigkeit und Staub dienen.
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Das Speichergehäuse kann zumindest teilweise aus einem Metall hergestellt sein. Insbesondere kann es aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Stahl oder einer Stahllegierung ausgebildet sein. In dem mindestens einen Speichergehäuse der Energiespeichereinrichtung können mindestens eines oder mehrere der folgenden Bauteile aufgenommen sein: Energiespeicherzellen, Bauelemente der Leistungselektronik, Schütz(e) zur Unterbrechung der Stromzufuhr zum Kraftfahrzeug, Kühlelemente, elektrische Leiter, Steuergerät(e). Die Energiespeichereinrichtung kann insbesondere zu kühlende Elemente aufweisen, insbesondere Energiespeicherzellen und/oder Bauelemente der Leistungselektronik der Energiespeichereinrichtung. Zweckmäßig werden die Bauteile vor der Montage der Baugruppe in das Kraftfahrzeug vormontiert.
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Die Energiespeicherzellen können insbesondere als Rundzellen zur elektrochemischen Speicherung von Energie ausgebildet sein. Eine Rundzelle ist in der Regel in einem zylinderförmigen Zellengehäuse (englisch „cell can“) aufgenommen. Kommt es zur betriebsbedingten Ausdehnung der Aktivmaterialien der Rundzelle, so wird das Gehäuse im Umgebungsbereich auf Zug beansprucht. Vorteilhaft können somit vergleichsweise dünne Gehäusequerschnitte die aus dem Aufschwellen resultierenden Kräfte kompensieren. Bevorzugt ist das Zellengehäuse aus Stahl bzw. einer Stahllegierung hergestellt.
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Typischerweise können in den Energiespeicherzellen Entgasungsöffnungen dazu vorgesehen sein, entstehende Gase aus dem Zellengehäuse entweichen zu lassen. Es kann aber auch nur eine Entgasungsöffnung pro Speicherzelle bzw. Rundzelle vorgesehen sein. Vorteilhaft ist jeweils mindestens eine Entgasungsöffnung pro Rundzelle in der Einbaulage zum äußeren Schweller hin entgasend angeordnet.
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Bevorzugt weist das Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis der Energiespeicherzellen bzw. Rundzellen einen Wert zwischen 5 und 30, bevorzugt zwischen 7 und 15, und besonders bevorzugt zwischen 9 und 11 auf. Das Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis ist der Quotient aus der Länge des Zellengehäuses der Rundzelle im Zähler und dem Durchmesser des Zellengehäuses der Rundzelle im Nenner. In einer bevorzugten Ausgestaltung können die Rundzellen beispielsweise einen (Außen-)Durchmesser von ca. 45 mm bis 55 mm aufweisen. Ferner vorteilhaft können die Rundzellen eine Länge von 360 mm bis 1.100 mm, bevorzugt von ca. 450 mm bis 600 mm, und besonders bevorzugt von ca. 520 mm bis 570 mm aufweisen.
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Gemäß der hier offenbarten Technologie kann vorgesehen sein, dass die Rundzellen aus beschichteten Elektrodenhalbzeugen hergestellt sind. Zweckmäßig ist das Kathodenmaterial bzw. das Anodenmaterial jeweils auf Trägerschichten bzw. Trägerschichtbahnen des jeweiligen Elektrodenhalbzeugs aufgebracht. Beispielsweise kann das Kathodenmaterial auf eine Kathodenträgerschicht (zum Beispiel Aluminium) und das Anodenmaterial auf eine Anodenträgerschicht (zum Beispiel Kupfer) durch Beschichten aufgebracht werden.
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Gemäß der hier offenbarten Technologie kann vorgesehen sein, dass die Rundzellen mindestens ein beschichtetes Elektrodenhalbzeug umfassen, das keine mechanische Trennkante senkrecht und/oder parallel zur Längsachse der Rundzellen aufweist, die nach der Beschichtung der Elektrodenhalbzeuge durch einen Trennverfahrensschritt erzeugt wurde.
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Gemäß der hier offenbarten Technologie kann vorgesehen sein, dass die Energiespeicherzellen bzw. Rundzellen jeweils mindestens ein beschichtetes Elektrodenhalbzeug mit rechteckförmigem Querschnitt umfassen, wobei die Länge der längeren Seite des Elektrodenhalbzeugs im Wesentlichen einer Gesamtbreite einer Trägerschichtbahn entspricht oder übertrifft, die zur Ausbildung des Elektrodenhalbzeugs mit Anodenmaterial oder Kathodenmaterial beschichtet wurde, so dass das Elektrodenhalbzeug nach der Beschichtung ohne weiteren Trennverfahrensschritt in Längsrichtung der Trägerschichtbahn wickelbar ist bzw. war.
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Gemäß der hier offenbarten Technologie verlaufen die Energiespeicherzellen bzw. Rundzellen bevorzugt in ihrer Einbaulage im Wesentlichen parallel (d.h. parallel, eventuell mit Abweichungen, die für die Funktion unerheblich sind) zur Fahrzeugquerachse Y. Die Fahrzeugquerachse ist diejenige Achse, die in der Normallage des Kraftfahrzeugs senkrecht zur Fahrzeuglängsachse X und horizontal verläuft. Die Energiespeicherzellen können jedoch auch parallel zur Fahrzeuglängsachse X verlaufen. Sie können auch andersartig angeordnet sein.
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Die Energiespeicherzellen sind typischerweise innerhalb des Speichergehäuses in Richtung der Fahrzeughochachse Z in mehreren Lagen angeordnet. Die Fahrzeughochachse ist dabei die Achse, die in der Normallage des Kraftfahrzeugs senkrecht zur Fahrzeuglängsachse X und vertikal verläuft. Eine Lage von Energiespeicherzellen ist dabei insbesondere eine Vielzahl an Energiespeicherzellen, die in einer gleichen Ebene im Speichergehäuse verbaut sind und im Wesentlichen denselben Abstand zum Boden des Speichergehäuses aufweisen. Vorteilhaft variiert die Anzahl an Lagen in Richtung der Fahrzeuglängsachse X. Gemäß der hier offenbarten Technologie kann das Speichergehäuse eine Oberseite aufweisen, die in ihrer äußeren Gehäusekontur an die untere Innenkontur einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs angepasst ist, wobei in der Einbaulage die Gesamthöhe der mehreren Lagen zur Anpassung an die Gehäusekontur in Richtung der Fahrzeuglängsachse dadurch variiert wird, dass in einem ersten Bereich einer Lage unmittelbar benachbarte Rundzellen der Lage in der Einbaulage in Richtung der Fahrzeuglängsachse weiter voneinander beabstandet sind als unmittelbar benachbarte Rundzellen in einem zweiten Bereich derselben Lage, so dass vorteilhaft im ersten Bereich eine weitere Rundzelle einer anderen Lage weiter in einem von den im ersten Bereich unmittelbar benachbarten Rundzellen ausgebildeten ersten Zwischenbereich eindringt als eine identisch ausgebildete weitere Rundzelle der anderen Lage, die in einem von im zweiten Bereich unmittelbar benachbarten Rundzellen ausgebildeten zweiten Zwischenbereich eindringt. Die Gesamthöhe der mehreren Lagen bemisst sich vom Boden des Speichergehäuses bis zum oberen Ende der obersten Lage an der jeweiligen Stelle im Speichergehäuse. Die Innenkontur der Fahrgastzelle ist die Kontur, die den einem Fahrzeugnutzer zugänglichen Innenraum der Fahrgastzelle begrenzt. Insbesondere kann die Gehäusekontur derart an die Innenkontur angepasst sein, dass zwischen der Oberseite des Speichergehäuses und der Innenkontur der Fahrgastzelle ein zweckmäßig gleichbleibender Spalt vorgesehen ist, der bevorzugt weniger als 15 cm oder weniger als 10 cm oder weniger als 5 cm beträgt.
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Gemäß der hier offenbarten Technologie kann sich mindestens eine in der Einbaulage der Energiespeichereinrichtung unterste Lage der mehreren Lagen in Richtung der Fahrzeuglängsachse von einem in der Einbaulage am vorderen Fußraum des Kraftfahrzeugs angrenzenden vorderen Fußbereich des Speichergehäuses bis zu einem Sitzbereich des Speichergehäuses erstrecken, wobei der Sitzbereich an die Rücksitzbank des Kraftfahrzeugs angrenzt.
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Gemäß der hier offenbarten Technologie können in zumindest einem der am vorderen oder hinteren Fußraum des Kraftfahrzeugs angrenzenden Fußbereiche des Speichergehäuses weniger Lagen angeordnet sein als in einem Sitzbereich des Speichergehäuses, wobei der Sitzbereich an den Vordersitzen und/oder den Rücksitzen (zum Beispiel Einzelsitze oder Rücksitzbank) des Kraftfahrzeugs angrenzt. Vorteilhaft kann also vorgesehen sein, dass beispielsweise im vorderen und/oder hinteren Fußbereich lediglich eine unterste Lage an Energiespeicherzellen im Speichergehäuse vorgesehen ist, wohingegen im vorderen und/oder hinteren Sitzbereich mehrere Lagen übereinandergestapelt vorgesehen sind. Das hat den Vorteil, dass insbesondere der Bauraum unterhalb der Vordersitze bzw. unterhalb der Rücksitze effizienter genutzt werden kann, um somit die elektrische Speicherkapazität des Kraftfahrzeugs zu verbessern.
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In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Mehrzahl an Energiespeicherzellen einer Lage durch einen über die Mehrzahl an Energiespeicherzellen derselben Lage aufgebrachten Klebstoff miteinander verbunden sind. Zweckmäßig kann der Klebstoff erst aufgebracht werden, nachdem die einzelnen Energiespeicherzellen einer Lage zueinander positioniert worden sind, beispielsweise nach dem Anordnen der Energiespeicherzellen in das Speichergehäuse. Vorteilhaft können somit die einzelnen Energiespeicherzellen einer Lage kostengünstig und platzsparend relativ zueinander fixiert werden. Als Klebstoff kann beispielsweise Polyurethan, Polyamid oder Polyethylen eingesetzt werden.
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Gemäß der hier offenbarten Technologie können zwischen zumindest zwei Lagen der Energiespeicherzellen Kühlelemente zur Kühlung der Energiespeicherzellen vorgesehen sein, die bevorzugt zumindest teilweise wellenförmig im Querschnitt senkrecht zur Fahrzeugquerachse Y ausgebildet sein können. In einer Ausgestaltung können die Kühlelemente an einem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs angeschlossen sein.
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Die hier beschriebenen Strompfade sind insbesondere durch geeignete Verbindungen der Energiespeicherzellen realisiert. Dies kann insbesondere bedeuten, dass entlang eines Strompfads geeignete leitfähige Materialien verwendet werden, um Pole der Energiespeicherzellen miteinander zu verbinden. Entlang eines Systemstrompfads sind dabei typischerweise jeweils ein Plus- und ein Minuspol von im Systemstrompfad hintereinander geschalteten Energiespeicherzellen verbunden. Entlang eines Parallelstrompfads sind typischerweise Pole gleicher Polarität miteinander verbunden. Es können insbesondere auch Verbindungen zwischen Polen unterschiedlicher Polarität miteinander verbunden sein, d.h. jede Verbindung bzw. Verbindungsstelle verbindet einen Pluspol mit einem Minuspol entlang des Systemstrompfads und ein Parallelstrompfad verbindet zumindest zwei solcher Verbindungsstellen. Typischerweise ist also ein Parallelstrompfad zwischen zwei Verbindungen bzw. Verbindungsstellen ausgebildet, wobei jede der Verbindungen bzw. Verbindungsstellen entlang eines jeweiligen Systemstrompfads entgegengesetzte Pole von Energiespeicherzellen miteinander verbindet.
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Die Strompfade bzw. deren Verbindungsstellen sind insbesondere durch Verbindungen, Verbindungselemente bzw. Verbindungsplatten realisiert, die außerhalb der Energiespeicherzellen angeordnet sind. Sie können auch integral mit den Energiespeicherzellen ausgeführt sein.
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Die Parallelstrompfade können insbesondere beidseitig bzw. an beiden Längsenden und/oder gegenüberliegenden Polen der Energiespeicherzellen vorgesehen sein. Sie können insbesondere zwischen jeweils äquivalenten Stellen bzw. Spannungen in den Systemstrompfaden vorgesehen sein. Somit können Parallelströme nicht nur zwischen Verbindungsstellen, sondern auch durch Energiespeicherzellen und dabei beispielsweise auch durch insgesamt zwei Parallelstrompfade fließen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung hat jeder Parallelstrompfad eine Stromtragfähigkeit von höchstens 20 A. Die Parallelstrompfade können auch eine Stromtragfähigkeit von höchstens 15 A oder höchstens 25 A haben. Es kann auch eine Stromtragfähigkeit zwischen 15 A und 25 A vorgesehen sein. Dies gilt für jeden Parallelstrompfad separat. Die Stromtragfähigkeit eines Parallelstrompfads ist typischerweise derjenige Wert, bis zu welchem ein Strom entlang eines jeweiligen Parallelstrompfads fließen kann. Wird dieser Strom überschritten, so wird aufgrund der Ausbildung des Parallelstrompfads bzw. der hierfür verwendeten Materialien typischerweise dafür gesorgt, dass ein weiterer Stromfluss oder zumindest eine weitere Erhöhung des Stroms nicht mehr möglich ist.
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Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass jeder Parallelstrompfad eine Stromtragfähigkeit von höchsten 5 % der Stromtragfähigkeit von jedem Systemstrompfad hat. Dies kann insbesondere bedeuten, dass bei Vergleich von jedem Parallelstrompfad mit jedem Systemstrompfad die Stromtragfähigkeit des jeweiligen Parallelstrompfads höchsten 5 % der Stromtragfähigkeit des jeweiligen Systemstrompfads aufweist. Auch andere Werte als 5 % können hier verwendet werden, beispielweise höchsten 3 % oder höchsten 7 %. Derartige Werte haben sich für typische Anwendungen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, als vorteilhaft erwiesen.
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Insbesondere können die Parallelstrompfade als Schmelzsicherungen ausgeführt sein. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der jeweilige Parallelstrompfad bzw. der den Parallelstrompfad ausbildende elektrische Leiter so ausgeführt ist, dass bei einer Überschreitung der Stromtragfähigkeit kurzfristig eine Erwärmung erfolgt, welche den Parallelstrompfad unterbricht bzw. das den Parallelstrompfad ausbildende Material zumindest entlang eines gewissen Abschnitts zerstört. Ein weiterer Stromfluss entlang des Parallelstrompfads ist dann nicht mehr möglich.
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Allgemeiner ausgedrückt können die Parallelstrompfade insbesondere dazu ausgebildet sein, sich bei Überschreitung der Stromtragfähigkeit zu unterbrechen. Dies bedeutet, dass wenn ein Strom fließt, welcher die Stromtragfähigkeit überschreitet, so unterbricht sich der entsprechende Parallelstrompfad aufgrund seiner Ausbildung von selbst und unterbindet den weiteren Stromfluss. Insbesondere können entsprechende Materialien, welche die Parallelstrompfade ausbilden, entsprechend ausgebildet sein.
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Die Energiespeicherzellen können insbesondere entlang der Systemstrompfade und entlang der Parallelstrompfade durch elektrisch leitende Verbindungsplatten elektrisch verbunden sein. Insbesondere können die Verbindungsstellen und die Parallelstrompfade durch elektrisch leitende Verbindungsplatten ausgebildet sein. Typischerweise bildet dabei eine Verbindungsplatte zwei oder mehr Verbindungsstellen und dazwischenliegende Parallelstrompfade aus. Jede Verbindungsstelle verbindet dabei wie erwähnt zwei Pole. Eine Verbindungsplatte kann dabei mit einem möglichst großen Querschnitt entlang einer Verbindungsstelle für gute Stromtragfähigkeit ausgebildet sein. Eine Stromtragfähigkeit entlang eines Systemstrompfads bzw. einer Verbindungsstelle kann dabei insbesondere einen Wert von mindestens 500 A oder 1.000 A oder von höchsten 1.500 A aufweisen. Auch andere Werte sind hier jedoch je nach Anwendung möglich. Für eine schlechtere Stromtragfähigkeit, beispielsweise zur Ausbildung eines Parallelstrompfads, kann insbesondere ein kleinerer Querschnitt verwendet werden. Eine Verbindungsplatte verbindet dabei typischerweise jeweils zwei Energiespeicherzellen entlang jedes Systemstrompfads und verbindet die Systemstrompfade entlang einem oder mehreren Parallelstrompfaden.
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Die Energiespeicherzellen können insbesondere entlang der Parallelstrompfade durch elektrisch leitende Stege verbunden sein. Insbesondere können die Parallelstrompfade durch elektrisch leitende Stege, insbesondere der Verbindungsplatten, ausgebildet sein. Diese elektrisch leitenden Stege können insbesondere einen kleineren und insbesondere deutlich kleineren Querschnitt als die Verbindungen entlang der Systemstrompfade haben. Beispielsweise können sie einen Querschnitt haben, der höchstens 10 %, höchstens 7 %, höchstens 5 % oder höchstens 3 % der Querschnitte der Verbindungsstellen bzw. entlang der Systemstrompfade beträgt. Die Stege können insbesondere als Bestandteil der bereits erwähnten Verbindungsplatten ausgebildet sein. Dadurch kann in einfacher Weise erreicht werden, dass die Parallelstrompfade eine kleinere Stromtragfähigkeit haben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind entlang jedes Systemstrompfads Verbindungsstellen zwischen Anschlüssen von Energiespeicherzellen, bevorzugt jeweils zwei Energiespeicherzellen, mit unterschiedlicher Polarität ausgebildet, wobei ferner die Parallelstrompfade zwischen jeweils mindestens zwei Verbindungsstellen ausgebildet sind. Dadurch kann ein hoher Strom entlang der Systemstrompfade fließen, wohingegen entlang der Parallelstrompfade lediglich ein begrenzter Strom fließen kann. Die Verbindungsstellen können beispielsweise mit den bereits weiter oben genannten Verbindungsplatten ausgebildet bzw. realisiert sein. Mittels entsprechender Verbindungsplatten kann insbesondere vorgegebenen Kombinationen aus Systemstrompfaden und Parallelstrompfaden, insbesondere der gewünschten Anzahl von Systemstrompfaden, Rechnung getragen werden. So können beispielsweise unterschiedliche Verbindungsplatten verwendet werden, je nachdem, ob zwei, drei oder mehr Lagen von Energiespeicherzellen verwendet werden, und je nachdem, wie viele Systemstrompfade innerhalb dieser Energiespeicherzellen ausgebildet werden sollen.
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Längsachsen der Energiespeicherzellen können insbesondere parallel zueinander ausgerichtet sein. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung, welche vorhandene Bauräume in vorteilhafter Weise ausnutzen kann.
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Verbindungen bzw. Verbindungsstellen entlang eines Systemstrompfads wechseln sich typischerweise bezüglich jeweiliger Längsenden der Energiespeicherzellen ab. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass Verbindungsstellen eines Systemstrompfads abwechselnd an einer linken Seite und einer rechten Seite des Kraftfahrzeugs (bei Einbau der Energiespeicherzellen quer zur Fahrzeuglängsachse X) oder abwechselnd vorne und hinten (bei Einbau der Energiespeicherzellen parallel zur Fahrzeuglängsachse X) verlaufen.
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Die Energiespeicherzellen können insbesondere in einer, zwei, drei oder mehr Lagen angeordnet sein. Gemäß einer möglichen Ausführung verläuft jeder Systemstrompfad entlang einer der Lagen. Dies ermöglicht eine einfache Ausführung und die Verwendung identischer Verbindungselemente bzw. Verbindungsplatten, zumindest außerhalb von Unterbrechungen, wie sie beispielsweise weiter unten noch näher beschrieben werden.
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Gemäß einer Ausführung sind die Energiespeicherzellen in einer ersten Lage und einer zweiten Lage angeordnet. Ein erster Systemstrompfad, ein zweiter Systemstrompfad und ein dritter Systemstrompfad können dabei vorgesehen sein. Jeder Systemstrompfad kann dabei entlang drei unmittelbar benachbarten Energiespeicherzellen einer Lage und dann weiter entlang drei unmittelbar benachbarten Energiespeicherzellen der anderen Lage, welche um eine Energiespeicherzelle oder um eineinhalb Energiespeicherzellen beabstandet sind, verlaufen. Die Beabstandung ist dabei insbesondere entlang einer Richtung zu sehen, entlang welcher die Energiespeicherzellen einer jeweiligen Lage nebeneinander angeordnet sind, beispielsweise entlang einer Fahrzeuglängsachse X oder einer Fahrzeugquerachse Y bzw. in einer Horizontalen, wenn das Kraftfahrzeug auf einem ebenen Untergrund steht. Die Beabstandung kann insbesondere auch entlang einer durch die Systemstrompfade vorgegebenen Richtung definiert sein. Eine solche Ausführung hat sich als besonders vorteilhaft dahingehend erwiesen, wenn drei Systemstrompfade bei einer Anordnung mit zwei Lagen von Energiespeicherzellen vorgesehen werden sollen. Dabei können standardisierte und beliebig oft wiederverwendbare Verbindungselemente bzw. Verbindungsplatten verwendet werden.
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Ein Verlauf eines Systemstrompfads entlang mehreren Energiespeicherzellen einer Lage bedeutet typischerweise, dass der Systemstrompfad entlang unmittelbar benachbarten Zellen dieser Lage verläuft. Die Zellen sind entsprechend miteinander verbunden.
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Zu den hierin beschriebenen Verläufen von Systemstrompfaden sei angemerkt, dass diese grundsätzlich nach dem jeweils angegebenen Verlauf entsprechend fortgeführt werden können, wobei dann typischerweise der Verlauf wieder wie beschrieben verläuft. Die beschriebenen Verläufe können somit grundsätzlich beliebig oft hintereinander verwendet werden.
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Eine Beabstandung um eine ganze Energiespeicherzelle oder mehrere ganze Energiespeicherzellen kann dabei insbesondere vorkommen, wenn Energiespeicherzellen unterschiedlicher Lagen unmittelbar übereinander angeordnet sind, ohne dass deren Mittelpunkte zueinander versetzt sind. Sind die Zellen unmittelbar benachbarter Lagen um eine halbe Energiespeicherzelle zueinander versetzt, so dass beispielsweise im Querschnitt gesehen ein Mittelpunkt einer Energiespeicherzelle einer Lage unter oder über einer Mitte zwischen zwei Mittelpunkten von Energiespeicherzellen einer unmittelbar darüber oder darunter angeordneten Lage liegt, so können insbesondere auch Beabstandungen von einer halben Energiespeicherzelle, eineinhalb Energiespeicherzellen, etc. vorkommen.
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Zur möglichen Ausführung der Verbindungen zwischen den Energiespeicherzellen sei auf die beiliegende Zeichnung sowie die weiter unten gegebene Beschreibung verwiesen, wo entsprechende Ausführungen beschrieben sind, welche insbesondere auch als Bestandteil der Offenbarung anzusehen sind.
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Gemäß einer Ausführung können die Energiespeicherzellen in einer ersten Lage, einer zweiten Lage und einer dritten Lage angeordnet sein. Der erste Systemstrompfad kann dabei abwechselnd zwischen zwei unmittelbar benachbarten Energiespeicherzellen der ersten Lage und einer Energiespeicherzelle der zweiten Lage verlaufen, und der zweite Systemstrompfad kann abwechselnd zwischen zwei unmittelbar benachbarten Energiespeicherzellen der dritten Lage und einer Energiespeicherzelle der zweiten Lage verlaufen. Die jeweilige Energiespeicherzelle der zweiten Lage kann dabei entlang der Erstreckung der Lagen gesehen, beispielsweise horizontal gesehen, weiter einer Richtung folgend angeordnet sein. Dadurch kann eine vorteilhafte Konfiguration mit drei Lagen und trotzdem nur zwei Systemstrompfaden erreicht werden, wobei auch in diesem Fall eine sehr begrenzte Anzahl von typischerweise zu verwendenden Verbindungselementen bzw. Verbindungsplatten zwischen den Energiespeicherzellen benötigt wird. Die zweite Lage kann insbesondere zwischen der ersten Lage und der dritten Lage angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführung sind in einer oder mehreren Lagen eine oder mehrere Unterbrechungen ausgebildet. In einer Unterbrechung sind keine Energiespeicherzellen vorhanden. Anders ausgedrückt kann ein Abstand zwischen Energiespeicherzellen einer Lage in einer Unterbrechung größer sein als sonst. Die Systemstrompfade können die Unterbrechung überbrücken. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass mindestes einer oder einige der Systemstrompfade seitlich zur Unterbrechung verlaufen. Damit können beispielsweise Energiespeicherzellen miteinander verbunden werden, welche unmittelbar an die Unterbrechung angrenzen. Angrenzend an jede Unterbrechung kann der Verlauf der Systemstrompfade abweichen. Auch hierfür können geeignete Verbindungselemente bzw. Verbindungsplatten vorgesehen sein, welche je nach Anzahl der Lagen, Anzahl der Systemstrompfade und Größe der Unterbrechung verwendet werden können. Bei einer Unterbrechung können sich Systemstrompfade, welche ansonsten entlang einer Lage verlaufen, beispielsweise überkreuzen. Insbesondere können Verbindungen, Verbindungsstellen, Verbindungselemente bzw. Verbindungsplatten dazu ausgebildet sein, seitlich einer Unterbrechung zu verlaufen, also insbesondere an jeweiligen Längsenden der Energiespeicherzellen.
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Die Energiespeicherzellen können insbesondere mittels eines Typs oder mehrerer unterschiedlicher Typen von Verbindungsplatten an ihren Längsenden miteinander verbunden sein. Insbesondere genügen für die meisten Ausführungen eine, zwei oder drei unterschiedliche Typen von Verbindungsplatten, wie weiter unten mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert wird. Derartige Verbindungsplatten können insbesondere für eine entsprechende Konfiguration von Lagen und Systemstrompfaden sowie für eventuelle Unterbrechungen ausgebildet werden. Dies erlaubt es, über eine beliebige Ausdehnung mit einer sehr begrenzten Anzahl von Verbindungsplatten geeignete elektrische Verbindungen herzustellen. Wie weiter unten mit Bezug auf die Zeichnung noch genauer beschrieben wird genügt bei einfachen Ausführungen ein Typ von Verbindungsplatten. Bei komplexeren Ausführungen und/oder Unterbrechungen können beispielsweise zwei, drei oder vier unterschiedliche Typen von Verbindungsplatten verwendet werden. Allgemeiner kann bei den Verbindungsplatten auch von Zellverbindern gesprochen werden.
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Die Verbindungsplatten können eben ausgeführt sein, sie können jedoch auch gebogen oder mit einem andersartigen Verlauf ausgeführt sein. Sie können eine konstante Dicke, jedoch auch eine nicht konstante Dicke aufweisen.
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Gemäß einer möglichen Ausführung sind die Energiespeicherzellen als prismatische Zellen ausgebildet. Auch in diesem Fall kann das hier beschriebene Konzept verwendet werden, Parallelstrompfade mit deutlich geringerer Stromtragfähigkeit im Vergleich zu den Systemstrompfaden zu verwenden.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Energiespeichereinrichtung wie hierin beschrieben. Bezüglich der Energiespeichereinrichtung können alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten verwendet werden.
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Mit anderen Worten gibt es in einem elektrischen Speichersystem typischerweise mehrere Parallel- und Serienschaltungen, wodurch Systemstrom und Parallelstrom bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik sich typischerweise den gleichen elektrischen Pfad teilen. Parallelströme entstehen typischerweise durch leicht unterschiedliche elektrische Innenwiderstände von parallel geschalteten Energiespeicherzellen .
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Bei einem thermischen Ereignis in einer Energiespeicherzelle bzw. Batteriezelle kann die jeweilige Zelle niederohmig werden bzw. wird intern kurzgeschlossen. In einer solchen Situation kann es passieren, dass alle parallel geschalteten Zellen ebenfalls durch die niederohmige Zelle kurzgeschlossen werden. Ein solches Kurzschlussereignis (in parallel geschalteten Zellen) kann diese Zellen thermisch zusätzlich belasten, womit die Zellentemperatur ansteigt. Damit erhöht sich das Risiko eines weiteren thermischen Ereignisses in der bereits kurzgeschlossenen Zelle.
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Es werden deshalb hierin Zellverbindungskonzepte vorgeschlagen, die es ermöglichen, den Parallelstrompfad aus dem Systemstrompfad zu trennen. Der Parallelstrompfad wird insbesondere mit erheblich kleinerer Stromtragfähigkeit dargestellt, so dass bei einem Kurzschlussstrom zwischen parallel geschalteten Zellen dieser Parallelstrompfad als Schmelzsicherung dient und somit eine anhaltende Kurzschlusssituation unterbunden bzw. verhindert wird.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen:
- 1: eine Energiespeichereinrichtung gemäß dem Stand der Technik,
- 2: eine Illustration von System- und Parallelstrompfaden in einer bestimmten Ausführung,
- 3: eine Illustration von System- und Parallelstrompfaden in einer weiteren Ausführung,
- 4a, 4b bis 9a, 9b: Energiespeichereinrichtungen in jeweiligen Ausführungen,
- 10: unterschiedliche Arten von Verbindungsplatten,
- 11: eine Energiespeichereinrichtung mit prismatischen Zellen, und
- 12: eine weitere Energiespeichereinrichtung mit prismatischen Zellen.
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1 zeigt eine Energiespeichereinrichtung 5 gemäß dem Stand der Technik. Diese weist mehrere Energiespeicherzellen 10 auf, welche in Form von länglichen Rundzellen ausgeführt sind. Darin kann jeweils elektrische Energie elektrochemisch gespeichert werden.
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1 zeigt dabei rein schematisch eine Seitenansicht, wobei die Energiespeichereinrichtung 5 selbstverständlich auch eine kleinere oder größere Ausdehnung haben kann.
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Wie gezeigt sind die Energiespeicherzellen 10 in zwei übereinanderliegenden Lagen von jeweils fünf Energiespeicherzellen 10 angeordnet. Sie erstrecken sich quer zur Papierebene von 1 und sind bezüglich ihrer Längsachsen parallel zueinander angeordnet. Dazwischen befindet sich eine wellenförmige Kühlplatte 20. Grundsätzlich verläuft in der gezeigten Ausführung entlang einer jeweiligen Lage ein jeweiliger Systemstrompfad. Hierfür sind jedoch nicht alle notwendigen Verbindungselemente eingezeichnet, sondern es ist lediglich ein beispielhaftes Verbindungselement in Form einer Verbindungsplatte 35 eingezeichnet, wie sie bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik typischerweise zum Einsatz kommt. Die Verbindungsplatte 35 ist gestrichelt dargestellt. Sie verbindet wie gezeigt vier Energiespeicherzellen, nämlich die Energiespeicherzellen Z1, Z3 der oberen Lage und die Energiespeicherzellen Z2, Z4 der unteren Lage. Entlang eines jeweiligen Systemstrompfads sind dabei jeweils ein Pluspol und ein Minuspol miteinander verbunden.
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Durch die gezeigte Ausführung der Verbindungsplatte 35 kann ein Systemstrompfad entlang jeder der beiden Lagen von Energiespeicherzellen 10 fließen, es kann jedoch auch ein Parallelstrom zwischen den Lagen fließen. Im typischen Betrieb werden dadurch geringfügig unterschiedliche Innenwiderstände der einzelnen Energiespeicherzellen 10 kompensiert, was ein gewünschter Effekt von Parallelströmen ist.
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Beispielhaft sei nun der Fall betrachtet, dass in der Energiespeicherzelle Z1 ein Kurzschluss auftritt. Dies kann zu einer deutlichen Erwärmung der Energiespeicherzelle Z1 führen, was auch als thermisches Ereignis bezeichnet wird. Wie gezeigt ist zwischen den jeweiligen Energiespeicherzellen 10 einer Lage ein thermisch isolierendes Material 30 angeordnet, welches eine eventuelle Ausbreitung der Erwärmung verhindert oder verlangsamt. Allerdings ist es bei der gezeigten Ausführung möglich, dass beispielsweise die Energiespeicherzelle Z2, welche äquivalent zur ersten Energiespeicherzelle Z1 gepolt ist, durch den Kurzschluss der Energiespeicherzelle Z1 plötzlich einen erhöhten Strom abgibt und deshalb ebenfalls überhitzt. Somit kann sich ein eventuelles thermisches Ereignis in der Energiespeichereinrichtung 5 ausbreiten.
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2 zeigt rein schematisch eine Energiespeichereinrichtung 5 mit insgesamt vier dargestellten Energiespeicherzellen 10 zur Erläuterung des Konzepts der hier offenbarten Technologie. Zunächst ist zu sehen, dass gemäß der Ausführung einer verwendeten Verbindungsplatte 36 zwei Systemstrompfade S1, S2 horizontal, d.h. entlang einer jeweiligen Lage von Energiespeicherzellen 10, verlaufen. Diese sind hier jeweils mit mehreren Pfeilen dargestellt. Dabei sind in der vorliegenden Ausführung jeweils zwei benachbarte Energiespeicherzellen 10 entlang eines Systemstrompfads S1, S2 verbunden. Eine solche Verbindung kann als Verbindungsstelle bezeichnet werden, wobei vorliegend im ersten Systemstrompfad S1 eine erste Verbindungsstelle V1 und im zweiten Systemstrompfad S2 eine zweite Verbindungsstelle V2 vorhanden sind. Zwischen zwei solchen Verbindungsstellen V1, V2 ist ein Parallelstrompfad P vorhanden, welcher wie bereits erwähnt zum Ausgleich eventueller geringfügig unterschiedlicher Innenwiderstände dient. Im Normalbetrieb ist dies ein erwünschter Effekt. Für den Fall eines Kurzschlusses in einer der Energiespeicherzellen 10 wäre dies jedoch nicht mehr erwünscht, wie bereits mit Bezug auf 1 erläutert.
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Deshalb ist vorliegend der Parallelstrompfad P so ausgebildet, dass er nur eine deutlich geringere Stromtragfähigkeit als die Systemstrompfade S1, S2 hat. Dies wird durch eine deutlich dünnere Ausführung des Parallelstrompfads P im Vergleich zu den Systemstrompfaden S1, S2 erreicht, wobei der Parallelstrompfad P vorliegend als Steg 45 ausgebildet ist. Sollte es somit in einer der Energiespeicherzellen 10 zu einem Kurzschluss kommen, so würde das für den Parallelstrompfad P im Steg 45 vorgesehene Material schmelzen, sobald die Stromtragfähigkeit des Parallelstrompfads P überschritten wird. Der Parallelstrompfad P würde dann nicht mehr zur Verfügung stehen. Die elektrische Verbindung ist somit unterbrochen und eine weitere Ausbreitung eines thermischen Ereignisses über die Energiespeicherzellen 10 der Energiespeichereinrichtung 5 ist nicht mehr möglich.
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3 zeigt eine Energiespeichereinrichtung 5 in einer zur 2 abweichenden Konfiguration. Dabei sind anhand der Systemstrompfade S1, S2 jeweils Ausschnitte aus komplexeren Verläufen von Systemstrompfaden gezeigt, welche beispielhaft mit einer Verbindungsplatte 37 realisiert sind. Auch in diesem Fall besteht ein Parallelstrompfad P zwischen zwei jeweiligen Verbindungsstellen V1, V2 jeweils zweier Energiespeicherzellen 10, wobei bezüglich der Funktionalität auf die Beschreibung von 2 verwiesen wird. Dies zeigt, dass das hierin beschriebene Konzept auch bei komplexeren Verläufen von Systemstrompfaden Anwendung finden kann.
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Die 4a und 4b zeigen eine Energiespeichereinrichtung 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel. 4a zeigt dabei eine Seitenansicht von einer Seite und 4b zeigt eine Seitensicht von einer gegenüberliegenden Seite. Beispielsweise kann es sich bei 4a um eine Seitenansicht von einer linken Seite eines Kraftahrzeugs handeln und bei 4b um eine Seitenansicht von einer rechten Seite eines Kraftfahrzeugs, oder umgekehrt. Gleiches gilt im Übrigen für die nachfolgend beschriebenen 5a, 5b bis 9a, 9b.
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Wie gezeigt sind in der Ausführung gemäß den 4a, 4b zwei Lagen L1, L2 von Energiespeicherzellen 10 vorhanden, wobei die Energiespeicherzellen 10 in dieser und den nachfolgend beschriebenen Figuren zur besseren Übersicht nicht mehr mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet sind, sondern vielmehr nur noch als runde Kreise dargestellt sind. Die Polung am jeweiligen zu sehenden Längsende ist mit (+) bzw. (-) angegeben.
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Die Lagen bzw. die Energiespeicherzellen unterschiedlicher Lagen sind in horizontaler Richtung um eine halbe Zelle zueinander versetzt. Somit kann eine Rundung einer Zelle partiell in einen Raum zwischen zwei anderen Zellen eingreifen. Dazwischen können beispielsweise Kühlelemente angeordnet sein, welche hier jedoch nicht dargestellt sind.
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Des Weiteren ist zu sehen, dass beiderseits spezifische Verbindungsplatten 40 vorhanden sind. Endseitige Verbindungsplatten, d.h. solche, welche ganz links bzw. ganz rechts angeordnet sind, sind dabei anders ausgeführt als die dazwischen angeordneten Verbindungsplatten 40 und sind in diesen und in den weiteren 5a, 5b bis 9a, 9b mit dem Bezugszeichen 40a bezeichnet, unabhängig von der konkreten Form. Sie werden nicht als Bestandteil von Systemstrompfaden S angesehen.
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Die dazwischen angeordneten Verbindungsplatten 40 sind vorliegend in einer Schmetterlingsform konzipiert. Dies bedeutet, dass jeweilige Systemstrompfade S1, S2, welche sich jeweils entlang einer der Lagen L1, L2 erstrecken, entlang großflächiger horizontaler Abschnitte der Verbindungsplatten 40 ausgebildet sind. Parallelstrompfade P, welche in dieser Ausführung vertikal verlaufen, sind demgegenüber nur mit wesentlich weniger Material in den jeweiligen Verbindungsplatten 40 ausgeführt, nämlich als jeweilige Stege, so dass hier auf einfache Weise eine jeweilige Schmelzsicherung realisiert ist.
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Die 5a, 5b zeigen eine alternative Ausführung, in welcher eine Unterbrechung U ausgebildet ist. Bei der Unterbrechung U fehlt eine Energiespeicherzelle 10 der zweiten Lage L2. Wie leicht erkannt werden kann, sind angrenzend und an der Unterbrechung U abgewandelte Verbindungsplatten 40b vorhanden. Auch diese haben jedoch jeweils grundsätzlich die Form, dass die Systemstrompfade S1, S2 entlang materialmäßig breiter Flächen verlaufen, wohingegen Parallelstrompfade P entlang nur dünner Abschnitte verlaufen. Sie sorgen vorliegend dafür, dass sich die Systemstrompfade S1, S2 überkreuzen. Auch über Unterbrechungen U hinweg kann somit das hierin beschrieben Konzept verwendet werden, wobei solche Unterbrechungen beispielsweise dafür vorgesehen sein können, dass ein Fußraum eines Kraftfahrzeugs in die sonstige Ausdehnung der Energiespeichereinrichtung 5 eingreifen kann.
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Die 6a, 6b zeigen eine Anordnung mit zwei Lagen L1, L2 von Energiespeicherzellen 10, wobei im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungen nicht nur zwei, sondern drei Systemstrompfade S1, S2, S3 vorhanden sind. Diese sind mittels jeweiliger angepasster Verbindungsplatten 40c realisiert, wobei eine Verbindung zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Energiespeicherzellen 10 der ersten Lage L1 und zwei unmittelbar benachbarten Energiespeicherzellen 10 der zweiten Lage L2 hergestellt wird, und ferner eine Verbindung zwischen zwei nicht benachbarten, sondern um eineinhalb dazwischenliegende Energiespeicherzellen versetzt zueinander angeordneten Energiespeicherzellen, welche auf unterschiedlichen Lagen L1, L2 liegen, hergestellt wird. Zwischen diesen jeweiligen, wiederum großflächig ausgeführten Verbindungen sind jeweilige Parallelstrompfade P ausgeführt. Dadurch können auch in nur zwei Lagen L1, L2 drei Systemstrompfade S1, S2, S3 mittels standardisierter und einheitlicher Verbindungsplatten 40c, zumindest abgesehen von jeweiligen Enden, realisiert werden. Jeder Systemstrompfad S verläuft dabei zwischen drei unmittelbar benachbarten Energiespeicherzellen einer Lage L und dann weiter entlang drei unmittelbar benachbarten Energiespeicherzellen der anderen Lage L.
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Die 7a, 7b zeigen eine Ausführung mit insgesamt drei Lagen L1, L2, L3 von Energiespeicherzellen 10. Dabei sind Verbindungsplatten 40d vorgesehen, welche identisch sind und jeweils einen Systemstrompfad S1, S2, S3 entlang einer jeweiligen Lage L1, L2, L3 führen. Hierfür sind wiederum großflächige Verbindungen vorgesehen. Zwischen diesen jeweiligen Verbindungsstellen von Energiespeicherzellen 10 unterschiedlicher Polarität sind Parallelstrompfade P vorgesehen, welche wie bereits erwähnt mit deutlich dünneren Materialabschnitten ausgeführt sind und somit die Funktion einer Schmelzsicherung haben. Anders ausgedrückt kann die Ausführung der 7a, 7b als Verallgemeinerung der Ausführung der 4a, 4b auf drei Lagen verstanden werden. Eine Verallgemeinerung auf noch mehr Lagen ist möglich.
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Die 8a, 8b zeigen eine Ausführung mit ebenfalls drei Lagen L1, L2, L3 von Energiespeicherzellen 10, jedoch mit lediglich zwei Systemstrompfaden S1, S2. Diese sind über zwei unterschiedliche Arten von Verbindungsplatten 40e, 40f realisiert, wobei, abgesehen von Endstellen, der erste Systemstrompfad S1 abwechselnd entlang zwei unmittelbar benachbarten Energiespeicherzellen 10 der ersten Lage L1 und einer Energiespeicherzelle 10 der zweiten Lage L2 verläuft, und wobei der zweite Systemstrompfad S2 abwechselnd entlang zwei unmittelbar benachbarten Energiespeicherzellen 10 der dritten Lage L3 und einer Energiespeicherzelle 10 der zweiten Lage L2 verläuft. Es sei erwähnt, dass selbst für derart komplexe Verläufe von Systemstrompfaden lediglich zwei Typen von Verbindungsplatten 40e, 40f ausreichen.
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Die 9a, 9b zeigen eine Ausführung entsprechend derjenigen der 8a, 8b, wobei im Unterschied dazu eine Unterbrechung U vorgesehen ist, welche sich über die zweite Lage L2 und die dritte Lage L3 erstreckt. Angrenzend an die Unterbrechung U und zu deren Überbrückung ist dabei eine abgewandelte Verbindungsplatte 40g vorgesehen, welche in identischer Weise wie bisher beschrieben entlang der Systemstrompfade S1, S2 großflächig und entlang des Parallelstrompfads P lediglich schmal ausgebildet ist. Somit kann auch bei dieser Konstellation eine Unterbrechung realisiert werden, wofür wie gezeigt in der in 9a zu sehenden Seite keine abgewandelte Verbindungsplatte benötigt wird, und in der in 9b zu sehenden Seite lediglich eine spezifisch für die Unterbrechung U abgewandelte Verbindungsplatte 40g benötigt wird.
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10 zeigt die bereits in den 4a, 4b bis 9a, 9b dargestellten Verbindungsplatten separat. Die Verbindungsplatten können insbesondere auch unabhängig von ihrer Integration in eine Energiespeichereinrichtung als separate Merkmale der hier offenbarten Technologie betrachtet werden.
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Die Verbindungsplatte 40 weist zwei gerade Verbindungsstellen V1, V2 parallel zueinander auf, zwischen welchen ein quer verlaufender Steg 45 ausgebildet ist. Der Steg 45 ist dünner als die Verbindungsstellen V1, V2. Die Verbindungsstellen V1, V2 verbinden typischerweise jeweils zwei unmittelbar benachbart Energiespeicherzellen.
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Die Verbindungsplatte 40a ist flächig ausgeführt und dient der endseitigen Verbindung von Energiespeicherzellen, d.h. die gehört nicht zu den Systemstrompfaden. Gleiches gilt für die anderen mit dem Bezugszeichen 40a bezeichneten, endseitigen Verbindungsplatten.
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Die Verbindungsplatte 40b weist eine gerade erste Verbindungsstelle V1, welche typischerweise zwei unmittelbar benachbarte Energiespeicherzellen verbindet, und eine gebogene, vorliegend von links oben nach rechts unten verlaufende zweite Verbindungsstelle V2 auf. Dazwischen ist ein Steg 45 ausgebildet. Die Verbindungsplatte 40b kann insbesondere an einer Unterbrechung verwendet werden, wobei sich zwei Systemstrompfade überkreuzen.
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Die Verbindungsplatte 40c weist eine gerade erste Verbindungsstelle V1, eine parallel dazu verlaufende gerade dritte Verbindungsstelle V3 und eine dazwischen angeordnete zweite Verbindungsstelle V2 auf. Die zweite Verbindungsstelle V2 führt von links oben nach rechts unten und überspannt, horizontal gesehen, die von den anderen Verbindungsstellen V1, V3 verbundenen Energiespeicherzellen. Zwischen den Verbindungsstellen V1, V2, V3 sind Stege 45 ausgebildet. Die erste und die dritten Verbindungsstelle V1, V3 verbinden typischerweise jeweils zwei unmittelbar benachbart angeordnete Energiespeicherzellen.
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Die Verbindungsplatte 40d weist drei gerade, parallele Verbindungsstellen V1, V2, V3 auf, zwischen welchen quer verlaufende Stege 45 ausgebildet sind. Die Verbindungsstellen V1, V2, V3 verbinden typischerweise jeweils zwei unmittelbar benachbart angeordnete Energiespeicherzellen.
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Die Verbindungsplatte 40e weist eine gerade erste Verbindungsstelle V1 und eine schräg dazu angeordnete gerade zweite Verbindungsstelle V2 auf. Dazwischen ist ein Steg 45 angeordnet. Während die erste Verbindungsstelle V1 typischerweise zwei unmittelbar benachbarte Energiespeicherzellen einer Lage verbindet, kann die zweite Verbindungsstelle V2 Energiespeicherzellen unterschiedlicher Lagen verbinden.
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Die Verbindungsplatte 40f weist zwei parallele, gerade Verbindungsstellen V1, V2 auf. Dazwischen ist ein schräg verlaufender Steg 45 angeordnet. Die Verbindungsstellen V1, V2 können insbesondere Verbindungen über unterschiedliche Lagen von Energiespeicherzellen herstellten.
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Die Verbindungsplatte 40g weist eine erste Verbindungsstelle V1 und eine zweite Verbindungsstelle V2 auf, welche jeweils gerade und parallel zueinander ausgerichtet sind. Die erste Verbindungsstelle V1 verbindet typischerweise zwei unmittelbar benachbarte Energiespeicherzellen einer Lage, und die zweite Verbindungsstelle V2 verbindet typischerweise zwei unmittelbar benachbarte Energiespeicherzellen einer anderen Lage, welche jedoch beispielsweise aufgrund einer Unterbrechung einen größeren Abstand voneinander haben. Zwischen diesen Lagen ist typischerweise mindestens eine weitere Lage von Energiespeicherzellen angeordnet. Diese Lage wird von einem quer verlaufenden Steg 45, welcher die Verbindungsstellen V1, V2 verbindet, überspannt.
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Wie gezeigt sind die Verbindungsstellen V typischerweise als flächige Elemente in den Verbindungsplatten ausgebildet, während die Stege 45 erheblich dünner ausgebildet sind. Dadurch wird die Stromtragfähigkeit der über die Stege 45 verlaufenden Parallelstrompfade verringert.
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Grundsätzlich sind zur Ausbildung von Verbindungsstellen bzw. Parallelstrompfaden jedoch auch andere Verbindungsmittel verwendbar, beispielsweise elektrische Drähte oder Litzen,
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11 zeigt eine Ausführung einer Energiespeichereinrichtung 5, welche im Vergleich zu den bisherigen Ausführungen mit prismatischen Energiespeicherzellen 10 ausgeführt ist. Diese sind vorliegend in einer Draufsicht dargestellt, wobei jede Energiespeicherzelle 10 an der dargestellten Seite einen Pluspol (+) und einen Minuspol (-) aufweist. Systemstrompfade und Parallelstrompfade sind mittels entsprechender Verbindungsplatten 41 realisiert. Auch in diesem Fall sind die Systemstrompfade S1, S2, S3 besonders breitflächig ausgeführt, wohingegen die Parallelstrompfade P nur deutlich schmäler und damit mit einer deutlich geringeren Stromtragfähigkeit ausgeführt sind. Das hierin offenbarte Konzept kann somit auch für prismatische Zellen angewendet werden.
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12 zeigt eine Ausführung mit prismatischen Zellen 10, welche seitliche Anschlüsse aufweisen. Hierbei sind lediglich Systemstrompfade S1, S2, S3 zwischen den drei links angeordneten Energiespeicherzellen und den drei mittig angeordneten Energiespeicherzellen 10 zu sehen, dazwischen sind wiederum Parallelstrompfade P ausgebildet. Die Systemstrompfade S1, S2, S3 verlaufen anschließend auf der anderen Seite zu den rechtsseitig angeordneten Energiespeicherzellen 10 fort und sind deshalb in 12 nicht zu sehen.
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Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. die/eine Energiespeicherzelle, das/ein Verbindungselement, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. die mindestens eine Energiespeicherzelle, das mindestens eine Verbindungselement, etc.).
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 5
- Energiespeichereinrichtung
- 10
- Energiespeicherzelle
- 20
- Kühlplatte
- 30
- thermisch isolierendes Material
- 35
- Verbindungsplatte
- 36
- Verbindungsplatte
- 37
- Verbindungsplatte
- 40 - 40g
- Verbindungsplatte
- 41
- Verbindungsplatte
- 45
- Steg
- S
- System strom pfade
- P
- Parallelstrompfade
- V
- Verbindungsstellen
