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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug. Der elektrische Energiespeicher weist zumindest ein Zellpaket mit elektrischen Energiespeicherzellen, welche jeweils ein Zellgehäuse und ein in dem Zellgehäuse angeordnetes galvanisches Element aufweisen, und eine Speicherelektronik mit zumindest einer Komponente, welche zumindest ein Komponentengehäuse sowie zumindest ein in dem zumindest einen Komponentengehäuse angeordnetes Bauteil aufweist, auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher, welche insbesondere als Traktionsakkumulatoren elektrifizierter Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden. Solche elektrischen Energiespeicher weisen üblicherweise eine Vielzahl von miteinander verschalteten Energiespeicherzellen sowie eine Speicherelektronik auf. Die Speicherelektronik weist beispielsweise Komponenten wie Schalteinrichtungen, eine Auswerte- und Ansteuerelektronik, Sicherungen, Balancing-Widerstände, Isolationswächter, Spannungswandler, etc., auf. Die Energiespeicherzellen sind in der Regel in einem Speichergehäuse des elektrischen Energiespeichers angeordnet. Bauteile der Komponenten der Speicherelektronik sind zumeist in separaten Komponentengehäusen mit unterschiedlichen Bauformen untergebracht. Die Komponenten der Speicherelektronik können in oder außen am Speichergehäuse angebracht sein oder entfernt von Speichergehäuse im Kraftfahrzeug angeordnet sein und benötigen üblicherweise eine Kühlung sowie Ein- und Ausgänge für Kabel, Ansteuerung und Energieversorgung.
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Nachteilig hierbei sind die separate Kühlungsanbindung für die Speicherelektronik und die Energiespeicherzellen sowie die oftmals langen Zuleitungen mit entsprechenden Kosten und Wärmeverlusten zu der Speicherelektronik. Die unterschiedlichen Bauformen der Komponentengehäuse benötigen außerdem zusätzliche Arbeitsschritte für zusätzliche Verbindungselemente.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstigen, einfach zu fertigenden elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer elektrischer Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug umfasst zumindest ein Zellpaket mit elektrischen Energiespeicherzellen, welche jeweils ein Zellgehäuse und ein in dem Zellgehäuse angeordnetes galvanisches Element aufweisen, und eine Speicherelektronik mit zumindest einer Komponente, welche zumindest ein Komponentengehäuse sowie zumindest ein in dem zumindest einen Komponentengehäuse angeordnetes Bauteil aufweist. Die zumindest eine Komponente ist in das Zellpaket integriert, indem ein Format der zumindest einen Komponente an ein Zellformat der Energiespeicherzellen angepasst ist und hierfür das zumindest eine Komponentengehäuse eine mit den Zellgehäusen korrespondierende geometrische Bauform aufweist.
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Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere ein Hochvoltenergiespeicher und dient als Traktionsakkumulator bzw. wiederaufladbare Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Der elektrische Energiespeicher weist eine Vielzahl von Energiespeicherzellen auf, welche zu zumindest einem Zellpaket paketiert und miteinander verschaltet sind. Die Energiespeicherzellen weisen dabei jeweils ein Zellgehäuse auf, welches beispielsweise aus Metall ausgebildet sein kann. In jedem Zellgehäuse ist ein galvanisches Element bzw. eine galvanische Zelle angeordnet. Die Energiespeicherzellen weisen dabei ein bestimmtes Zellformat auf. Beispielsweise kann das Zellformat ein Rundzellenformat sein, bei welchem die Zellgehäuse der Energiespeicherzellen eine zylindrische Bauform aufweisen, oder ein prismatisches Zellformat sein, bei welchem die Zellgehäuse eine quaderförmige, insbesondere flachquaderförmige, Bauform aufweisen. Im Falle von Rundzellen sind diese üblicherweise stehend zu zumindest einem Zellpaket in Form von einem kompakten Zellverbund paketiert, im Falle von prismatischen Zellen sind diese üblicherweise zu zumindest einem Zellpaket in Form von einem Zellstapel gestapelt. Das zumindest eine Zellpaket ist üblicherweise in einem Speichergehäuse des elektrischen Energiespeichers angeordnet. Das Speichergehäuse weist beispielsweise Anschlüsse, insbesondere Hochvoltanschlüsse auf, welche mit der Verschaltung aus Energiespeicherzellen verbunden sind und mit weiteren Hochvoltkomponenten des Kraftfahrzeugs verbunden werden können.
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Der elektrische Energiespeicher weist außerdem die Speicherelektronik auf, welche eine Vielzahl von Komponenten, beispielsweise einen Spannungswandler, eine Schalteinrichtung, eine Sicherung, ein Ladezustandsausgleichseinrichtung, einen Isolationswächter, eine Auswerteeinrichtung und/oder eine Steuereinrichtung, aufweisen kann. Zumindest ein Bauteil einer Komponente ist dabei in einem Komponentengehäuse angeordnet, welches aufgrund seiner zu den Zellgehäusen korrespondierenden Bauform gemeinsam mit den Zellgehäusen zu dem zumindest einen Zellpaket paketiert werden kann. Unter den zueinander korrespondierenden Bauformen sind insbesondere schnittstellengleiche Bauformen mit geometrisch ähnlichen, insbesondere identischen, Formaten zu verstehen, bei welchen die Zellgehäuse und das zumindest eine Komponentengehäuse insbesondere dieselbe geometrische Form aufweisen. Beispielsweise ist im Falle der Rundzellen auch das zumindest eine Komponentengehäuse zylindrisch und im Falle der prismatischen Zellen ist auch das zumindest eine Komponentengehäuse quaderförmig. Dabei kann vorgesehen sein, dass sind die Zellgehäuse und zumindest ein Komponentengehäuse identisch ausgebildet sind. Gemäß dieser Ausgestaltung wird also zumindest ein Zellgehäuse verwendet, welches nicht mit einem galvanischen Element, sondern mit einem Bauteil einer Komponente befüllt wird und somit zu einem Komponentengehäuse umfunktioniert wird. Auch können die die Zellgehäuse und zumindest ein Komponentengehäuse unterschiedliche geometrische Abmessungen und/oder Wandstärken und/oder Materialien aufweisen. Gemäß dieser Ausgestaltung unterscheiden sich die Zellgehäuse und das zumindest eine Komponentengehäuse in zumindest einem Parameter, das zumindest eine Komponentengehäuse passt jedoch dennoch in ein Zellraster des zumindest einen Zellpakets und kann somit gemeinsam mit den Zellgehäusen zu dem zumindest einen Zellpaket paketiert werden.
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Durch das Integrieren der zumindest einen Komponente in das zumindest eine Zellpaket ist auch die zumindest eine Komponente in dem Speichergehäuse räumlich besonders nahe an den Energiespeicherzellen angeordnet. Somit kann auf lange Zuleitungen zu der Speicherelektronik verzichtet werden. Darüber hinaus werden durch die zueinander korrespondierenden Bauformen der Gehäuse Varianten und dadurch Kosten reduziert.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das zumindest eine Komponentengehäuse zur Wärmehomogenisierung der Energiespeicherzellen und/oder zum Aufnehmen einer unfallbedingten Krafteinwirkung an einem Rand des Zellpakets angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung kann auf nicht-funktionale Dummy-Zellen, welche oftmals an Rändern des Zellpakets angeordnet sind, verzichtet werden und der dadurch zur Verfügung stehende Bauraum für die Speicherelektronik genutzt werden.
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Auch kann vorgesehen sein, dass der elektrische Energiespeicher eine Kühleinrichtung aufweist, welche in oder an dem Zellpaket zum Kühlen der Energiespeicherzellen und der Speicherelektronik angeordnet ist. Im Falle von einem Zellpaket mit zylindrischen Zell- und Komponentengehäusen kann die Kühleinrichtung Kühlschlangen, also streifenförmige, kühlmittelführende, wellenprofilförmige Kühlelemente, aufweisen, welche sich anliegend an den Zell- und Komponentengehäusen durch das Zellpaket hindurchschlängeln. Im Falle von einem Zellpaket mit zylindrischen oder prismatischen Zell- und Komponentengehäusen kann die Kühleinrichtung Kühlplatten aufweisen, welche an einer Seite des Zellpakets, beispielsweise an einer Unterseite und damit an Gehäuseböden der Zell- und Komponentengehäusen, angeordnet sind. Durch das Integrieren der Speicherelektronik in das Zellpaket kann somit die Kühlung der Energiespeicherzellen in vorteilhafter Weise zur Kühlung der Speicherelektronik mitgenutzt werden, sodass keine zusätzliche Kühlung mit separater Kühlanbindung für die Speicherelektronik notwendig ist.
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Vorzugsweise weisen die Zellgehäuse und das zumindest eine Komponentengehäuse Kontaktelemente auf, welche im Falle der Zellgehäuse mit Elektroden des galvanischen Elementes verbundene Zellpole ausbilden und im Falle des zumindest einen Komponentengehäuses mit dem zumindest einen Bauteil verbundene Anschlüsse der zumindest einen Komponente ausbilden. Beispielsweise weist der elektrische Energiespeicher Zellverbinder auf, welche mit den Zellpolen und den Anschlüssen verbunden sind, sodass die Energiespeicherzellen und zumindest eine Komponente miteinander verschaltet sind. Beispielsweise kann in diesem Fall die zellpaketintegrierte Komponente als ein Schalteinrichtung ausgebildet sein, bei welcher zumindest ein Schaltelement, beispielsweise ein Schaltschütz, in dem zugehörigen Komponentengehäuse angeordnet ist und über einen Zellverbinder mit der Verschaltung aus Energiespeicherzellen verbunden ist und welche dazu ausgebildet ist, die Verschaltung aus Energiespeicherzellen an den HV-Anschluss des elektrischen Energiespeichers anzuschließen.
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Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Energiespeicher zumindest eine Leitung zum Kontaktieren der zumindest einen Komponente aufweisen, welche über eine Öffnung in dem Komponentengehäuse der zumindest einen Komponente in das Komponentengehäuse geführt und mit dem zumindest einen Bauteil elektrisch verbunden ist. Die Öffnung kann sich beispielsweise an einer Stelle des Komponentengehäuses befinden, an welcher sich bei den Zellgehäusen Entgasungselemente, beispielsweise Berstmembrane, befinden. In diesem Fall kann die zumindest eine Komponente beispielsweise als eine Auswerte- und Ansteuerelektronik ausgebildet sein, welche mit einer Sensorik und/oder Aktorik der elektrischen Energiespeicherzellen verbunden ist. Über die zumindest eine Leitung können dann Sensorsignale von Sensoren der Energiespeicherzellen, beispielsweise von Temperatursensoren, Spannungssensoren, Stromsensoren, etc., zur Überwachung der Energiespeicherzellen an die Auswerteelektronik übertragen werden. Auch können über die zumindest eine Leitung Steuersignale von der Ansteuerelektronik an Aktoren, beispielsweise an Ladezustandsausgleichselemente der Energiespeicherzellen, gesendet werden.
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Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher ein Zellkontaktiersystem aufweisen, welches die Zellverbinder und die Leitungen aufweist und welches zum Verschalten der Energiespeicherzellen miteinander und mit der zumindest einen Komponente sowie zum Verschalten der Sensorik/Aktorik mit der zumindest einen Komponente an dem Zellpaket angeordnet ist. Das Zellkontaktiersystem kann einen Halterahmen, beispielsweise einen Kunststoffrahmen, aufweisen, welcher die Zellverbinder und die Leitungen hält und welcher an der die Kontaktelemente aufweisenden Seite des Zellpakets angeordnet ist.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug in Form von einem Personenkraftwagen und weist den elektrischen Energiespeicher als Traktionsbatterie auf.
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Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Perspektivdarstellung einer ersten Ausgestaltung eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug,
- 2 eine Speicherkomponente der ersten Ausgestaltung des elektrischen Energiespeichers; und
- 3 eine schematische Perspektivdarstellung einer zweiten Ausgestaltung eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine erste Ausgestaltung und 3 eine zweite Ausgestaltung eines elektrischen Energiespeichers 1 zur Verwendung als Traktionsakkumulator in einem Kraftfahrzeug. Der elektrische Energiespeicher 1 weist ein Zellpaket 2 auf, welches Energiespeicherzellen 3 aufweist. Die Energiespeicherzellen 3 weisen gemäß 1 ein prismatisches Zellformat auf, bei welchem Zellgehäuse 4 der Energiespeicherzellen 3 quaderförmig ausgebildet sind. Gemäß 3 weisen die Energiespeicherzellen 3 ein Rundzellenformat auf, bei welchem die Zellgehäuse 4 der Energiespeicherzellen 3 zylindrisch ausgebildet sind. In den Zellgehäusen 4 ist jeweils ein galvanisches Element 5 angeordnet- Ein Gehäusedeckel 6 der Zellgehäuse 4 weist Kontaktelemente 7 auf, welche durch Verschalten mit Elektroden des jeweiligen galvanischen Elementes 5 Zellpole 8a, 8b der jeweiligen elektrischen Energiespeicherzelle 3 ausbilden. Über diese Zellpole 8a, 8b können die Energiespeicherzellen 3 mittels Zellverbindern 9 (nur in 3 gezeigt) seriell oder parallel verschaltet werden. Die Gehäusedeckel 6 der Zellgehäuse 4 weisen hier außerdem jeweils ein Entgasungselement 10 zum Auslassen eines fehlerbedingten Heißgases aus den Zellgehäusen 4, beispielsweise im Falle eines zellinternen Kurzschlusses, auf.
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Der elektrische Energiespeicher 1 weist außerdem eine Speicherelektronik 11 mit mehreren Komponenten 12 auf. Die Komponenten 12 weisen jeweils zumindest ein Bauteil 13 und sind beispielsweise als eine Ansteuer- und Auswerteelektronik 14 (siehe auch 2) und als eine Schalteinrichtung 15 ausgebildet. Die Bauteile 13 sind dabei innerhalb von Komponentengehäusen 16 angeordnet und insbesondere in 3 nur zur besseren Erklärbarkeit sichtbar dargestellt. Die Komponenten 12 weisen hier dasselbe Format auf wie die Energiespeicherzellen 3 des zugehörigen Zellpakets 2. Dazu weisen die Komponentengehäuse 16 der Komponenten 12, in welchen die Bauteile 13 angeordnet sind, dieselbe geometrische Bauform auf wie die Zellgehäuse 4. Die Komponentengehäuse 16 der Komponenten 12 gemäß 1 sind somit prismatisch und die Komponentengehäuse 16 der Komponenten 12 gemäß 3 sind zylindrisch.
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Die Komponentengehäuse 16 weisen ebenfalls Kontaktelemente 7 auf, welche Anschlüsse 18a, 18b der Komponenten 12 ausbilden. Diese Anschlüsse 18a, 18b sind komponentengehäuseintern mit den Bauteilen 13 der Komponenten 12 elektrisch verbunden. Bei der Schalteinrichtung 15 können diese Anschlüsse 18a, 18b über Zellverbinder 9 mit der Verschaltung aus Energiespeicherzellen 3 verbunden sein, sodass die Schalteinrichtung 15 zum Schalten der Energiespeicherzellen 3 an einen HV-Anschluss des elektrischen Energiespeichers 1 ausgebildet ist.
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Es kann aber auch sein, dass die Komponenten 12 über Leitungen 19 kontaktiert werden. Diese können beispielsweise über eine Öffnung 20 in dem Komponentengehäuse 16, welche sich im Bereich der nicht benötigten Entgasungselemente 10 befinden kann, mit den Bauteilen 13 verbunden sein. Dies ist beispielsweise bei der Auswerte- und Ansteuerelektronik 14 vorteilhaft, welche zum Überwachen der Energiespeicherzellen 3 dient und hierfür mit Sensoren und/oder Aktoren der Energiespeicherzellen 3 verbunden wird. Auch können zwei Komponenten 12 verbunden sein, indem die Anschlüsse 18a, 18b der jeweiligen Komponenten 12 über Leitungen 21 verbunden sind.
