WO2014023517A1 - Elektrische energiespeicherzelle - Google Patents

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WO2014023517A1
WO2014023517A1 PCT/EP2013/064852 EP2013064852W WO2014023517A1 WO 2014023517 A1 WO2014023517 A1 WO 2014023517A1 EP 2013064852 W EP2013064852 W EP 2013064852W WO 2014023517 A1 WO2014023517 A1 WO 2014023517A1
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WO
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energy storage
storage cell
electrical energy
cell
dielectric layer
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Application number
PCT/EP2013/064852
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Kessler
Volker Doege
Andy Tiefenbach
Alexander Schmidt
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
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    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
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    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to an electrical energy storage cell.
  • the invention further relates to an electrical energy storage module.
  • the battery cells taken approximately DC or fed into the battery cells.
  • Battery systems with integrated converter are known in the prior art, in which a rapid change of the current conduction through a battery module or past the battery module is required for a variation of a strand voltage.
  • a rapid change of the current conduction through a battery module or past the battery module is required for a variation of a strand voltage.
  • An inductive component of the cell impedance acts to the outside to a power electronics and can generate high loss energies in the semiconductor switches used in the power electronics in the switching operations in combination with high currents. at certain, unavoidable switching operations, driven by the stored in the inductors electrical energy, avalanche breakdown (avalanche operation of the semiconductor switch).
  • DE 10 2010 041 028 A1 discloses a power supply network which has a controllable energy store which serves to control and supply electrical energy to an n-phase electrical machine with n> 1.
  • the controllable energy store has n parallel energy supply branches, each of which has at least two energy storage modules connected in series, which each comprise at least one electrical energy storage cell with an associated controllable coupling unit.
  • the invention provides an electrical energy storage cell comprising a low-inductance capacitive parallel path connected between poles of the energy storage cell, characterized in that the capacitive parallel path is an integral part of the energy storage cell.
  • the invention provides an electrical energy storage module having at least two electrical energy storage cells, wherein the energy storage cells are connected to each other in series, wherein a dielectric layer between a Abieiter a negative pole and a Abieiter a positive pole of the energy storage cells is arranged.
  • a preferred embodiment of the energy storage cell according to the invention is characterized in that the dielectric layer is arranged outside the cell housing. In this way it is advantageous not to intervene internal structures of the electrical energy storage cell. Furthermore, it is advantageous also subsequently a provision of the dielectric layer for the electrical
  • a further preferred embodiment of the energy storage cell is characterized in that the capacitive parallel path by means of the dielectric layer, a the pole and a cell housing of the electrical energy storage cell is formed.
  • already existing elements of the energy storage cell are advantageously used to form a capacitor by means of the dielectric layer, which is connected in parallel with the poles.
  • Another preferred embodiment of the memory cell according to the invention is characterized in that the dielectric layer has a surface structuring with elevations. In this way, the surface of the dielectric layer is increased, whereby advantageously an increased capacitance value can be represented. Furthermore, the pole can advantageously be reduced in size in this way.
  • Another preferred embodiment of the energy storage cell according to the invention is characterized in that the dielectric layer is formed areally between the areal negative terminal and the areal positive pole of the energy storage cell, wherein the positive pole and the negative pole are formed essentially over the entire area of the energy storage cell.
  • a preferred embodiment of the energy storage cell is characterized in that the dielectric layer is arranged within the cell housing. This provides a further alternative design possibility for the design of the energy storage cell with the capacitive parallel path.
  • a preferred embodiment of the memory cell is characterized in that the dielectric layer is arranged at least in a partial area between a collector of the poles, the dielectric layer being arranged in a region of the initiation or the discharge of the conductors into a cell coil. This is advantageous various design options for the utilization of the area between the Abieitern to arrange there a dielectric layer.
  • An advantageous development of the electrical energy storage cell according to the invention is characterized in that the dielectric layer between the cell housing and the Abieiter of the negative pole is formed flat and that the Abieiter is formed flat, the Abieiter is located close to the housing.
  • a modification of the Polableiters takes place, which is formed flat and thereby represent a large capacity by means of the electrical layer.
  • a preferred embodiment of the electrical energy storage cell is characterized in that the dielectric layer is formed as a cell electrolyte of the energy storage cell. This advantageously provides an alternative variant for the dielectric layer in the event that the cell electrolyte has a sufficiently large size
  • Dielectric constant has. It is advantageous in this way no additional layer between Abieitern the poles required, except when the
  • Insulation effect is not high enough.
  • a preferred embodiment of the energy storage cell is characterized in that the insulating layer between the negative pole and the housing is formed as a dielectric layer. In this way, once again, the area of the dielectric layer can be increased, thereby representing an even larger capacity.
  • a preferred embodiment of the energy storage cell is characterized in that the capacitive parallel path has no additional supply lines. In this way, an impedance with the lowest possible ohmic and inductive components is represented, which advantageously reduces an outwardly acting total inductance of the battery cell during switching operations. Furthermore, this advantageously does not give any additional resistive or inductive components, as a result of which a minimum ESR or ESL of the capacitive
  • a preferred development of the energy storage module according to the invention is characterized in that the dielectric layer is arranged between the negative drain and an extended positive conductor, wherein an insulating layer is arranged between the cell connectors. Also in this way can be a great external Surface for the dielectric layer between the plus and minus pole can be shown and a capacitor effect is formed.
  • Electric energy storage cell include all devices that can store over a predefined period of time electrical energy store over a further period.
  • Electric energy storage modules according to the present invention comprise components which have one or more electrical energy storage cells in a housing, wherein the electrical energy storage cells are suitably electrically coupled to one another in order to provide a serial and parallel connection of the energy storage cells.
  • Electrical energy storage modules can have module connections to which an output voltage dependent on the internal interconnection of the electrical energy storage cells of the electrical energy storage module can be tapped off.
  • Fig. 1 illustrates a principal electrical equivalent circuit diagram of an embodiment of the electrical energy storage cell according to the invention
  • Energy storage cell 10 e.g. is used in a high-voltage battery in the automotive sector, has an electrical cell impedance Z, wherein parallel to a positive pole and a negative pole of the cell impedance Z, a capacitor C is connected.
  • the capacitance C is preferably formed as an integral part of the electrical energy storage cell 10.
  • the capacitance C has no leads, resulting in a low equivalent serial resistance (ESR) and a low equivalent series inductance (ESL equivalent serial inductance).
  • ESR equivalent serial resistance
  • ESL equivalent serial inductance low equivalent series inductance
  • FIG. 2 shows a basic design detail of an embodiment of the electrical energy storage cell 10 according to the invention.
  • a dielectric layer 16 is arranged between a cell housing 1 1 of the electrical energy storage cell 10 lying at a positive potential and an arrester 15 of the negative pole 14.
  • the dielectric layer 16 is preferably thin (preferably in a range between 1 ⁇ to 1 mm) and preferably has a high dielectric constant or relative permittivity, which should be at least> 100, preferably> 1000.
  • An exemplary material for the dielectric layer 16 is barium titanate.
  • a surface of the plates can be varied to achieve a required capacitance value, the sizes A, ⁇ ⁇ and d. For a given area A, for example, the distance d and ⁇ ⁇ could be adjusted.
  • the negative pole 14 and the lying on positive potential cell housing 1 1 thus a capacitor is formed, which has no additional leads.
  • the capacitive parallel path between the poles of the electrical energy storage cell 10 is realized as short a path as possible.
  • a horizontal area dimension of the negative pole 14 is increased, so that in this way a larger area for the capacitor and thus a larger capacitance value can be represented favorably.
  • FIG. 3 shows a schematic detail of a further embodiment of the electrical energy storage cell 10 according to the invention
  • Surface of the dielectric layer 16 has a structuring, which is preferably formed on the two opposite surfaces of the dielectric layer 16 and on one side of a structuring of the cell housing 1 1 corresponds.
  • the structure is preferably formed as a micro or nanostructure and has the purpose of further enlarging the surface of the dielectric layer 16 so as to represent an increased capacitance value.
  • FIG. 4 shows in a schematic cross-sectional view a constructive detail of a further embodiment of the electrical energy storage cell 10 according to the invention.
  • memory cell 10 is located in the interior of the electrical energy close between the cell housing 1 1 lying at positive potential and a flat conductor 15 of the negative pole 14 a dielectric layer 16 with a high
  • Dielectric constant arranged.
  • additional volume is generated within the cell housing 1, whereby an energy density of the electric energy storage cell 10 is advantageously hardly or not deteriorated.
  • the dielectric layer 16 have a micro- or nanostructured surface to increase its surface area.
  • an insulating layer 18 between the negative terminal 14 and the cell housing 1 1 is arranged.
  • a horizontal area dimension of the negative pole 14 is preferably made large, so as to represent an increased capacitance value.
  • a large-area contact is supported in this way.
  • an additional dielectric layer 16 is arranged so as to be able to represent an even greater capacitance value in this way.
  • FIG. 5 shows, in a principal perspective view, a further embodiment of the electrical energy storage cell 10.
  • the positive pole 12 is formed on a front side of the energy storage cell 10 essentially over the entire front side.
  • the negative pole 14 is led out at the front of the energy storage cell 10 (behind the positive pole 12) substantially over the entire front, wherein by means of a dielectric layer 16 of the positive terminal 12 is isolated from the negative terminal 14.
  • an external plate capacitor is provided externally from the electrical energy storage cell 10.
  • 14 can be a galvanically conductive connection to a further electrical
  • FIG. 6 shows in a schematic cross-sectional view a construction detail of a further embodiment of the electrical energy storage cell 10 according to the invention. It can be seen that in a partial area between the arrester 15 of the negative pole (not shown) and the arrester 13 of the positive pole (not shown) a dielectric layer 16 is arranged, which is guided substantially completely along a side wall and an upper inner surface of the energy storage cell 10. In this way, the largest possible area of the dielectric layer 16 can advantageously be realized, as a result of which a maximum capacitance value can be represented.
  • the embodiment of the energy storage cell 10 according to the invention of FIG. 7 has a structural modification of the embodiment of FIG. 6. It can be seen that now the dielectric layer 16 in a partial area between a central led out Abieiter 15 of the negative pole (not shown) and a center
  • Abieiter 13 of the positive pole substantially over a large area along a lower inner surface of the energy storage cell 10 is executed.
  • the arrangement or the distance between the Abieitern 13, 15 is merely exemplary and may alternatively be different or larger dimensions.
  • the variant of the dielectric layer 16 to be realized thus essentially depends on an internal configuration of the cell windings of the energy storage cell 10, whereby the requirements for the parallel capacity according to the invention can be taken into account in a design phase of the energy storage cell 10 in the best possible way.
  • FIG. 8 shows, in a basic view from above, an implementation of the invention at the module level.
  • a plurality of electrical energy storage cells 10 by means of connecting elements or Dellverbi parks 20, electrically connected in series, whereby the total module voltage, the sum of the individual voltages of the electrical
  • Energy storage cells 10 can be tapped. On a lower side of the energy storage module 30 formed thereby, a drain 15 for a negative pole (not shown) is led out. A dielectric layer 16 (shown hatched) with a high dielectric constant is arranged between the conductor 15 and a likewise lead-out conductor 13 of the positive pole (not illustrated), whereby a parallel capacitor is formed on a maximum area between the electrical energy storage cells 10
  • FIG. 9 shows in a principal view from above a structural modification of the embodiment of the energy storage module 30 of FIG. 8. It can be seen that in this case the drain 13 is formed along substantially all energy storage cells 10, the dielectric layer 16 being between the two Abieiter 13 and the Abieiter 15 is arranged. Between the Abieiter 13 and the connecting elements 20, an insulating layer 18 is arranged for the purpose of isolation.
  • FIG. 10 shows a front view of another embodiment of the energy storage module 30 according to the invention. It can be seen that a positive pole (cathode, aluminum) conductor 13 of a single energy storage cell has a positive energy storage cell
  • Stromabieiterschiene 22 contacted.
  • Several of the aforementioned energy storage cells 10 are electrically connected in series with each other, wherein the individual cells are contacted by the Stromabieiterschienen 21, 22.
  • an existing space between the Stromabieiterschienen 21, 22 is used to arrange therein the dielectric layer 16, to form in this way the parallel capacitor.
  • the present invention provides a technical solution for reducing an outward-acting cell inductance of a battery cell when used at high switching frequencies in an AC operation in a battery system with an integrated converter.
  • harmful degradation or aging effects of electronic power semiconductor switches eg, MOS FETs or IGBTs, which are interconnected, for example, in a B4 bridge circuit
  • an operating time of said semiconductor switches can thereby be significantly extended, and said semiconductor switches do not have to be subjected to elaborate certification processes for avalanche operation. Due to the reduced losses, it is also possible to increase the efficiency of the semiconductor switches.
  • a design of the battery cells can be adapted early to implement the invention, whereby a cost-effective implementation of the invention is possible. It can therefore be advantageously intervened early in the cell design to integrate the capacitive parallel path with.
  • the capacitive parallel path to the poles is thus an integral part of the electrical energy storage cell, which is effectively a kind of combination component with the functions energy storage and capacitor.
  • the capacitive parallel path should have the highest possible capacity with the following

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Abstract

Elektrische Energiespeicherzelle (10), aufweisend einen zwischen Polen (12, 14) der Energiespeicherzelle (10) verschalteten niederinduktiven, kapazitiven Parallelpfad, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Parallelpfad ein integraler Bestandteil der Energiespeicherzelle (10) ist.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrische Energiespeicherzelle Die Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeicherzelle. Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisches Energiespeichermodul.
Stand der Technik
In den meisten Einsatzgebieten von elektrischen Batteriezellen wird, abgesehen von einem vergleichsweise geringen, überlagerten Ripple-Anteil, den Batteriezellen näherungsweise Gleichstrom entnommen bzw. in die Batteriezellen eingespeist.
Mit steigendem Wechselanteil des Stroms wächst ein Einfluss einer verteilten Induktivität eines Aufbaus der Batteriezelle. Herkömmliche Zellen besitzen ein metallisches Gehäuse, wobei ein typisches Metall Aluminium ist. Darin befinden sich ein oder mehrere Zellwickel, Ableiterfolien und -gabeln, welche elektrisch leitend nach außen mit Anschlusspolen der Zelle verbunden sind. Um eine Oxidation des Zellgehäuses zu vermeiden, wird dessen elektrisches Potenzial auf Plus gelegt, vorzugsweise durch eine direkte galvanische Verbindung des Gehäuses mit dem Pluspol.
Im Stand der Technik sind Batteriesysteme mit integriertem Umrichter bekannt, in denen zu einer Variation einer Strangspannung ein schneller Wechsel der Stromführung durch ein Batteriemodul bzw. am Batteriemodul vorbei erforderlich ist. Dabei werden die
Batteriezellen bzw. -module der genannten Batteriesysteme beispielsweise im
Automotive-Bereich in größeren Frequenzbereichen bis in den Kilohertz-Bereich betrieben, um mit den erzeugten Wechselspannungen eine elektrische Maschine anzutreiben.
Ein induktiver Anteil der Zellimpedanz wirkt nach außen zu einer Leistungselektronik und kann bei den Schaltvorgängen in Kombination mit hohen Strömen hohe Verlustenergien in den verwendeten Halbleiterschaltern der Leistungselektronik erzeugen. Bei bestimmten, nicht vermeidbaren Schaltvorgängen kommt es, getrieben durch die in den in Induktivitäten gespeicherte elektrische Energie, zum Lawinendurchbruch (Avalanche- Betrieb der Halbleiterschalter). Die DE 10 2010 041 028 A1 offenbart ein Energieversorgungsnetz, welches einen steuerbaren Energiespeicher aufweist, welcher zur Steuerung und zur elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine mit n > 1 dient. Dabei weist der steuerbare Energiespeicher n parallele Energieversorgungszweige auf, welche jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit umfassen.
Offenbarung der Erfindung Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine elektrische Energiespeicherzelle aufweisend einen zwischen Polen der Energiespeicherzelle verschalteten niederinduktiven, kapazitiven Parallelpfad, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Parallelpfad ein integraler Bestandteil der Energiespeicherzelle ist. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein elektrisches Energiespeichermodul mit wenigstens zwei elektrischen Energiespeicherzellen, wobei die Energiespeicherzellen miteinander in Serie geschaltet sind, wobei eine dielektrische Schicht zwischen einem Abieiter eines Minuspoles und einem Abieiter eines Pluspols der Energiespeicherzellen angeordnet ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle zeichnet sich dadurch aus, dass die dielektrische Schicht außerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist. Auf diese Art und Weise muss vorteilhaft nicht interne Strukturen der elektrischen Energie Speicherzelle eingegriffen werden. Ferner ist dadurch vorteilhaft auch noch nachträglich eine Bereitstellung der der dielektrischen Schicht für die elektrische
Energiespeicherzelle möglich. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Energiespeicherzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Parallelpfad mittels der dielektrischen Schicht, einem der Pole und einem Zellengehäuse der elektrischen Energiespeicherzelle gebildet ist. Dadurch werden vorteilhaft bereits vorhandene Elemente der Energiespeicherzelle genutzt, um mittels der dielektrischen Schicht einen Kondensator zu bilden, welcher parallel zu den Polen geschaltet wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Energiespeicherzelle zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens einer der Pole eine im Vergleich zu seiner Höhenausdehnung im
Wesentlichen flächige Ausbildung aufweist. Vorteilhaft kann man auf diese Art und Weise aufgrund der flächigen Ausbildung der Pole eine möglichst große Kapazität darstellen. Ferner entsteht dadurch eine gute Kontaktierungsmöglichkeit mit den großflächigen Kontakten.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicherzelle zeichnet sich dadurch aus, dass die dielektrische Schicht eine Oberflächenstrukturierung mit Erhebungen aufweist. Auf diese Art und Weise wird die Oberfläche der dielektrischen Schicht vergrößert, wodurch vorteilhaft ein erhöhter Kapazitätswert dargestellt werden kann. Ferner kann auf diese Weise der Pol vorteilhaft verkleinert werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle zeichnet sich dadurch aus, dass die dielektrische Schicht flächig zwischen dem flächig ausgebildeten Minuspol und dem flächig ausgebildeten Pluspol der Energiespeicherzelle ausgebildet ist, wobei der Pluspol und der Minuspol im Wesentlichen über die gesamte Fläche der Energiespeicherzelle ausgebildet sind. Ein Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass eine möglichst große Fläche extern von der Energiespeicherzelle dargestellt werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Energiespeicherzelle zeichnet sich dadurch aus, dass die dielektrische Schicht innerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist. Dadurch wird eine weitere alternative Gestaltungsmöglichkeit für das Design der Energiespeicherzelle mit dem kapazitiven Parallelpfad bereitgestellt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Speicherzelle zeichnet sich dadurch aus, dass die dielektrische Schicht wenigstens in einem Teilbereich zwischen einem Abieiter der Pole angeordnet ist, wobei die dielektrische Schicht in einem Bereich der Einleitung bzw. der Ableitung der Leiter in einen Zellwickel hinein angeordnet ist. Dadurch hat man vorteilhaft vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten zur Ausnutzung der Fläche zwischen den Abieitern, um dort eine dielektrische Schicht anzuordnen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle zeichnet sich dadurch aus, dass die dielektrische Schicht zwischen dem Zellengehäuse und dem Abieiter des Minuspols flächig ausgebildet ist und dass auch der Abieiter flächig ausgebildet ist, wobei der Abieiter nahe am Gehäuse angeordnet ist. Hier findet sozusagen eine Modifikation des Polableiters statt, der flächig ausgebildet wird und dadurch eine große Kapazität mittels der die elektrischen Schicht darzustellen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der elektrischen Energie Speicherzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die die dielektrische Schicht als Zellelektrolyt der Energiespeicherzelle ausgebildet ist. Dies gibt vorteilhaft eine alternative Variante für die dielektrische Schicht im Falle, dass der Zellelektrolyt eine hinreichend große
Dielektrizitätskonstante aufweist. Es ist auf diese Art und Weise vorteilhaft keine zusätzliche Schicht zwischen Abieitern der Pole erforderlich, außer wenn die
Isolationswirkung nicht hoch genug ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Energiespeicherzelle zeichnet sich dadurch aus, dass auch die Isolierschicht zwischen den Minuspol und dem Gehäuse als dielektrische Schicht ausgebildet ist. Auf diese Art und Weise kann nochmals die Fläche der dielektrischen Schicht vergrößert werden, um dadurch eine noch größere Kapazität darzustellen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Energiespeicherzelle zeichnet sich dadurch aus, dass der kapazitive Parallelpfad keine zusätzlichen Zuleitungen aufweist. Auf diese Weise wird eine Impedanz mit geringstmöglichen ohmschen und induktiven Anteilen dargestellt, was eine nach außen wirkende Gesamtinduktivität der Batteriezelle bei Schaltvorgängen vorteilhaft verringert. Ferner erhält man dadurch vorteilhaft keinerlei zusätzliche ohmsche oder induktiven Anteilen, wodurch ein minimaler ESR bzw ESL des kapazitiven
Parallelpfads erreicht werden kann.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls zeichnet sich dadurch aus, dass die dielektrische Schicht zwischen dem Minusabieiter und einem verlängerten Plusableiter angeordnet ist, wobei zwischen den Zellverbindern eine Isolierschicht angeordnet ist. Auch auf diese Art und Weise kann eine große externe Fläche für die dielektrische Schicht zwischen den Plus- und Minuspol dargestellt werden und kann eine Kondensatorwirkung gebildet wird.
Vorteile der Erfindung
Als vorteilhaft wird bei der Erfindung angesehen, dass mittels des niederinduktiven, kapazitiven Parallelpfads eine Gesamtimpedanz der elektrischen Energiespeicherzelle bzw. eines elektrischen Energiespeichermoduls mit mehreren verschalteten Batteriezellen bei hohen Frequenzen und eine nach außen wirkende Induktivität der genannten
Elemente vorteilhaft stark reduzierbar ist. Beim Einsatz der erfindungsgemäßen elektrischen Energie Speicherzelle in einem Batteriesystem mit integriertem Umrichter können auf diese Weise schädliche Effekte eines Avalanchebetriebs von elektronischen Halbleiterschaltern des Umrichters vorteilhaft reduziert werden. Zu einem Bereitstellen des kapazitiven Parallelpfads kann ein Design der Batteriezelle vorteilhaft im
Wesentlichen derart angepasst werden, dass der kapazitive Parallelpfad den je nach Anwendungsfall optimalen Kapazität werden bereitstellt
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von mehreren Ausführungsformen mit Bezug auf Figuren erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Die im Folgenden verwendete Richtungsterminologie, das heißt, Begriffe wie "links", „rechts",„oben", "unten", "vorne", "hinten",„darüber",„darunter",„dahinter" usw., wird lediglich zum besseren Verständnis der Zeichnungen verwendet, und soll keinesfalls eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen: ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle; ein prinzipielles Konstruktionsdetail einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle; ein prinzipielles Konstruktionsdetail einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle; ein prinzipielles Konstruktionsdetail einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle; ein prinzipielles Konstruktionsdetail einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle; ein prinzipielles Konstruktionsdetail einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle; ein prinzipielles Konstruktionsdetail einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle; ein prinzipielles Konstruktionsdetail einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichermoduls; und ein prinzipielles Konstruktionsdetail einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichermoduls; und ein prinzipielles Konstruktionsdetail einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichermoduls.
Ausführungsformen der Erfindung
Elektrische Energiespeicherzelle im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen alle Einrichtungen, welche über einen vordefinierten Zeitraum elektrische Energie speichern über einen weiteren Zeitraum wieder abgeben können. Elektrische Energiespeichermodule im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen Komponenten, welche eine oder mehrere elektrische Energiespeicherzellen in einem Gehäuse aufweisen, wobei die elektrischen Energiespeicherzellen in geeigneter Weise elektrisch untereinander gekoppelt sind, um eine serielle und parallele Verschaltung der Energiespeicherzellen bereitzustellen. Elektrische Energiespeichermodule können dabei Modulanschlüsse aufweisen, an welchen eine von der internen Verschaltung der elektrischen Energiespeicherzellen des elektrischen Energiespeichermoduls abhängige Ausgangsspannung abgreifbar ist. Fig. 1 stellt ein prinzipielles elektrisches Ersatzschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle dar. Die elektrische
Energiespeicherzelle 10, die z.B. in einer Hochvolt-Batterie im Automotive-Bereich verwendet wird, weist eine elektrische Zellenimpedanz Z auf, wobei parallel zu einem Pluspol und zu einem Minuspol der Zellenimpedanz Z eine Kapazität C verschaltet ist. Die Kapazität C ist vorzugsweise als ein integraler Bestandteil der elektrischen Energiespeicherzelle 10 ausgebildet. Vorzugsweise weist die Kapazität C keine Zuleitungen auf, wodurch ein geringer äquivalenter Serienwiderstand (engl. ESR equivalent serial resistance) und eine geringe äquivalente Serieninduktivität (engl. ESL equivalent serial inductance) resultiert. Das Ersatzschaltbild von Fig. 1 stellt somit eine Art Schwingkreis dar, in welchem über eine Auslegung eines Kapazitätswerts der Kapazität C ein nach außen wirkender Induktivitätswert minimiert werden soll.
Fig. 2 zeigt ein prinzipielles Konstruktionsdetail einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle 10. Zwischen einem auf positivem Potenzial liegenden Zellgehäuse 1 1 der elektrischen Energiespeicherzelle 10 und einem Ableiter 15 des Minuspols 14 ist eine dielektrische Schicht 16 angeordnet. Die dielektrische Schicht 16 ist vorzugsweise dünn (bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 μητι bis 1 mm) ausgebildet und weist vorzugsweise eine hohe Dielektrizitätskonstante bzw. relative Permittivität auf, die wenigstens > 100, vorzugsweise > 1000 sein sollte. Ein beispielhaftes Material für die dielektrische Schicht 16 ist Bariumtitanat.
Gemäß der mathematischen Beziehung für die Kapazität eines Plattenkondensators: εΓ Χ εΟ x A
c =— - mit den Parametern C Kapazität
εΓ relative Permittivität des Dielektrikums
ε0 elektrische Feldkonstante
d Abstand der Platten
A Fläche der Platten können zum Erreichen eines benötigten Kapazitätswerts die Größen A, εΓ und d variiert werden. Bei einer vorgegebenen Fläche A könnten z.B. der Abstand d und εΓ angepasst werden.
Mit der dielektrischen Schicht 16, dem Minuspol 14 und dem auf positivem Potenzial liegenden Zellgehäuse 1 1 wird somit ein Kondensator gebildet, der keine zusätzlichen Zuleitungen aufweist. Dadurch wird der der kapazitive Parallelpfad zwischen den Polen der elektrischen Energiespeicherzelle 10 auf möglichst kurzem Weg realisiert. Vorzugs- weise ist eine horizontale Flächenabmessung des Minuspols 14 vergrößert, so dass auf diese Art und Weise günstigerweise eine größere Fläche für den Kondensator und somit ein größerer Kapazitätswert dargestellt werden kann.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Konstruktionsdetail einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle 10. Man erkennt, dass eine
Oberfläche der dielektrischen Schicht 16 eine Strukturierung aufweist, die vorzugsweise auf den beiden gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Schicht 16 ausgebildet ist und auf einer Seite einer Strukturierung des Zellgehäuses 1 1 entspricht. Die Struktur ist vorzugsweise als eine Mikro- oder Nanostruktur ausgebildet und hat den Zweck, die Oberfläche der dielektrischen Schicht 16 noch weiter zu vergrößern, um auf diese Art und Weise einen vergrößerten Kapazitätswert darzustellen.
Fig. 4 zeigt in einer prinzipiellen Querschnittsansicht ein konstruktives Detail einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle 10. In diesem Fall ist im Inneren der elektrischen Energie Speicherzelle 10 nahe zwischen dem auf positiven Potenzial liegenden Zellgehäuse 1 1 und einem flächig ausgebildeten Abieiter 15 des Minuspols 14 eine dielektrische Schicht 16 mit einer hohen
Dielektrizitätskonstante angeordnet. Dadurch wird innerhalb des Zellgehäuses 1 1 möglichst wenig Zusatzvolumen erzeugt, wodurch eine Energiedichte der elektrischen Energiespeicherzelle 10 vorteilhaft kaum bzw. nicht verschlechtert wird. Optional kann die dielektrische Schicht 16 zum Zwecke einer Vergrößerung ihrer Oberfläche eine mikro- oder nanostrukturierte Oberfläche aufweisen.
Zum Zwecke einer Isolation des Minuspols 14 vom Zellgehäuse 1 1 ist eine Isolierschicht 18 zwischen den Minuspol 14 und dem Zellgehäuse 1 1 angeordnet. Gleich wie bei den Ausführungsformen von Fig. 2 und 3 ist in dieser Ausführungsform eine horizontale Flächenabmessung des Minuspols 14 vorzugsweise groß ausgebildet, um auf diese Weise einen vergrößerten Kapazitätswert darzustellen. Vorteilhaft ist auf diese Art und Weise auch eine großflächige Kontaktierung unterstützt. Denkbar ist auch, dass anstelle der Isolierschicht 18 eine zusätzliche dielektrische Schicht 16 angeordnet ist, um auf diese Weise einen noch größeren Kapazitätswert darstellen zu können.
Fig. 5 zeigt in einer prinzipiellen perspektivischen Ansicht eine weitere Ausführungsform der elektrischen Energiespeicherzelle 10. Man erkennt, dass der Pluspol 12 an einer Vorderseite der Energiespeicherzelle 10 im Wesentlichen über die gesamte Vorderseite ausgebildet ist. Ebenso ist der Minuspol 14 an der Vorderseite der Energiespeicherzelle 10 (hinter dem Pluspol 12) im Wesentlichen über die gesamte Vorderseite herausgeführt, wobei mittels einer dielektrischen Schicht 16 der Pluspol 12 vom Minuspol 14 isoliert ist. Auf diese Art und Weise wird also extern von der elektrischen Energiespeicherzelle 10 ein externer Plattenkondensator bereitgestellt. Im linken Bereich der herausgeführten Pole 12, 14 kann eine galvanisch leitende Anbindung an eine weitere elektrische
Energiespeicherzelle 10 (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um auf diese Weise ein elektrisches Energiespeichermodul 30 bereitzustellen. Fig. 6 zeigt in einer prinzipiellen Querschnittsansicht ein Konstruktionsdetail einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle 10. Man erkennt, dass in einem Teilbereich zwischen dem Ableiter 15 des Minuspols (nicht dargestellt) und dem Ableiter 13 des Pluspols (nicht dargestellt) eine dielektrische Schicht 16 angeordnet ist, die im Wesentlichen vollständig entlang einer Seitenwand und einer oberen Innenfläche der Energiespeicherzelle 10 geführt ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine möglichst große Fläche der dielektrischen Schicht 16 realisiert werden, wodurch ein maximaler Kapazitätswert darstellbar ist.
Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle 10 von Fig. 7 weist eine konstruktive Modifikation der Ausführungsform von Fig. 6 auf. Es ist erkennbar, dass nunmehr die dielektrische Schicht 16 in einem Teilbereich zwischen einem mittig herausgeführten Abieiter 15 des Minuspols (nicht dargestellt) und einem mittig
herausgeführten Abieiter 13 des Pluspols (nicht dargestellt) im Wesentlichen großflächig entlang einer unteren Innenfläche der Energiespeicherzelle 10 ausgeführt ist. Die Anordnung bzw. der Abstand zwischen den Abieitern 13, 15 ist lediglich beispielhaft und kann alternativ auch anders bzw. größer dimensioniert sein. Die zu realisierende Variante der dieelektrischen Schicht 16 hängt also im Wesentlichen von einer internen Ausgestaltung der Zellwickel der Energiespeicherzelle 10 ab, wodurch bereits in einer Entwurfsphase der Energiespeicherzelle 10 bestmöglich die Anforderungen an die erfindungsgemäße Parallelkapazität berücksichtigt werden können.
Fig. 8 zeigt in einer prinzipiellen Ansicht von oben eine Realisierung der Erfindung auf Modulebene. In diesem Fall sind mehrere elektrische Energiespeicherzellen 10 mittels Verbindungselementen bzw. Dellverbindern 20, elektrisch in Serie geschaltet, wodurch als Gesamtmodulspannung die Summe der Einzelspannungen der elektrischen
Energiespeicherzellen 10 abgreifbar ist. An einer Unterseite des dadurch gebildeten Energiespeichermoduls 30 ist ein Abieiter 15 für einen Minuspol (nicht dargestellt) herausgeführt. Zwischen dem Abieiter 15 und einem ebenfalls herausgeführten Abieiter 13 des Pluspols (nicht dargestellt) ist eine dielektrische Schicht 16 (schraffiert dargestellt) mit hoher Dielektrizitätskonstante angeordnet, wodurch auf einer maximalen Fläche zwischen den elektrischen Energiespeicherzellen 10 ein Parallelkondensator auf
Modulebene realisiert ist.
Fig. 9 zeigt in einer prinzipiellen Ansicht von oben eine konstruktive Abwandlung der Ausführungsform des Energiespeichermoduls 30 von Fig. 8. Man erkennt, dass in diesem Fall der Abieiter 13 verlängert entlang im Wesentlichen aller Energiespeicherzellen 10 ausgebildet ist, wobei die dielektrische Schicht 16 zwischen dem genannten Abieiter 13 und dem Abieiter 15 angeordnet ist. Zwischen dem Abieiter 13 und den Verbindungselementen 20 ist zum Zwecke einer Isolierung eine Isolierschicht 18 angeordnet.
Fig. 10 zeigt in einer Ansicht von vorne eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls 30. Man erkennt, dass ein Abieiter 13 für den Pluspol (Katode, aus Aluminium) einer einzelnen Energiespeicherzelle auf eine positive
Stromabieiterschiene 21 kontaktiert ist. Weiterhin ist ein Abieiter 15 der
Energiespeicherzelle für den Minuspol (Anode, aus Kupfer) auf eine negative
Stromabieiterschiene 22 kontaktiert. Mehrere der genannten Energiespeicherzellen 10 sind seriell miteinander elektrisch verschaltet, wobei die einzelnen Zellen mittels der Stromabieiterschienen 21 , 22 kontaktiert sind. Vorteilhaft wird also ein vorhandener Zwischenraum zwischen den Stromabieiterschienen 21 ,22 genutzt, um darin die dielektrische Schicht 16 anzuordnen, um auf diese Weise den Parallelkondensator zu bilden.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine technische Lösung bereitgestellt, um eine nach außen wirkende Zellinduktivität einer Batteriezelle bei einer Verwendung bei hohen Schaltfrequenzen in einem AC-Betrieb in einem Batteriesystem mit integriertem Umrichter zu verringern. Dadurch können schädliche Degradations- bzw. Alterungseffekte von elektronischen Leistungs-Halbleiterschaltern (z.B. MOS-FETs oder IGBTs, die z.B. in einer B4-Brückenschaltung miteinander verschaltet sind) aufgrund von Schaltvorgängen bei hohen Frequenzen vorteilhaft verringert werden, bzw. sogar eine Zerstörung der Halbleiterschalter vermieden werden. Vorteilhaft kann dadurch eine Betriebsdauer der genannten Halbleiterschalter bedeutsam verlängert sein und die genannten Halbleiterschalter müssen keinen aufwändigen Zertifizierungsprozessen für den Avalanche-Betrieb unterworfen werden. Durch die reduzierten Verluste kann zudem ein Wirkungsgrad der Halbleiterschalter gesteigert werden. Ein Design der Batteriezellen kann zur Umsetzung der Erfindung bereits frühzeitig angepasst werden, wodurch eine kostengünstige Realisierung der Erfindung möglich ist. Es kann daher vorteilhaft frühzeitig in das Zellendesign eingegriffen werden, um den kapazitiven Parallelpfad mit zu integrieren. Der kapazitive Parallelpfad zu den Polen ist somit ein integraler Bestandteil der elektrischen Energiespeicherzelle, die gewissermaßen eine Art Kombinationsbauteil mit den Funktionen Energiespeicherung und Kondensator darstellt.
Der kapazitive Parallelpfad soll eine möglichst hohe Kapazität mit folgenden
Eigenschaften aufweisen:
- möglichst große Kondensatorflächen durch eine geeignete Modifikation bzw. Gestaltung der positivem und negativen Stromableiter der elektrischen Energiespeicherzelle inklusive der Pole;
- möglichst geringe Abstände zwischen den Kondensatorflächen mit positivem und negativem Potenzial, gefüllt mit einer dünnen dielektrischen Schicht, gegebenenfalls als Ersatz anstelle einer beim Stand der Technik verwendeten liegenden Schicht und; - eine möglichst hohe Dielektrizitätskonstante der Schicht; und
- minimierte Zuleitungen zur Realisierung minimaler ESR und ESL.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Der Fachmann wird also die beschriebenen
Merkmale der Erfindung abändern oder miteinander kombinieren können ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Insbesondere wird er erkennen, dass die beschriebenen Polaritäten der Pole, Polableiter, technologischen Typen von Energiespeicherzellen, Batteriechemikalien, Verschaltungs- arten, etc. lediglich beispielhaft sind, und sich dadurch auch ändern können. Ebenso sind sämtliche dargestellten Bauformen der elektrischen Energiespeicherzellen bzw. der elektrischen Energiespeichermodule lediglich beispielhaft und können durch andere geometrische Bauformen ergänzt bzw. ersetzt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Elektrische Energiespeicherzelle (10), aufweisend einen zwischen Polen (12,14) der Energiespeicherzelle (10) verschalteten niederinduktiven, kapazitiven
Parallelpfad, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Parallelpfad ein integraler Bestandteil der Energiespeicherzelle (10) ist.
2. Elektrische Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Parallelpfad eine dieelektrische Schicht (16) mit hoher Dielektrizitätskonstante aufweist.
3. Elektrische Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (16) außerhalb des Zellgehäuses (1 1 ) angeordnet ist.
4. Elektrische Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Parallelpfad mittels der dielektrischen Schicht (16), einem der Pole (14) und dem Zellgehäuse (1 1 ) der elektrischen Energiespeicherzelle (10) gebildet ist.
5. Elektrische Energiespeicherzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Pole (14) eine im Vergleich zu seiner Höhe im Wesentlichen flächig ausgebildet ist.
6. Elektrische Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (16) eine Oberflächenstrukturierung mit Erhebungen (17) aufweist.
7. Elektrische Energiespeicherzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (16) flächig zwischen dem flächig ausgebildeten Minuspol (14) und dem flächig ausgebildeten Pluspol (12) der Energiespeicherzelle (10) ausgebildet ist, wobei der Pluspol (12) und der Minuspol (14) im wesentlichen über eine gesamte Ausdehnung einer Außenfläche der Energiespeicherzelle (10) ausgebildet sind.
8. Elektrische Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (15) innerhalb des Zellgehäuses (1 1 ) angeordnet ist.
9. Elektrische Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (16) wenigstens in einem Teilbereich zwischen Abieitern (13,15) der Pole (12,14) angeordnet ist.
10. Elektrische Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (16) zwischen dem Zellgehäuse (1 1 ) und dem Abieiter (15) des Minuspols (14) flächig ausgebildet ist, wobei der Abieiter (13) flächig ausgebildet ist und nahe am Zellgehäuse (1 1 ) angeordnet ist.
1 1 . Elektrische Energiespeicherzelle (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dielektrische Schicht (16) als Zellelektrolyt der
Energiespeicherzelle (10) ausgebildet ist.
12. Elektrische Energiespeicherzelle (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolierschicht (18) zwischen dem Minuspol (14) und dem Zellgehäuse (1 1 ) als dielektrische Schicht (16) ausgebildet ist.
13. Elektrische Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Parallelpfad keine zusätzlichen Zuleitungen aufweist.
14. Elektrisches Energiespeichermodul (30) mit wenigstens zwei elektrischen Energiespeicherzellen (10), wobei die Energiespeicherzellen (10) miteinander elektrisch in Serie geschaltet sind, wobei eine dielektrische Schicht (16) zwischen einem Abieiter (15) eines Minuspols (14) und einem Abieiter (13) eines Pluspols (12) von zwei der Energiespeicherzellen (10) angeordnet ist.
15. Energiespeichermodul (30) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (16) zusätzlich zwischen Verbindungselementen (20), welche die Energiespeicherzellen (10) elektrisch miteinander verbinden, angeordnet ist.
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