CN104011900A - 电能量存储单元和用于制造电能量存储单元的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电能量存储单元，具有：多个平面平行的第一电极元件；多个与第一电极元件平面平行地延伸并且平面平行的第二电极元件，这些第二电极元件与第一电极元件电流分离；第一平面接触元件，其电接触多个第一电极元件；第二平面接触元件，其电接触多个第二电极元件；至少一个第一平面接触连接器，其电接触第一接触元件；第一极接触部，其电接触第一平面接触连接器；以及第二极接触部，其与第二平面接触元件电连接。
Description
技术领域
本发明涉及电能量存储单元和用于制造电能量存储单元的方法。
背景技术
通常从电能量存储单元提取直流电流或者将直流电流馈入其中。因此，能量存储单元的迄今已知的结构是针对欧姆内阻的优化以及能量存储单元的特定能量密度或功率密度来设计的。
文献US 2007/0148542A1例如公开了一种带有电极堆叠的电池电极设计，该电极堆叠经由穿通的极接触部通过电极面被连接。
文献US 2009/0029240A1公开了一种带有电极线圈的圆柱状电池单元，所述电极线圈分别在电池的两个端部上经由接触片相互连接。
在电能量存储单元的许多应用中，存储单元以串联或并列布置相互连接成电池模块，以便调整出所希望的输出参数如总电压、电压范围、能含量或功率密度。如果从这种能量存储单元提取具有升高的交流分量的电流，则能量存储单元的分布电感的影响与频率相关地上升。能量存储单元的电感损耗由电极、极布线、和电极在壳体中的布置的损耗贡献的各电感分量组成。
因此存在对以下能量存储单元的需求：其在提取高频交流电流方面具有较小的损耗并且因此改善了使用这些能量存储单元的系统的效率。
发明内容
按照一个方面，本发明提供了一种电能量存储单元，具有：多个平面平行的第一电极元件；多个与第一电极元件平面平行地延伸并且平面平行的第二电极元件，这些第二电极元件与第一电极元件电流分离；第一平面接触元件，其电接触多个第一电极元件；第二平面接触元件，其电接触多个第二电极元件；至少一个第一平面接触连接器，其电接触第一接触元件；第一极接触部，其电接触第一平面接触连接器；以及第二极接触部，其与第二平面接触元件电连接。
按照另一个方面，本发明提供了一种用于制造电能量存储单元的方法，具有步骤：将多个平面平行的第一电极元件与第一平面接触元件电接触；将多个与第一电极元件平面平行地延伸并且平面平行的第二电极元件与第二平面接触元件电接触，其中这些第二电极元件与第一电极元件电流分离；将第一接触元件与至少一个第一平面接触连接器电接触；将第一平面接触连接器与第一极接触部电接触，以及将第二平面接触元件与第二极接触部电连接。
本发明的优点
本发明的思想是，通过具有尽可能小的内部单元电感的能量存储单元的合适结构来减小在控制电能量存储单元时的电感损耗。为此，将能量存储单元的内部的引导电流的导体元件以合适的方式布置，使得这些引导电流的导体元件一方面包围尽可能小的面积，并且另一方面有效的电流路径在最大均匀分布的电流密度情况下具有尽可能小的长度，使得能量存储单元的电感性内部阻抗被最小化。
显著的优点在于，尤其是在从能量存储单元提取高频交流电流的情况下可以显著减少损耗能量。尤其是在具有集成的逆变器、即所谓的电池直接逆变器（“battery direct inverter”，BDI）的电池系统中，减少损耗能量是非常有利的，其中在所述电池系统中通过用于改变电流电压的电池模块来进行电流引导的快速变换。
另一有利的优点在于，改善了这种能量存储单元的短时间动态特性，其方式是在负载变换之后能量存储单元的能量或负载输出的延迟被最小化。由此，可以以有利的方式取消否则可能用来进行补偿的器件例如缓冲电容器，这可以降低使用能量存储单元的部件的结构空间需求以及制造成本。
此外，可以通过避免由能量存储单元引起的电感损耗分量来改善电磁兼容性（EMV），因为可以减小所发射的电磁场以及可以减少对相邻电子部件的干扰影响。
按照本发明能量存储单元的一种实施方式，第一极接触部和第二极接触部可以彼此平行地被引导。
按照本发明能量存储单元的另一实施方式，第一平面接触连接器与第一和第二电极元件平面平行地延伸。
按照另一实施方式，本发明能量存储单元此外可以具有至少一个第二平面接触连接器，其电接触第二接触元件并且与第一和第二电极元件平面平行地延伸。在此，第二极接触部可以电接触第二平面接触连接器。借助第二平面接触连接器可以有利地提供在能量存储单元中的电流并行地沿着第一和第二平面接触连接器流经的大平面。由此显著地减少了能量存储单元的内部电阻。此外，由此可以减少不希望的效应例如趋肤效应的作用。
按照本发明的能量存储单元的另一实施方式，第二平面接触连接器以预先确定的连接器距离平面平行于第一平面接触连接器地延伸。例如在一种实施方式中，预先确定的连接器距离可以小于在相邻电极元件之间的距离。通过减小连接器距离可以有利地减小在引导电流的部件之间的对于能量存储单元的电感性内部阻抗重要的通过面积。
按照另一实施方式，本发明的能量存储单元此外可以具有第一绝缘层，其布置在第一平面接触连接器和第二平面接触连接器之间并且将第一平面接触连接器和第二平面接触连接器电流地相互分离。由此可以在保持预先定义的距离情况下以简单的方式保证在能量存储单元内部接触连接器之间的电势分离。
按照本发明能量存储单元的另一实施方式，第一极接触部和第二极接触部可以被平面地构造。这提供了能量存储单元的小输入阻抗或输出阻抗的优点。
按照另一实施方式，本发明的能量存储单元此外可以具有第二绝缘层，其布置在第一极接触部和第二极接触部之间并且将第一极接触部和第二极接触部相互电流分离。该第二绝缘层可以与第一绝缘层集成地构造，并且在保持预先定义的极接触距离的情况下以简单的方式保证在极接触部之间的电势分离。
按照本发明能量存储单元的另一实施方式，第一和第二电极元件可以被构造为电极堆叠。按照本发明能量存储单元的可代替的实施方式，第一和第二电极元件可以螺旋状地缠绕到彼此中。
由此可以针对各种常见的存储单元几何结构、例如圆柱状的线圈单元或袋式单元实现具有小的电感性内部阻抗的能量存储单元。
按照另一实施方式，本发明的能量存储单元此外可以具有包围第一和第二电极元件、第一和第二接触元件和第一接触连接器的壳体。在此，第一和第二极接触部可以作为能量存储单元的电端子从壳体引出。
按照本发明能量存储单元的另一实施方式，第一接触元件、第二接触元件和第一接触连接器的至少一个组件可以被构造为壳体的组成部分。由此，能量存储单元可以以有利的方式紧凑、机械稳定并且相对于外部世界电流分离地被构造。
发明的实施方式的其他特征和优点从参照附图的下面的描述中得到。
附图说明
图1示出了按照本发明一种实施方式的电能量存储单元的示意图；
图2示出了按照本发明另一种实施方式的电能量存储单元的示意图；
图3示出了按照本发明另一种实施方式的电能量存储单元的示意图；
图4示出了按照本发明另一种实施方式的电能量存储单元的示意图；以及
图5示出了按照本发明另一种实施方式的用于制造电能量存储单元的方法的示意图。
具体实施方式
本发明意义上的电能量存储单元包括能够在预先定义的时间段上存储电能和在其它时间段上又放出电能的所有装置。在本发明意义上的能量存储单元在此包括所有类型的二次和一次能量存储器，尤其是电容的、电化学（法拉第）以及组合工作的存储器类型。所考察的时间段在此可以包括从秒到小时、天或年。电能量存储单元例如可以包括锂离子电池、锂聚合物电池、镍金属混合物电池、紫外电容器、超级电容器、功率电容器、BatCap、基于铅、锌、钠、锂、镁、硫或其他金属、元素或合金的蓄电池、或者类似系统。本发明所包括的电能量存储单元的功能在此可以基于嵌入电极、反应电极或与含水的、质子惰性的或聚合的电解质结合的合金电极。
本发明意义上的电能量存储单元的结构在此可以包括不同的外部结构形状，例如圆柱形状、棱柱形状或所谓的“袋”形，也包括不同的电极结构，例如缠绕的、堆叠的、折叠的或者其他结构。
本发明意义上的电极元件可以由各种导电的、例如金属材料制成。本发明意义上的电极元件可以被涂层、三维填充和/或利用大的有源表面来制造。在此，平面的电极元件可以根据存储器技术而定地具有不同尺寸，例如电极元件厚度可以具有从几个μm至若干mm的数量级。电极元件可以被折叠、堆叠或缠绕，并且可以设计：在电极元件之间构造将电极元件相互电流分离的绝缘或隔离层。也可能的是，以双极方式构建电极元件。电极元件的平面形状可以构建为方形、矩形、圆形、椭圆形或任意其他形状。
图1示出了电能量存储单元100的示意图。该能量存储单元100包括多个平面平行的第一电极元件1和多个与第一电极元件1平面平行地延伸并且平面平行的第二电极元件2，这些第二电极元件与第一电极元件1电流分离。这些电极元件1和2例如可以是由导电的材料制成的平面层，这些层以梳状结构平面地啮合到彼此中。也可能的是，电极元件1和2通过缠绕或者折叠由层状的电极元件构成的带而被带入到图1中所示的交替的堆叠形状中。第一和第二电极元件1或2例如可以被构造为电极堆叠。对此代替地，第一和第二电极元件1和2可以螺旋状地缠绕到彼此中。在此应当明确的是，给出了将电极元件1和2相对彼此布置的许多可能性，并且布置的选择可以与所使用的存储器技术、在能量存储单元100的外部形状方面的边界条件和/或能量存储单元100的要实现的电特性相关。例如可以有利的是，将电极元件1和2布置为使得最大化地充分利用能量存储单元100的内部容积。
能量存储单元100此外具有第一平面接触元件3，其电接触多个第一电极元件1。同样，设置有电接触多个第二电极元件2的第二平面接触元件4。接触元件3和4例如可以是由导电材料构成的平坦带或层，其接触在平面并行的层的相对两侧上的电极元件1或2。通过这种接触，可以得到有效电流路径的最小长度和/或超出电极元件1或2的分层的最大均匀分布的电流密度。接触元件3和4的平面接触例如可以通过与电极元件1或2的焊接、喷射、溅射或粘合方法来实现。代替地也可以使用带有大的外部面积的特定的三维填充的结构，以便构建电极元件1和2和接触元件3和4的几何结构。在此可以规定，将接触元件3和4超过电极元件1或2的各自层的垂直伸展的突出部保持得尽可能小，以便避免多余的电流路径。
图2示出了电能量存储单元10的示意图。该能量存储单元10与图1中的能量存储单元的不同之处如下：设置有第一平面接触连接器5a，其电接触第一接触元件3并且与第一和第二电极元件1或2平面平行地延伸。第一平面接触连接器5a例如可以是由导电材料制成的层，其虽然不具有与电极元件1的直接电流接触，但是间接地经过第一接触元件3与电极元件1电流接触。第一接触元件3和第一平面接触连接器5a在此也可以由单独的部件、例如合适的线路区段来构建，这些单独的部件具有两个或更多彼此电连接的结构组件。电能量存储单元10此外具有电接触第一平面接触连接器5a的第一极接触部8。同样地，设置有与第二平面接触元件4电连接的第二极接触部9。第一极接触部8和第二极接触部9彼此平行地被引导。第一极接触部8和第二极接触部9例如可以具有平面的层或扁平的层元件，它们在层区域6中彼此平行地被引导。在第一极接触部8和第二极接触部9之间例如可以布置（未示出的）绝缘层，其将第一极接触部8和第二极接触部9电流分离。这例如可以是气体区段，但是也可以规定：使用固体绝缘层。
所示元件可以彼此平面平行地延伸到图2中所示电能量存储单元10的图面中一定深度。这例如可以在能量存储单元10的整个宽度上进行，其中原则上也可能的是，仅仅将极接触部8或9的部分区域平面地相叠地引入到所述深度。极接触部8或9在此可以在能量存储单元10的预定定义的区段中被向外引导。能量存储单元10可以具有壳体7，其包围第一和第二电极元件1或2、第一和第二接触元件3和4、以及第一接触连接器5a。第一和第二极接触部8和9在此作为能量存储单元10的电端子从壳体7被引出。例如，第一和第二极接触部8和9、或者代替地两个第一和第二极接触部8和9的至少之一可以相对于该壳体7电绝缘。也可能的是，如果壳体7由导电材料制成或者至少具有导电的部分区域，则这两个第一和第二极接触部8和9之一与壳体7电接触。如果壳体7由电绝缘的材料、例如塑料制成，则这两个第一和第二极接触部8和9直接地、也即无其他绝缘地被引导穿过壳体7的壳体壁。
在此例如可能的是，将处于电能量存储单元10内部中的组件的至少一个构造为壳体7的组成部分。例如可以将壳体7在电极元件1和2上方的区域中部分地构造为导电的，使得例如代替单独的第一接触连接器5a将第一接触连接器5a构造为壳体7的组成部分。以类似的方式，也可以将壳体7的部分区域用来构造极接触部8或9中的一个或多个，例如在层区域6中，该层区域与壳体7的一侧邻接。在此，分别要注意：壳体7本身具有在相应导电部分区域之间的、足够的电流绝缘，以便整体上保证能量存储单元10的功能。
图3示出了电能量存储单元20的示意图。该能量存储单元20与图2中的能量存储单元10的不同之处如下：设置有第二平面接触连接器5b，其电接触第二接触元件4并且与第一和第二电极元件1或2平面平行地延伸。在此，第二极接触部9电接触第二平面接触连接器5b。第二平面接触连接器5b可以以预先确定的连接器距离平面平行于第一平面接触连接器5a地延伸。例如，预先确定的连接器距离可以小于在相邻电极元件1和2之间的距离。相应地，在第一平面接触连接器5a和第二平面接触连接器5b之间可以布置（未示出的）绝缘层，所述绝缘层将接触连接器5a和5b相互电流分离。
极接触部8和9彼此平行地从电能量存储单元20的壳体7引出。为了能够保证例如在极接触部9和第一平面接触连接器5a之间的相应的电流绝缘，可能需要的是，电绝缘地穿透第二平面接触连接器5b。极接触部8和9例如同样可以是带有预先定义的极接触距离的平面的层元件、带或者线。在该情况下，可以将极接触部8和9考虑作为穿过壳体7的极的穿通部，这些穿通部在相应壳体侧的部分区域上或者在整个长度上被引出。
图4以透视图示出了电能量存储单元30的示意图。能量存储单元30与在图3中的能量存储单元20的不同之处基本在于：极接触部8和9在具有平面的接触连接器5a和5b的平面中从能量存储单元30的出于一目了然原因没有示出的壳体中引出。极接触部8和9在此例如居中地沿着能量存储单元30的深度伸展布置，但是也可能的是，极接触部8和9朝能量存储单元30的两个宽度侧之一的方向偏移，或者在多个部位或沿着整个宽度侧来进行极接触部8和9的穿通。
总体上，图1至4仅仅示出了能量存储单元的示例性扩展方式。在此，可以在考虑合乎目的的构造准则的情况下构建变型和改进。一般而言有利的是，将在两个极性的引导电流的元件之间的距离保持得尽可能小，以便将包围这些元件的有源流经面积最小化。这意味着，在能量存储单元的内部中引导电流的元件的电感性阻抗可以被最小化。此外有利的是，将引导电流的元件构建得尽可能大面积，以便尽可能均匀地分布电流密度。如果只有在确定的边界条件（例如安全要求或技术强制）下才能实现理想平面的、紧靠电极元件有源区域的极接触，则至少可以注意，保证不同极性的引导电流的元件以彼此间小的距离组合。
所示出的能量存储单元例如可以有利地使用在其中从能量存储单元中提取高频交流电流的系统中，例如在控制频率大于大约100Hz的电池直接逆变器中。在这些系统中，由于能量存储单元的构建方式而可以将由于高的交流电流频率引起的电感损耗最小化。同时改善了能量存储单元在短时间范围中的响应特性，这显著改善了这些系统的动态特性和可靠性。
一般而言，所述能量存储单元针对在控制频率较小的系统中、例如在离散开关过程在秒范围中的系统中的应用也是有利的，其中在开关时这些系统可以相应地具有高的频率分量。
图5示出了用于制造电能量存储单元、尤其是在图2至4中示意性示出的能量存储单元10、20或30之一的方法40的示意图。在第一步骤41中，进行多个平面平行的第一电极元件1与第一平面接触元件3的电接触。在第二步骤42中，进行多个与第一电极元件1平面平行地延伸并且平面平行的第二电极元件2与第二平面接触元件4的电接触，其中这些第二电极元件与第一电极元件1电流分离。在此，可以例如通过焊接方法、喷射方法、溅射方法或粘合方法将第一接触元件和第二接触元件3和4与电极元件接触。在此，优选将在各自的接触元件3、4和电极元件1、2之间的连接部位的电阻保持得尽可能低。
平面平行的第一和第二电极元件1或2例如可以在与各自的接触元件3或4接触之前以合适的方式根据所希望的单元拓扑来堆叠、折叠或缠绕。例如，针对圆柱形的单元，平面平行的第一和第二电极元件1或2可以通过绝缘分隔层分离地被缠绕成所谓的“凝胶卷”拓扑、也即在横截面中具有不同电极层或分隔层的交替序列的圆柱形线圈。代替地，针对所谓的袋式单元，可以将平面平行的第一和第二电极元件1或2利用绝缘的分隔层相互折叠或分层为曲折形的轨带。针对棱柱形单元的构型，例如可以使用“赛道薄饼（racetrack pancake）”拓扑或者“赛道双薄饼（racetrack double pancake）”拓扑，也即平面平行的第一和第二电极元件1或2的平坦的螺旋状线圈，其可以沿着所形成线圈的横截面方向来顶锻或者压挤，以便获得“赛道”形状，也即通过窄的外半径连接的、基本上平行延伸的线圈轨带。
在第三步骤43中，将第一接触元件3与至少一个第一平面接触连接器5a电接触，该第一平面接触连接器5a可以与第一和第二电极元件1或2平面平行地延伸。在第四步骤44中，将第一平面接触连接器5a与第一极接触部8电接触。最后，在第五步骤45中，将第二平面接触元件4与第二极接触部9电连接。在此，第一极接触部8和第二极接触部9可以被彼此平行地引导。
可选地，可以将第一和第二电极元件1、2、第一和第二接触元件3、4和第一接触连接器5a包围在壳体7中。在此，第一和第二极接触部8、9可以作为能量存储单元的电端子从壳体7引出。
Claims (15)
1.电能量存储单元（10；20；30），具有：
多个平面平行的第一电极元件（1）；
多个与第一电极元件（1）平面平行地延伸并且平面平行的第二电极元件（2），这些第二电极元件与第一电极元件（1）电流分离；
第一平面接触元件（3），其电接触多个第一电极元件（1）；
第二平面接触元件（4），其电接触多个第二电极元件（2）；
至少一个第一平面接触连接器（5a），其电接触第一接触元件（3）；
第一极接触部（8），其电接触第一平面接触连接器（5a）；以及
第二极接触部（9），其与第二平面接触元件（4）电连接。
2.根据权利要求1所述的电能量存储单元（10；20；30），其中，所述至少一个第一平面接触连接器（5a）与第一和第二电极元件（1；2）平面平行地延伸。
3.根据权利要求1和2之一所述的电能量存储单元（10；20；30），其中，第一极接触部（8）和第二极接触部（9）彼此平行地被引导。
4.根据权利要求1至3之一所述的电能量存储单元（10；20；30），所述电能量存储单元此外具有
至少一个第二平面接触连接器（5b），其电接触第二接触元件（4）并且与第一和第二电极元件（1；2）平面平行地延伸，
其中第二极接触部（9）电接触第二平面接触连接器（5b）。
5.根据权利要求4所述的电能量存储单元（10；20；30），其中第二平面接触连接器（5b）以预先确定的连接器距离平面平行于第一平面接触连接器（5a）地延伸。
6.根据权利要求5所述的电能量存储单元（10；20；30），其中预先确定的连接器距离小于在相邻电极元件（1；2）之间的距离。
7.根据权利要求4至6之一所述的电能量存储单元（10；20；30），还具有：
第一绝缘层，其布置在第一平面接触连接器（5a）和第二平面接触连接器（5b）之间并且将第一平面接触连接器（5a）和第二平面接触连接器（5b）相互电流分离。
8.根据权利要求1至7之一所述的电能量存储单元（10；20；30），其中第一极接触部（8）和第二极接触部（9）被平面地构造。
9.根据权利要求8所述的电能量存储单元（10；20；30），此外具有：
第二绝缘层，其布置在第一极接触部（8）和第二极接触部（9）之间并且将第一极接触部（8）和第二极接触部（9）相互电流分离。
10.根据权利要求1至9之一所述的电能量存储单元（10；20；30），其中第一和第二电极元件（1；2）被构造为电极堆叠。
11.根据权利要求1至10之一所述的电能量存储单元（10；20；30），其中第一和第二电极元件（1；2）螺旋状地缠绕到彼此中。
12.根据权利要求1至11之一所述的电能量存储单元（10；20；30），此外具有：
包围第一和第二电极元件（1；2）、第一和第二接触元件（3；4）和第一接触连接器（5a）的壳体（7），
其中第一和第二极接触部（8；9）作为能量存储单元（10；20；30）的电端子从壳体（7）引出。
13.根据权利要求12所述的电能量存储单元（10；20；30），其中，第一接触元件（3）、第二接触元件（4）和第一接触连接器（5a）的至少一个组件被构造为壳体（7）的组成部分。
14.用于制造根据权利要求1至13之一的电能量存储单元（10；20；30）的方法（40），具有步骤：
将多个平面平行的第一电极元件（1）与第一平面接触元件（3）电接触（41）；
将多个与第一电极元件（1）平面平行地延伸并且平面平行的第二电极元件（2）与第二平面接触元件（4）电接触（42），其中这些第二电极元件与第一电极元件（1）电流分离；
将第一接触元件（3）与至少一个第一平面接触连接器（5a）电接触（43）；
将第一平面接触连接器（5a）与第一极接触部（8）电接触（44），以及
将第二平面接触元件（4）与第二极接触部（9）电连接（45）。
15.根据权利要求14所述的方法（40），还具有步骤：
将第一和第二电极元件（1；2）、第一和第二接触元件（3；4）和第一接触连接器（5a）包围在壳体（7）中，
其中第一和第二极接触部（8；9）被彼此平行地引导并且作为能量存储单元（10；20；30）的电端子从壳体（7）引出。
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