DE102005041746A1 - Elektrochemische Energiespeicherzelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeicherzelle, insbesondere einen Akkumulator oder einen Doppelschichtkondensator, bei der durch die Energiespeicherzelle hindurch ein an seinen beiden Enden offenes Kernrohr (2a) zugeführt wird. Innerhalb des Kernrohrs (2a) können Leiter (8) angeordnet sein und aus der Energiespeicherzelle austretende gasförmige Zersetzungsprodukte können über das Kernrohr (2a) abgeführt werden. Weiter kann durch das Kernrohr (2a) eine Kühlung der Energiespeicherzelle (1) erfolgen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Energiespeicherzelle, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz.
  • Im Automobilbereich kommen immer mehr aus Einzelzellen aufgebaute elektrochemische Energiespeicher, vorzugsweise aus Doppelschichtkondensatoren aufgebaute Energiespeicher zum Einsatz. Diese Doppelschichtkondensatoren bieten bei der Bereitstellung und Speicherung von Energie den Vorteil, dass sie kurzfristig hohe Leistung zur Verfügung stellen können. Um auf die in einem Kraftfahrzeug notwendige Versorgungsspannung zu kommen, werden die einzelnen Energiespeicherzellen in Reihe geschaltet. Die technischen Aspekte der Doppelschichtkondensatoren, wie Aufbau und Herstellung, sind mit denen von Batterien, speziell Lithium-Ionen-Batterien, vergleichbar. Die verwendeten Materialien sind teilweise ähnlich. Vorwiegend handelt es sich um monopolare Anordnungen, bei denen die Elektroden gewickelt oder gestapelt sind.
  • Über die Lebensdauer der Energiespeicherzellen zersetzt sich der in der Regel flüssige Elektrolyt und es entstehen gasförmige Zersetzungsprodukte. Dies gilt insbesondere bei zusätzlicher Einwirkung von höheren Temperaturen, wie sie im Kraftfahrzeug vorkommen. Die Zersetzungsprodukte werden in der Regel in der Energiespeicherzelle oder einer Anordnung von mehreren Energiespeicherzellen aufgefangen und über einen Entlüftungsschlauch ins Freie abgeleitet. Eine derartige Vorrichtung ist bereits in der DE 101 28 672 A1 offenbart.
  • Aufgrund der Toleranzen der Zellen laufen beim zyklischen Laden und Entladen die Zellspannungen auseinander. Dies ist vor allem dann kritisch, wenn die maximale Zellspannung erreicht wird. Die Folgen sind unterschiedliche Alterung der Zellen bis hin zum Ausfall einzelner Zellen. Weiter besteht bei solchen in Reihe geschalteten elektrochemischen Energiespeicherzellen eine ungleiche Spannungsverteilung auf die einzelnen Zellen aufgrund von unterschiedlichen Innenwiderständen und/oder unterschiedlichen Kapazitäten der Einzelzellen. Zur Vermeidung von Überspannungen beim Laden oder Entladen können elektronische Schaltungen eingesetzt werden, die von einfachen Ausgleichswiderständen bis zu kompletten aktiven Schaltkreisen reichen, welche in der Regel einmal pro Zelle und einmal übergreifend für eine Zellanordnung vorgesehen sind.
  • Sowohl der elektrische Anschluss der einzelnen elektrochemischen Energiespeicherzellen und ihrer jeweiligen Überwachungslogik als auch das Auffangen der gasförmigen Zersetzungsprodukte und deren Ableitung ins Freie stellen bei der Verschaltung einer großen Anzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen ein Problem dar.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen alternativen Aufbau einer elektrochemischen Energiespeicherzelle anzugeben, der sowohl einen einfachen elektrischen Anschluss als auch eine einfache Abfuhr der entstehenden gasförmigen Zersetzungsprodukte bei in Serie geschalteten elektrochemischen Energiespeicherzellen ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrochemische Energiespeicherzelle, die ein durch die Energiespeicherzelle hindurchführendes an seinen beiden Enden offenes Kernrohr aufweist.
  • Demzufolge bietet die Erfindung die Möglichkeit, in das Kernrohr sowohl einen oder mehrere Anschlüsse zur Energiezufuhr oder -abfuhr und eine Datenbus-Struktur zur intelligenten Anbindung der Einzelzellen zu integrieren, wie auch einen Kanal zur Absaugung eines evtl. frei werdenden Elektrolyten bereitzustellen, wobei eine einfache Kaskadierung/Serienschaltung der Einzelzellen möglich ist.
  • Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Gegenstands des Anspruchs 1.
  • Vorzugsweise bildet das Kernrohr einen Anschlussleiter der Energiespeicherzelle. In diesem Fall kann die Zuleitung/Ableitung von elektrischer Leistung und/oder die Datenbus-Struktur mittels lediglich eines zu dem Kernrohr zusätzlichen Leiters realisiert werden. Hierfür weist die elektrochemische Energiespeicherzelle vorzugsweise ein leitendes zumindest gegen das Kernrohr elektrisch isoliertes Außengehäuse und/oder wenigstens einen in dem Kernrohr angeordneten Leiter auf, der weiter vorzugsweise wenigstens einen Anschlussleiter der Energiespeicherzelle umfasst.
  • Bei der elektrochemischen Energiespeicherzelle nach der Erfindung umfassen das Kernrohr und/oder wenigstens ein in dem Kernrohr angeordneter Leiter wenigstens einen Leiter eines Datenbusses. Der Datenbus kann auch mit in die Anschlussleiter zur Zu- und Abfuhr von Energie integriert sein.
  • Die wenigstens einen in dem Kernrohr angeordneten Leiter aufweisende elektrochemische Energiespeicherzelle nach der Erfindung umfasst vorzugsweise wenigstens ein Führungselement für den wenigstens einen in dem Kernrohr angeordneten Leiter, durch das das Kernrohr nicht verschlossen wird. In diesem Fall kann die elektrochemische Energiespei cherzelle nach der Erfindung über das Kernrohr mit Luft oder Flüssigkeit gekühlt werden und es ist auch eine Absaugung eines evtl. freiwerdenden Elektrolyten durch das Kernrohr möglich.
  • Vorzugsweise weist die elektrochemische Energiespeicherzelle nach der Erfindung eine elektronische Schaltung zur Steuerung, Regelung und/oder Überwachung der Energiespeicherzelle auf. Durch eine solche elektronische Schaltung, die weiter vorzugsweise ein von einem Elektronik-Master gesteuerter Elektronik-Slave ist, können sowohl Überspannungen als auch ein Auseinanderlaufen der Zellspannungen beim zyklischen Laden und Entladen vermieden werden. Weiter kann hierdurch eine Temperaturüberwachung der Zelle, des Kernrohrs bzw. des durch diesen gebildeten Kanals, eine Spannungsüberwachung der Zelle und/oder der Anschlussleiter und/oder eine Stromüberwachung der Zelle erfolgen. Weiter ist es auch möglich, dass durch eine solche elektronische Schaltung eine Drucküberwachung der Zelle und/oder des Kernrohrs erfolgt, ein Durchfluss eines im Kernrohr vorhandenen Gases oder Gasgemischs gemessen wird und/oder das Auftreten eines (bestimmten) in dem Kernrohr vorhandenen Gases oder Gasgemisches überwacht wird.
  • Die elektrochemische Energiespeicherzelle nach der Erfindung weist vorzugsweise wenigstens ein in das Kernrohr führendes Überdruckventil auf. Durch dieses können gasförmige Zersetzungsprodukte der elektrochemischen Energiespeicherzelle gezielt in das Kernrohr geleitet und so sicher und auf einfache Weise ins Freie abgeführt werden. Diese Ableitung ins Freie erfolgt weiter vorzugsweise über einen Aktivkohlefilter und/oder ein Molekularsieb zum Anlagern zumindest eines Teils der Zersetzungsprodukte.
  • Die erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicherzelle weist vorzugsweise wenigstens eine in dem Kernrohr angeordnete Kühlrippe auf. In dem Fall, dass die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle ebenfalls ein Führungselement für den wenigstens einen in dem Kernrohr angeordneten Leiter aufweist, ist die wenigstens eine Kühlrippe weiter vorzugsweise mit dem Führungselement integriert gebildet. Durch die wenigstens eine in dem Kernrohr angeordnete Kühlrippe kann dieses auch in verschiedene Kanäle unterteilt werden, die verschiedene Funktionen haben können, z.B. einen Kanal zur Ableitung von gasförmigen Zersetzungsprodukten der Energiespeicherzelle, einen Kanal zur Flüssigkeitskühlung, einen Kanal zur Führung von elektrischen Leitungen usw.
  • Die elektrochemische Energiespeicherzelle nach der Erfindung umfasst vorzugsweise wenigstens einen Sensor zur Erfassung einer Zellentemperatur, einer Temperatur im Kernrohr, einer Zellenspannung, einer Spannung eines Anschlussleiters der Zelle, eines der Zelle entnommenen Stroms, eines Drucks in der Zelle, eines Drucks im Kernrohr, eines Durchflusses eines im Kernrohr vorhandenen Gases oder Gasgemisches und/oder einer chemischen Zusammensetzung oder das Auftretens eines (bestimmten) in dem Kernrohr vorhandenen Gases oder Gasgemischs.
  • Die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle ist vorzugsweise ein Akkumulator oder ein Doppelschichtkondensator.
    •
  • Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht einer elektrochemischen Energiespeicherzelle nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 eine schematische Ansicht einer Kaskadierung von in 1 gezeigten elektrochemischen Energiespeicherzellen,
  • 3 eine Aufsicht auf das Kernrohr der in 1 gezeigten elektrochemischen Energiespeicherzelle,
  • 4 eine Aufsicht auf die in 1 gezeigte elektrochemische Energiespeicherzelle, und
  • 5 eine Ansicht einer elektrochemischen Energiespeicherzelle nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • 1 zeigt eine elektrochemische Energiespeicherzelle 1 nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die gezeigte Energiespeicherzelle besteht in diesem Fall aus einem Doppelschichtkondensator 4, der in einem zweiteiligen Gehäuse 2, 3 angeordnet ist. Insbesondere besteht das Gehäuse 2, 3 aus einem Außenteil 3, das aus einem Außenrohr 3a mit einem Außendeckel 3b besteht, und einem Innenteil 2, das aus einem Kernrohr 2a mit einem Innendeckel 2b besteht. Das Außenteil 3 und das Innenteil 2 sind derart miteinander verbunden, dass das Kernrohr 2a koaxial innerhalb des Außenrohrs 3a angeordnet ist und der Außendeckel 3b über eine Innendichtung 5 mit dem Ende des Kernrohrs 2a verbunden ist, an dem der Innendeckel 2b nicht vorgesehen ist. Der Innendeckel 2b des Innenteils 2 ist über eine Außendichtung 6 mit dem Ende des Außenrohrs 3a verbunden, an dem der Außendeckel 3b nicht angeordnet ist. Auf diese Weise wird durch das Gehäuse ein doppelwandiger Hohlzylinder gebildet, bei dem zwischen den Wänden ein durch den Außendeckel 3b und den Innendeckel 2b abgeschlossener Hohlraum ausgebildet ist, in welchem der Doppelschichtkondensator 4 angeordnet ist. Die Innendichtung 5 und die Außendichtung 6 bewirken auch eine elektrische Isolation des Innenteils 2 vom Außenteil 3, wodurch durch das Innenteil 2 und das Außenteil 3 Anschlüsse zur Energiezufuhr bzw. Energieabfuhr gebildet werden können. Das Kernrohr 2a ist nach außen offen und in dem Kernrohr 2a ist ein Leiter 8 vorgesehen. Außen auf dem Innendeckel 2b ist eine Elektronik 7 angeordnet, mittels der der Doppelschichtkondensator gesteuert oder geregelt ge- oder entladen werden kann und die eine Überwachung verschiedener Parameter des Doppelschichtkondensators vornimmt, wie z.B. von dessen Temperatur, von der Temperatur innerhalb des Kernrohrs 2a, vom Druck innerhalb des Gehäuses 2, 3, einer Durchflussmenge eines durch das Kernrohr 2a transportierten Gases oder Gasgemischs, einer Dichtigkeit eines mittels des Kernrohrs 2a und weiteren daran angeschlossenen Elementen gebildeten Kanals, etc. Auf die Elektronik 7 kann über einen Datenbus zugegriffen werden, der ebenfalls Informationen an die Elektronik 7 übertragen kann, mittels der diese eine Leitungsüberprüfung vornehmen kann. Weiter kann die Elektronik 7 über geeignete Verbindungen, die in dem Kernrohr 2a angeordnet sein können, auch mit weiteren Energiespeicherzellen verbunden sein, um diese zu steuern, regeln und/oder überwachen.
  • 2 zeigt eine Kaskadierung von Energiespeicherzellen 1 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, hier eine Aneinanderreihung von vier Doppelschichtkondensatoren 1a bis 1d, wobei das Außenteil des Gehäuses jeweils einen Minuspol und das Innenteil des Gehäuses jeweils einen Pluspol der Energiespeicherzellen bilden. Die Einzelzellen 1a bis 1d sind derart aneinandergereiht oder aufeinander gesteckt, dass durch die Kernrohre ein dichter Kanal gebildet wird, wobei ein einen Pluspol der Einzelzelle bildendes Kernrohr jeweils mit einem einen Minuspol einer Einzelzelle bildenden Außendeckel 3b von einer benachbarten Einzelzelle verbunden ist. Auf diese Weise sind die Einzelzellen 1a bis 1d miteinander in Reihe geschaltet, wobei eine elektrische Isolation der Kernrohre benachbarter Einzelzellen jeweils über die Innendichtung 5 und eine elektrische Isolation der Außenrohre benachbarter Einzelzellen jeweils über die Außendichtung 6 erfolgt. Die Dichtigkeit des durch die Kernrohre gebildeten Kanals kann mittels einer Drucküberwachung des Kanals, die mittels einer Elektronik einer Einzelzelle erfolgen kann, überwacht werden. Dies kann z.B. über eine Überwachung eines in dem Kanal aufgebauten Unterdrucks erfolgen. Alternativ ist es u.a. auch möglich, die Dichtigkeit des Kanals mittels der Bestimmung von Durchflussmengen am Anfang und am Ende des Kanals zu überwachen.
  • Die einzelnen Elektroniken 7a bis 7d der Einzelzellen 1a bis 1d sind beispielhaft so ausgestaltet, dass die Elektroniken 7a bis 7c der Einzelzellen 1a bis 1c Slave-Schaltungen sind und die Elektronik 7d der Einzelzelle 1d eine Master-Schaltung ist, die die Slave-Schaltungen 7a bis 7c kontrolliert. Über die Master-Schaltung 7d kann auch ein Anschluss an das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs erfolgen, z.B. an die Versorgungsspannung und einen Datenbus. Wie zuvor erwähnt, kann eine Slave-Schaltung auch mehr als eine Einzelzelle bedienen.
  • 3 zeigt eine Aufsicht auf das Kernrohr 2a der in 1 gezeigten Energiespeicherzelle. Das Kernrohr 2a, das hier an sich nicht leitend ausgestaltet ist, weist an seiner Innenwand einen Außenleiter 9 auf und koaxial dazu angeordnet einen Innenleiter 8, der über Führungsstege 10 gehalten wird, die in dieser Ausführungsform ebenfalls als Kühlrippen dienen. Die Führungsstege können entlang des gesamten Kernrohrs 2a oder nur in Teilen davon angeordnet sein. In dem Fall, dass sie entlang des gesamten Kernrohrs 2a verlaufen, können durch die Führungsstege/Kühlrippen 10 abgeschlossene Einzelkanäle gebildet werden, z.B. einer zum Durchführen einer Kühlflüssigkeit, einer zum Absaugen von gasförmigen Zersetzungsprodukten des Doppelschichtkondensators, einer zum Durchführen von weiteren Leitern und einer zur Aufnahme von Sensoren, z.B. von Temperatursensoren.
  • 4 zeigt eine Aufsicht auf die in 1 gezeigte Energiespeicherzelle einschl. der Elektronik 7. Von außen nach innen sind zu erkennen: das Außenrohr 3a, die Außendichtung 6, die Elektronik 7, das Kernrohr 2a, der Außenleiter 9, die Führungsstege/Kühlrippen 10 und der Innenleiter 8. Innerhalb des Außenleiters 9 ist weiter ein Temperatursensor 14 vorgesehen, über den die Temperatur innerhalb des Kernrohrs 2a erfasst werden kann. Auf der Elektronik 7 ist ein weiterer Temperatursensor 13 vorgesehen, mittels dem die Temperatur innerhalb der Energiespeicherzelle, d.h., die Temperatur des Doppelschichtkondensators 4, erfasst werden kann. Die Elektronik 7 ist über einen ersten Anbindungsleiter 11 mit dem Mittelleiter 8 und über einen zweiten Anbindungsleiter 12 mit dem Außenleiter 9 verbunden. Diese beiden Leiter bilden den Datenbus, über den die Elektronik angesprochen werden kann.
  • 5 zeigt eine elektrochemische Energiespeicherzelle nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die sich durch ein zusätzliches Überdruckventil 15 von der Energiespeicherzelle der ersten Ausführungsform unterscheidet. Das Überdruckventil 15 ist so angeordnet, dass es einen in dem abgeschlossenen Innenraum des Gehäuses entstehenden Überdruck in das Kernrohr 2a abführt. Das Überdruckventil 15 kann aus einem sich nach Abbau des Überdrucks wieder selbstständig verschließenden Ventil oder auch lediglich aus einer Sollbruchstelle bestehen. In dem Kernrohr 2a kann eine chemische Sensorik angeordnet sein, die in das Kernrohr 2a abgeleitete gasförmige Zersetzungsprodukte einer Doppelschichtkondensatorzelle detektiert, wodurch über die Elektronik der Zelle ein evtl. notwendiges Auswechseln angezeigt werden kann.
    • 1
    Energiespeicherzelle
    2a
    Kernrohr
    2b
    Innendeckel
    3a
    Außenrohr
    3b
    Außendeckel
    4
    Doppelschichtkondensator
    5
    Innendichtung
    6
    Außendichtung
    7
    Elektronik
    8
    Innenleiter
    9
    Außenleiter
    10
    Führungsstege/Kühlrippen
    11
    Anbindung Innenleiter
    12
    Anbindung Außenleiter
    13
    Temperatursensor (Zelle)
    14
    Temperatursensor (Kernrohr)
    15
    Überdruckventil

Claims (11)

  1. Elektrochemische Energiespeicherzelle (1), gekennzeichnet durch ein durch die Energiespeicherzelle hindurch führendes an seinen beiden Enden offenes Kernrohr.
  2. Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernrohr (2a) einen Anschlussleiter der Energiespeicherzelle bildet.
  3. Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein leitendes zumindest gegen das Kernrohr (2a) elektrisch isoliertes Außengehäuse (3a) und/oder wenigstens einen in dem Kernrohr (2a) angeordneten Leiter (8, 9).
  4. Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine in dem Kernrohr angeordnete Leiter (8) wenigstens einen Anschlussleiter der Energiespeicherzelle (1) umfasst.
  5. Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernrohr (2a) und/oder wenigstens ein in dem Kernrohr angeordneter Leiter (8, 9) wenigstens einen Leiter eines Datenbusses umfasst.
  6. Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch wenigstens ein Führungselement (10) für den wenigstens einen in dem Kernrohr (2a) angeordneten Leiter (8), wodurch das Kernrohr (2a) nicht verschlossen wird.
  7. Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektronische Schaltung (7) zur Steuerung, Regelung und/oder Überwachung der Energiespeicherzelle (1).
  8. Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ein in das Kernrohr (2a) führendes Überdruckventil (15).
  9. Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine in dem Kernrohr (2a) angeordnete Kühlrippe (10).
  10. Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Sensor (13, 14) zur Erfassung einer Zellentemperatur, einer Temperatur im Kernrohr (2a), einer Zellenspannung, einer Spannung eines Anschlussleiters der Zelle, eines der Zelle entnommenen Stroms eines Drucks in der Zelle, eines Drucks im Kernrohr, eines Durchflusses eines im Kernrohr vorhandenen Gases oder Gasgemisches und/oder einer chemischen Zusammensetzung oder des Auftretens eines in dem Kernrohr (2a) vorhandenen Gases oder Gasgemischs.
  11. Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzelle (1) ein Akkumulator oder ein Doppelschichtkondensator ist.
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