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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere
Hochleistungs-Energiespeicher für Hybrid-Fahrzeuge, mit
den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
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Es
ist bekannt, dass elektrische Energiespeicher und somit Batterien
und Kondensatoren während ihrer Nutzung Wärme
erzeugen. So entwickeln beispielsweise Batterien unabhängig
davon, ob sie bei Kraftfahrzeugen oder auf einem anderen Gebiet eingesetzt
werden, beim Laden aber auch beim Entladen ausgehend von ihrem Innenwiderstand
ohmsche Wärme aber auch zusätzliche Wärmeenergie durch
exotherme chemische Reaktionsprozesse bei der Umwandlung von chemischer
in elektrische Energie aber auch umgekehrt. Wird diese Wärme
nicht effektiv abgeführt, ist eine Verschlechterung des
Wirkungsgrades der Batterie unvermeidbar. Um dieses zu vermeiden,
kommen zur Kühlung zwei Verfahren zur Anwendung. Dabei
wird zwischen passiven und aktiven Verfahren unterschieden. Während
die passive Kühlung durch Veränderung des Verhältnisses
der Oberfläche zum Volumen erfolgt, indem Kühlbleche oder
Kühlrippen vorgesehen sind oder eine Vergrößerung
der äußeren Form des elektrischen Energiespeichers
erfolgt, wird die aktive Kühlung durch das äußere
Anbringen von Zu- und Abführungen für flüssige
oder gasförmige Medien erreicht. Dabei werden diese Medien
auf die unterschiedlichste Art und Weise an der Oberfläche
der elektrischen Energiespeicher durch Pumpen oder Lüfter
entlang geführt, so dass die Arbeitswärme mit
abgeführt wird.
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So
ist beispielsweise aus der
DE
102 26 847 A1 ein Energiespeichermodul bekannt, bei dem
zur externen Wärmeabführung mindestens ein Kühlkörper
aus einem wärmeleitfähigen Material vorgesehen ist,
der Kühlrippen besitzt. Kommt ein derartiger Kühlkörper
mit seinen Kühlrippen bei Hochleistungs-Energiespeichern
zur Anwendung, wie sie unter anderem in Hybrid-Fahrzeugen eingesetzt
werden, was erforderlich ist, da sie in der Lage sind, große
Mengen elektrischer Arbeit in kurzer Zeit aufzunehmen und wieder
abzugeben, so führt das zu einer unverhältnismäßigen
Vergrößerung des umbauten Raumes des Hochleistungs-Energiespeichers
aber auch zu einer Erhöhung des Bauteilgewichtes, da zu
gewährleisten ist, dass die durch den großen Arbeitsdurchsatz
erzeugte Wärme schnell und effektiv abgeführt werden
muss, damit die Temperatur des Hochleistungs-Energiespeichers auf
einem optimalen thermischen Betriebsniveau gehalten wird. Die Vergrößerung
des umbauten Raumes sowie die Erhöhung des Bauteilgewichtes
ergibt sich aber auch aus der geringen Wärmeleitfähigkeit
der für den Bau der Kühlkörper mit ihren
Kühlrippen verwendeten Werkstoffe. Schließlich
resultiert aus der Vergrößerung des umbauten Raumes
sowie aus der Erhöhung des Bauteilgewichtes aber auch,
dass der Wirkungsgrad des Gesamtsystems, in dem der Hochleistungs-Energiespeicher
und/oder entsprechende Module verwendet werden und somit auch in
Hybrid-Fahrzeugen sinkt.
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Nicht
anders verhält es sich, wenn eine aktive Kühlung
zur Anwendung kommt. Eine derartige Kühlung sieht unter
anderem die Kühleinrichtung für eine aus mehreren
Zellen aufgebaute Batterie nach der
DE 44 41 162 A1 vor (siehe auch
DE 40 29 018 A1 ), die insbesondere
zur Kühlung von Hochleistungsbatterien vorgesehen ist.
Um eine effektive und gleichmäßige Kühlung
der Batterie zu ermöglichen, geht diese Kühleinrichtung
davon aus, dass die in einem geschlossenen Batteriekasten angeordneten Zellen
von einer Kühlflüssigkeit umströmt werden. Dabei
ist der Batteriekasten nur bis zu einem bestimmten Pegelstand mit
Kühlflüssigkeit gefüllt und der entstehende
Flüssigkeitsdampf wird über eine außerhalb
des Batteriekastens angeordnete Sammelleitung geführt und
durch einen Kühler unter Mitwirkung eines Gebläses
gekühlt, so dass anschließend rekondensierte Kühlflüssigkeit
wieder in den Batteriekasten rückgeführt wird.
Somit führt auch diese Kühleinrichtung zu einem
vergrößerten umbauten Raum sowie zur Erhöhung
des Bauteilgewichtes. Hinzu kommt, dass der Wirkungsgrad des Gesamtsystems
bei Verwendung in Hybrid-Fahrzeugen durch den Energieverbrauch zum
Antreiben des Gebläses reduziert wird.
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Diese
Nachteile besitzt aber auch der elektrische Kondensator nach der
DE 101 24 435 A1 ,
bei dem das den Kondensatorkörper umschließende
Gehäuse von einem Kühlflüssigkeitsmantel
umgeben ist, der zwischen dem Gehäuse und einer dieses
umgebenden Hülle eingeschlossen ist und dem zum Abführen
von im Kondensatorkörper erzeugter Verlustwärme
eine Kühlflüssigkeit zuführbar ist, die
außerhalb des Kondensators abgekühlt wird.
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Schließlich
gehen auch weiterhin bekannte Kühlvorrichtungen für
Kondensatoren, so beispielsweise die nach der
DE 101 53 513 A1 , immer
wieder davon aus, dass die erforderliche Kühlung des Kühlmediums
durch aktive Kühlung erfolgt, so dass die der Kühlung
dienenden Komponenten, so die Rohrleitungen sowie die Kühler
sowie gegebenenfalls die erforderlichen Lüfter beziehungsweise
Pumpen, außerhalb des Kondensators angeordnet sind. Das aber
bedeutet, dass auch diese Kondensatoren einen vergrößerten
umbauten Raum sowie ein höheres Bauteilgewicht erfordern
sowie einen Energieverbrauch zum Antreiben der von Fall zu Fall
zugeordneten Pumpen oder Gebläse.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Energiespeicher,
insbesondere Hochleistungs-Energiespeicher für Hybrid-Fahrzeuge
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, dessen
umbauter Raum sowie dessen Bauteilgewicht für die notwendige
Kühlleistung bei maximaler Lade- und Entladeleistung bei
Vermeidung einer aktiven Kühlung auf ein Minimum zu reduzieren
ist, wobei gleichzeitig auch der Wirkungsgrad der mobilen oder stationären
Anlage, in der der elektrische Hochleistungs-Energiespeicher eingesetzt wird,
zu erhöhen ist.
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Dadurch,
dass erfindungsgemäß die elektrisch miteinander
verbundenen Energiespeicherzellen des Hochleistungs-Energiespeichers
von einer wärmeableitenden Umhüllung in Form einer
Schicht umgeben sind, die aus Diamant besteht beziehungsweise Diamant
umfasst, wobei diese aus Diamant bestehende, wärmeableitende
Umhüllung in Form der Schicht auf die elektrisch miteinander
verbundenen Energiespeicherzellen des Hochleistungs-Energiespeichers
durch ein Abscheidungsverfahren gebildet ist, wird ein Hochleistungs-Energiespeicher
bereit gestellt, bei dem durch die Zuordnung der aus Diamant bestehenden,
wärmeableitenden Umhüllung in Form der Schicht
zu den elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen
eine Beschichtung vorgesehen ist, die eine 5fache Wärmeleitfähigkeit gegenüber
der von Metallen besitzt, so dass nicht nur der umbaute Raum für
die erforderliche Kühlleistung herabgesetzt wird, sondern
auch der Eigenenergiebedarf für gegebenenfalls noch erforderliche
Gebläse beziehungsweise Pumpen mit dem Ergebnis, dass auch
der Wirkungsgrad des Gesamtsystems, in dem der Hochleistungs-Energiespeicher
beziehungsweise entsprechend ausgebildete Module eingesetzt werden,
erhöht wird und somit auch der von Hybrid-Fahrzeugen.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die aus Diamant bestehende,
wärmeableitende Umhüllung in Form der Schicht
sowohl am äußeren Umfang der elektrisch miteinander
verbundenen Energiespeicherzellen des Hochleistungs-Energiespeichers
vorgesehen als auch als weitere Schicht zwischen den elektrisch
miteinander verbundenen Energiespeicherzellen, wobei die am äußeren
Umfang der elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen
vorgesehene, wärmeableitende Umhüllung in Form
der Schicht sowie die weiteren Schichten zwischen den Energiespeicherzellen
auf der den Ableitern der Energiespeicherzellen gegenüberliegenden
Seite durch eine ebenfalls aus Diamant bestehende Verbindung zu
einem Modul zusammengefasst sind. Dabei ist ein sowohl die wärmeableitende Umhüllung
in Form der Schicht als auch die weiteren Schichten zwischen den
elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen sowie die
die wärmeableitende Umhüllung in Form der Schicht
und die die weiteren Schichten zwischen den elektrisch miteinander
verbundenen Energiespeicherzellen zu einem Modul zusammenfassende
Verbindung bildender Diamant vorgesehen. Dieser wirkt gleichzeitig isolierend
und seine Funktion wird auch bei thermischen und mechanischen Belastungen
in Rahmen der elektrischen und elektronischen Beanspruchung der
elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen nicht eingeschränkt.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die aus Diamant bestehende,
wärmeableitende Umhüllung in Form der Schicht
sowie die weiteren, zwischen den elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen
vorgesehenen Schichten nicht nur bei Hochleistungs-Energiespeichern
vorgesehen, deren elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen
horizontal oder vertikal angeordnet sind, sondern auch bei Hochleistungs-Energiespeichern,
die prismatisch oder rotationssymmetrisch ausgebildet sind.
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Um
die durch die Erfindung beabsichtigten Wirkungen zu erzielen, sind
sowohl die aus Diamant bestehende, wärmeableitende Umhüllung
in Form der Schicht als auch die weiteren, zwischen den elektrisch
miteinander verbundenen Energiespeicherzellen vorgesehenen Schichten
entlang der gesamten Länge der Energiespeicherzellen vorgesehen,
so dass sie sich als Kühlung besonders auch bei Hochleistungs-Energiespeichern
mit großen geraden Flächen eignen, so beispielsweise
in den so genannten „Coffee-Bagzellen” sowie den „Pouch-Bags”.
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Zur
Erzielung der beabsichtigten Wirkungen sind gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung bei der Bildung der aus Diamant bestehenden,
wärmeableitende Umhüllung in Form der Schicht
sowie der weiteren, zwischen den Energiespeicherzellen vorgesehenen
Schichten durch das Abscheidungsverfahren diese Schichten in Richtung
der größten Wärmeleitung und somit in
der Richtung, in der der größte Temperaturgradient
vorhanden ist, auf den elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen
abgeschieden. Hierbei ist zweckmäßigerweise bei
der Bildung der aus Diamant bestehenden, wärmeableitenden
Umhüllung in Form der Schicht sowie der weiteren, zwischen
den elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen vorgesehenen
Schichten sowie der diese Schichten zusammenfassenden Verbindung
durch das Abscheidungsverfahren die Abscheidung des Diamanten aus
der Gasphase im CVD-(Chemicel Vapour Deposition)Prozess vorgesehen.
Die Abscheidung des Diamanten aus der Gasphase im CVD-Prozess ist
in einer Stärke vorgesehen, die abhängig von der
Leistung des jeweiligen Hochleistungs-Energiespeichers und dabei
vorzugsweise starker als 2 mm ist.
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Schließlich
ist durch stabile Bindungen, die bei der Bildung der aus Diamant
bestehenden Schichten durch das Abscheidungsverfahren aus der Gasphase
im CVD-Prozess durch chemische Reaktion zwischen dem Diamanten und
dem Grundwerkstoff entstehen, gleichzeitig eine weitere, gegenüber der
wärmeableitenden Umhüllung in Form der Schicht
sowie den weiteren, zwischen den elektrisch miteinander verbundenen
Energiespeicherzellen vorgesehenen Schichten vielfach dünnere,
die Haftfestigkeit erhöhende Zwischenschicht gebildet.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel
anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Vorderansicht einer Hochleistungs-Energiespeicherzelle eines elektrischen
Hochleistungs-Energiespeicher-Moduls;
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2 den
Schnitt A-A des elektrischen Hochleistungs-Energiespeicher-Moduls
nach 1 mit fünf Hochleistungs-Energiespeicherzellen;
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3 die
Einzelheit Z des elektrischen Hochleistungs-Energiespeichers nach 2;
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4 einen
elektrischen Hochleistungs-Energiespeicher entsprechend der Ausbildung
nach 2 in einer ersten Lage der Energiespeicherzellen;
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5 den
elektrischen Hochleistungs-Energiespeicher nach 4 in
einer weiteren Lage der Energiespeicherzellen und
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6 Einzelheiten
der elektrischen Hochleistungs-Energiespeicher nach 4 und 5.
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1 zeigt
in Verbindung mit 2 einen elektrischen Hochleistungs-Energiespeicher 1,
der aus mehreren elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen 2 besteht,
denen jeweils ein nach außen führender Ableiter 3 zugeordnet
ist. Dabei sind die elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen 2 derart
ausgebildet, dass sie große gerade Flächen besitzen,
wie sie bei den so genannten „Coffee-Bagzellen” oder „Pouch-Bags” zur
Anwendung kommen. Um bei diesem Hochleistungs-Energiespeicher 1 praktisch
ohne Vergrößerung des umbauten Raumes sowie des
Bauteilgewichtes bei maximaler Lade- und Entladeleistung, die erforderliche
Kühlleistung bereitzustellen, wobei gleichzeitig auch der
Wirkungsgrad in der mobilen oder stationären Anlage zu
erhöhen ist, in der der elektrische Hochleistungs-Energiespeicher 1 eingesetzt
wird, sind die elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen 2 von
einer wärmeableitenden Umhüllung 4 in
Form einer Schicht 5 umgeben, die aus einem Diamanten 6 (6)
besteht. Die wärmeableitende Umhüllung 4 in
Form der Schicht 5 ist derart ausgebildet, dass sie sich
entlang der gesamten Länge der elektrisch miteinander verbundenen
Energiespeicherzellen 2 erstreckt. Zwecks Stabilisierung
der elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen 2 mit
ihrer aus Diamant 6 bestehenden Umhüllung 4 erfolgt
ihre Aufnahme durch eine aus Metall bestehende Einfassung 7,
was möglich ist, da der eingesetzte Diamant 6 gleichzeitig auch
isolierend wirkt.
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Wie
aus 2 weiterhin hervorgeht, sind die elektrisch miteinander
verbundenen Energiespeicherzellen 2 nicht nur an ihrem äußeren
Umfang durch die aus Diamant 6 bestehende Umhüllung 4 in Form
der Schicht 5 umgeben, sondern es sind zwischen den Energiespeicherzellen 2 weitere
Schichten 8 vorgesehen, die ebenfalls aus Diamant 6 bestehen
und sich ebenfalls entlang der gesamten Länge der Energiespeicherzellen 2 erstrecken.
Schließlich sind die Umhüllung 4 in Form
der Schicht 5 sowie die weiteren, zwischen den Energiespeicherzellen 2 angeordneten
Schichten 8 auf der den Ableitern 3 gegenüberliegenden
Seite über eine Verbindung 9 zu einem Modul zusammengefasst,
die auch aus dem Diamanten besteht.
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Aus 3 geht
die Wärmeableitung aus den elektrisch miteinander verbundenen
Energiespeicherzellen 2 hervor. Es ist ersichtlich, dass
zu beiden Seiten einer Energiespeicherzelle 2, die beim
Laden oder Entladen des elektrischen Hochleistungs-Energiespeichers 1 entstehende
Wärme nicht nur über die Umhüllung 4 in
Form der Schicht 5, sondern auch über die zwischen
den Energiespeicherzellen 2 angeordneten Schichten 8 abgeführt
wird, was durch die Pfeile 10 dargestellt ist, sondern
wie durch die Pfeile 11 angedeutet ist, auch konzentriert über
die Verbindung 9, über die die Umhüllung 4 in
Form der Schicht 5 und die zwischen den Energiespeicherzellen 2 angeordneten
Schichten 8 zu einem Modul zusammengefasst sind.
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Die 4 und 5 gehen
von einer unterschiedlichen Lage der den elektrischen Hochleistungs-Energiespeicher 1 bildenden,
elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen 2 aus. Während
gemäß 4 die Energiespeicherzellen 2 mit
ihrer Umhüllung 4 in Form der Schicht 5 vertikal verlaufen,
sind die Energiespeicherzellen 2 gemäß der 5 horizontal
angeordnet. In beiden Fällen sind die Energiespeicherzellen 2 zu
einem kompakten Paket zusammengefasst.
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Ausgehend
davon, dass die aus Diamant 6 bestehende, wärmeableitende
Umhüllung 4 in Form der Schicht 5 sowie
die zwischen den elektrisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen 2 vorgesehenen,
ebenfalls aus Diamant 6 bestehenden Schichten 8 durch
ein Abscheidungsverfahren gebildet werden, sind diese in Richtung
der größten Wärmeleitung und somit in
der Richtung abgeschieden, in der der größte Temperaturgradient
vorhanden ist. Dieses geht aus der 6 hervor,
die die Ausrichtung der aus Diamant 6 bestehenden, auf
den zwischen den Energiespeicherzellen 2 vorgesehenen Schichten 8 zeigt,
was aus der schematisch dargestellten Ausrichtung 13 hervorgeht.
Die Abscheidung erfolgt aus der Gasphase im CVD-Prozess. Da hierbei
durch chemische Reaktion stabile Bindungen zwischen dem Diamanten 6 und
dem Grundwerkstoff entstehen, wird gleichzeitig bei dem Abscheidungsverfahren
eine nicht weiter dargestellte Zwischenschicht gebildet, die die
Haftfestigkeit, der aus Diamant 6 bestehenden Umhüllung 4 in
Form der Schicht 5 sowie der Schichten 8 erhöht.
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- 1
- elektrischer
Hochleistungs-Energiespeicher
- 2
- elektrisch
miteinander verbundene Energiespeicherzellen
- 3
- Ableiter
- 4
- wärmeableitende
Umhüllung
- 5
- Schicht
- 6
- Diamant
- 7
- Einfassung
- 8
- Schicht
- 9
- Verbindung
- 10
- Pfeil
- 11
- Pfeil
- 12
- kompaktes
Paket
- 13
- Ausrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10226847
A1 [0003]
- - DE 4441162 A1 [0004]
- - DE 4029018 A1 [0004]
- - DE 10124435 A1 [0005]
- - DE 10153513 A1 [0006]