DE102008040622A1

DE102008040622A1 - Gehäuse für elektrische Energiespeicherzellen sowie elektrischer Energiespeicher umfassend ein solches

Info

Publication number: DE102008040622A1
Application number: DE200810040622
Authority: DE
Inventors: Uwe Lachmund
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse (10) für elektrische Energiespeicherzellen (50, 54, 56), umfassend ein Mittelteil (12), mit einer bezüglich einer Zentralachse (18) im Wesentlichen axialsymmetrischen Außengestalt und einer runden oder polygonalen, radialen Umfangskontur, wobei das Mittelteil (12) einen äußeren, einseitig offenen Hohlraum (24) sowie einen durch den äußeren Hohlraum (24) konzentrisch eingeschlossenen zentralen Hohlraum (28) zur Aufnahme von zumindest einem Radiallüfter (48) aufweist, wobei innerhalb des äußeren Hohlraums (24) Aufnahmen für eine Mehrzahl von Speicherzellen (50, 54, 56) oder eine Mehrzahl von zu Speichermodulen gebündelten Speicherzellen (50, 54, 56) vorgesehen sind, und wobei eine, die Hohlräume (24, 28) voneinander trennende Innenwandung (22) sowie die geschlossene axiale Seite des äußeren Hohlraums (24) eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (30, 32) aufweist. Das Gehäuse (10) umfasst ferner ein einseitig offenes Oberteil (14) zur Aufnahme zumindest eines Lüftungs- und/oder Kühlungssystems (42), wobei das Oberteil (14) mit seiner offenen Seite an die offene axiale Seite des Mittelteils (12) anschließt; sowie ein einseitig offenes Abschlussteil (16), das mit seiner offenen Seite an die geschlossene axiale Seite des Mittelteils (12) anschließt oder das Mittelteil (12) umschließt und das zumindest eine Durchgangsöffnung (38) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für elektrische Energiespeicherzellen oder für eine Mehrzahl von zu Speichermodulen gebündelten Speicherzellen. Die Erfindung betrifft ferner einen elektrischen Energiespeicher, der ein solches Gehäuse umfasst.
Fahrzeuge, die über einen Antrieb durch einen Elektromotor verfügen, sowie hybride Fahrzeuge, deren Antrieb sowohl durch einen Elektromotor als auch durch ein weiteres Aggregat, insbesondere ein Verbrennungsmotor, realisiert wird, benötigen zur Versorgung des Elektromotors einen wiederaufladbaren Energiespeicher, der üblicherweise eine Vielzahl von in Reihe geschalteter elektrischer Speicherzellen umfasst. Oftmals sind die Speicherzellen zu einer Mehrzahl von Speichermodulen gebündelt angeordnet. Je nach Bauart der Energiespeicherzellen oder Energiespeichermodulen werden zylindrische Zellen und prismatische Zellen beziehungsweise zylindrische und prismatische Module unterschieden. Die endgültige äußere Gestalt einer Fahrzeug-Traktionsbatterie wird durch die Form dieser Zellen und die Bauweise der Module bestimmt. Im Falle zylindrischer Zellen werden diese üblicherweise axial benachbart zu Modulen zusammengesteckt und die so erhaltenen Module wechselseitig auf Lücke axial nebeneinander ausgerichtet, wobei die dabei entstehenden Zwischenräume der Kühlung und Lüftung dienen. Das so erhaltene Bauteil weist im Wesentlichen die Form eines Quaders oder Würfels auf und wird in entsprechenden quader- beziehungsweise würfelförmigen Gehäusen angeordnet. Der Aufbau mit prismatischen Zellen, insbesondere quaderförmigen Zellen, erfolgt analog, wobei auch hier Zwischenräume für die Kühlung und Lüftung der Zellen beziehungsweise Module freigehalten werden.
Nachteilig an der dargestellten Bauweise ist, dass die prismatische oder quaderförmige Außengestalt des Bauteils nicht oder nur zu einem geringen Teil der Grundform der Speicherzellen entspricht. Zudem lassen sich in den prismatischen Grundformen der Bauteile die Energiespeicherzellen und -module bedingt durch ihre Anordnung nur schlecht kühlen und belüften. Ein weiterer Nachteil stellt die durch die prismatische Grundform verursachte große Baurauminanspruchnahme der Traktionsbatterie dar. Hinzu kommt, dass Komponenten für die Belüftung und Steuerung in der Regel extern an der eigentlichen Energiespeicherkonstruktion angebracht werden müssen. Dies erschwert die Unterbringung in den vorhandenen Bauraum eines Fahrzeugs.
Es sind zudem sogenannte Folien-Zellen (aufgrund ihrer typischen taschenartigen Gestalt auch als Coffee-Bag-Zellen oder Pouch-Bag-Zellen bezeichnet) bekannt, die über eine im Wesentlichen flächige Gestaltung verfügen. Eine für Kraftfahrzeuganwendungen geeignete Gehäusestruktur für diese Zellenart, ist bislang jedoch nicht bekannt.
DE 10 2005 026 703 A1 beschreibt einen elektrischen Energiespeicher mit einem quaderförmigen Gehäuse, in dem eine Mehrzahl von zylinderförmigen Kondensatormodulen parallel und beabstandet zueinander angeordnet ist. Das Gehäuse weist einen zentralen Durchgangsschacht oder mehrere verteilte Durchgangsschächte zwischen den Modulen auf, durch welche eine Kühlung durch natürliche Konvektion oder durch forcierte Konvektion mittels Förderung eines Kühlmediums durch eine Pumpe bewirkt wird.
Aus DE 10 2005 049 746 A1 ist eine elektrochemische Energiespeicherzelle bekannt, bei der ein Doppelschichtkondensator um ein einseitig offenes Kernrohr angeordnet ist. das Kernrohr dient der Unterbringung von Anschlüssen zur Energiezufuhr oder -abfuhr oder eines Kanals zur Absaugung eventuell freigesetzter Elektrolyte. Durch axiale Aufeinanderstapelung lassen sich diese Einzelzellen zu einem Modul kaskadieren.
DE 10 2005 038 409 A1 beschreibt ein Gehäuse für eine zylinderförmige Kondensatorzelle, wobei das Gehäuse eine quaderförmige Außengestalt aufweist. In den Eckbereichen des Gehäuses sind Kühlkanäle untergebracht. Die Einzelzellen lassen sich seitlich aneinandergrenzend zu Speichermodulen anordnen.
WO 96/37919 A1 beschreibt flächige Elektrodenstacks, die aufgefaltet und zu einer Wabenstruktur zusammengesetzt werden. Die so erhaltene Energiespeicherzelle lässt sich als konstruktives Bauteil, beispielsweise als Dach eines Fahrzeuges einsetzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse für elektrische Energiespeicherzellen zur Verfügung zu stellen, das insbesondere für die Anwendung in Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeugen geeignet ist. Das Gehäuse soll insbesondere eine verbesserte Kühlung und Belüftung der Zellen beziehungsweise Module ermöglichen und sich flexibel in den vorhandenen Bauraum eines Fahrzeugs integrieren lassen. Idealerweise sollte das Gehäuse zur Unterbringung von Folien-Zellen geeignet sein sowie sämtliches Peripherien, wie Steuerung, Lüftung, Kühlung beherbergen können.
Diese Aufgaben werden durch ein Gehäuse für elektrische Energiespeicherzellen sowie durch einen elektrischen Energiespeicher mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Gehäuse umfasst:

– ein Mittelteil mit einer bezüglich seiner Zentralachse im Wesentlichen axialsymmetrischen Außengestalt und einer runden oder polygonalen, radialen Umfangskontur, wobei das Mittelteil einen äußeren, einseitig offenen Hohlraum sowie einen durch den äußeren Hohlraum konzentrisch eingeschlossenen zentralen Hohlraum zur Aufnahme von zumindest einem Radiallüfter aufweist, wobei innerhalb des äußeren Hohlraums Aufnahmen für eine Mehrzahl von Speicherzellen oder eine Mehrzahl von zu Speichermodulen gebündelten Speicherzellen vorgesehen sind und wobei eine, die Hohlräume voneinander trennende Innenwandung sowie die geschlossene axiale Seite des äußeren Hohlraums eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen aufweist;
– ein einseitig offenes Oberteil zur Aufnahme zumindest eines Lüftungs- und/oder Kühlungssystems, wobei das Oberteil mit seiner offenen Seite an die offene axiale Seite des Mittelteils anschließt; und
– ein einseitig offenes Abschlussteil, das mit seiner offenen Seite an die geschlossene axiale Seite des Mittelteils anschließt oder das Mittelteil umschließt und das zumindest eine Auslassöffnung aufweist.

Das erfindungsgemäße Gehäuse weist den Vorteil auf, dass das Mittelteil welches die Speicherzellen beziehungsweise Speichermodule aufnimmt, eine weitestgehend axialsymmetrische (= rotationssymmetrische) Gestalt aufweist, welche eine flexible und bauraumsparende Unterbringung im Fahrzeug ermöglicht, beispielsweise in einer vorhandenen Reserveradmulde. Die axialsymmetrische Gestaltung erlaubt darüber hinaus eine flexible und platzsparende Anordnung beliebiger Speicherzellformate, insbesondere auch Folien-Zellen, wie in den Ausführungsbeispielen noch näher erläutert wird. Darüber hinaus wird durch die Anordnung des zentralen Hohlraums, der über Durchgangsöffnungen mit dem die Speicherzellen aufnehmenden äußeren Hohlraum verbunden ist, eine besonders effiziente Kühlung und Belüftung der Zellen beziehungsweise der Module gewährleistet.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante schließt das Abschlussteil mit seiner radial umlaufenden Wandung an die radial umlaufende Wandung des Mittelteils bündig ab. Trotz dieser konstruktiv einfachen Ausgestaltung ist dennoch die Wahrung sämtlicher Funktionen des Abschlussteils gewährleistet. Dies sind insbesondere die Aufnahme und Ableitung verbrauchter Luft und/oder des Kühlmediums, die Stabilisierung der Gesamtkonstruktion sowie die Verhinderung des Austretens flüssiger und/oder gasförmiger Medien.
Gemäß einer besonders vorteilhaften alternativen Ausgestaltung des Abschlussteils schließt dieses das Mittelteil ein, wobei zwischen dem Mittelteil und dem Abschlussteil ein (einseitig) axial und radial umlaufender Hohlraum ausgebildet wird. Gemäß dieser Ausgestaltung kann das Mittelteil in vorteilhafter Weise auch in seiner radial umlaufenden Wandung eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen aufweisen. Auf diese Weise wird die Kühlung und/oder Belüftung der Speicherzellen beziehungsweise Module weiter verbessert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Oberteil und/oder Abschlussteil, vorzugsweise beide Teile, jeweils eine bezüglich der Zentralachse im Wesentlichen axialsymmetrische Außengestaltung und eine im Wesentlichen der Umfangskontur des Mittelteiles entsprechende Umfangskontur auf. Hierdurch wird einerseits erreicht, dass das gesamte Gehäuse eine axialsymmetrische und eine kompakte Außengestalt erhält, was eine besonders gute Unterbringung des Gehäuses in einen bestehenden Bauraum erlaubt. Die praktisch vollständige Abwesenheit von Stufen und/oder Hinterschneidungen verhindert darüber hinaus das Absetzen von Verschmutzungen und erniedrigt somit den Wartungsaufwand.
Es ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass die in der Innenwandung des Mittelteils angeordneten Durchgangsöffnungen, optional auch die weiteren im Mittelteil angeordneten Durchgangsöffnungen, zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten Position steuerbar ausgebildet sind. Auf diese Weise kann eine bedarfsgerechte Kühlung und/oder Belüftung der im Mittelteil angeordneten Zellen beziehungsweise Module erzielt werden.
Vorzugsweise sind die Durchgangsöffnungen auch in Zwischenpositionen zwischen der geschlossenen und geöffneten Position stufenweise oder stufenlos verstellbar. Gemäß einer bevorzugten Realisierung dieser variablen Steuerung der Durchgangsöffnungen weist die Innenwandung des Mittelteils eine außen- oder innenseitig angeordnete Hülse auf, die ihrerseits Öffnungen besitzt, die mit denen der Innenwandung korrespondieren. Dabei ist die Hülse axial und/oder radial gegenüber der Innenwandung verschiebbar gelagert, so dass durch ihre Verschiebung oder Verdrehung eine mehr oder weniger starke Überlappung der Öffnungen der Hülse mit den Durchgangsöffnungen der Innenwandung resultiert und auf diese Weise die Größe der Öffnungen eingestellt werden kann. Vorzugsweise sind Innenwandung und Hülse mit einer oder mehreren Spiralnuten versehen, so dass die Hülse gegenüber der Innenwandung verdreht werden kann.
Die innerhalb des äußeren Hohlraums vorgesehenen Aufnahmen sind bevorzugt so ausgebildet, dass sie eine Mehrzahl von Folien-Speicherzellen aufnehmen können. Vorzugsweise erstrecken sich diese flächigen, taschenartigen Zellen im montierten Zustand radial zwischen der Innenwand und der radial umlaufenden Wandung des Mittelteils, wobei sie entweder jeweils parallel oder jeweils senkrecht zur der Zentralachse sternförmig ausgerichtet sind. Durch die sternförmige Anordnung der Zellen kann eine besonders effiziente Belüftung und Wärmeabfuhr durch den zentralen Hohlraum in Richtung des Abschlussteiles erfolgen.
Alternativ können die Aufnahmen innerhalb des äußeren Hohlraums des Mittelteils jedoch auch so ausgebildet sein, dass sie eine Mehrzahl von zylindrischen oder prismatischen Speicherzellen oder zylindrischen oder prismatischen Speichermodulen aufnehmen können, die sich dann im montierten Zustand in axialer Richtung des Mittelteiles parallel zum zentralen Hohlraum erstrecken. Auch durch diese Ausgestaltung wird eine gute Belüftung und Kühlung der Zellen beziehungsweise Module erzielt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, der ein erfindungsgemäßes Gehäuse umfasst.
Dabei kann der Energiespeicher zumindest einen in dem Oberteil angeordneten Axiallüfter und/oder ein in dem Oberteil angeordnetes Kühlsystem umfassen. Axiallüfter und/oder Kühlsystem bewirken eine axiale Belüftung beziehungsweise Kühlung der in dem Mittelteil angeordneten Zellen beziehungsweise Module.
Vorzugsweise umfasst der Energiespeicher ferner zumindest einen in dem zentralen Hohlraum angeordneten Radiallüfter zur Belüftung der Zellen beziehungsweise Module in radialer Richtung bezüglich der Zentralachse. Darüber hinaus können in dem zentralen Hohlraum weitere Peripherieelemente des Energiespeichers angeordnet sein, insbesondere eine Steuerung.
Der elektrische Energiespeicher kann ferner eine Mehrzahl von Speicherzellen oder eine Mehrzahl von zu Speichermodulen gebündelten Speicherzellen umfassen. Dabei handelt es sich bei den Speicherzellen insbesondere um Folien-Zellen oder um zylindrische oder prismatische Speicherzellen. Aufgrund ihrer vorteilhaften Anordnungsmöglichkeiten sind in diesem Zusammenhang Folien-Zellen bevorzugt.
Als Speicherzellen kommen ferner jegliche Konstruktionen zur Speicherung elektrischer Energie in Frage, insbesondere Primärspeicherzellen, Sekundärspeicherzellen (beispielsweise Lithiumionenzellen) oder Kondensatoren.
Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht eines Gehäuses für elektrische Energiespeicherzellen gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
2 eine Schnittansicht eines Gehäuses für elektrische Energiespeicherzellen gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung,
3 eine Ansicht des Oberteils des erfindungsgemäßen Gehäuses gemäß der Schnittebene A-A in 1,
4 eine vergrößerte Schnittansicht der Innenwandung und des zentralen Hohlraums des Mittelteils aus 1 oder 2 (A) und eine Schnittansicht der Innenwandung und des zentralen Hohlraumes gemäß der Schnittebene B-B aus 4A (B),
5 Anordnungsbeispiele von Folien-Zellen im Mittelteil des Gehäuses in einer axialen Schnittdarstellung (A) und einer radialen Schnittdarstellung (B),
6 alternative Anordnungsbeispiele von Folien-Zellen im Mittelteil des Gehäuses in einer axialen Schnittdarstellung (A) und einer radialen Schnittdarstellung (B),
7 Anordnungsbeispiele für prismatische Speicherzellen in einem Mittelteil des Gehäuses in einer axialen Schnittdarstellung (A) und einer radialen Schnittdarstellung (B),
8 Anordnungsbeispiele für zylindrische Speicherzellen in einem Mittelteil des Gehäuses in einer axialen Schnittdarstellung (A) und einer radialen Schnittdarstellung (B),
9 Stapelbeispiele erfindungsgemäßer Gehäuse mit einer runden Grundfläche und
10 Stapelbeispiele erfindungsgemäßer Gehäuse mit einer polygonalen Rundfläche.
1 zeigt eine Schnittdarstellung längs einer zentralen Achse eines Gehäuses für elektrische Energiespeicherzellen gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung. Das insgesamt mit 10 bezeichnete Gehäuse ist modular im Wesentlichen aus drei Bauteilen, nämlich aus einem Mittelteil 12, einem Oberteil 14 sowie einem Abschlussteil 16, aufgebaut. Dabei sind vorzugsweise alle Bauteile 12, 14 und 16 bezüglich einer Zentralachse 18 im Wesentlichen axialsymmetrisch gestaltet.
Das Mittelteil 12 weist eine radial umlaufende Wandung 20 (Außenwandung) mit einer runden oder polygonalen Umfangskontur auf sowie eine konzentrisch in der Außenwandung 20 angeordnete Innenwandung 22, die vorzugsweise eine zylindrische Gestalt besitzt. Zwischen der Außenwandung 20 und der Innenwandung 22 wird ein äußerer, einseitig offener Hohlraum 24 ausgebildet, der auf seiner geschlossenen axialen Seite (in der Darstellung unten) durch eine Zwischenwand 26 des Mittelteils 12 begrenzt wird. Ferner ist ein beidseitig offener, zentraler Hohlraum 28 vorhanden, der durch die Innenwandung 22 eingeschlossen wird.
Der äußere Hohlraum 24 hat die Aufgabe, Energiespeicherzellen und/oder Energiespeichermodule aufzunehmen und diese in ihrer Lager gegen Verrutschen, gegenseitiges Berühren sowie vor Beschädigung zu schützen. Hierzu weist das Mittelteil 12 in seinem Hohlraum 24 angeordnete Aufnahmen (nicht dargestellt) zur Aufnahme der Speicherzellen oder Module auf. Die entsprechenden Einrichtungen, insbesondere Halterungen und Abstandsbegrenzer, können sowohl radial als auch axial an den vorhandenen Wandungen 20, 22 und 26 angebracht sein und nach Art, Aufbau und Anzahl der Energiespeicherzellen oder Module und in Abhängigkeit ihres Lüftungs- und Kühlungsbedarfs ausgestaltet sein.
Das Mittelteil 12 hat darüber hinaus die Aufgabe, die Kühlung und/oder Belüftung der Speicherzellen und/oder Module zu gewährleisten. Das wird insbesondere dadurch erreicht, dass zwischen den Energiespeicherzellen Freiräume gelassen werden, durch welche ein fluides Medium, insbesondere Luft, ungehindert durchströmen kann. Zu diesem Zweck weist das Mittelteil 12 in seiner Innewandung 22 sowie seiner axialen Wand 26 eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 30 beziehungsweise 32 auf. Dabei dienen die in der Innewandung 22 vorgesehenen Durchgangsöffnungen 30 der Zufuhr des Mediums und die in der Wand 26 angeordneten Öffnungen 32 seiner Abführung. Ferner ist die Außenwandung 20 thermisch und elektrisch isoliert, um eine äußere Erwärmung des Gehäuses 10 zu verhindern und eine Gefährdung durch Stromschlag durch ein gegenüber der Außenwandung 20 bestehendes Potential bei Berührung von außen auszuschließen.
Zum Zwecke der Kühlung und Belüftung der im Hohlraum 24 angeordneten Zellen oder Module ist in dem zentralen Hohlraum 28 mindestens ein Radiallüfter 48 angeordnet, der Luft in radialer Richtung durch die Durchgangsöffnungen 30 der Innenwandung 22 in den äußeren Hohlraum 24 befördert (siehe 4).
Das Oberteil 14 hat eine einseitig offene und vorzugsweise axialsymmetrische Außengestaltung. Seine radial umlaufende Außenwandung 34 schließt im dargestellten Ausführungsbeispiel fluchtend mit der Außenwandung 20 des Mittelteils 12 ab, das heißt, das Oberteil 14 weist die gleiche runde oder polygonale Außenkontur auf. Vorzugsweise weist das Oberteil 14 ferner eine Innenwandung 36 auf, die mit der Innenwandung 22 des Mittelteils 12 fluchtet. Im Ergebnis besitzt das Oberteil 14 somit die Struktur eines doppelwandigen und einseitig offenen Hohlzylinders (im Fall einer runden Außenkontur). Das Oberteil 14 schließt mit seiner offenen Seite an die offene Seite des Mittelteils 12 an, so dass die entsprechenden, im Oberteil 14 ausgebildeten Hohlräume mit den Hohlräumen 24 und 28 des Mittelteils 12 kommunizieren. Hauptaufgabe des Oberteils 14 ist die Kühlung und/oder Belüftung der im Hohlraum 24 angeordneten Energiespeicherzellen oder Module. Zu diesem Zweck beherbergt das Oberteil 14 zumindest einen Axiallüfter 42 zur Beförderung eines fluiden Mediums, insbesondere Luft, durch den Hohlraum 24 in einer Richtung parallel zu der Zentralachse 18 (siehe 3). Ferner können im Oberteil 14 Kühleinrichtungen, insbesondere Kühlleitungen, Kühlaggregate und/oder Peltier-Elemente untergebracht sein und/oder Steuerungselemente. Das Oberteil 14 hat zudem die Aufgabe, das Mittelteil 12 zu verschließen. Unabhängig von der gewählten Nomenklatur des Oberteils 14 kann das Gehäuse 10 auch mit einer anderen Raumausrichtung oder Einbaulagen als die dargestellte angeordnet sein.
An der geschlossenen Seite des Mittelteils 12 schließt das Abschlussteil 16 mit seiner offenen Seite an. Auch das Abschlussteil 16 hat vorzugsweise eine bezüglich der Achse 18 axialsymmetrische Gestalt und entspricht in seiner radialen Umfangskontur der des Mittelteils 12. Es dichtet das Gehäuse 10 nach unten ab und nimmt verbrauchte Luft und/oder Kühlmedium auf und leitet diese über eine Auslassöffnung 38 nach außen ab. Dem Abschlussteil 16 kommt ferner die Aufgabe zu, das Gehäuse 10, insbesondere den Aufnahmebereich für die Energiespeicherzellen oder Module zu stabilisieren sowie ein Austreten flüssiger und/oder gasförmiger Medien nach außen zu verhindern.
2 zeigt eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gehäuses 10, wobei übereinstimmende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführung, schließt hier das Abschlussteil 16 das Mittelteil 12 kappenartig ein, wobei zwischen dem Mittelteil 12 und dem Abschlussteil 16 eine radial umlaufender und axialer Hohlraum ausgebildet wird, der in Verbindung mit dem zentralen Hohlraum 28 steht. Zusätzlich zu den in der Innenwandung 22 und der axialen Zwischenwand 26 vorhandenen Durchgangsöffnungen 30, 32 weist in dieser Ausgestaltung das Mittelteil 12 auch in seiner radial umlaufenden Außenwand 20 eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 40 auf. Diese dienen der Abführung des Kühlmediums (Luft) aus dem Hohlraum 24, wodurch die radiale Belüftung und Kühlung der Energiespeicherzellen noch weiter optimiert wird. In der in 2 dargestellten Ausgestaltung schließt das Abschlussteil 16 kappenförmig und bündig mit dem Oberteil 14 ab. Zu diesem Zweck kann das Oberteil 14 eine gegenüber 1 verbreitert ausgestaltete Außenwandung 34 aufweisen.
3 zeigt eine radiale Schnittansicht des Oberteils 14 gemäß der Schnittebene A-A in 1. Das Oberteil 14 weist im u. a. dargestellten Beispiel drei Axiallüfter 42 auf, die eine forcierte Konvektion im äußeren Hohlraum 24 parallel zur Zentralachse 18 bewirken, wobei auch eine andere Anzahl von (kleinen) Axiallüftern vorgesehen sein kann. Alternativ kann mit der gleichen Wirkung – wie in 3 ebenfalls dargestellt ist – das Oberteil 14 auch einen einzigen großen Axiallüfter 44 statt mehreren kleinen beherbergen.
In den 4a und 4b sind Details des durch die Innenwandung 22 des Mittelteils 12 eingeschlossenen Hohlraums 28 dargestellt, wobei 4B eine radiale Schnittansicht gemäß der Schnittebene B-B in 4A zeigt. Der zentrale Hohlraum 28 beherbergt einen Radiallüfter 48 mit einer Mehrzahl von Rotorblättern, die rotierbar um die Achse 18 gelagert sind. Auf diese Weise wird Luft durch die in der Innenwandung 22 angeordneten Durchgangsöffnungen 30 in den äußeren Hohlraum 24 und damit zu den dort vorhandenen Energiespeicherzellen beziehungsweise Modulen gefördert. Anders als in dem in 4 dargestelltem Beispiel, können auch mehrere kleinere Radiallüfter innerhalb des zentralen Hohlraums 28 angeordnet werden. Auf diese Weise können verschiedene Ebenen des äußeren Hohlraumes 24 und den in diesem angeordneten Zellen oder Modulen gezielt belüftet werden.
Vorzugsweise sind die in der Innenwandung 22 des Mittelteils 12 angeordneten Durchgangsöffnungen 30, optional auch die weiteren im Mittelteil 12 angeordneten Durchgangsöffnungen 32 und 40, zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten Position steuerbar ausgebildet, wobei die Durchgangsöffnungen 30 auch in Zwischenpositionen zwischen der geschlossenen und geöffneten Position stufenweise oder stufenlos verstellbar sein können. Hierzu kann die Innenwandung 22 des Mittelteils 12 eine außen- oder innenseitig angeordnete Hülse aufweisen (nicht dargestellt), die ihrerseits Öffnungen besitzt, die mit den Öffnungen 30 der Innenwandung 22 korrespondieren. Dabei ist die Hülse axial und/oder radial gegenüber der Innenwandung verschiebbar gelagert, so dass durch ihre Verschiebung oder Verdrehung eine mehr oder weniger starke Überlappung der Öffnungen der Hülse mit den Durchgangsöffnungen 30 der Innenwandung 22 resultiert und auf diese Weise der Öffnungsquerschnitt eingestellt werden kann. Vorzugsweise sind Innenwandung 22 und Hülse mit einer oder mehreren Spiralnuten versehen, so dass die Hülse gegenüber der Innenwandung 22 verdreht werden kann.
5 zeigt das Mittelteil 12 aus 1 oder 2 mit darin angeordneten Energiespeicherzellen 50. Dabei entspricht 5A der axialen Schnittansicht in der Ebene der Zentralachse 18 und 5B der radialen Draufsicht in 5A. Aus Gründen der Einfachheit zeigt die Darstellung (ebenso wie die nachfolgenden Figuren) keinerlei Durchgangsöffnungen, Belüftungs- und/oder Kühlelemente. Die Energiespeicherzellen 50 sind hier vom Typ der so genannten Folien-Zellen, die auch unter den Namen Coffee-Bag-Zellen oder Pouch-Bag-Zellen bekannt sind und eine flächige, taschenartige Form aufweisen. Die mit Stromabnehmern 52 ausgestatteten Zellen 50 erstrecken sich zwischen der Innenwandung 22 des Mittelteils 12 und der radialumlaufenden Außenwandung 20 in radialer Richtung, wobei ihre Hauptflächen jeweils in einer Ebene mit der zentralen Achse 18 liegen. Im rechten Teil der 5A ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in dem relativ großformatige Zellen 50 sich annähernd über die gesamte Höhe des Mittelteils 12 erstrecken. In einer alternativen Ausgestaltung, die auf der linken Seite der 5A gezeigt ist, sind mehrere Lagen (hier zwei) kleinerer Energiespeicherzellen 50 in verschiedenen Ebenen des Mittelteils 12 angeordnet. Auch mehr als zwei Lagen sind denkbar. Die mehrlagige Anordnung von Zellen 50 hat den Vorteil einer variabler gestaltbaren Steuerung der Energieabnahme beziehungsweise der Ladungs- und Entladungsströme sowie der Möglichkeit der gezielten Belüftung einzelner Lagen. Die dargestellte radiale Anordnung der Folien-Zellen 50 weist den Vorteil einer sehr guten radialen Belüftbarkeit über einen in dem zentralen Hohlraum 28 angeordneten Radiallüfter 42 auf als auch einer sehr guten axialen Belüftbarkeit über einen in dem Oberteil 14 angeordneten Axiallüfter 42.
6 zeigt ein weiteres Beispiel für eine mögliche Anordnung von Folien-Zellen 50 in dem äußeren Hohlraum 24 des Mittelteils 12. Auch in diesem Beispiel erstrecken sich die Folien-Zellen 50 sternförmig in radialer Richtung zwischen der Innenwandung 22 und der Außenwandung 20 des Mittelteils 12. Anders als in dem in 5 dargestellten Beispiel, sind die Zellen 50 mit ihren Hauptflächen senkrecht zu der Ebene der Achse 18 ausgerichtet. Dabei sind beispielsweise jeweils vier Zellen 50 in einer Ebene angeordnet, wobei die verschiedenen Zellenebenen staffelartig gegeneinander versetzt vorliegen (siehe 6B). Auch diese Anordnung lässt eine besonders gute radiale Belüftung zu.
7 zeigt Anordnungsmöglichkeiten für prismatische, insbesondere quaderförmig ausgestaltete Energiespeicherzellen 54. Die prismatischen Energiespeicherzellen 54 erstrecken sich mit ihrer Längsausdehnung axial innerhalb des äußeren Hohlraums 24 des Mittelteils 12. Dabei können in radialer Richtung jeweils mehrere Zellen 54 (hier zwei) nebeneinander angeordnet sein sowie in axialer Richtung mehrere kürzere Zellen 54 auf verschiedenen Ebenen vorgesehen sein (siehe 7A, linke Seite). Analoge Anordnungsmöglichkeiten existieren für zylindrische Energiespeicherzellen 56, wie aus 8A und 8B ersichtlich ist.
Das erfindungsgemäße Gehäuse 10 erlaubt insbesondere aufgrund seiner axialsymmetrischen Gestaltung eine besonders einfache und platzsparende Stapelung beziehungsweise Kaskadierung mehrerer Gehäuse beziehungsweise mehrerer, das erfindungsgemäße Gehäuse umfassende elektrische Energiespeicher. Am Beispiel eines zylinderförmigen, also eine runde Außenkontur aufweisenden Gehäuses 10, zeigt 8 im oberen Teil, wie eine Mehrzahl von (hier drei) Gehäusen 10 aufeinander gestapelt werden können, wobei jeweils ein Oberteil 14 an ein Abschlussteil 16 grenzt. Des Weiteren können auch mehrere zylinderförmige Gehäuse 10 versetzt nebeneinander angeordnet werden, was im unteren Teil der 8 gezeigt ist. Selbstverständlich ist auch eine Kombination von Stapelung und Nebeneinaderordnung möglich.
Analoge Möglichkeiten zur Stapelung und/oder Nebeneinanderordnung mehrerer Gehäuse ergeben sich auch für solche mit polygonaler Grundfläche, insbesondere mit sechskantiger Grundfläche, wie dies in 10 dargestellt ist. Dabei zeigt der obere Teil der Abbildung drei aufeinandergestapelte Gehäuse 10 und der rechte untere Teil die Möglichkeit der lückenlosen seitlich benachbarten Anordnung von vier Gehäusen 10. Diese Anordnungsvarianten können auch miteinander kombiniert werden, insbesondere auch bei Gehäusen 10 unterschiedlicher Höhe (10, links unten).
Durch das erfindungsgemäße Gehäuse wird eine kompakte Bauform realisiert, in der sämtliche Peripheriekomponenten, umfassend Kühlungs- und Lüftungselemente sowie Steuerungseinheiten untergebracht werden können. Ein elektrischer Energiespeicher, der ein solches Gehäuse und sämtliche erforderliche Peripherieelemente umfasst, stellt somit ein autonomes System dar. Ferner ist der erfindungsgemäße Energiespeicher je nach Art, Anzahl, Größe und Leistungsfähigkeit der eingebauten Energiespeicherzellen oder Energiespeichermodule über einen breiten Bereich leistungsvariierbar. Durch die kompakte modulare Bauform wird eine besonders effiziente Zellenkühlung und Belüftung erreicht, was im Ergebnis zu einer Energieeinsparung gegenüber konventionellen Energiespeicherkonstruktionen führt. Durch die Möglichkeit der vollständigen Modularisierung kann der Energiespeicher vielseitig verwendet und verbaut werden. Durch die Art und Anordnung der vorgestellten Kühlungs- und Lüftungskonstruktionen ist eine rechnergesteuerte, bedarfsorientierte radiale und/oder axiale Belüftung der Energiespeicherzellen möglich. Ein unkontrolliertes Austreten von Flüssigkeiten oder Gasen wird sicher verhindert.

10: Gehäuse
12: Mittelteil
14: Oberteil
16: Abschlussteil
18: Zentralachse
20: radial umlaufende Wandung (Außenwandung)
22: Innenwandung
24: äußerer Hohlraum
26: axiale Zwischenwand
28: zentraler Hohlraum
30: Durchgangsöffnung
32: Durchgangsöffnung
34: Außenwandung
36: Innenwandung
38: Auslassöffnung
40: Durchgangsöffnung
42: Axiallüfter/klein
44: Axiallüfter/groß
48: Radiallüfter
50: Energiespeicherzelle/Folien-Zelle
52: Stromabnehmer
54: prismatische Energiespeicherzelle
56: zylindrische Energiespeicherzelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005026703 A1 [0005]
- DE 102005049746 A1 [0006]
- DE 102005038409 A1 [0007]
- WO 96/37919 A1 [0008]

Claims

Gehäuse (10) für elektrische Energiespeicherzellen (50, 54, 56) umfassend – ein Mittelteil (12) mit einer bezüglich einer Zentralachse (18) im Wesentlichen axialsymmetrischen Außengestalt und einer runden oder polygonalen, radialen Umfangskontur, wobei das Mittelteil (12) einen äußeren, einseitig offenen Hohlraum (24) sowie einen durch den äußeren Hohlraum (24) konzentrisch eingeschlossenen zentralen Hohlraum (28) zur Aufnahme von zumindest einem Radiallüfter (48) aufweist, wobei innerhalb des äußeren Hohlraums (24) Aufnahmen für eine Mehrzahl von Speicherzellen (50, 54, 56) oder eine Mehrzahl von zu Speichermodulen gebündelten Speicherzellen (50, 54, 56) vorgesehen sind und wobei eine, die Hohlräume (24, 28) voneinander trennende Innenwandung (22) sowie die geschlossene axiale Seite des äußeren Hohlraums (24) eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (30, 32) aufweist; – ein einseitig offenes Oberteil (14) zur Aufnahme zumindest eines Lüftungs- und/oder Kühlungssystems (42), wobei das Oberteil (14) mit seiner offenen Seite an die offene axiale Seite des Mittelteils (12) anschließt; und – ein einseitig offenes Abschlussteil (16), das mit seiner offenen Seite an die geschlossene axiale Seite des Mittelteils (12) anschließt oder das Mittelteil (12) umschließt und das zumindest eine Auslassöffnung (38) aufweist.
Gehäuse (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschlussteil (16) mit seiner radial umlaufenden Wandung an die radial umlaufende Wandung (20) des Mittelteils (12) bündig abschließt.
Gehäuse (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschlussteil (16) das Mittelteil (12) einschließt, wobei zwischen dem Mittelteil (12) und dem Abschlussteil (16) ein radial und axial umlaufender Hohlraum ausgebildet wird und wobei das Mittelteil (12) in seiner radial umlaufenden Wandung (20) eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (40) aufweist.
Gehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (14) und/oder das Abschlussteil (16) jeweils eine bezüglich der Zentralachse (18) im Wesentlichen axialsymmetrische Außengestalt und eine im Wesentlichen der Umfangskontur des Mittelteils (12) entsprechende Umfangskontur aufweist.
Gehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Innenwandung (22) des Mittelteils (12) angeordneten Durchgangsöffnungen (30) zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten Position steuerbar ausgebildet sind, insbesondere mit stufenweise oder stufenlos einstellbaren Zwischenpositionen.
Gehäuse (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung (22) eine axial und/oder radial verschiebbare, außen- oder innenseitig angeordnete Hülse mit Öffnungen aufweist, die mit den in der Innenwandung (22) des Mittelteils (12) angeordneten Durchgangsöffnungen (30) korrespondieren.
Gehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb des äußeren Hohlraums (24) vorgesehenen Aufnahmen ausgebildet sind, eine Mehrzahl von Folien-Speicherzellen (50) aufzunehmen, die sich im montierten Zustand radial zwischen der Innenwandung (22) und der radial umlaufenden Wandung (20) des Mittelteils (12) erstrecken.
Gehäuse (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Aufnahmen derart ausgebildet sind, dass die Pouch-Bag-Speicherzellen (50) im montierten Zustand mit ihrer Hauptfläche jeweils parallel oder jeweils senkrecht zu der Zentralachse (18) ausgerichtet sind.
Gehäuse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb des äußeren Hohlraums (24) vorgesehenen Aufnahmen ausgebildet sind, eine Mehrzahl von zylindrischen oder prismatischen Speicherzellen (54, 56) oder zylindrischen oder prismatischen Speicherzellmodulen aufzunehmen, die sich im montierten Zustand in axialer Richtung des Mittelteils (12) erstrecken.
Elektrischer Energiespeicher umfassend ein Gehäuse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 10, ferner umfassend zumindest einen in dem Oberteil (14) angeordneten Axiallüfter (42, 44) und/oder ein in dem Oberteil (14) angeordnetes Kühlsystem.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 10 oder 11, ferner umfassend zumindest einen in dem zentralen Hohlraum (28) angeordneten Radiallüfter (48).
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 10 bis 12, ferner umfassend eine Mehrzahl von Speicherzellen (50, 54, 56) oder eine Mehrzahl von zu Speichermodulen gebündelten Speicherzellen (50, 54, 56).
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 13, wobei die Speicherzellen (50, 54, 56) Pouch-Bag-Zellen, zylindrische oder prismatische Speicherzellen sind, insbesondere Pouch-Bag-Zellen.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Speicherzellen (50, 54, 56) Batterie-, Akkumulator- oder Kondensatorzellen sind.