DE102009025802A1 - Refrigerated cell accumulator and method of making same - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Akkumulatoren mit gekühlten, insbesondere in Wickelbauweise gefertigten, Zellen sowie die damit hergestellten Akkumulatoren. Die hergestellten Akkumulatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie besonders einfach und kostengünstig herzustellen und gut zu kühlen sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators mit gekühlten Zellen beinhaltet die Verfahrensschritte Herstellen einer oder mehrerer elektrochemischer Einzelzellen, Herstellen eines ein- oder mehrzelligen Akkumulatorgehäuses mit doppelwandiger, in Längsrichtung verlaufender, offener Stegkammerstruktur durch Strangpressen, Extrusion und/oder Spritzguss, wobei die einzelnen Zellen des Akkumulators wabenförmig angeordnet sind, Einsetzen der elektrochemischen Einzelzelle oder Einzelzellen in die Zellen des Akkumulatorgehäuses, wobei die Einzelzellen entweder vorher in einer Metallhülse ebenfalls hexagonalen Querschnitts gekapselt werden oder direkt in die Akkumulatorzellen eingesetzt werden, Verschließen des Akkumulators und Zusammenschaltung der einzelnen Akkumulatorzellen.The invention relates to a method for the production of accumulators with cooled, in particular produced in wound construction, cells and the accumulators produced therewith. The accumulators manufactured are characterized by the fact that they are particularly easy and inexpensive to manufacture and cool well. The inventive method for producing a rechargeable battery with cooled cells includes the steps of producing one or more electrochemical cells, producing a single- or multi-cell accumulator housing with double-walled, longitudinally extending, open web chamber structure by extrusion, extrusion and / or injection molding, wherein the individual cells of Accumulator honeycomb are arranged, inserting the electrochemical single cell or individual cells in the cells of the accumulator housing, wherein the individual cells are either encapsulated in a metal sleeve also hexagonal cross-section or used directly into the battery cells, closing the accumulator and interconnection of the individual battery cells.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Akkumulatoren mit gekühlten, insbesondere in Wickelbauweise gefertigten, Zellen sowie die damit hergestellten Akkumulatoren. Die hergestellten Akkumulatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie besonders einfach und kostengünstig herzustellen und gut zu kühlen sind.The The invention relates to a method for producing accumulators with cooled, in particular manufactured in winding construction, Cells and the accumulators made with it. The manufactured accumulators are characterized by being particularly simple and inexpensive produce and cool well.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell für alle Akkumulatortypen geeignet. Von besonderer praktischer Bedeutung sind dabei solche, die auf Zellen in Wickelbauweise basieren, sowie die lithiumbasierten Akkumulatoren, da hier die herausragenden Leistungscharakteristika mit einer erhöhten Temperaturempfindlichkeit einhergehen.The inventive method is in principle for all accumulator types are suitable. Of particular practical importance are thereby those, which are based on cells in winding construction, as well as the lithium-based accumulators, because here the outstanding performance characteristics associated with an increased temperature sensitivity.
Lithiumbasierte Akkumulatoren, d. h. Akkumulatoren, die die elektromotorische Kraft durch die Verschiebung von Lithium-Ionen erzeugen, lassen sich in der Hauptsache in zwei Gruppen unterscheiden: Lithium-Ionen-Akkumulatoren und Lithium-Polymer-Akkumulatoren. Der Lithium-Polymer-Akkumulator stellt eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkumulators dar und unterscheidet sich von diesem im eingesetzten Elektrolyten. Im Gegensatz zu den flüssigen Elektrolyten werden hier Elektrolyte auf Polymerbasis mit fester oder gelartiger Konsistenz verwendet. Da die reinen festen Polymerelektrolyten den Nachteil haben, dass sie erst ab ca. 60°C eine ausreichende Leitfähigkeit entwickeln, werden sie zunehmend von den gelförmigen abgelöst, die auch schon bei Raumtemperatur einsatzbereit sind.lithium-based Accumulators, d. H. Accumulators, the electromotive force by the shift of lithium ions can be generated in the main thing in two groups: lithium-ion batteries and lithium-polymer batteries. The lithium polymer accumulator represents a further development of the lithium-ion battery and differs from this in the electrolyte used. Unlike the liquid electrolytes are here Polymer-based electrolytes of solid or gelatinous consistency used. Since the pure solid polymer electrolyte has the disadvantage have that they only from about 60 ° C a sufficient conductivity develop, they are increasingly being replaced by the gel-like, which are ready for use even at room temperature.
Lithium-Ionen-Akkumulatoren bestehen in der Regel aus Zellen mit einer negativen Elektrode aus Graphit oder neuerdings nanokristallinem amorphem Silizium, die in der Lage ist, mit Lithium Interkalationsverbindungen zu bilden, einem Separator und einer positiven Elektrode aus LiMO2 (M = Mn, Co, Ni oder Mischoxide dieser Metalle), LiMn2O4 oder LiFePO4. Als Elektrolyte kommen Salzlösungen von LiPF6 oder seltener LiBF4 oder LiClO4 in aprotischen organischen Lösungsmitteln wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Diethylencarbonat oder Dimethylcarbonat zum Einsatz. Der Separator ist üblicherweise eine hochporöse Folie aus Polyethylen oder Polypropylen, die in ihrem großen Porenvolumen den Elektrolyten einlagern kann.Lithium-ion batteries are usually made of cells having a graphite negative electrode or, more recently, nanocrystalline amorphous silicon capable of intercalating with lithium, a separator and a positive electrode of LiMO 2 (M = Mn, Co , Ni or mixed oxides of these metals), LiMn 2 O 4 or LiFePO 4 . The electrolytes used are salt solutions of LiPF 6 or, more rarely, LiBF 4 or LiClO 4 in aprotic organic solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, diethylene carbonate or dimethyl carbonate. The separator is usually a highly porous film of polyethylene or polypropylene, which can store the electrolyte in its large pore volume.
Beim
Lithium-Polymer-Akkumulator ersetzen Polymerfolien den Elektrolyten.
Diese Folien bestehen beispielsweise aus Polyethylenoxid mit einem dispergierten
Leitsatz, Polyvinylidenfluorid oder Poly[vinylidenfluorid-hexafluorpropylen].
Um zu Polymer-Gel-Elektrolyten zu gelangen, ist es bekannt, Leitsalzlösungen
als Weichmacher zu verwenden. So wird in der
Derlei lithiumbasierte Akkumulatoren zeichnen sich durch eine besonders hohe Energiedichte, das Nichtvorhandensein eines Memory-Effektes und die konstante Spannungsabgabe über den Entladevorgang aus. Diese Eigenschaften gepaart mit dem geringen Gewicht, den kleinen Abmessungen und der (bei Lithium-Polymer-Akkumulatoren) weitestgehenden Formfreiheit erklären die Attraktivität dieser Akkumulatoren für die Bereiche Modellbau, Klein- und Kleinstgeräte der Unterhaltungs- und Kommunikationsbranche sowie Automobil.Derlei Lithium-based accumulators are characterized by a particularly high energy density, the absence of a memory effect and the constant voltage delivery via the discharge process out. These features coupled with the low weight, the small Dimensions and the (for lithium-polymer batteries) as far as possible Freedom of form explain the attractiveness of these accumulators for modeling, small and micro devices the entertainment and communications industry as well as automotive.
Im Automobilbau werden die lithiumbasierten Akkumulatoren sowohl als Starterbatterien für Verbrennungsmotoren als auch als Fahrzeugbatterien für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Insbesondere bei den Autobatterien werden hohe Spitzen- und auch Dauerströme aus den Akkumulatoren entnommen, was zu einer starken Erwärmung der Zellen führen kann. Da eine zu starke Erwärmung der Zellen eine Schädigung oder gar Zerstörung der Zellen verursacht, die sogar die Explosion des Akkumulators zur Folge haben kann, ist eine effektive Kühlmöglichkeit für die Zellen des Akkumulators erstrebenswert. Gerade bei größeren Zellverbänden besteht eine Schwierigkeit dabei in der mangelhaften War meableitung nach außen, was unter anderem an der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Polymeren liegt. Trotz der geforderten Kühlmöglichkeit soll der Akkumulator natürlich noch so kompakt wie möglich gebaut sein, damit die beengten Platzverhältnisse im Motorraum moderner Fahrzeuge nicht noch zusätzlich belastet werden.in the Automotive, the lithium-based batteries are both as Starter batteries for internal combustion engines as well as vehicle batteries used for electric vehicles. Especially with the car batteries become high peak and also permanent currents from the accumulators taken, which can lead to a strong warming of the cells. Because too much warming of the cells causes damage or even causing destruction of the cells, even the Explosion of the accumulator can be an effective Cooling possibility for the cells of the accumulator desirable. Especially with larger cell groups There is a difficulty here in the defective War meableitung outward, which is partly due to the poor thermal conductivity the polymers lies. Despite the required cooling option Of course, the accumulator should still be as compact as possible be built so that the cramped space in the engine compartment modern vehicles will not be charged additionally.
Es
sind in der Technik daher diverse konstruktive Varianten der Anordnung
einzelner Zellen und einer Kühlvorrichtung zu einem Akkumulator
offenbart worden. So beschreibt die
Aus dieser Konstruktion ergeben sich mehrere Nachteile. Zunächst einmal ist der Wärmeübergang von dem kreiszylindrischen Elektrodenwickel zu der hexagonalen Hülse nicht optimal, da nur an den sechs Tangentenpunkten des in das Hexagon eingeschriebenen Kreises ein direkter Kontakt zur Wand besteht. Ferner geht durch den Kühlkanal jeweils ein Platz für eine Zelle verloren. Dann haben nur zwei, drei bzw. vier der sechs Seitenflächen der Zellen in dem Akkumulator Kontakt mit dem Kühlmedium. Und schließlich steigt das Gewicht der Zelle durch das flüssige Kühlmedium, das Umwälzsystem und den Kühlrippenaufsatz an, wodurch der Gewichtsvorteil gegenüber herkömmlichen Bleiakkumulatoren wieder geschmälert wird.Out This construction results in several disadvantages. First Once the heat transfer from the circular cylindrical Electrode winding to the hexagonal sleeve not optimal, because only at the six tangent points of inscribed in the hexagon Circle is a direct contact with the wall. Further goes through the cooling channel in each case a place for a cell lost. Then only have two, three or four of the six side surfaces the cells in the accumulator contact the cooling medium. And finally, the weight of the cell goes up liquid cooling medium, the circulation system and the cooling fin attachment, whereby the weight advantage over again narrowed down to conventional lead-acid batteries becomes.
In
der
Auch diese Konstruktion hat den Nachteil, dass zwischen den Aufnahmeelementen für die Zellen relativ viel Platz wegen der Kühlmediumskanäle ungenutzt bleibt. Bei der Verwendung eines flüssigen Kühlmediums entsteht dadurch wieder ein Gewichtsnachteil ob der großen Flüssigkeitsmengen. Dafür ist jedoch auch ein allseitiger Kühlmediumszugang gewährleistet. Zudem ist der produktionstechnische Aufwand recht hoch, weil viele teils komplex geformte Einzelteile (Bodenhalterung, Deckelhalterung, je ein Aufnahmeelement pro Zelle) herzustellen und zu montieren sind.Also This construction has the disadvantage that between the receiving elements relatively unused space for the cells because of the cooling medium channels remains. When using a liquid cooling medium This again creates a weight disadvantage whether the big one Amounts of liquid. But that's one too ensured all-sided cooling medium access. moreover is the production-technical effort quite high, because many partly Complex molded parts (bottom bracket, cover bracket, each a receiving element per cell) and are to assemble.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ausgehend von den geschilderten Nachteilen der bekannten Konstruktionsformen gekühlter Akkumulatorgehäuse eine optimierte Bauform eines Akkumulators mit verbesserten Kühleigenschaften bei gleichzeitig möglichst kompakter Bauweise zu entwickeln, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.task The present invention was based on the described Disadvantages of the known construction forms cooled Accumulator housing an optimized design of a rechargeable battery with improved cooling properties at the same time as possible To develop a compact design, and a method for their production provide.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators mit gekühlten Zellen beinhaltend die Verfahrensschritte
- – Herstellen einer oder mehrerer elektrochemischer Einzelzellen,
- – Herstellen eines ein- oder mehrzelligen Akkumulatorgehäuses mit doppelwandiger, in Längsrichtung verlaufender, offener Stegkammerstruktur durch Strangpressen, Extrusion und/oder Spritzguss, wobei die einzelnen Zellen des Akkumulators wabenförmig angeordnet sind,
- – Einsetzen der elektrochemischen Einzelzelle oder Einzelzellen in die Zellen des Akkumulatorgehäuses, wobei die Einzelzellen entweder vorher in einer Metallhülse ebenfalls hexagonalen Querschnitts gekapselt werden oder direkt in die Akkumulatorzellen eingesetzt werden,
- – Verschließen des Akkumulators,
- – Zusammenschaltung der einzelnen Akkumulatorzellen.
- Manufacture of one or more electrochemical single cells,
- Producing a single-cell or multi-cell accumulator housing having a double-walled, longitudinally extending, open stub chamber structure by extrusion, extrusion and / or injection molding, wherein the individual cells of the accumulator are arranged honeycomb-shaped,
- Inserting the individual electrochemical cell or individual cells into the cells of the accumulator housing, wherein the individual cells are either encapsulated beforehand in a metal sleeve of likewise hexagonal cross-section or inserted directly into the accumulator cells,
- Closing the accumulator,
- - Interconnection of the individual battery cells.
Besonders bevorzugt werden die elektrochemischen Einzelzellen jeweils in Wickelbauweise hergestellt und das Verfahren beinhaltet dementsprechend die Verfahrensschritte
- – Herstellen eines bahnförmigen Elektrodenverbundes,
- – Wickeln des bahnförmigen Elektrodenverbundes auf einen Wickelkern mit hexagonalem Querschnitt,
- – Verbinden der Elektrodenanschlüsse mit einem Anschlussterminal,
- – Herstellen eines ein- oder mehrzelligen Akkumulatorgehäuses mit doppelwandiger, in Längsrichtung verlaufender, offener Stegkammerstruktur durch Strangpressen, Extrusion und/oder Spritzguss, wobei die einzelnen Zellen des Akkumulators wabenförmig angeordnet sind,
- – Einsetzen des oder der Elektrodenwickel in die Zellen des Akkumulatorgehäuses, wobei die Elektrodenwickel entweder vorher in einer Metallhülse ebenfalls hexagonalen Querschnitts gekapselt werden oder direkt in die Akkumulatorzellen eingesetzt werden,
- – Tränken der Separatorfolien mit einem flüssigen Elektrolyten, wenn kein Polymerelektrolyt zur Herstellung des bahnförmigen Elektrodenverbundes verwendet wurde,
- – Verschließen des Akkumulators,
- – Zusammenschaltung der einzelnen Akkumulatorzellen.
- - producing a web-shaped electrode composite,
- Winding the web-like electrode composite onto a winding core with a hexagonal cross-section,
- Connecting the electrode terminals to a connection terminal,
- Producing a single-cell or multi-cell accumulator housing having a double-walled, longitudinally extending, open stub chamber structure by extrusion, extrusion and / or injection molding, wherein the individual cells of the accumulator are arranged honeycomb-shaped,
- Inserting the electrode winding or wound into the cells of the accumulator housing, wherein the electrode windings are either encapsulated beforehand in a metal sleeve of likewise hexagonal cross-section or inserted directly into the accumulator cells,
- Impregnating the separator foils with a liquid electrolyte if no polymer electrolyte was used to produce the web-shaped electrode composite,
- Closing the accumulator,
- - Interconnection of the individual battery cells.
Zur
Erzielung einer kompakten Zellstruktur bedient sich das anmeldungsgemäße
Verfahren der allgemein bekannten Wickelbauweise. Dazu wird zunächst
ein bahnförmiger Elektrodenverbund hergestellt. Ein Beispiel
für den schematischen Aufbau eines solchen Verbundes zeigen
Das Akkumulatorgehäuse wird in Form einer Wabenstruktur aus einer oder mehreren Zellen ebenfalls durch Strangpressen, Extrusion und/oder Spritzguss hergestellt. An Materialien kommen hier entsprechend mechanisch und thermisch stabile Kunststoffe wie z. B. ABS oder PC oder aber Metalle in Frage. Besonders bevorzugt erfolgt die Herstellung aus Aluminium im Strangpressverfahren, da dadurch eine hervorragende Wärmeleitung und mechanische Stabilität mittels eines einfachen, flexiblen und kostengünstigen Verfahrens erzielt werden können.The Accumulator housing is in the form of a honeycomb structure one or more cells also by extrusion, extrusion and / or injection molding. At materials come here accordingly mechanically and thermally stable plastics such. B. ABS or PC or metals in question. Particularly preferably, the preparation takes place made of extruded aluminum, since this is an excellent Heat conduction and mechanical stability by means a simple, flexible and cost-effective process can be achieved.
Das Gehäuse beinhaltet Trennwände zur Unterteilung in die einzelnen Zellen. Sämtliche Gehäusewände besitzen eine oben und unten offene Stegkammerstruktur. Durch diese Bauform ist es möglich, jede Zelle komplett von allen Seiten kühlen zu können. Dabei bleibt die platzsparende Gruppierung in Wabenform erhalten. Je nach Kühlbedarf bzw. eingesetztem Kühlmedium können die Kammern in der Größe variiert werden, indem die Wandstärke entsprechend angepasst wird. So lassen sich die Wandstärken optimal auf die Kühlung anpassen bei gleichzeitig minimierten Abmessungen der Zelle.The Housing includes partitions for subdivision into the individual cells. All housing walls have a top and bottom open web chamber structure. Through this It is possible to design every cell completely from all sides to be able to cool. This leaves the space-saving Grouping in honeycomb shape obtained. Depending on the cooling requirement or used cooling medium, the chambers in The size can be varied by the wall thickness is adjusted accordingly. This is how the wall thicknesses can be optimally adapted to the cooling while minimized Dimensions of the cell.
Im
Fall der Herstellung im Spritzgussverfahren kann der Boden (
Die
vorbereiteten Elektrodenwickel (
Vor
dem Zusammenschalten der Einzelzellen erfolgt noch das Tränken
der Separatorfolien mit einem flüssigen Elektrolyten, sofern
nicht ein Polymerelektrolyt in dem Elektrodenverbund verwendet worden
ist. Anschließend wird der Akkumulator mit dem Deckel (
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform des Verfahrens handelt es sich bei dem Akkumulator um einen lithiumbasierten Akkumulator. Hierbei sind sowohl die Lithium-Ionen-Akkumulatoren als auch die Lithium-Polymer-Akkumulatoren umfasst. Sie stellen den derzeit interessantesten Anwendungsbereich dar.In a particularly preferred embodiment of the method is it is the accumulator to a lithium-based accumulator. in this connection are both the lithium-ion batteries and the lithium-polymer batteries includes. They are currently the most interesting application represents.
Bevorzugt wird der auf der Unterseite des Elektrodenwickels befindliche Elektrodenkontakt durch den Hohlraum im Zentrum des Elektrodenwickels nach oben geführt, so dass beide Elektrodenanschlüsse auf einer Seite des Elektrodenwickels angeordnet sind.Prefers the electrode contact located on the underside of the electrode coil passes through guided the cavity in the center of the electrode coil upwards, so that both electrode connections on one side of the Electrode coils are arranged.
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Akkumulator
aus mehreren Einzelzellen (
In der Ausführungsform der Erfindung gemäß dem Hauptanspruch ist das Akkumulatorgehäuse darauf ausgelegt, dass die Kühlung der Zellen durch das konvektive Durchströmen von Umgebungsluft durch die Stegkammerstruktur erreicht wird. In einer alternativen Ausgestaltungsvariante werden die Stegkammerstruktur der Außenwände des Akkumulatorgehäuses und/oder der Zellwände mit Mitteln zum Durchfördern eines flüssigen und/oder gasförmigen Kühlmediums verbunden. Geeignet sind hierfür beispielsweise Gebläse oder Propeller für Luft oder ein Pumpensystem für Wasser. Somit kann das Kühlsystem insbesondere in Verbindung mit einer Variation der Stegkammergröße gezielt auf die benötigte Kühlleistung maßgeschneidert werden. Selbst beim Einsatz von flüssigen Kühlmedien ergibt sich gegenüber den bekannten Bauformen von gekühlten Akkumulatorgehäusen noch ein Gewichtsvorteil, da die einzusetzende Flüssigkeitsmenge aufgrund der vergleichsweise kleinvolumigen Stegkammerstruktur erheblich kleiner als bei diesen ist.In the embodiment of the invention according to the Main claim is the accumulator housing designed to that the cooling of the cells by the convective flow through is achieved by ambient air through the web chamber structure. In an alternative embodiment variant, the web chamber structure the outer walls of the accumulator housing and / or the cell walls with means for conveying a liquid and / or gaseous cooling medium connected. Suitable for this example, blowers or propeller for air or a pump system for Water. Thus, the cooling system in particular in connection targeted with a variation of the web chamber size tailored to the required cooling capacity. Even when using liquid cooling media results compared to the known types of cooled Accumulator housings still a weight advantage, since the used Liquid quantity due to the comparatively small-volume web chamber structure considerably smaller than this one.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ferner durch einen Akkumulator gelöst, der sich dadurch auszeichnet, dass er eine oder mehrere Zellen hexagonalen Querschnitts aufweist, die einen wabenförmigen Verbund bilden; die Außenwand des Akkumulatorgehäuses und/oder die Zellwände eine doppelwandige, in Längsrichtung verlaufende, offene Stegkammerstruktur besitzen; die Elektrodenanschlüsse auf einer Seite der Elektrodenwickel in einem Anschlussterminal zusammengefasst sind.The Object of the present invention is further by an accumulator solved, which is characterized by the fact that he or a has several cells of hexagonal cross section, which is a honeycomb Forming a composite; the outer wall of the accumulator housing and / or the cell walls a double-walled, longitudinally have running, open web chamber structure; the electrode connections on one side of the electrode coils in a connection terminal are summarized.
Ganz besonders bevorzugt bestehen die Elektroden der Zellen aus einem bahnförmigen Elektrodenverbund, der auf einen massiven oder hohlen Wickelkern hexagonalen Querschnitts aufgewickelt ist.All more preferably, the electrodes of the cells consist of one web-shaped electrode composite, which on a massive or hollow winding core of hexagonal cross section is wound.
Besonders bevorzugt wird der auf der Unterseite des Elektrodenwickels befindliche Elektrodenkontakt durch den Hohlraum im Zentrum des Elektrodenwickels nach oben geführt, so dass beide Elektrodenanschlüsse auf einer Seite des Elektrodenwickels angeordnet sind.Especially preferred is the one located on the underside of the electrode coil Electrode contact through the cavity in the center of the electrode coil led upwards so that both electrode connections are arranged on one side of the electrode coil.
Einer
weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung
nach besteht der Akkumulator aus vier Zelleinheiten, die wie in
In
einer alternativen Ausführungsform besteht der Akkumulator
aus mehreren Einzelzellen (
Besonders
bevorzugt werden die Elektrodenwickel (
Weiterhin
sind die Bodenplatte (
Ganz besonders bevorzugt werden die Akkumulatoraußenwände und/oder die Zellwände durch das konvektive Durchströmen von Luft durch die Stegkammerkanäle gekühlt. Durch entsprechende Dimensionierung der Stegkammerstruktur kann dadurch eine passive Kühlung des Akkumulators durch Luft erreicht werden, die im Vergleich zu den Flüssigkühlsystemen diverse Vorteile bringt. Das System ist durch das Fehlen von bewegten Teilen wartungs- und störungsfrei (ganz im Gegensatz zu Umwälzpumpen) und wesentlich leichter, da es kein flüssiges Medium, und keine Pumpen gibt. Zudem ist das System in der Herstellung wesentlich unkomplizierter, weil es keine abzudichtenden Förderkanäle für Flüssigkeiten gibt. Auch im Hinblick auf den sicherheitstechnischen Aspekt ist die konvektive Luftkühlung der Flüssigkühlung überlegen, da es im Falle einer Undichtigkeit einer Zelle nicht durch eintretende Flüssigkeiten zu Kurzschlüssen und damit Brand- und Explosionsgefahr kommen kann.All the accumulator outer walls are particularly preferred and / or the cell walls by the convective flow through cooled by air through the web chamber channels. By appropriate dimensioning of the web chamber structure can thereby achieved a passive cooling of the accumulator by air which are compared to the liquid cooling systems brings various benefits. The system is moved by the lack of Share maintenance and trouble-free (unlike circulation pumps) and much easier, since it is not a liquid medium, and There are no pumps. In addition, the system is essential in the production Uncomplicated, because there are no sealed delivery channels for Liquids are. Also with regard to the safety-related Aspect is convective air cooling superior to liquid cooling as it is in the case of a leak of a cell not by incoming fluids to short circuits and thus fire and explosion hazard can come.
Wird aus dem Akkumulator ein hoher Dauer- oder Spitzenstrom entnommen und die rein konvektive Luftkühlung reicht somit nicht mehr aus, um den Akkumulator unterhalb von kritischen Temperaturwerten zu halten, können die Akkumulatoraußenwände und/oder die Zellwände mit Mitteln zum Durchfördern eines flüssigen und/oder gasförmigen Kühlmediums verbunden werden. Geeignet sind hierfür beispielsweise Gebläse oder Propeller für Luft oder ein Pumpensystem für Wasser. Anders als bei den bekannten flüssiggekühlten Akkumulatoren besteht hierbei jedoch so gut wie keine Gefahr der Leckage, da mit den Stegkammerkanälen ein von den Elektrodenwickeln getrenntes Strömungssystem besteht.Becomes taken from the accumulator a high continuous or peak current and the purely convective air cooling is therefore not enough more out to the accumulator below critical temperature values To keep the accumulator outer walls and / or the cell walls with means for conveying a liquid and / or gaseous cooling medium get connected. Suitable for this example Blower or propeller for air or a pump system for water. Unlike the known liquid-cooled However, there is almost no danger of accumulators Leakage, as with the web chamber channels one of the electrode windings there is a separate flow system.
Wie bereits oben ausgeführt lassen sich durch entsprechende Auswahl des Kühlsystems die bestmöglichen Kühlungsbedingungen bei kleinstmöglichem Zusatzgewicht für den jeweiligen Einsatzzweck erzielen.As already stated above can be by appropriate Selection of the cooling system the best possible cooling conditions at the lowest possible additional weight for the respective Purpose.
In
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Beispiels illustriert werden. Es stellt lediglich eine bevorzugte Ausgestaltungsform der Erfindung dar und ist keinesfalls als Einschränkung zu verstehen.in the Below, the invention is illustrated by way of example become. It represents only a preferred embodiment of the Invention is in no way limiting understand.
Eine Starterbatterie für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor wurde aus vier in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-Zellen als Kern des Akkumulators aufgebaut. Hierbei wurden jeweils beide Elektroden der einzelnen Zellen nach oben geführt und so verschaltet, dass sich eine Akkumulatorspannung von 13,6 Volt ergab. Die einzelnen Zellen standen auf dem Gehäuseboden in einer Aufnahme mit einem definierten Abstand zum Boden. Hierdurch wurde gewährleistet, dass es bei der Erwärmung der Zellen zu einer Luftzirkulation kommen kann.A Starter battery for a vehicle with internal combustion engine was made up of four series-connected lithium-ion cells as the nucleus built of the accumulator. In each case, both electrodes of the led individual cells up and connected, that resulted in a battery voltage of 13.6 volts. The single ones Cells were on the case back in a recording a defined distance to the ground. This ensured that it warms the cells to an air circulation can come.
Plus- und Minuspol des Zellblocks wurden mit einer Elektronik verbunden, die den Lade- und Entladevorgang des Akkumulators überwacht und steuert. Weiterhin wurden Temperatur und Ladezustand des Akkumulators überwacht, sowie die Funktionssicherheit und die Lebenserwartung des Akkumulators daraus berechnet.Plus- and negative terminal of the cell block were connected to electronics, which monitors the charging and discharging of the accumulator and controls. Furthermore, the temperature and state of charge of the accumulator were monitored, as well as the functional safety and the life expectancy of the accumulator calculated from it.
Der Zellblock und die Elektronik wurden durch einen Batteriedeckel gegen Spritzwasser geschützt. Dieser kann das Gehäuse wahlweise gasdicht abschließen. In einer solchen Ausgestaltungsvariante zirkuliert die Luft zur Abkühlung dann in dem Akkumulatorgehäuse selbst. Die Elektroden des Zellblocks wurden mit zwei Polbolzen verbunden, die von außen zugänglich sind.Of the Cell block and the electronics were countered by a battery cover Splashed water. This can be the case optionally gas-tight. In such a design variant The air then circulates in the accumulator housing for cooling itself. The electrodes of the cell block were made with two pole bolts connected, which are accessible from the outside.
Die Lithium-Ionen-Zellen wurden in Lithium-Eisen-Phosphat-Technik hergestellt. Dabei wurden die Elektroden um einen hohlen Kern hexagonalen Querschnitts gewickelt. Der daraus entstandene Wickel wurde in eine Hülse mit ebenfalls hexagonalem Querschnitt eingebracht. Diese wurde aus Aluminium gefertigt und wies eine Außenwand mit Stegkammerstruktur auf. Die Herstellung der Hülse erfolgte im kostengünstigen Strangpressverfahren. Die Stegkammern waren oben und unten offen. Die Elektroden des Wickels wurden mit elektrischen Durchführungen kontaktiert, die in den zum Verschließen der Akkumulatorzelle verwendeten Boden und Deckel eingebracht worden waren. In den Deckel wurde weiterhin eine Membran eingebracht, die den Überdruck kontrolliert abgibt, der durch bei Überlastung der Zelle gebildetes Gas entsteht. Die untere Elektrode wurde in dieser Ausführung durch eine Durchführung im Boden und Deckel der Zelle durch den hohlen Wickelkern nach oben geführt. Dies erleichtert die Kontaktierung und Montage der Zellen zu einem Zellenblock.The lithium-ion cells were produced in lithium-iron-phosphate technology. The electrodes were wound around a hollow core of hexagonal cross-section. The resulting winding was placed in a sleeve also hexagonal in cross-section. This was made of aluminum and had an outer wall with web chamber structure. The production of the sleeve was carried out in a cost-effective extrusion process. The bridge chambers were open at the top and bottom. The electrodes of the coil were contacted with electrical feedthroughs which had been inserted into the bottom and lid used to close the accumulator cell. In the lid, a membrane was further introduced, which controls the overpressure produced by generated by overloading the cell gas. The lower electric de was performed in this embodiment by a passage in the bottom and lid of the cell through the hollow winding core upwards. This facilitates the contacting and mounting of the cells to a cell block.
- 1, 21, 2
- Elektrodenfolienelectrode foils
- 33
- Separatorfolienseparator films
- 44
- vierzelliges Akkumulatorgehäusevierzelliges battery housing
- 55
- Elektrodenwickelelectrode winding
- 66
- gekapselter Elektrodenwickel (in Steg kammerbauweise)encapsulated Electrode winding (in web chamber construction)
- 77
-
Boden
bzw. Deckel von (
4 )Bottom or lid of (4 ) - 88th
- EinzelzellgehäuseSingle-cell housing
- 99
- zwölfzelliges Akkumulatorgehäusezwölfzelliges battery housing
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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