DE102010002939A1 - Elektrischer Energiespeicher für Fahrzeuge - Google Patents

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Abstract

Elektrischer Energiespeicher für Fahrzeuge, mit einer Vielzahl einzelner Speicherzellen, die jeweils einen positiven und einen negativen Speicherzellenkontakt aufweisen, wobei Gruppen von Speicherzellen jeweils zu einem Speichermodul und die Speichermodule zu dem Energiespeicher verschaltet sind. Die Speichermodule sind über Aluminiumverbindungen zu dem Energiespeicher verschaltet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Hybridfahrzeuge und insbesondere Elektrofahrzeuge weisen einen elektrischen Energiespeicher mit besonders großer Speicherkapazität auf. Derartige Energiespeicher bestehen aus einer Vielzahl einzelner Speicherzellen. Gruppen von Speicherzellen können zu austauschbaren Speichermodulen verschaltet werden. Die einzelnen Speichermodule ihrerseits wiederum sind zu dem ”Energiespeicher” des Fahrzeugs verschaltet.
  • Aus dem Stand der Technik bekannt sind Energiespeicher, bei denen die Kontakte der einzelnen Speicherzellen aus einem ersten Material bestehen und als Verbindungselemente zur Verschaltung der einzelnen Speicherzellen bzw. zur Verschaltung der einzelnen Speichermodule ein sich von dem ersten Material unterscheidendes zweites Material verwendet wird. Dies ist nicht zuletzt aus Korrosionsgründen nicht unproblematisch. Hinzu kommt, dass zur Erreichung möglichst geringer Übergangswiderstände mit stoffschlüssigen Verbindungen gearbeitet werden muss, was bei unterschiedlichen Materialien ebenfalls problematisch ist. Hinzu kommt, dass die elektrischen Verbindungen dauerhaft fest, insbesondere vibrationsbeständig sein müssen. Eine entsprechende Festigkeit bei unterschiedlichen stoffschlüssig miteinander verbundenen Materialien ist nur schwer zu gewährleisten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen aus einer Vielzahl von Speicherzellen und mehreren Speichermodulen bestehenden elektrischen Energiespeicher für Fahrzeuge zu schaffen, der geringe innere Übergangswiderstände und eine hohe Standzeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist ein elektrischer Energiespeicher für Fahrzeuge mit einer Vielzahl einzelner Speicherzellen, die jeweils einen positiven und einen negativen Speicherzellenkontakt aufweisen, wobei Gruppen von Speicherzellen jeweils zu einem Speichermodul und die Speichermodule zu dem Energiespeicher verschaltet sind.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Speichermodule über Aluminiumverbindungen zu dem Energiespeicher verschaltet sind. Die Speicherzellenkontakte von Speicherzellen bestehen nämlich häufig aus Reinaluminium oder einem Aluminiummaterial. Zur Vermeidung von ”Materialsprüngen” ist es daher von Vorteil, die einzelnen Speichermodule über Aluminiumverbindungen zu verschalten.
  • Wenn im Folgenden die Begriffe ”Aluminium” bzw. ”Aluminiummaterial” oder ”Aluminiumwerkstoff” verwendet werden, so sind diese Begriffe jeweils breit auszulegen und umfassen insbesondere reines Aluminium als auch Aluminiumlegierungen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist jedes Speichermodul ein positives und ein negatives Anschlussterminal auf. Die Anschlussterminals können z. B. plattenartig, zumindest aber bereichsweise eben ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Anschlussterminals ebenfalls aus Aluminium bzw. einem Aluminiumwerkstoff hergestellt, so dass kein bzw. kein nennenswerter Material- bzw. Potentialsprung zwischen den Anschlussterminals und den Aluminiumverbindungen, über die die einzelnen Speichermodule untereinander verschaltet sind, besteht.
  • Die Anschlussterminals der Speichermodule können über Aluminiumkabel miteinander verschaltet sein. Unter dem Begriff ”Kabel” wird eine elektrische Leitungsverbindung verstanden, die aus einer Vielzahl von Aluminiumlitzen bzw. Drähten besteht.
  • An den Enden der Aluminiumkabel kann jeweils ein Kabelschuh aus einem Aluminiumwerkstoff vorgesehen sein. Die Enden der Aluminiumkabel können durch Widerstandsschweißen mit den Kabelschuhen verschweißt sein. Die Schweißung kann an den stirnseitigen Enden der Aluminiumkabel und/oder entlang eines Umfangsbereichs der Endabschnitte der Aluminiumkabel vorgesehen sein.
  • Alternativ oder ergänzend zu einer Schweißverbindung können die Kabelschuhe mit den Enden der Aluminiumkabel auch verpresst sein. Die Kabelschuhe können hierzu entsprechende topfförmige Hülsen aufweisen, welche Endabschnitte der Aluminiumkabel umschließen. Die topfförmigen Hülsen können auf die betreffenden Enden aufgepresst bzw. mit den Enden verpresst werden.
  • Eine besonders gute elektrische Verbindung und eine besonders hohe mechanische Festigkeit wird erreicht, wenn der widerstandsgeschweißte Bereich beim Aufpressen des Kabelschuhs zusammen mit dem Kabelschuh mitverformt wird.
  • Die Verbindung eines Kabelschuhs mit einem Anschlussterminal eines Speichermoduls kann durch Laserschweißen erfolgen. Durch Laserschweißen wird eine sehr gute elektrische und mechanische Verbindung erreicht.
  • Wie bereits erwähnt, ist es sinnvoll, Gruppen von Speicherzellen zu Speichermodulen zusammenzufassen, die ihrerseits austauschbar sind. Die Speicherzellen eines Speichermoduls sind häufig dauerhaft fest, d. h. praktisch unlösbar miteinander verbunden, was ein Austauschen einzelner Speicherzellen in der Regel unmöglich macht. Um bei einer Störung des elektrischen Energiespeichers nicht den gesamten Energiespeicher entsorgen zu müssen, kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Speichermodule untereinander lösbar miteinander verbunden sind. Im einfachsten Fall erfolgt das Lösen durch Durchtrennen des ein Speichermodul mit anderen Speichermodulen verbindenden Aluminiumkabels. Das Aluminiumkabel wird dabei einfach aufgeschnitten.
  • Nach dem Austausch eines defekten Speichermoduls und dem Einsetzen eines neuen Speichermoduls muss dieses wieder mit den verbliebenen Speichermodulen verbunden werden. Dies kann über sogenannte Reparaturhülsen erfolgen. Eine Reparaturhülse ist gemäß der Erfindung als ”Doppelhülse” ausgebildet, d. h. als ein Verbindungselement mit zwei z. B. einander abgewandten, topfförmigen Elementen, die jeweils zur Aufnahme eines Kabelendes vorgesehen sind. Zum Verbinden zweier Kabelenden werden die topfförmigen Hülsenstücke zunächst mit einem elektrisch leitenden Kleber befüllt. Anschließend werden die Kabelenden eingeführt. Der Klebstoff garantiert eine Kapselung der Verbindungsstelle zur umgebenden Atmosphäre. Die erforderliche mechanische Festigkeit wird über einen „Krimp-, bzw. Press- oder Klemmvorgang” gewährleistet.
  • Die einzelnen Speicherzellen sind vorzugsweise ebenfalls über Aluminiumverbindungen, z. B. über Stromschienen aus Aluminium, zu den betreffenden Speichermodulen verschaltet.
  • Vorzugsweise bestehen sämtliche zur Verwendung der Speicherzellen und Speichermodule vorgesehenen elektrischen Verbindungen aus Aluminiumwerkstoffen oder aus ein- und demselben Aluminiumwerkstoff.
  • Der oben beschriebene Energiespeicher kann insbesondere in einem Fahrzeug als Energiespeicher zur Versorgung mindestens einer elektromotorisch arbeitenden, Vortrieb erzeugenden elektrischen Maschine verwendet werden bzw. im Rekuperationsbetrieb zur Speicherung elektrischer Energie, die von der elektrischen Maschine erzeugt wird, wenn diese generatorisch arbeitet.
  • Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 die elektrische Verbindung zweier Speichermodule eines elektrischen Energiespeichers;
  • 2 u. 3 ein zur Verbindung zweier Speichermodule vorgesehenes Verbindungskabel.
  • 1 zeigt zwei Speichermodule 1, 2 eines elektrischen Energiespeichers für Fahrzeuge. Die Speichermodule, 1, 2 weisen jeweils ein plattenartiges aus Aluminium bzw. einem Aluminiumwerkstoff bestehendes Anschlussterminal 3 bzw. 4 auf. Die Anschlussterminals sind über ein Aluminiumkabel 5, das im Zusammenhang mit den 2, 3 noch näher beschrieben wird, elektrisch verbunden.
  • Jedes der beiden Speichermodule 1, 2 besteht aus mehreren zu dem Speichermodul verschalteten einzelnen Speicherzellen. Die Speicherzellen weisen jeweils einen positiven und einen negativen Speicherzellenkontakt auf. Die Speicherzellenkontakte bestehen ebenfalls aus Aluminium bzw. einem Aluminiumwerkstoff. Einzelne Speicherzellenkontakte sind jeweils über Stromschienen 6, die ebenfalls aus Aluminium bzw. einem Aluminiumwerkstoff bestehen, elektrisch miteinander verbunden.
  • Ist eine Speicherzelle oder sind mehrere Speicherzellen defekt, so kann nach dem Auftrennen der Kabelverbindungen 5 das betreffende Speichermodul ausgetauscht und durch ein neues ersetzt werden.
  • Wie aus den 2, 3 ersichtlich ist, besteht ein Verbindungskabel 5 aus einem Aluminiumkabel, das hier durch zwei Kabelstücke 7a, 7b gebildet ist, deren eine Enden über eine Doppelhülse 8 mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind. Die Doppelhülse 8 weist jeweils zwei einander abgewandte topfförmige Ausnehmungen 8a, 8b auf. Die topfförmigen Ausnehmungen werden beim Fügen der beiden Kabelstücke 7a, 7b zunächst mit einem elektrisch leitenden Klebstoff befüllt. Die elektrische Leitfähigkeit des Klebers kann beispielsweise durch Nickelpartikel erreicht werden, die fein im Kleber verteilt sind. Anschließend werden die Endabschnitte der beiden Kabelstücke 7a, 7b eingeschoben. Zusätzlich können die Doppelhülse und die beiden Kabelenden der Kabelstücke 7a, 7b gekrimpt werden.
  • Die anderen Enden der Kabelstücke 7a, 7b sind jeweils mit einem Kabelschuh verbunden, wobei in den 2, 3 lediglich ein Kabelschuh 9 dargestellt ist. Der Kabelschuh 9 weist ebenfalls eine topfförmige Ausnehmung 9a auf, in die das betreffende Ende des Kabelstücks 7a eingeschoben ist. Der Endabschnitt des Kabelstücks 7a ist mit dem Kabelschuh 9 durch Widerstandsschweißen elektrisch und mechanisch verbunden. Zusätzlich ist der Kabelschuh 9 auf den Endabschnitt des Kabelstücks 7a aufgepresst.
  • Ein plattenartiges Anschlussstück 9b des Kabelschuhs 9 wird durch Laserschweißen elektrisch und mechanisch mit einem Anschlussterminal 3 bzw. 4 (vgl. 1) eines Speichermoduls verbunden.

Claims (14)

  1. Elektrischer Energiespeicher für Fahrzeuge, mit einer Vielzahl einzelner Speicherzellen, die jeweils einen positiven und einen negativen Speicherzellenkontakt aufweisen, wobei Gruppen von Speicherzellen jeweils zu einem Speichermodul (1, 2) und die Speichermodule (1, 2) zu dem Energiespeicher verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermodule (1, 2) über Aluminiumverbindungen (5) zu dem Energiespeicher verschaltet sind.
  2. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Speichermodul (1, 2) ein positives und ein negatives Anschlussterminal (3, 4) aufweist, wobei die Anschlussterminals (3, 4) aus einem Aluminiumwerkstoff bestehen.
  3. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussterminals (3, 4) der Speichermodule (1, 2) über Aluminiumkabel (5) miteinander verschaltet sind.
  4. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden eines Aluminiumkabels (5) jeweils ein Kabelschuh (9) aus einem Aluminiumwerkstoff vorgesehen ist.
  5. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Aluminiumkabels (5) durch Widerstandsschweißen mit dem Kabelschuh (9) verschweißt sind.
  6. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kabelschuh (9) auf das Ende des Aluminiumkabels (5) aufgepresst ist.
  7. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der geschweißte Bereich beim Aufpressen des Kabelschuhs (9) verformt wird.
  8. Elektrischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kabelschuh durch Laserschweißen mit einem Anschlussterminal (3, 4) eines Speichermoduls verschweißt ist.
  9. Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Speichermodule (1, 2) über ein aus zwei Kabelstücken (7a, 7b), die über eine als Reparaturhülse fungierende Doppelhülse (8) miteinander verbunden sind, miteinander verschaltet sind.
  10. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ende eines Kabelstücks (7a, 7b) mit der Reparaturhülse (8) bzw. mit dem Kabelschuh (9) mittels eines Klebers verklebt ist, der elektrisch leitend ist bzw. elektrisch leitende Bestandteile enthält.
  11. Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellenkontakte jeweils aus einem Aluminiumwerkstoff bestehen.
  12. Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen über Aluminiumverbindungen zu den Speichermodulen (1, 2) verschaltet sind.
  13. Elektrische Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche zur Verschaltung der Speicherzellen und Speichermodule vorgesehenen elektrischen Verbindungen aus Aluminiumwerkstoffen oder aus ein und demselben Aluminiumwerkstoff bzw. aus reinem Aluminium bestehen.
  14. Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher zur Versorgung mindestens einer elektromotorisch arbeitenden, Vortrieb erzeugenden elektrischen Maschine vorgesehen ist bzw. zur Speicherung elektrischer Energie, die von der elektrischen Maschine erzeugt wird, wenn diese generatorisch arbeitet.
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