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Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem.
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In modernen Kraftfahrzeugen sind die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit eines Energiespeichers besonders hoch. Insbesondere in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit vorwiegend elektrischen Antrieben spielen die Energiespeicher eine wichtige Rolle. Hier werden typischerweise Hochvolt-Energiespeicher eingesetzt, die ausgebildet sind, Spannungen zwischen beispielsweise 200 V und 300 V elektrischen Verbrauchern zur Verfügung zustellen. Dabei umfassen die Energiespeicher typischerweise mehrere Energiespeicherzellen.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist, ein Energiespeichersystem zu schaffen, das besonders einfach aufgebaut ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Energiespeichersystem, das zumindest zwei Energiespeichermodule umfasst. Jedes Energiespeichermodul umfasst eine vorgegebene Anzahl von Energiespeicherzellen, die baulich zusammenhängend in dem jeweiligen Energiespeichermodul angeordnet sind. Jede Energiespeicherzelle weist zumindest zwei elektrische Anschlüsse auf. Die Energiespeicherzellen sind derart angeordnet, dass ihre elektrischen Anschlüsse zu einer Seite des Energiespeichersystems ausgerichtet sind. Das Energiespeichersystem weist ferner ein thermisches Element und eine Kontaktierungseinheit auf. Das thermische Element ist mit einer Seite des jeweiligen Energiespeichermoduls thermisch gekoppelt, die unterschiedlich ist zu der Seite der elektrischen Anschlüsse. Die Kontaktierungseinheit ist ausgebildet, die Energiespeicherzellen der zumindest zwei Energiespeichermodule miteinander elektrisch zu koppeln. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau eines Energiespeichersystems, insbesondere eines elektronischen Energiespeichersystems.
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Die Kontaktierungseinheit repräsentiert eine erste Funktionsebene, die ausgebildet ist, die Energiespeicherzellen, die in den Energiespeichermodulen angeordnet sind, elektrisch miteinander zu koppeln. Dabei kann die Kontaktierungseinheit auch eine Sensorik umfassen, die ausgebildet ist, die Energiespeicherzellen des jeweiligen Energiespeichermoduls zu überwachen, so z. B. auf den jeweiligen Ladezustand.
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Die Energiespeichermodule mit der jeweiligen vorgegebenen Anzahl von Energiespeicherzellen repräsentieren eine zweite Funktionsebene. Die Energiespeicherzellen des jeweiligen Energiespeichermoduls sind dabei derart baulich zusammenhängend angeordnet, dass sie vorzugsweise direkt miteinander in Kontakt sind. Dabei ist vorzugsweise die jeweilige Energiespeicherzelle mit dem thermischen Element thermisch gekoppelt. Die jeweilige Energiespeicherzelle ist vorzugsweise als Sekundärzelle, so z. B. als Lithium-Ionen-Zelle, ausgebildet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Anzahl der Energiespeicherzellen des jeweiligen Energiespeichermoduls derart vorgegeben, dass eine Modulspannung, die aus der elektrischen Kopplung der Energiespeicherzellen des jeweiligen Energiespeichermoduls resultiert, kleiner oder gleich einem vorgegebenen Modulspannungsschwellenwert ist. Beispielsweise kann als Modulspannungsschwellenwert eine maximale Berührungsgleichspannung vorgegeben sein.
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Die Anzahl der Energiespeichermodule ist beispielsweise derart vorgegeben, dass eine vorgegebene Gesamtspannung erreicht wird, die es ermöglicht, beispielsweise elektrische Maschinen in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zu betreiben.
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Das thermische Element repräsentiert eine dritte Funktionsebene und ist vorzugsweise als Aktuator ausgebildet. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das thermische Element ausgebildet, in einem Betriebszustand die Energiespeicherzellen der zugeordneten Energiespeichermodule zu kühlen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das thermische Element ausgebildet, in einem weiteren Betriebszustand die Energiespeicherzellen zu beheizen. Dabei kann das thermische Element auch ausgebildet sein, entweder die Energiespeicherzellen zu kühlen oder zu beheizen. Dies hat den Vorteil, dass die Energiespeicherzellen mit einer optimalen Betriebstemperatur betrieben werden können.
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Vorzugsweise ist das thermische Element mit der Seite des jeweiligen Energiespeichermoduls thermisch gekoppelt, die der Seite der elektrischen Anschlüsse gegenüberliegt. Das thermische Element kann beispielsweise einteilig ausgebildet sein.
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Alternativ kann das thermische Element auch mehrere thermische Unterelemente aufweisen, die zu dem thermischen Element miteinander verkoppelt sind und die parallel ansteuerbar sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das jeweilige Energiespeichermodul ein Modulgehäuse, das ausgebildet ist, die zugeordneten Energiespeicherzellen baulich zusammenhängend anzuordnen. Dabei kann das Modulgehäuse beispielsweise eine Modulumrandung aufweisen, die ausgebildet ist, die umfassenden Energiespeicherzellen formstabil zu halten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die jeweilige Energiespeicherzelle ein Zellengehäuse auf. Zwischen den Zellengehäusen der Energiespeicherzellen des jeweiligen Energiespeichermoduls ist zumindest teilweise ein Wärmeleitelement angeordnet, das mit dem thermischen Element thermisch gekoppelt ist. Das Wärmeleitelement ist beispielsweise zwischen den zugewandten Seiten benachbarter Energiespeicherzellen angeordnet. Dies ermöglicht eine effiziente Kühlung oder ein effizientes Beheizen der Energiespeicherzellen.
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Ferner kann das jeweilige Energiespeichermodul eine Wärmeleitfolie aufweisen, die zumindest teilweise zwischen zumindest einem Zellengehäuse, das dem jeweiligen Energiespeichermodul zugeordnet ist, und dem thermischen Element angeordnet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Energiespeichersystem ein Gehäuse auf, in dem das thermische Element derart angeordnet ist, dass eine dem thermischen Element zugewandte Seite des Gehäuses mittels einer thermischen Isolierung von dem thermischen Element thermisch entkoppelt ist. Das Gehäuse umfasst vorzugsweise alle Komponenten des Energiespeichersystems. Durch die thermische Entkoppelung der Energiespeicherzellen von dem Gehäuse des Energiespeichersystems können Wärmeverluste reduziert werden und somit das Energiespeichersystem effizient betrieben werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems,
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2 ein Ausschnitt des Energiespeichersystems,
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3 ein weiterer Ausschnitt des Energiespeichersystems,
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4a–4c verschiedene Darstellungen einer Energiespeicherzelle.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch ein Energiespeichersystem ESS, insbesondere ein elektronisches Energiespeichersystem, dargestellt, das mehrere Energiespeichermodule M, ein thermisches Element TU und eine Kontaktierungseinheit CP umfasst. Das jeweilige Energiespeichermodul M umfasst eine vorgegebene Anzahl von Energiespeicherzellen C, so z. B. zwischen 6 und 12, wobei vorzugsweise jedes Energiespeichermodul M die gleiche Anzahl von Energiespeicherzellen C umfasst. Das jeweilige Energiespeichermodul M weist ein Modulgehäuse auf, indem die dem jeweiligen Energiespeichermodul M zugeordneten Energiespeicherzellen C baulich zusammenhängend angeordnet sind. Die jeweilige Energiespeicherzelle C ist beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet. Jede Energiespeicherzelle C weist ein Zellengehäuse CH, so z. B. ein prismatisches oder quaderförmiges Zellengehäuse, und zwei elektrische Anschlüsse CNT auf (siehe 4c) und ist ausgebildet, zwischen den zwei elektrischen Anschlüssen CNT eine vorgegebene Zellenspannung bereitzustellen, so z. B. zwischen 2,8 und 4 V im Fall einer Lithium-Ionen-Zelle. Dabei sind die Energiespeicherzellen C derart angeordnet, dass ihre elektrischen Anschlüsse CNT zu einer Seite des Energiespeichersystems ESS ausgerichtet sind. Das Energiespeichersystem ESS umfasst mehrere Energiespeichermodule M, so z. B. 8 Energiespeichermodule.
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Das thermische Element TU ist vorzugsweise mit nur einer Seite, so z. B. einer Bodenplatte, des jeweiligen Energiespeichermoduls M thermisch gekoppelt, so z. B. verklebt. Vorzugsweise ist das thermische Element TU mit der Seite des jeweiligen Energiespeichermoduls M thermisch gekoppelt, die der Seite der elektrischen Anschlüsse CNT gegenüberliegt. Vorzugsweise ist in dem Zellengehäuse CH der jeweiligen Energiespeicherzelle C ein Zellenwickel derart angeordnet, dass dieses in thermischen Kontakt mit der Seite des Zellengehäuses CH ist, welches im thermischen Kontakt mit dem thermischen Element TU ist. Ein Zellenwickel repräsentiert vorzugsweise zwei aufgerollte Metallfolien, die durch eine Isolationsfolie elektrisch voneinander isoliert sind und die jeweils mit dem zugeordneten elektrischen Anschluss CNT der Energiespeicherzelle C elektrisch gekoppelt sind. Das thermische Element TU ist beispielsweise ein Aktuator und ist ausgebildet, in einem Betriebszustand die Energiespeicherzellen C des Energiespeichersystems ESS aktiv zu kühlen, so z. B. mittels einer Wasserkühlung. Ferner kann das thermische Element TU ausgebildet sein, in einem weiteren Betriebszustand die Energiespeicherzellen C des Energiespeichersystems ESS aktiv zu beheizen. Dadurch kann das Energiespeichersystem ESS in einem vorgegebenen Temperaturbereich betrieben werden, in welchem das Energiespeichersystem beispielsweise besonders leistungsfähig ist.
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Die Kontaktierungseinheit CP umfasst mehrere Kontaktierungselemente CCNT, wobei die Anzahl der Kontaktierungselement CCNT beispielsweise mit der Anzahl der Energiespeichermodule M korrelieren kann. Alternativ kann dem jeweiligen Kontaktierungselement CCNT auch mehr als ein Energiespeichermodul M zugeordnet sein, so z. B. zwei Energiespeichermodule M. Dabei ist das jeweilige Kontaktierungselement CCNT vorzugsweise elektrisch leitend ausgebildet und umfasst beispielsweise Kupfer, Aluminium und/oder Stahl. Vorzugsweise ist das für eine Herstellung der Kontaktierungselemente CCNT verwendete Material abhängig von dem Material der elektrischen Anschlüsse CNT der Energiespeicherzellen C. Das jeweilige Kontaktierungselement CCNT ist ausgebildet, die zugeordneten Energiespeicherzellen C elektrisch miteinander zu koppeln, vorzugsweise elektrisch in Reihe zu schalten. Die Kontaktierungseinheit CP ist ausgebildet, bei mehreren Kontaktierungselementen CCNT diese elektrisch zu koppeln, vorzugsweise elektrisch in Reihe zu schalten. Die Kontaktierungseinheit CP kann neben den Kontaktierungselementen CCNT auch Sensoren zur Überwachung der Energiespeicherzellen C und/oder Energiespeichermodule M umfassen. Ferner kann die Kontaktierungseinheit CP bereits die zur elektrischen Kopplung der Sensoren erforderliche Verkabelung aufweisen.
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Die Anzahl der Energiespeichermodule M ist beispielsweise derart vorgegeben, dass eine vorgegebene Gesamtspannung erreicht wird, so z. B. 200 bis 300 V, wie sie beispielsweise zum Betreiben von elektrischen Maschinen in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen benötigt wird.
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Die Anzahl der Energiespeicherzellen C, die dem jeweiligen Energiespeichermodul M zugeordnet sind, ist vorzugsweise derart vorgegeben, dass eine Modulspannung, die aus der elektrischen Kontaktierung der zugeordneten Energiespeicherzellen C resultiert, kleiner oder gleich einem vorgegebenen Modulspannungsschwellenwert ist. Beispielsweise kann als Modulspannungsschwellenwert eine Spannung von 60 V vorgegeben sein, die eine maximale zulässige Berührungsgleichspannung repräsentiert. Im Fall von Lithium-Ionen-Zellen sind dem jeweiligen Energiespeichermodul M vorzugsweise zwischen 6 und 12 Energiespeicherzellen C zugeordnet.
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In 2 ist ein Teilschnitt des Energiespeichersystems ESS gezeigt mit zwei benachbarten Energiespeicherzellen C eines Energiespeichermoduls M. In einer vergrößerten Darstellung ist ein Ausschnitt eines oberen Bereiches des Energiespeichersystems ESS dargestellt. In dieser vergrößerten Darstellung sind die beiden Zellengehäuse CH der Energiespeicherzellen C zu erkennen, die durch ein Innengehäuse IH mechanisch miteinander gekoppelt sind. Das Innengehäuse IH ist vorzugsweise eine Komponente des Modulgehäuses des zugeordneten Energiespeichermoduls M und ist vorzugsweise ausgebildet, die Energiespeicherzellen C baulich zusammenhängend anzuordnen. Das Modulgehäuse umfasst vorzugsweise eine Gehäuseumrandung, so z. B. eine Metallumrandung, die ausgebildet ist, die umfassenden Energiespeicherzellen C formstabil zu halten. Des Weiteren ist in 2 ein elektrischer Anschluss CNT der jeweiligen Energiespeicherzelle C dargestellt. Die beiden elektrischen Anschlüsse CNT sind mittels des zugeordneten Kontaktierungselementes CCNT miteinander elektrisch gekoppelt.
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Die Kontaktierungseinheit CP weist vorzugsweise eine Trägerstruktur auf, so z. B. eine Kunststoffträgerstruktur, die ausgebildet ist, die Kontaktierungselemente CCNT derart zueinander zu fixieren, dass das jeweilige Kontaktierungselement CCNT die elektrischen Anschlüsse CNT des oder der Energiespeichermodule M miteinander elektrisch koppelt, sobald die Kontaktierungseinheit CP auf die entsprechend angeordneten Energiespeichermodule M aufgesetzt wird. Die Kontaktierungseinheit CP kann beispielsweise mit den Energiespeichermodulen M, insbesondere mit den zugeordneten elektrischen Anschlüssen CNT, verschraubt, verschweißt oder verlötet sein.
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Wie beispielsweise in der vergrößerten Darstellung in 2 zu erkennen ist, ist unter dem dargestellten Kontaktierungselement CCNT ein Teil der Kontaktierungseinheit CP dargestellt, das beispielsweise einen Teil dieser Trägerstruktur repräsentiert.
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Das jeweilige Kontaktierungselement CCNT und/oder die Kontaktierungseinheit CP können ferner einen Berührungsschutz PROT aus einem Isolationsmaterial aufweisen, der dazu dient, eine Berührung der elektrischen Anschlüsse CNT und/oder der Kontaktierungselemente CCNT und/oder der Kontaktierungseinheit CP zu verhindern.
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Ferner ist in der vergrößerten Darstellung in 2 ein Gehäuse EH des Energiespeichersystems ESS dargestellt. Das Gehäuse EH umfasst typischerweise die Komponenten des Energiespeichersystems ESS, die in 1 dargestellt sind.
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In 3 ist ein weiterer Teilschnitt des Energiespeichersystems ESS dargestellt. Auch hier sind zwei benachbarte Energiespeicherzellen C zu erkennen. In einer vergrößerten Darstellung ist ein unterer Bereich des Energiespeichersystems ESS dargestellt. Die Zellengehäuse CH der beiden Energiespeicherzellen C sind mit einer Spannungsisolierung VIN in Kontakt, die ausgebildet ist, das jeweilige Zellengehäuse CH von dem thermischen Element TU elektrisch zu isolieren. Beispielsweise ist die Spannungsisolierung VIN als Hochspannungsisolierung ausgebildet.
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Ferner ist beispielsweise eine Wärmeleitfolie TC vorgesehen, die mit dem thermischen Element TU und den Energiespeicherzellen C thermisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, im Falle einer Kühlung, eine Wärme, die aus einem Betrieb der jeweiligen Energiespeicherzelle C resultieren kann, zu dem thermischen Element TU hin abzuleiten oder im Falle einer Heizung, eine Wärme, die durch das thermische Element TU bereitgestellt werden kann, dem jeweiligen Zellengehäuse CH zur Verfügung zu stellen. Die Wärmeleitfolie TC kann beispielsweise als Metallfolie ausgebildet sein.
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Des Weiteren kann zwischen dem thermischen Element TU und einer dem thermischen Element TU zugewandten Seite des Gehäuses EH, so z. B. eine Bodenplatte BP des Gehäuses EH, eine thermische Isolierung TIN vorgesehen sein, die ausgebildet ist, die Bodenplatte BP des Gehäuses EH von dem thermischen Element TU thermisch zu entkoppeln.
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In einer weiteren Ausführungsform kann zwischen den Energiespeicherzellen C, insbesondere zwischen deren Zellengehäusen CH, jeweils zumindest teilweise ein Wärmeleitelement TCP angeordnet sein, das mit dem thermischen Element TU thermisch gekoppelt ist, so z. B. verklebt ist. Im Vergleich zu der 4c, in der eine quaderförmige Energiespeicherzelle C ohne Wärmeleitelement TCP dargestellt ist, sind der Energiespeicherzelle C in 4a und 4b zumindest ein Wärmeleitelement TCP zugeordnet. Das Wärmeleitelement TCP ist beispielsweise als Wärmeleitblech ausgebildet und umfasst beispielsweise Metall wie Aluminium oder Stahl.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Kleber
- BP
- Bodenplatte
- C
- Zelle
- CCNT
- Kontaktierungselement
- CH
- Zellengehäuse
- CNT
- elektrischer Anschluss
- CP
- Kontaktierungseinheit
- EH
- Gehäuse
- ESS
- Energiespeichersystem
- IH
- Innengehäuse
- M
- Modul
- PROT
- Berührungsschutz
- TC
- Wärmeleitfolie
- TCP
- Wärmeleitelement
- TIN
- thermische Isolierung
- TU
- thermisches Element
- VIN
- Spannungsisolierung
