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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelleinheit, insbesondere eine Flachzelle, die zwei Ableiter zum Zu- oder Ableiten von elektrischer Energie aufweist. Kennzeichnend für die vorliegende Energiespeicherzelleinheit ist dabei, dass diese Einheit an mindestens einer Seite eine Vorrichtung zur Fixierung, beispielsweise einen Balken, aufweist, der mindestens zwei Elemente zur Fixierung der Energiespeicherzelleinheit aufweist. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein Energiespeichermodul, das mindestens zwei Energiespeicherzelleinheiten sowie ein Gehäuse umfasst, wobei das Gehäuse zur Aufnahme der Zelleneinheiten ausgebildet ist.
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Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug bezeichnet man Fahrzeuge, die prinzipbedingt ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden.
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Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen bestehen allgemein aus einer Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einem Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einem elektrochemischen Energiespeicher und einer elektrischen Maschine für den Antrieb.
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Die elektrische Maschine des Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie und Bordnetzversorgung.
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Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen.
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Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine Elektronik, die allgemein Hybrid-Controller genannt wird. Er regelt unter anderem, ob und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll.
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Die Energieentnahme aus der Brennstoffzelle oder dem Energiespeicher dient allgemein zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Speichers bzw. zur Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie, d. h. dem regenerativen Bremsen.
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Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt der Verbrennungsmotor bereit.
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Als Energielieferanten und Speicher für Elektrofahrzeuganwendungen lassen sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Zink- oder Lithium-Ionen-Zellen nutzen. Bei den Lithium-Ionen-Zellen unterscheidet man im Wesentlichen nach Zellen mit Hardcase und modernen Flachzellen (Pouchzellen mit dünner Aluminiumhülle).
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Je nach Anwendung der Zellen im Energiespeicher für Hybridfahrzeuge, Plug-in-Hybride oder Elektrofahrzeuge unterscheiden sich die Zellen weiterhin in Form, Größe und Gewicht. Dadurch werden schon für jede Zellenart unterschiedliche Befestigungskonzepte erforderlich. Weiterhin spielt die letztendliche Anwendung des Energiespeichers im Fahrzeug, insbesondere im Nutzfahrzeug, eine entscheidende Rolle, die die Anforderungen an die mechanische Stabilität und die Vibrationsfestigkeit über die Lebensdauer eines Energiespeichers mit den darin befestigten Zellen wesentlich mit definiert. Hier sind vor allem die hohen dynamischen Kräfte und die Stoßeinwirkungen im Betrieb zu beachten. In Folge der verschiedenartigen Anforderungen in den verschiedenen Fahrzeugen hinsichtlich der Belastungsart, -richtungen und -werte kommt dem Befestigungskonzept für die Zellen im Energiespeicher somit eine wichtige Rolle zu.
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Die zusätzliche Belastung, die durch die Gewichtskraft des Speichers besteht, steht in Relation zu den isotropen, dynamischen Belastungen nicht im Vordergrund.
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Aufgrund der weitgehenden Isotropie dieser möglichen hohen Belastungen ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Befestigung der Zellen im Energiespeicher so auszulegen, dass diese Belastungen aus allen Richtungen gleichermaßen aufgenommen und schadfrei ertragen werden können.
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Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechend ausgebildete Energiespeicherzelleinheit sowie ein Energiespeichermodul anzugeben, das den oben genannten Anforderungen genügt.
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Diese Aufgabe wird bezüglich der Energiespeicherzelleinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie bezüglich des Energiespeichermoduls mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Energiespeicherzelleinheit bereitgestellt, die mindestens zwei Ableiter zum Zu- oder Ableiten von elektrischer Energie aufweist, wobei mindestens eine Vorrichtung zur Fixierung der Energiespeicherzelleinheit an mindestens einer Seite der Energiespeicherzelleinheit vorgesehen ist, die mindestens zwei Elemente zur Fixierung der Energiespeicherzelleinheit aufweist.
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Die erfindungsgemäße Lösung der Energiespeicherzelleinheit sieht somit vor, dass an die Energiespeicherzelleinheit eine Vorrichtung angebracht ist, mit der die Energiespeicherzelleinheit an ihrem Einsatzort befestigt bzw. fixiert werden kann. Diese Vorrichtung ist dabei mit der Energiespeicherzelleinheit kraftschlüssig verbunden und weist mindestens zwei Elemente zur Fixierung auf, über die die entsprechende Befestigung bzw. Fixierung der Energiespeicherzelleinheit am Einsatzort erfolgt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Vorrichtung zur Fixierung in Form eines tragenden Balkens ausgebildet ist, der mindestens an einer Seite der Energiespeicherzelleinheit angebracht ist.
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Diese Vorrichtung kann dabei mit der Energiespeicherzelleinheit einstückig oder als separates Bauteil ausgebildet sein.
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Ebenso ist es möglich, dass die Vorrichtung zur Fixierung einen Abstandhalter aufweist. Über eine derartige Ausbildung der Vorrichtung zur Fixierung ist es beispielsweise für den Fall, dass die verwendeten Energiespeicherzelleinheiten Flachzellenmodule, wie beispielsweise flach ausgebildete Lithium-Ionen-Akkus sind, möglich, mehrere Energiespeicherzelleinheiten parallel zu arrangieren und dabei einen vorgegebenen Abstand einzuhalten. Insofern ist eine äußerst platzsparende Anordnung der Energiespeicherzelleinheiten möglich, wobei jedoch stets ein minimaler, zwischen den jeweiligen Einheiten liegender Abstand über den Abstandshalter eingehalten wird, so dass ausgeschlossen werden kann, dass sich die Energiespeicherzelleinheiten während des Betriebs, beispielsweise durch auftretende Kräfte, berühren und somit beschädigen.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Vorrichtung sehen vor, dass diese aus Kunststoff, einem faserverstärkten Kunststoff und/oder einem Kunststoff mit Metalleinlagen bestehen.
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Weiter ist es bevorzugt, wenn die Vorrichtung zur Fixierung mindestens zwei Aussparungen aufweist, über die eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zur Energiespeicherzelleinheit herstellbar ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Verbindung zu Energiespeicherzelleinheit beispielsweise durch entsprechende Schrauben bzw. Gewindestangen, etc. hergestellt werden. In diesem Fall weisen ebenso die Energiespeicherzelleinheiten entsprechende Ausnehmungen vor, um eine durchgängige Verbindung zu ermöglichen. Ebenso ist es möglich, bei baugleichen Energiespeicherzelleinheiten eine Mehrzahl derartiger Energiespeicherzelleinheiten miteinander zu verbinden, indem die jeweiligen Aussparungen deckungsgleich übereinander gebracht werden und beispielsweise über Hindurchführen und Befestigen einer Gewindestange miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden werden.
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Insbesondere ist somit die Vorrichtung zur Fixierung der Energiespeicherzelleinheit an der Energiespeicherzelleinheit durch Verschrauben, Vernieten, Verschweißen, Verkleben oder einstückiges Anformen mit der Energiespeicherzelleinheit verbindbar.
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Ganz besonders vorteilhaft sind dabei die zwei Ableiter an der gleichen Seite der Energiespeicherzelleinheit, die beispielsweise rechteckig ausgebildet sein kann, angeordnet, die Vorrichtung ist dabei an der Seite angebracht und mit der Energiespeicherzelleinheit verbunden, die die Ableiter aufweist. Die Ableiter können dabei beispielsweise als flächig ausgebildete Metallkontakte ausgebildet sein. Die Vorrichtung zur Fixierung kann somit auf einer Seite, beispielsweise auf der Vorder- oder Rückseite der Energiespeicherzelleinheit, auf den Ableitern liegend angeordnet sein. Im Falle einer balkenförmigen Ausbildung der Vorrichtung zur Fixierung kann der Balken dabei über beide Ableiter durchgehend ausgebildet zum Liegen kommen. Ebenso ist es jedoch möglich, in der Vorrichtung, beispielsweise an den Balken, Ausnehmungen für die Ableiter vorzusehen, so dass der Balken beispielsweise auf beide flächig ausgebildeten Ableiter aufsteckbar und so mit diesen verbindbar ist. Die Fixierung des Balkens an den jeweiligen Ableitern erfolgt dabei auf die oben genannten Arten und Weisen, beispielsweise durch Verschrauben oder Verkleben, etc. Weiterhin ist es möglich, die Vorrichtung zur Fixierung als durchgehenden Balken auszubilden, der auf einer Seite der beiden Ableiter angeordnet ist, jedoch auf der anderen Seite der Ableiter Beilagscheiben oder Ähnliches anzuordnen, um, für den Fall, dass mehrere Energiespeicherzelleinheiten parallel zueinander angeordnet werden, einen gewissen Mindestabstand zwischen je zwei Energiespeicherzelleinheiten zu gewährleisten.
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Die Art der Fixierung über die Vorrichtung, die erfindungsgemäß an der Energiespeicherzelleinheit angebracht ist, eignet sich insbesondere für rechteckig ausgebildete Energiespeicherzelleinheiten, die bevorzugt als Flachzellen ausgestaltet sind.
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Die Befestigung der Zellen z. B. an den Ableitern weist gegenüber den bisherigen Lösungen eine Reihe von Vorteilen auf.
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Optimierte Halterung
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Die Hauptlasten aus den Massekräften der Zelle werden durch die gezielte Befestigung der Zelle an den beiden Zellenableitern mittels eines stabilen Kunststoffbalkens erreicht. Dieser Kunststoffbalken verbindet unter Berücksichtigung der HV-Sicherheit die Zelle mit dem Zellengehäuse (Zellenblock). Um diese Befestigung herzustellen, gibt es eine tragfähige Verbindung zwischen Balken und Zellenableiter. Hierzu ist es optimal, den Zellenbalken dort zu befestigen, wo das Hauptgewicht der Zelle angebunden ist, und zwar an den Ableitern. Um die Siegelnähte nicht zu beschädigen, erfolgt die Befestigung durch Löcher in den Ableitern oberhalb der Siegelnaht. Zur Versteifung dieser Anbindung an zwei Ableitern verwendet man einen Balken aus nichtleitendem Kunststoff, der dann auch die Verbindung zu dem Zellengehäuse herstellt. Damit werden Kräfte aus zwei Belastungsrichtungen im Raum aufgenommen.
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Vibrationsstabilität
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Die Kraft in der dritten Raumrichtung wird durch den über die Siegelnaht hinausreichenden Balken (beispielsweise aus Kunststoff) zur flächigen Aufnahme der Querkraft in Verbindung mit einem gestapelten Zellenaufbau aufgenommen, in dem die definierten Abstände zwischen den Zellen durch komprimierbare Abstandshalter gewährleistet werden. Durch dieses Zusammenspiel zwischen Kunststoffbalken und Zellenstapel in den Zellengehäusen wird die Vibrationsstabilität optimiert.
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Stapelbarkeit und Toleranzausgleich
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Durch die baugleichen Kunststoffbalken ist eine gute Stapelbarkeit der Zellen mit Befestigungsbalken gegeben. Daraus ergeben sich definierte Summentoleranzen, die die Stapelbarkeit innerhalb eines Zellengehäuses optimal unterstützen.
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Für Anwendungen mit Zwischenräumen zwischen den Balken können in dem Zellengehäuse Gegenkonturen zum Toleranzausgleich verwendet werden. Dann wird der Einzeltoleranzausgleich durch das einzelne Zellengehäuse gewährleistet.
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Herstellbarkeit
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Die Kunststoffbalken sind alle gleich aufgebaut und somit mehrfach in verschiedenen Lagen verwendbar. Durch dieses Gleichteilekonzept können die Herstellkosten minimiert werden Die Herstellbarkeit eines Kunststoffbalkens mit Metallbuchsen ist Stand der Technik und somit in jeder Hinsicht zuverlässig fertig bar.
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Für den Fall, dass die Vorrichtung zur Fixierung an den Ableitern der Zelle fixiert ist, sind insbesondere folgende Ausführungsformen vorteilhaft, die nachfolgend stichpunktartig aufgelistet sind.
- • Ein oder mehrere stabile Kunststoffbalken können je Zellen zur Befestigung einer Zelle mit dem Zellengehäuse (Zellenblock) vorgesehen sein:
– Die Befestigungslöcher in den Ableitern werden passend zu den Löchern im Balken eingefügt.
– Die Befestigung des/der Balken an der Zelle kann durch je ein Loch in den Ableitern der Zelle mittels fest gefügter, vorgespannter Niet- oder Schraubverbindung erfolgen.
– Zur besseren Tragfähigkeit der Verbindung mit den Ableitern kann eine Einlage von Metallbuchsen in den Kunststoffbalken an den Befestigungsstellen zu den Ableitern vorgenommen werden.
– einfache Herstellbarkeit durch gute Fügbarkeit und einfache Verfahren;
– Es resultiert eine sehr tragfähige Verbindung mit einem Kunststoffbalken an der stabilsten Stelle einer Zelle an den beiden Ableitern der Zelle.
- • Die Befestigungslöcher in den Ableitern sind aus der Mitte versetzt angeordnet, was der Optimierung der HV-Sicherheit beim Stapeln der Zellen dient.
- • Der Balken ist so konstruiert, dass er nach unten über die Siegelnaht der Zelle rüberragt und dort mit einer Übergangspassung flächig passend direkt anliegt, was zu einer sehr tragfähigen Verbindung im Bereich der Siegelnaht für angreifende Querkräfte führt.
- • Der Befestigungsbalken ist aus Kunststoff mit der Möglichkeit diverser Verstärkungen:
– zur Optimierung der Stabilität und Festigkeit des Balkens bestehen bei der Wahl dieses Werkstoffs und dieser Konzeptes verschiedene Optimierungsmöglichkeiten; z. B.
– zur besseren Tragfähigkeit des Balkens durch Einlage von GFK-Faseranteilen in den Kunststoffbalken,
– zur besseren Tragfähigkeit des Balkens durch Einlage von hochkanten Flachmetallstreifen in den Kunststoffbalken und als Sandwichbauform,
– zur besseren Tragfähigkeit des Balkens durch Armierung der Auflageflächen des Balkens an den jeweiligen Befestigungsstellen zum Zellengehäuse hin,
– dient der Optimierung der HV-Sicherheit gegenüber dem Zellengehäuse und zwischen den Ableitern.
- • Die jeweiligen Balkenenden der einzelnen Zellen werden mit dem Zellengehäuse kraft- und/oder formschlüssig verbunden
– zur Übertragung der anfallenden Kräfte auf das Zellengehäuse sind entsprechende Auflageformen und dazu passende Befestigungselemente vorteilhaft.
- • Gestaltung der jeweiligen Balkenenden verschiedener Zellen zum Toleranzausgleich
– Die Balkenenden können untereinander aneinander flächig anliegen und bilden damit eine Summentoleranz in einem Zellengehäuse.
– Sie können auch so gestaltet sein, dass zwischen den einzelnen Balkenenden freier Raum für eine Gegenkonturen im Zellengehäuse bleibt/vorliegt und somit als Einzeltoleranzen ausgeführt werden.
- • Herstellbarkeit der Kunststoffbalken
– Die Balken können alle baugleich mit bekannten Herstellverfahren kostengünstig gefertigt werden.
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Erfindungsgemäß wird ebenso ein Energiespeichermodul bereitgestellt, das einen Modulisolator, sowie mindestens zwei zuvor beschriebene Energiespeicherzelleinheiten, die in dem Modulisolator parallel zueinander einbaubar sind, umfasst, wobei der Modulisolator eine Aufnahmemöglichkeit für die Elemente zur Fixierung der Energiespeicherzelleinheit aufweist.
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Das Energiespeichermodul stellt somit den Anwendungsfall der zuvor beschriebenen Energiespeicherzelleinheiten dar, wobei diese parallel in einem Modulisolator, der quasi als isolierendes Gehäuse bzw. Vorrichtung zum parallelen Arrangement der Energiespeicherzelleinheiten ausgebildet ist, unterbringbar sind.
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Bevorzugt ist der Modulisolator quaderförmig ausgebildet und zumindest an einer Seite offen, so dass die jeweiligen Energiespeicherzelleinheiten, beispielsweise Flachzellen, von der offenen Seite in den Modulisolator eingebracht werden können. Für den Fall, dass die beiden Elemente zur Fixierung beispielsweise an einer balkenförmigen Fixiervorrichtung, an den jeweiligen Enden dieser Vorrichtung angebracht sind, kann der Modulisolator Aufnahmevorrichtungen auf Höhe der offenen Seite aufweisen, in die diese Fixierelemente einbringbar sind. Diese Aufnahmevorrichtungen oder Aufnahmemöglichkeiten dabei beispielsweise als Aussparungen ausgebildet sein, ebenso ist jedoch auch eine mechanische Einrastvorrichtung oder Fixiervorrichtung denkbar.
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Im Speziellen ist bei der Anwendung von Flach- bzw. Pouchzellen zu beachten, dass die dünne Außenhülle aus Aluminium und die rings umlaufenden Siegelnähte durch die Befestigung und die Belastungen nicht beschädigt werden, damit sie ihre Dichtfunktion zuverlässig ausführen können. Demnach ist die Überleitung der Kräfte über die Folie weitestgehend zu vermeiden und im Befestigungskonzept entsprechend zu berücksichtigen.
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Aus diesem Grund, weist der schichtenweise, gestapelte Aufbau der Zellen mit mehreren Zellengehäusen in einem Energiespeicher erhebliche Vorteile auf, da er in dieser einen Belastungsrichtung die Kräfte bei entsprechenden Zwischenlagen zwischen den einzelnen Zellen im Wesentlichen aufnehmen und in die tragende Struktur einleiten kann. Dabei ist es von Vorteil, innerhalb des gesamten Stapels einige Zwischenstege im gesamten Stapel zur Entlastung der Kräfte auf die Zellen einzufügen. Das wird durch die einzelnen Zellengehäuse gewährleistet.
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Vorteilhaft weist somit der Modulisolator Führungsaussparungen auf, die an den Positionen der jeweiligen Energiespeicherzelleinheiten angeordnet sind, d. h. der Modulisolator ist beispielsweise so ausgebildet, dass an den Seiten, an denen die Energiespeicherzelleinheiten, für den Fall, dass diese Flachzellen sind, mit Ihrer Kante in den Modulisolator eingeführt werden, Führungsschienen bzw. Führungsvorrichtungen vorhanden sind, die entlang der Einführrichtung der jeweiligen Energiespeicherzelleinheit in dem Modulisolator angeordnet sind. Diese Führungsschienen können beispielsweise als Einkerbungen oder Ausnehmungen ausgebildet sein, so dass die Energiespeicherzelleinheiten in ihrer Endposition im Modulisolator fixiert werden.
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Vorteilhaft weist der Modulisolator weiterhin eine Kapazität für 2 bis 24, bevorzugt 4 bis 12 Energiespeicherzelleinheiten auf.
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Das Energiespeichermodul gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise wenigstens einen der nachfolgenden Bestandteile weiter umfassen:
- a) eine Spannleiste, die über den Vorrichtungen zur Fixierung der Energiespeicherzelleinheiten auf dem Modulisator anbringbar ist,
- b) ein Modulgehäuse, das um den Modulisolator angeordnet werden kann und/oder in das der Modulisolator formschlüssig und/oder kraftschlüssig eingebracht werden kann,
- c) Kühl- bzw. Tragfinne/-platte mit mindestens einer daran anliegenden/befestigten Flachzelle,
- d) parallel zueinander angeordnete Führungsnuten zur Aufnahme von Kühl- bzw. Tragfinne/-platte,
- e) eine Zwischenkühlerplatte,
- f) ein Flexboard,
- g) eine CSE-Platine und/oder
- h) einen Gehäusedeckel.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert, ohne die Erfindung auf die dort dargestellten speziellen Ausführungsformen zu beschränken.
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Dabei zeigen
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1A bis 1J Varianten der Ausführungen einer erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung zur Fixierung der Energiespeicherzelleinheiten;
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2A, 2B je eine Explosionszeichnung zweier erfindungsgemäßer Energiespeicherzelleinheiten 10 und 10';
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3A und 3B je ein zusammengefügtes Ensemble zweier erfindungsgemäßer Energiespeicherzelleinheiten 10 und 10' von der Vorder- und Rückseite; sowie
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4 ein erfindungsgemäßes Energiespeichermodul in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Wie bereits im Voranstehenden erläutert, ist das grundlegende Konzept der vorliegenden Erfindung die Befestigungsmöglichkeit einer Energiespeicherzelleinheit mittels einer Vorrichtung zur Fixierung. Insbesondere sieht das Zellenbefestigungskonzept dabei vor, die Vorrichtung, vorzugsweise in Form eines Balkens, an den Ableitern der Zelle zu fixieren. Dabei können ein oder mehrere Kunststoffbalken je Zelle zur Befestigung der Zelle mit dem Zellengehäuse (Zellenblock) verwendet werden. Die Befestigung des/der Balken an der Zelle erfolgt vorzugsweise durch je ein Loch in den Ableitern der Zelle mittels fest gefügter, vorgespannter Niet- oder Schraubverbindung. Die Befestigungslöcher in den Ableitern sind aus der Mitte versetzt angeordnet, um die HV-Sicherheit beim Stapeln der Zellen zu gewährleisten. Die jeweiligen Balkenenden der einzelnen Zellen werden mit dem Zellengehäuse kraft- und/oder formschlüssig verbunden. Zur besseren Tragfähigkeit der Verbindung mit den Ableitern können folgende Ausführungsformen vorgesehen sein:
- • Einlage von Metallbuchsen in den Kunststoffbalken an den Befestigungsstellen zu den Ableitern,
- • Einlage von GFK-Faseranteilen in den Kunststoffbalken,
- • Einlage von hochkanten Flachmetallstreifen in den Kunststoffbalken und als Sandwichbauform,
- • Armierung der Auflageflächen des Balkens an den jeweiligen Befestigungsstellen zum Zellengehäuse hin.
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Die jeweiligen Balkenenden verschiedener Zellen können untereinander aneinander anliegen oder so gestaltet sein, dass dazwischen freier Raum für Gegenkonturen im Zellengehäuse vorliegt. Ebenso kann eine entsprechende Formgestaltung an den beiden Enden des Balkens an den jeweiligen Befestigungsstellen vorgesehen werden, um eine formschlüssige Verbindung zum Zellengehäuse hin zu gestalten. Die Schnittstelle zwischen den jeweiligen Balkenenden und dem Zellengehäuse wird durch passende Befestigungselemente (Metallspangen, Schrauben, o. a.) komplettiert. Der Balken ist unterhalb der gefügten Verbindung im Bereich der Siegelnaht so gestaltet, dass er direkt passend, flächig an der Siegelnaht anliegt und somit für angreifende Querkräfte ausgelegt ist.
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In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird wesentlichen von einer Vernietung besprochen. Hierbei ist der Begriff Vernietung synonym zu anderen Befestigungsmöglichkeiten zu sehen. Beispiele hierfür sind Schrauben, Klemmen, formschlüssige Aufnahme von Zapfen oder hierzu ähnliche Ausführungen, Kleben, Schweißen, Löten, Clinchen, Nageln, Stecken, Clipsen, etc.
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Im Folgenden sollen einige besonders bevorzugte Ausführungsformen näher dargestellt und erläutert werden.
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Ausführungsbeispiel 1 (Fig. 1A)
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In diesem Beispiel bestehen die Balken (d. h. die Vorrichtungen zur Fixierung) 3, 3' aus isolierendem Kunststoff und weisen an den jeweiligen Enden jeweils ein Element 4, 5 zur Fixierung auf, das als verjüngter Fortsatz des Balkens ausgebildet ist. Eine Zelle kann dabei zur Fixierung zwischen je zwei Balken 3 und 3' eingebracht sein. Ebenso ist es jedoch auch denkbar, nur einen Balken 3 zur Fixierung zu verwenden und diesen einseitig an der Zelle anzubringen. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität sind im Kunststoff Metalleinlagen 40 eingebracht. Es ist auch eine Ausführung ohne Metalleinlagen denkbar, wenn z. B. ein faserverstärkter Kunststoff eingesetzt wird. Die Befestigung der Zellen am Balken erfolgt dabei über eine Niet- oder Schraubverbindung. Alternativ kann auch eine andere formschlüssige Aufnahme erfolgen. Die Balken 3, 3' sind so gestaltet dass durch die Auflageflächen 41 eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Zellen und den Balken 3 und 3' entsteht.
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Ausführungsbeispiel 2 (Fig. 1B)
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In diesem Beispiel bestehen die Balken 3, 3' aus isolierendem Kunststoff und weisen an den jeweiligen Enden jeweils ein Element 4, 5 zur Fixierung auf, das als verjüngter Fortsatz des Balkens ausgebildet ist. Eine Zelle kann dabei zur Fixierung zwischen je zwei Balken 3 und 3' eingebracht sein. Ebenso ist es jedoch auch denkbar, nur einen Balken 3 zur Fixierung zu verwenden und diesen einseitig an der Zelle anzubringen. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität sind im Kunststoff Metalleinlagen 40 eingebracht. Die Befestigung der Zellen am Balken 3, 3' erfolgt dabei über eine Niet- oder Schraubverbindung. Alternativ kann die Befestigung durch Klemmung oder durch eine andere formschlüssige Aufnahme erfolgen. Die Balken 3, 3' sind so gestaltet, dass sie keine Auflageflächen aufweisen. Die Befestigung der Zellen erfolgt hier nur über eine formschlüssige Verdingung zwischen zwei Balken 3, 3'.
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Ausführungsbeispiel 3 (Fig. 1C)
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In diesem Beispiel bestehen die Balken 3, 3' aus isolierendem Kunststoff und weisen an den jeweiligen Enden jeweils ein Element 4, 5 zur Fixierung auf, das als verjüngter Fortsatz des Balkens ausgebildet ist. Eine Zelle kann dabei zur Fixierung zwischen je zwei Balken 3 und 3' eingebracht sein. Ebenso ist es jedoch auch denkbar, nur einen Balken 3 zur Fixierung zu verwenden und diesen einseitig an der Zelle anzubringen. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität sind im Kunststoff Metalleinlagen eingebracht. Die Befestigung der Zellen am Balken 3, 3' erfolgt dabei eine Klemmverbindung 42. Die Balken 3, 3' sind so gestaltet, dass durch die Auflageflächen eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Zellen und den Balken 3, 3' entsteht, wobei eine Zelle zwischen zwei Balken 3, 3' eingebettet ist. Als weitere Ausprägung kann eine direkte Verclipsung von zwei Kunststoff- oder auch Metallbalken sein.
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Ausführungsbeispiel 4 (Fig. 1D)
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In diesem Beispiel bestehen die Balken 3, 3' aus isolierendem Kunststoff und weisen an den jeweiligen Enden jeweils ein Element 4, 5 zur Fixierung auf, das als verjüngter Fortsatz des Balkens ausgebildet ist. Eine Zelle kann dabei zur Fixierung zwischen je zwei Balken 3 und 3' eingebracht sein. Ebenso ist es jedoch auch denkbar, nur einen Balken 3 zur Fixierung zu verwenden und diesen einseitig an der Zelle anzubringen. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität sind im Kunststoff Metalleinlagen eingebracht. Die Befestigung der Zellen zwischen zwei Balken 3, 3' erfolgt dabei über eine Klebeverbindung 43.
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Ausführungsbeispiel 5 (Fig. 1E)
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Balkenaufnahme wie in Beispiel 1, mit dem Unterschied, dass die Balken 3 und 3' außen zur Versteifung an den Elementen 4 und 5 mit Metall armiert sind. Auch hier können die in den Beispielen 1 bis 4 gezeigten Befestigungsmöglichkeiten realisiert werden.
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Ausführungsbeispiel 6 (Fig. 1F)
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Balkenaufnahme wie in Beispiel 1, mit dem Unterschied, dass die Balken 3 und 3' mit einer innen liegenden Versteifung aus Metall 45 ausgeführt sind. Auch hier können die in den Beispielen 1 bis 4 gezeigten Befestigungsmöglichkeiten realisiert werden.
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Ausführungsbeispiel 7 (Fig. 1G)
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Balkenaufnahme wie in Beispiel 1, mit dem Unterschied, dass die Balken 3 und 3' als Metall/Kunststoff-Sandwich ausgeführt sind. Auch hier können die in den Beispielen 1 bis 4 gezeigten Befestigungsmöglichkeiten realisiert werden.
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Ausführungsbeispiel 8 (Fig. 1H)
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Im Gegensatz zu den oben gezeigten Ausführungsbeispielen ist hier die Balkenbefestigung nur einseitig ausgeführt, wobei auf der Rückseite zur Fixierung noch Beilagscheiben 47 und 47' verwendet werden. Die in den Beispielen 1 bis 7 gezeigten Untervarianten können hier ebenfalls realisiert werden.
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Ausführungsbeispiel 9 (Fig. 1I)
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In dieser Ausführungsvariante wird an der Zelle kein Balken angebracht. Die Zelle wird dabei mittels einer Vergussmasse 50 in einem Gehäuse untergebracht und somit die Vorrichtung zur Fixierung 3 ausgebildet. Alternativ kann anstelle des Gehäuses der Verguss direkt stehen. Um die Kraftaufnahme über die Ableiter 1 und 2 in die Zelle zu gewährleisten, werden an die Zelltaps überstehende Nieten 51 oder mittels Nieten Verbreiterungen angebracht. Über diese Verbreiterungen stützen sich die Zellen dann im Vergussmaterial ab.
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Ausführungsbeispiel 10 (Fig. 1J)
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In dieser Ausführungsvariante wird an der Zelle kein Balken angebracht. Die Zelle wird dabei mittels einer Vergussmasse 50 in einem Gehäuse untergebracht. Alternativ kann anstelle des Gehäuses der Verguss direkt stehen. Um die Kraftaufnahme über die Ableiter 1 und 2 in die Zelle zu gewährleisten, wird das Zellpack so ausgeführt, dass das Material des Zellpacks (Aluverbundfolie) übersteht, z. B. Ohren 52 oder Ausbuchtungen aufweist. Diese werden dann im Verguss mit eingegossen. Über diese Verbreiterungen stützen sich die Zellen dann im Vergussmaterial ab.
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Ausführungsbeispiel 11
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Im Unterschied zu den in den Beispielen 1–8 gezeigten Ausführungsbeispielen, bei denen die Balken Einzelteile sind, ist hier der Balken als Bestandteil des Batteriemodul-, des Zellblock- bzw. Systemgehäuses. Die Zellen werden also direkt mit den in den Beispielen 1–8 gezeigten Verfahren an einem übergeordneten Gehäuse befestigt.
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Ausführungsbeispiel 12
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In diesem Beispiel weist die Aluverbundfolie ebenfalls Überstände aus. Diese Überstände werden dann aber am Balken befestigt. Dabei können z. B. folgende Verbindungsverfahren angewandt werden:
- – Nieten
- – Schrauben
- – Klemmen
- – Formschlüssige Aufnahme von Zapfen o. ä.
- – Kleben
- – Schweißen
- – Löten
- – Clinchen
- – Nageln
- – Stecken
- – Clipsen
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Ausführungsbeispiel 13
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In diesem Beispiel wird der Balken direkt in die Zelle mit einlaminiert. Dadurch wird eine feste, kraftschlüssige Verbindung des Balkens mit der Zelle erreicht. Im Prinzip kann dabei der Balken an beliebiger Stelle der Zelle anlaminiert werden. Aufgrund der oben aufgeführten Gründe wird hier die Position an Höhe der Ableiter bevorzugt.
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2A und 2B zeigt je eine Explosionszeichnung zweier erfindungsgemäßer Energiespeicherzelleinheiten 10 und 10', die als Flachzelleneinheiten, beispielsweise Lithium-Ionen-Akkus, ausgebildet sind und jeweils an einer Seite, der Oberseite, über zwei Zu- bzw. Ableiter 1 und 2 verfügen. Die Perspektive ist dabei in 2A von der Vorderseite gewählt, während 2B die erfindungsgemäße Energiespeicherzelleinheiten von der anderen Seite zeigt. Diese Ableiter sind dabei als flache Metallkontakte ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fixierung 3, die in dieser Ausführungsform als länglicher Balken ausgestaltet ist, wird dabei auf eine Seite der Ableiter 1 und 2 aufgebracht; der Balken weist dabei über die Breite der jeweiligen Energiespeicherzelleinheiten 10 und 10' hinaus ragende Fixierelemente 4 und 5 auf. Weiterhin verfügt der Balken 3 über in seiner Mitte liegende Ausbuchtungen 6, die als Abstandshalter 6 bezüglich der benachbart angeordneten Energiespeicherzelleinheit 10' usw. dienen. Der Balken 3 weist ebenso zwei Durchbohrungen 8 und 9 auf, über die eine Fixierung mehrerer Energiespeicherzelleinheiten aneinander, wie in 2A und 2B dargestellt, beispielsweise durch Durchführung einer Gewindestange oder Ähnlichem, gewährleistet werden kann. Für diesen Fall müssen ebenso die Ableiter 1 und 2 dann entsprechende Durchbohrungen aufweisen. Auf der anderen Seite der Ableiter 1 und 2, als derjenigen Seite, auf der der Balken 3 aufliegt, sind als Gegenstück zu diesem Balken Beilagscheiben 47 bzw. 47' vorgesehen, so dass jeweils ein Ableiter 1 bzw. 2 zwischen dem Balken 3 und einer Beilagscheibe 47 bzw. 47' zum Liegen kommt und von diesen eingebettet ist.
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3A und 3B zeigen nun ein zusammengesetztes Ensemble zweier Energiespeicherzelleinheiten 10 und 10' mit den Bestandteilen, die in der Explosionszeichnung in 2A und 2B dargestellt sind. 3A entspricht dabei der auch in 2A und 2B dargestellten Perspektive, während 3B eine Rückseitenansicht darstellt. Erkennbar ist in 3B die Anordnung der Beilagscheiben 47 bzw. 47' auf der Rückseite der jeweiligen Ableiterstrukturen 1 und 2.
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Ebenso ist die Funktionsweise des Abstandshalters 6 erkennbar.
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4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls 20. Wie in dieser Explosionszeichnung dargestellt ist, kann eine parallele Anordnung aus insgesamt sechs der Energiespeicherzelleinheiten 10 in einen dafür vorgesehenen Modulisolator 21 eingebracht werden, wobei der Modulisolator 21 im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist, und zumindest an der Oberseite, d. h. der Seite, über die die parallel angeordneten Energiespeicherzelleinheiten 10 eingefügt werden können, offen ausgebildet ist. Der Modulisolator 21 weist an dieser offenen Seite eine Mehrzahl von Aufnahmemöglichkeiten auf, in die die Fixierelemente 4 und 5 der jeweiligen Energiespeicherzelleinheiten 10 eingelegt werden können, indem die Energiespeicherzelleinheiten 10 in dem Modulisolator 21 vollständig eingeführt werden. Diese Position stellt die Arbeitsposition der Energiespeicherzelleinheiten 10 dar. Somit sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Aufnahmemöglichkeiten 22 und die Fixierelemente 4 bzw. 5 komplementär zueinander ausgebildet. In der in 4 dargestellten Ausführung sind die Aufnahmemöglichkeiten 22 als entsprechende Ausbuchtungen ausgeformt. Weiter weist der Modulisolator 21 in Einführrichtung der Energiespeicherzelleinheiten 10 Führungsschienen bzw. entsprechende Aussparungen 23 auf, anhand derer die Position der Energiespeicherzelleinheiten 10 im Modulisolator 21 entsprechend festgelegt wird.
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Die jeweiligen Fixierelemente 4 bzw. 5 können beispielsweise zur weiteren Stoßdämpfung mit jeweils einem Gummihalter 30 versehen sein.
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Der Modulisolator 21 selbst ist wiederum in ein Modulgehäuse 25 einbringbar, das am Boden weiter einen Isolationsrahmen 31 sowie eine Zwischenkühlerplatte 26 aufweisen kann.
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Zur endgültigen Fixierung der Energiespeicherzelleinheiten 10 im Modulisolator wird diese mit einer Spannabstandsleiste 24, die quasi als Deckel fungiert, verschlossen, so dass die Energiespeicherzelleinheiten fest im Modulisolator 21 fixiert sind. Zur Steuerung der Energiespeicherzelleinheiten 10 kann weiter eine CSE-Platine 28 mit entsprechender Steuerelektronik vorhanden sein, die auf ein CSE-Gehäuseunterteil 28' aufgebracht werden kann. Die Einheit wird abschließend mit einem Moduldeckel 29 versehen.
