DE102010023915A1 - Energiespeicher und Kontaktelement für Energiespeicher - Google Patents

Energiespeicher und Kontaktelement für Energiespeicher Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher mit zwei oder mehrere in Reihe beschalteten Energiespeicherzellen sowie ein Kontaktelement für diesen Energiespeicher. Gattungsgemäße Energiespeicher umfassen in der Regel bspw. Doppelschichtkondensatoren und finden ihre Anwendungen in den Bereichen, wo Stromverbraucher eines Stromnetzes von einem elektrischen Energiespeicher mit einem elektrischen Strom mit einer großen Stromstärke gespeist werden. Erfindungsgemäß weist der Energiespeicher zumindest ein breitflächig ausgeführtes Kontaktelement 30 auf, welches zwei Bodenbereiche (311, 321) und zumindest zwei elastisch bzw. elastoplastisch verformbare Federbereiche (312, 322) aufweist und die beiden Energiespeicherzellen (11, 12) mittels der Bodenbereiche (311, 321) elektrisch verbindet und durch elastische bzw. elastoplastische Federbereiche (312, 322) die Längenänderung bzw. Längenausdehnung der Energiespeicherzellen (11, 12) bzw. des Energiespeichers ausgleicht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Kontaktelement für diesen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
  • Gattungsgemäße Energiespeicher umfassen in der Regel zwei oder mehrere in Reihe beschalteten Energiespeicherzellen bspw. Doppelschichtkondensatoren und finden ihre Anwendungen in den Bereichen, wo Stromverbraucher eines Stromnetzes von einem elektrischen Energiespeicher mit einem elektrischen Strom mit einer großen Stromstärke gespeist werden. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist ein Energiespeicher im Automobilbereich, wo das Bordnetz des Fahrzeugs bspw. bei einer Startphase des Fahrzeugverbrennungsmotors von dem Energiespeicher einen Strom mit einer Stromstärke von mindestens 1000 A über 3 Sekunden abnimmt.
  • Bedingt durch die physikalischen Eigenschaften bzw. alterungsbedingt dehnen sich die Energiespeicherzellen im Laufe der Zeit bzw. während des Betriebs des Energiespeichers entlang deren Längsachse aus.
  • Zudem sind die Energiespeicherzellen einer ständigen Wechselbelastung durch Lade-/Entlade-Zyklen ausgesetzt.
  • Durch elektrochemische Prozesse im Innern der Zellen bei Lade-/Entlade-Phasen entsteht im Innern der Zellen Wärme, welche dazu führt, dass sich die Zellen erwärmen und entlang der Längsachse ausdehnen.
  • Ferner sind die Energiespeicherzellen der ständigen Temperaturveränderung vom Umfeld ausgesetzt.
  • So dehnen sich die Energiespeicherzellen einerseits entsprechend der relativ hohen Frequenz der ständigen Lade-/Entlade-Phasen aus, wobei das Ausmaß der Längenveränderung bei den Energiespeicherzellen hier nur einzehntel Millimeter beträgt.
  • Andererseits dehnen sich die Energiespeicherzellen abhängig von den Schwankungen der Umgebungstemperatur aus, wobei die Längenveränderung hier im Vergleich zu den Lade-/Entlade-Phasen langsam verläuft.
  • Insgesamt dehnen sich die Energiespeicherzellen über die gesamte Lebensdauer bis zu einigen Millimetern aus.
  • Da das Gehäuse des Energiespeichers, in dem die Energiespeicherzellen angeordnet sind, selbst starr und somit nicht ausdehnbar ausgeführt ist, bedarf es eine Komponente im Innen des Gehäuses, welche die Ausdehnung bei den Zellen stets ausgleichen kann.
  • Zudem besteht aufgrund der durch die Zellen fließenden starken Ströme die Anforderung, dass diese Komponente selbst niederohmig ist und starke Ströme mit möglichst geringer Verlustleistung weiterleiten kann.
  • Außerdem sollen sowohl die relativ „hochfrequenten” Längenveränderung bei den Energiespeicherzellen infolge der ständigen Lade-/Entlade-Phasen als auch die „niederfrequenten” Längenveränderung infolge der Schwankungen der Umgebungstemperatur sowie die Ausdehnung der Energiespeicherzellen über die gesamte Lebensdauer der Zellen abgefangen bzw. ausgeglichen werden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, ein Energiespeicher der eingangs genannten Art so zu modifizieren, dass dieser die oben genannten Anforderungen erfüllen. Ferner ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kontaktelement für den erfindungsgemäßen Energiespeicher bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Energiespeicher mit zumindest einem breitflächig und einstückig ausgeführten Kontaktelement mit zwei Bodenbereichen und zumindest zwei elastisch oder elastoplastisch verformbaren Federbereichen gelöst, wobei das Kontaktelement mit einem ersten Bodenbereich mit dem Minuspol der ersten Energiespeichereinheit (bzw. Energiespeicherzelle) und mit einem zweiten Bodenbereich mit dem Pluspol der zweiten Energiespeichereinheit bzw. mit einem ersten Bodenbereich mit dem Minus- bzw. Pluspol des Energiespeichers und mit einem zweiten Bodenbereich mit dem Minus- bzw. Pluspol der einen Energiespeichereinheit nämlich Energiespeicherzelle elektrisch kontaktiert ist.
  • Die einstückige Ausführung des Kontaktelements hat die Vorteile, dass dieses Kontaktelement in einfachen wenigen Fertigungsschritten in den Energiespeicher eingebaut werden kann. Durch einstückige Ausführung hat das Kontaktelement bzw. der Schaltkreis zwischen den Energiezellen im Energiespeicher bzw. zwischen den Anschlüssen des Energiespeichers und der Energiezellen wenige zueinander bewegliche Kontaktübergänge, welche beim Betrieb des Energiespeichers durch bspw. Vibration voneinander losbewegen und fallen können. Zudem ist der Übergangswiderstand bei dem Kontaktelement wesentlich geringer als bei einem nicht einstückig ausgebildeten Kontaktelement mit zueinander bspw. kraftschlüssig verbundenen Kontaktteilen.
  • Durch elastische bzw. elastoplastische Verformung der Federbereiche gleicht das Kontaktelement die Längenänderung bzw. Längenausdehnung der Energiespeichereinheiten bzw. des Energiespeichers aus. Dank der breitflächigen Ausführung ermöglicht das Kontaktelement Durchfließen eines elektrischen Stromes mit einer Stromstärke von über 1000 A zwischen den Energiespeichereinheiten bzw. von den Energiespeichereinheiten zu dem Minus- bzw. Pluspol des Energiespeichers ohne nennenswerten Leistungsverlust durch niedrigen Innenwiderstand.
  • Die Anordnung des Kontaktelements zwischen den beiden Energiespeicherzellen hat die Vorteile, dass die beiden Energiespeicherzellen in einer Seite jeweils mit dem jeweiligen Anschlusselement des Energiespeichers fest und bewegungsfrei befestigt und gelötet werden können und in anderer Seite in Längsrichtung des Energiespeichers jedoch beweglich bleiben, welche vorteilhaft für die Kompensation in Längsrichtung ist. Zudem kann am elektrisch leitenden Kontaktelement auch die Mittelspannung zwischen den beiden Energiespeicherzellen abgegriffen werden, ohne eine zusätzliche Komponente zum Mittelspannungsabgriff an einer der beiden Energiespeicherzellen zusätzlich angebracht werden muss.
  • Vorzugsweise weist das Kontaktelement eine Ausformung zum Spannungsabgriff zum Messen des Spannungspotentials am Kontaktelement auf. Dank dieser Ausformung können die unerhofften Spannungsunterschiede zwischen den Energiespeicherzellen erfasst und bei Bedarf mittels geeigneten Verfahren ausgeglichen werden. Dabei ist das freiliegende Ende der Ausformung mit einem niederohmigen Material wie bspw. Nickel, Kupfer oder Nickel-Kupfer-Legierung zum Schutz gegen Korrosion beschichtet.
  • Das Kontaktelement ist vorteilhafterweise aus einem ersten Kontaktteil und einem zweiten Kontaktteil zusammengebaut, wobei die ersten und zweiten Kontaktteile zueinander gelötet bzw. geschweißt sind. Dabei weisen der erste und zweite Kontaktteil jeweils einen Bodenbereich und zumindest zwei Federbereiche auf. Die beiden Federbereiche eines Kontaktteils und der Bodenbereich dieses Kontaktteils sind vorzugsweise einstückig ausgebildet und vorzugsweise aus einer Metallplatte bzw. Aluminiumplatte einstückig ausgestanzt.
  • Die beiden Kontaktteile weisen an den freiliegenden Enden der Federbereiche jeweils einen im Wesentlichen parallel zu dem Bodenbereich verlaufenden breitflächigen Endbereich auf, wobei die Endbereiche der korrespondierenden Federbereiche der beiden Kontaktteile zueinander kaltgeschweißt bzw. kaltgelötet sind. Dabei sind die Boden- und Federbereiche so breitflächig ausgeführt, dass die Kontaktteile eine Übertragung von elektrischem Strom von Höhe 1000 A ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird ferner mit einem breitflächig und einstückig ausgeformten Kontaktelement für den Energiespeicher der eingangs genannten Art gelöst, welches zwei Bodenbereiche und zumindest zwei elastisch bzw. elastoplastisch verformbare Federbereiche aufweist, wobei das Kontaktelement mit einem ersten Bodenbereich mit dem Minuspol der ersten Energiespeichereinheit und mit einem zweiten Bodenbereich mit dem Pluspol der zweiten Energiespeichereinheit, bzw. mit einem ersten Bodenbereich mit dem Minus- bzw. Pluspol des Energiespeichers und mit einem zweiten Bodenbereich mit dem Minus- bzw. Pluspol der einen Energiespeichereinheit elektrisch kontaktiert ist, und durch elastische bzw. elastoplastische Verformung die Längenänderung bzw. Längenausdehnung der Energiespeichereinheiten ausgleicht, und Durchfließen eines elektrischen Stromes mit einer Stromstärke von über 1000 A zwischen den Energiespeichereinheiten bzw. von den Energiespeichereinheiten zu dem Minus- bzw. Pluspol des Energiespeichers ermöglicht.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutet. Als Ausführungsbeispiel dient ein Energiespeicher für Elektroantrieb eines Fahrzeugs. Dabei zeigt
  • 1 den erfindungsgemäßen Energiespeicher mit zwei in Reihe beschalteten Energiespeicherzellen in schräger Draufsicht und ohne das Gehäuse,
  • 2 den erfindungsgemäßen Energiespeicher ohne das Gehäuse in Explosionsansicht.
  • In beiden Figuren sind lediglich die Komponenten des erfindungsgemäßen Energiespeichers dargestellt, welche für die Beschreibung der Erfindung erforderlich sind. Der erfindungsgemäße Energiespeicher weist je nach Ausführungen mehr oder weniger weitere Komponenten wie z. B. Gehäuse, Elektronik zur Überwachung der Energiespeicherzellen.
  • Gemäß den beiden Figuren umfasst der Energiespeicher zwei in Reihe beschalteten Energiespeicherzellen 11, 12 und zwei Anschlusselemente 21, 22, also Minus- bzw. Pluspole des Energiespeichers, welche die Plus- und Minuspole der jeweiligen Zellen 11, 12 mit den jeweiligen Stromanschlüssen des Energiespeichers elektrisch verbinden.
  • Ferner weist der Energiespeicher ein die beiden Zellen 11, 12 elektrisch verbindendes Kontaktelement 30 auf, welches erfindungsgemäß zum Ausgleichen der Ausdehnung der beiden Zellen 11, 12 in deren Längsachse dient und somit auch als Kompensationselement bezeichnet werden kann.
  • Das Kontaktelement 30 besteht, wie die Explosionsansicht der 2 darstellt, aus zwei zueinander weitgehend symmetrischen Kontaktteilen 31, 32, welche jeweils einen Bodenbereich 311, 321 und vier Federarme 312, 322 aufweisen. Der eine Kontaktteil 32 weist zusätzlich eine Ausformung 40 zum Spannungsabgriff auf, womit das Spannungspotential am Kontaktelement 30 gemessen werden kann.
  • Die Federarme 312, 322, der Bodenbereich 311, 321 sowie die Ausformung 40 zum Spannungsabgriff jedes Kontaktteils 31, 32 sind aus dem Walzaluminium mit wenig Materialverlust einstückig ausgestanzt und in die entsprechende Form gebogen.
  • Die Federarme 312, 322 sind elastisch bzw. elastoplastisch verformbar. Durch elastische bzw. elastoplastische Verformung kompensieren die Federarme 312, 322 bzw. das Kontaktelement 30 die Längenänderung bzw. Längenausdehnung der Energiespeicherzellen 11, 12.
  • Mit dem Bodenbereich 311 ist der Kontaktteil 31 am Minuspol der ersten Energiespeicherzelle 11 fest angeschweißt. Analog ist der andere Kontaktteil 32 am Pluspol der zweiten Energiespeicherzelle 12 mit dem Bodenbereich 321 fest angeschweißt. Da die Anschlüsse der beiden Energiespeicherzellen 11, 12 aus Aluminium bestehen, können die Kontaktteile 31, 32, welche ebenfalls aus Aluminium hergestellt sind, mittels einfachen Schweißverfahrens an den Anschlüssen fest geschweißt werden.
  • So sind niederohmige stoffschlüssige Verbindungen zwischen den Kontaktteilen 31, 32 und den Anschlüssen an den Zellen 11, 12 kostengünstig hergestellt, welche zugleich resistent gegen elektro-chemische Korrosion und Materialermüdung sind.
  • Die Federarme 312, 322, der Bodenbereich 311, 321 sowie die Ausformung 40 sind so breitflächig ausgeführt, dass die Kontaktteile 31, 32 bzw. das Kontaktelement 30 niederohmig ist und einen Stromdurchfluss zwischen den beiden Zellen 11, 12 mit einer Stromstärke von 1000 A über 3 Sekunden mit einer vernachlässigbaren Verlustleistung ermöglicht.
  • Die freiliegenden Enden 313, 323 der Federarme 312, 322 der Kontaktteile 31, 32 sind parallel zu den jeweiligen Bodenbereichen 311, 321 verlaufend und breitflächig gebogen. Die zueinander korrespondierenden Enden 313, 323 der Federarme 312, 322 der beiden Kontaktteile 31, 32 sind zueinander kaltgeschweißt bzw. kaltgelötet. So bilden die beiden Kontaktteile 31, 32 zusammengeschweißt das niederohmige Kontaktelement 30 zur Übertragung vom elektrischen Strom zwischen den beiden Energiespeicherzellen 11, 12 und zugleich zur Kompensation der Längenausdehnung bei den Zellen 11, 12.
  • Durch die stoffschlüssige Verbindung vom Kontaktelement 30 zu den beiden Energiespeicherzellen 11, 12 aus nur Aluminium ist die elektro-chemische Korrosion zwischen verschiedenen Materialien in der feucht warmen Umgebung vermieden.
  • Die relative große Ausdehnung der Zellen 11, 12, welche durch Alterungseffekten in den Zellen 11, 12 und thermische Ausdehnung des Wickels und durch Entstehung von Elektrolytdampfspannung verursacht wird, kann durch die elastische bzw. elastoplastische Verformung der Federarmen 312, 322 des Kontaktelements 30 einfach aufgefangen werden.
  • So ist ein Kontaktelement für Energiespeicher mit in Reihe beschalteten Energiespeicherzellen geschaffen, welches zugleich als „Kompensationselement” dient und sowohl die ständigen „hochfrequenten” Längenveränderung der Zellen infolge der ständigen Lade-/Entladephasen als auch die „niederfrequenten” Längenveränderung der Zellen infolge der Schwankungen der Umgebungstemperatur sowie die Ausdehnung der Zellen über die gesamte Lebensdauer ohne Materialermüdung ausgleichen kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 11, 12
    Energiespeicherzelle
    21, 22
    Anschlusselemente bzw. Minus- bzw. Pluspole des Energiespeichers
    30
    Kontaktelement
    31, 32
    Kontaktteil des Kontaktelements
    311, 321
    Bodenbereich des Kontaktelements
    312, 322
    Federarm des Kontaktelements
    313, 323
    Endbereich des Federarms
    40
    Ausformung zum Spannungsabgriff
    41
    Freiliegendes Ende der Ausformung

Claims (15)

  1. Energiespeicher mit zumindest zwei zueinander in einer Reihe angeordneten Energiespeichereinheiten (11, 12), dadurch gekennzeichnet, dass – der Energiespeicher zumindest ein breitflächig und einstückig ausgeführtes Kontaktelement (30) aufweist, – wobei dieses Kontaktelement (30) zwei Bodenbereiche (311, 321) und zumindest zwei elastisch bzw. elastoplastisch verformbare Federbereiche (312, 322) aufweist, – wobei das Kontaktelement (30) mit einem ersten Bodenbereich (311) mit dem Minuspol der ersten Energiespeichereinheit (11) und mit einem zweiten Bodenbereich (321) mit dem Pluspol der zweiten Energiespeichereinheit (12) elektrisch kontaktiert ist, und – durch elastische bzw. elastoplastische Verformung der Federbereiche (312, 322) die Längenänderung bzw. Längenausdehnung der Energiespeichereinheiten (11, 12) bzw. des Energiespeichers ausgleicht.
  2. Energiespeicher mit zumindest zwei zueinander in einer Reihe angeordneten Energiespeichereinheiten (11, 12), dadurch gekennzeichnet, dass – der Energiespeicher zumindest ein breitflächig und einstückig ausgeführtes Kontaktelement (30) aufweist, – wobei dieses Kontaktelement (30) zwei Bodenbereiche (311, 321) und zumindest zwei elastisch bzw. elastoplastisch verformbare Federbereiche (312, 322) aufweist, – wobei das Kontaktelement (30) mit einem ersten Bodenbereich (311) mit dem Minus- bzw. Pluspol (21, 22) des Energiespeichers und mit einem zweiten Bodenbereich (321) mit dem Minus- bzw. Pluspol der einen Energiespeichereinheit (11, 12) elektrisch kontaktiert ist, und – durch elastische bzw. elastoplastische Verformung der Federbereiche (312, 322) die Längenänderung bzw. Längenausdehnung der Energiespeichereinheiten (11, 12) bzw. des Energiespeichers ausgleicht.
  3. Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kontaktelement (30) aus einem niederohmigen Material besteht und breitflächig und einstückig ausgeführt ist, sodass dieses Kontaktelement (30) ein Durchfließen eines elektrischen Stromes mit einer Stromstärke von 1000 A über 3 Sekunden zwischen den Energiespeichereinheiten (11, 12) bzw. von den Energiespeichereinheiten (11, 12) zu dem Minus- bzw. Pluspol (21, 22) des Energiespeichers ermöglicht.
  4. Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (30) eine Ausformung (40) zum Spannungsabgriff zum Messen des Spannungspotentials am Kontaktelement (30) aufweist.
  5. Energiespeicher nach Anspruch 4, wobei das freiliegende Ende (41) der Ausformung (40) mit einem niederohmigen Material gegen Korrosion beschichtet ist.
  6. Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (30) aus einem ersten Kontaktteil (31) und einem zweiten Kontaktteil (32) zusammengebaut ist, wobei der erste und zweite Kontaktteil (31, 32) jeweils einen Bodenbereich (311, 321) und zumindest zwei Federbereiche (312, 322) aufweist.
  7. Energiespeicher nach Anspruch 6, wobei die beiden Federbereiche (312, 322) eines Kontaktteils (31, 32) und der Bodenbereich (311, 321) dieses Kontaktteils (31, 32) einstückig ausgebildet sind.
  8. Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (30) bzw. die Kontaktteile (31, 32) des Kontaktelements (30) aus einer Metallplatte einstückig gestanzt sind.
  9. Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (30) bzw. die Kontaktteile (31, 32) des Kontaktelements (30) aus Aluminium bestehen.
  10. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die beiden Kontaktteile (31, 32) an den freiliegenden Enden der Federbereiche (312, 322) jeweils einen im Wesentlichen parallel zu dem Bodenbereich (311, 321) verlaufenden breitflächigen Endbereich (313, 323) aufweisen, wobei die Endbereiche der korrespondierenden Federbereiche (313, 323) der beiden Kontaktteile (31, 32) zueinander kaltgeschweißt bzw. kaltgelötet sind, wobei die Endbereiche (313, 323) so breitflächig ausgeführt sind, dass die Kontaktteile (31, 32) bzw. das Kontaktelement (30) eine Übertragung von elektrischem Strom von 1000 A über 3 Sekunden ermöglichen.
  11. Kontaktelement für elektrische Verbindung zwischen zwei in Reihe beschalteten Energiespeichereinheiten (11, 12) eines Energiespeichers, dadurch gekennzeichnet, dass – das Kontaktelement (30) zwei Bodenbereiche (311, 321) und zumindest zwei elastisch bzw. elastoplastisch verformbare Federbereiche (312, 322) aufweist und breitflächig und einstückig geformt ist, – wobei das Kontaktelement (30) durch elastische bzw. elastoplastische Verformung der Federbereiche (312, 322) die Längenänderung bzw. Längenausdehnung der Energiespeichereinheiten (11, 12) bzw. des Energiespeichers ausgleicht, – wobei das Kontaktelement (30) aus einem niederohmigen Material besteht und breitflächig und einstückig geformt ist, sodass dieses Kontaktelement (30) ein Durchfließen eines elektrischen Stromes mit einer Stromstärke von 1000 A über 3 Sekunden zwischen den Energiespeichereinheiten (11, 12) ermöglicht.
  12. Kontaktelement nach Anspruch 11, wobei das Kontaktelement (30) eine Ausformung (40) zum Spannungsabgriff zum Messen des Spannungspotentials am Kontaktelement (30) aufweist.
  13. Kontaktelement nach Anspruch 12, wobei das freiliegende Ende (41) der Ausformung (40) mit einem niederohmigen Material gegen Korrosion beschichtet ist.
  14. Kontaktelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Kontaktelement (30) einen ersten Kontaktteil (31) und einen zweiten Kontaktteil (32) umfasst, wobei der erste und zweite Kontaktteil (31, 32) jeweils einen Bodenbereich (311, 321) und zumindest zwei Federbereiche (312, 322) aufweist, wobei die beiden Federbereiche (312, 322) eines Kontaktteils (31, 32) und der Bodenbereich (311, 321) dieses Kontaktteils (31, 32) einstückig ausgebildet sind, wobei das Kontaktelement (30) bzw. die Kontaktteile (31, 32) des Kontaktelements (30) aus einer Metallplatte, insb. aus Aluminiumplatte einstückig gestanzt sind.
  15. Kontaktelement nach Anspruch 14, wobei die beiden Kontaktteile (31, 32) an den freiliegenden Enden der Federbereiche (312, 322) jeweils einen im Wesentlichen parallel zu dem Bodenbereich (311, 321) verlaufenden breitflächigen Endbereich (313, 323) aufweisen, wobei die Endbereiche der korrespondierenden Federbereiche (313, 323) der beiden Kontaktteile (31, 32) zueinander kaltgeschweißt bzw. kaltgelötet sind, wobei die Endbereiche (313, 323) so breitflächig ausgeführt sind, dass die Kontaktteile (31, 32) eine Übertragung von elektrischem Strom von 1000 A über 3 Sekunden ermöglichen.
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