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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit Flachzellen und Abstandselementen.
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Es ist bekannt, eine Elektroenergie-Speichervorrichtung aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Speicherzellen aufzubauen, die mittels einer Spanneinrichtung zu einem Block zusammengefasst sind. Solche Speicherzellen sind zum Beispiel so genannte Pouch- oder Coffeebag-Zellen als flach und rechteckig gebaute Speicherzellen für Elektroenergie (Batteriezellen, Akkumulatorzellen, Kondensatoren, ...), deren elektrochemisch aktiver Teil von einer folienartigen Verpackung umgeben ist, durch welche elektrische Anschlüsse in Blechform, die so genannten (Strom-)Ableiter geführt sind. Die elektrische Reihen- oder Parallelschaltung der Zellen erfolgt durch leitfähige Kontaktelemente, welche die elektrische Verbindung zwischen den entsprechenden Stromableitern benachbarter Zellen herstellen. Dabei ist es verbreitet, die Zellen in einem Stapel, lose in einem Gestell aufgenommen oder über eine Klammer oder dergleichen zusammengepresst, anzuordnen und die oben freiliegenden Pole bzw. Stromableiter mit geeigneten Mitteln zu verbinden. Eine derartige elektrochemische Energiespeichervorrichtung ist zum Beispiel in der
WO 2010/081704 A2 der Anmelderin beschrieben.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektrochemische Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, in der eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen mit auf einer Schmalseite angeordneten Stromableitern in einem stabilen Block angeordnet, sicher fixiert und zuverlässig verschaltet ist.
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Die Aufgabe wird durch eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
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Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung der Erfindung weist eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen, die jeweils einen ersten Stromableiter und einen zweiten Stromableiter an einer Schmalseite der Speicherzelle aufweisen; eine Mehrzahl von Abstandselementen, die jeweils zwischen zwei Speicherzellen zum Einhalten eines vorbestimmten Abstandes zwischen den Speicherzellen angeordnet sind; und eine Spanneinrichtung zum Verspannen der Speicherzellen und Abstandselemente zu einem Stapel auf. Die Abstandselemente weisen jeweils an ihren beiden Seiten, die einer Speicherzelle zugewandt sind, eine erste Druckfläche und eine zweite Druckfläche auf. Dabei ist jeweils der eine Stromableiter der Speicherzellen zwischen den ersten Druckflächen zweier Abstandselemente mittels Kraftschluss durch die Spanneinrichtung eingespannt und ist der andere Stromableiter der Speicherzellen zwischen den zweiten Druckflächen zweier Abstandselemente mittels Kraftschluss durch die Spanneinrichtung eingespannt. Ferner ist jeweils im Bereich der ersten Druckflächen und/oder im Bereich der zweiten Druckflächen eines Abstandselements ein Kontaktelement zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten bzw. zweiten Druckflächen eines Abstandselements vorgesehen. Außerdem sind die Abstandselemente und/oder die Kontaktelemente so ausgestaltet, dass die Stauchungen zwischen den ersten Druckflächen und zwischen den zweiten Druckflächen aneinander angeglichen sind.
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Da die Stromableiter der Speicherzellen jeweils zwischen den ersten bzw. zweiten Druckflächen zweier Abstandselemente mittels Kraftschluss durch die Spanneinrichtung eingespannt sind, wird ein vorbestimmter Abstand zwischen benachbarten Speicherzellen des Zellenblocks eingehalten, der so eingestellt sein kann, dass auf einen elektrochemisch aktiven Teil der Speicherzellen keine Klemmkraft ausgeübt wird. Dies hat Vorteile hinsichtlich Funktionssicherheit, Haltbarkeit und Temperaturhaushalt der Speicherzellen.
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Da ferner im Bereich der Druckflächen Kontaktelemente zur elektrischen Verbindung der ersten und/oder zweiten Druckflächen vorgesehen sind, können die Stromableiter benachbarter Zellen ohne zusätzliche Verbinder in der gewünschten Weise (d. h. Serienschaltung oder Parallelschaltung) elektrisch verbunden werden. Die Kontaktelemente können mit den Abstandselementen vormontiert werden oder ein Abstandselement selbst bilden; dies erleichtert die Montage. Da ferner die Kontaktelemente als Teil der Abstandselemente über die Spanneinrichtung mit verspannt und daher ortsfest gehalten werden, können sie im Betrieb der Vorrichtung nicht verloren gehen bzw. sind keine weiteren Sicherungsmaßnahmen erforderlich, um solches zu verhindern.
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Da schließlich die Stauchungen zwischen den ersten Druckflächen und zwischen den zweiten den Druckflächen im Wesentlichen aneinander angeglichen sind, können die über die ersten und zweiten Druckflächen auf die Stromableiter der Speicherzellen ausgeübten Kräfte gleichmäßig aufgenommen und verteilt werden und werden beim Verspannen durch die Spanneinrichtung ein einseitiges Nachgeben der Abstandselemente und ein Verziehen der Gesamtstruktur des Stapels vermieden.
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Unter einer „elektrochemischen Energiespeichervorrichtung” soll vorliegend jede Art von Energiespeicher verstanden werden, dem elektrische Energie entnommen werden kann, wobei im Innern des Energiespeichers eine elektrochemische Reaktion abläuft. Der Begriff umfasst Energiespeicher aller Art, insbesondere Primärbatterien und Sekundärbatterien. Die mehreren elektrochemischen Zellen der Energiespeichervorrichtung können zum Speichern einer größeren Ladungsmenge parallel geschaltet sein oder zur Erzielung einer gewünschten Betriebsspannung in Serie geschaltet sein oder eine Kombination aus Parallel- und Serienschaltung bilden.
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Unter einer „elektrochemischen Zelle” oder „elektrochemischen Energiespeicherzelle” ist vorliegend eine Vorrichtung zu verstehen, welche der Abgabe elektrischer Energie dient, wobei die Energie in chemischer Form gespeichert wird. Im Fall von wiederaufladbaren Sekundärbatterien ist die Zelle auch ausgebildet, um elektrische Energie aufzunehmen, in chemische Energie umzuwandeln und abzuspeichern.
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Unter einem „Stromableiter” soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein elektrisch leitendes Konstruktionselement einer elektrochemischen Speicherzelle verstanden werden, welches zum Transport elektrischer Energie in die Speicherzelle oder aus der Speicherzelle heraus dient. Elektrochemische Speicherzellen weisen üblicherweise zwei Arten von Stromableitern auf, die jeweils mit einer der beiden Elektroden oder Elektrodengruppen – Anoden bzw. Kathoden – im Innern der Speicherzelle elektrisch leitend verbunden sind. Mit anderen Worten weist jede Elektrode des Elektrodenstapels der Speicherzelle einen eigenen Stromableiter auf bzw. sind die Elektroden gleicher Polarität des Elektrodenstapels mit einem gemeinsamen Stromableiter verbunden. Demgemäß weist jede Speicherzelle einen ersten Stromableiter (z. B. für den Pluspolanschluss) und einen zweiten Stromableiter (z. B. für den Minuspolanschluss) auf. Die Gestalt der Stromableiter ist an die Gestalt der Speicherzelle bzw. ihres Elektrodenstapels angepasst.
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Vorzugsweise weisen die Abstandselemente jeweils zudem an ihren beiden Seiten, die einer Speicherzelle zugewandt sind, im Bereich einer Schmalseite, an der die Stromableiter der Speicherzelle nicht angeordnet sind, eine dritte Druckfläche auf. Die Abstandselemente und/oder die Kontaktelemente sind dann so ausgestaltet, dass die Stauchungen zwischen den ersten Druckflächen, zwischen den zweiten Druckflächen und zwischen den dritten Druckflächen aneinander angeglichen sind.
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Die dritte Druckfläche der Abstandselemente ist bevorzugt im Bereich einer den ersten und zweiten Druckflächen gegenüber liegenden Schmalseite der Abstandselemente vorgesehen. Alternativ kann die dritte Druckfläche auch im Bereich einer Schmalseite der Abstandselemente vorgesehen sein, die an jene Schmalseite angrenzt, an welcher die ersten und zweiten Druckflächen vorgesehen sind. Ferner besteht die Möglichkeit, dritte Druckflächen in mehreren Bereichen der mehreren genannten Schmalseiten der Abstandselemente vorzusehen.
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Mit Hilfe der dritten Druckflächen der Abstandselemente können die Speicherzellen des Stapels in vorteilhafter Weise an einer weiteren Stelle gehalten werden. Vorzugsweise nehmen die dritten Druckflächen von zwei benachbarten Abstandselementen einen Abschnitt einer Umhüllung der Speicherzelle bzw. einer Siegelnaht einer solchen Umhüllung zwischen sich auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Speicherzellen des Stapels in Reihe geschaltet. Zu diesem Zweck sind vorzugsweise die Speicherzellen derart hintereinander gestapelt, dass die ersten Stromableiter und die zweiten Stromableiter der Speicherzellen jeweils abwechselnd hintereinander angeordnet sind. Außerdem ist jeweils im Bereich der einen Druckflächen eines Abstandselements ein Kontaktelement zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen einen Druckflächen des Abstandselements vorgesehen und ist jeweils im Bereich der anderen Druckflächen eines Abstandselements eine Isolierkonstruktion zum Bilden einer elektrischen Isolierung zwischen diesen anderen Druckflächen des Abstandselements vorgesehen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Speicherzellen des Stapels parallel geschaltet. Zu diesem Zweck sind vorzugsweise die Speicherzellen derart hintereinander gestapelt, dass die ersten die ersten Stromableiter aller Speicherzellen hintereinander angeordnet sind und die zweiten Stromableiter aller Speicherzellen hintereinander angeordnet sind. Außerdem ist jeweils im Bereich der ersten Druckflächen und im Bereich der zweiten Druckflächen eines Abstandselements ein Kontaktelement zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten bzw. zweiten Druckflächen eines Abstandselements vorgesehen.
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Vorzugsweise weist die Spanneinrichtung eine Mehrzahl, vorzugsweise zwei oder vier, von Zugankern auf, die sich durch Bohrungen in den ersten bzw. zweiten Stromableitern hindurch erstrecken. Durch eine solche Anordnung wird die Spannkraft dort konzentriert, wo die Klemmkraft wirken soll, nämliche auf den Stromableitern.
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Zur Vermeidung von Kurzschlüssen sind die Zuganker vorzugsweise mit einem elektrisch isolierenden Material ummantelt oder mit einer durchgehenden Isolierhülse umgeben.
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Vorzugsweise sind die Kontaktelemente aus einem elektrisch leitenden Material gebildet und in die Abstandselemente aufgenommen.
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Die Isolierkonstruktionen weisen vorzugsweise jeweils wenigstens ein Stützelement aus einem elektrisch isolierenden Material (bevorzugt Glas- oder Keramikmaterial) auf, das in dem jeweiligen Abstandselement aufgenommen ist.
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Durch die derart ausgebildeten und angeordneten Kontaktelemente bzw. Stützelemente kann der Materialeinsatz für die besonderen Aufgaben der Kontaktierung und Abstützung minimiert werden und auch das Gesamtgewicht durch Einsparung des üblicherweise schwereren Materials für die Kontaktierung verringert werden.
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Besonders bevorzugt ist die Stirnfläche der Stützelemente wenigstens gleich groß, insbesondere größer als die Stirnfläche der Kontaktelemente. So können die Verpresskräfte zuverlässig aufgenommen und Beschädigungen der Abstandselemente vermieden werden.
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Vorzugsweise sind die Kontaktelemente und die Stützelemente im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet und in entsprechenden Ausnehmungen in den Abstandselementen aufgenommen. Die Spanneinrichtung, d. h. vorzugsweise die Zuganker verlaufen dann bevorzugt durch diese hülsenförmigen Kontakt- bzw. Stützelemente hindurch.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die Kontakt- und/oder Stützelemente vorzugsweise leistenförmig ausgebildet und in entsprechenden Ausnehmungen in den Abstandselementen aufgenommen und mit Durchgangslöchern versehen, in welchen die Zuganker verlaufen. In einer weiteren Alternative sind die Abstandselemente vollständig als Stützelement oder als Kontaktelement ausgebildet. In allen Fällen wird eine besonders platzsparende Anordnung erreicht, in welcher Kontaktierung und Verspannung durch konzentrische Bauelemente verwirklicht sind. Zusätzlich wir die Spannkraft der Spanneinrichtung auf die Kontaktelemente konzentriert und daher ein besonders zuverlässiger elektrischer Kontakt erzielt.
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Vorzugsweise ist jedes Abstandselement als ein im Wesentlichen vierseitiger Rahmen ausgebildet. Besonders bevorzugt sind dabei zwei parallele Rahmenseiten jeweils mit Druckstegen mit stirnseitig gegenüber liegenden ersten/zweiten bzw. dritten Druckflächen ausgebildet. So ist jede Speicherzelle in Stapelrichtung zwischen zwei Rahmen angeordnet, und der Abstand der Abstandselemente quer zur Stapelrichtung ist durch die die Druckstege verbindenden Rahmenseiten fest vorgegeben. Daher stabilisiert sich der Stapel aus Speicherzellen und Abstandselementen bereits beim Zusammenbau selbst.
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Besonders bevorzugt weist der Stapel zwei leitfähige, vorzugsweise rahmenförmige Druckendstücke auf, die auf dem ersten bzw. letzten Abstandselement in Stapelrichtung aufliegen, über die Spanneinrichtung mit dem Stapel verspannt sind und jeweils über die Kontaktelemente in dem ersten bzw. letzten Abstandselement mit einem Stromableiter der ersten bzw. letzten Speicherzelle elektrisch verbunden sind. Auf diese Weise dienen die Endstücke als Pole der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung, an denen die Gesamtspannung abgegriffen werden kann.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren anwendbar.
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Die vorstehenden und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung deutlicher ersichtlich werden, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angefertigt wurde. Darin zeigen, größtenteils schematisch und nicht immer maßstabsgetreu:
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1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Zellenblocks im zusammengebauten Zustand;
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2 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Zellenblocks von 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in teilweise zusammengebautem Zustand;
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3 eine Teildraufsicht des Zellenblocks von 2 im horizontalen Längsschnitt;
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4 eine vergrößerte Ansicht der Einzelheit IV in 3;
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5 einen Rahmen des Zellenblocks von 2 mit Kontaktelementen in Explosionsdarstellung;
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6 eine schematische Draufsicht auf eine Schmalseite des Zellenblocks von 2 zur Erläuterung der Serienschaltung der Speicherzellen;
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7 einen Rahmen eines Zellenblocks gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer 5 entsprechenden Ansicht;
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8 eine vergrößerte Teilansicht eines Zellenblocks gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer 4 analogen Ansicht;
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9 einen Rahmen des Zellenblocks von 8 mit Kontaktelementen in Explosionsdarstellung;
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10 eine schematische Draufsicht auf eine Schmalseite des Zellenblocks von 8 zur Erläuterung der Parallelschaltung der Speicherzellen; und
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11 eine vergrößerte Teilansicht eines Zellenblocks gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in einer 4 entsprechenden Ansicht.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der 1 bis 6 beschrieben. Dabei ist 1 eine perspektivische Darstellung eines Zellenblocks 1 der vorliegenden Erfindung im zusammengebauten Zustand; ist 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Zellenblocks 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in teilweise zusammengebautem Zustand; ist 3 eine Teildraufsicht des Zellenblocks 1 im horizontalen Längsschnitt in einer Ebene „III” in 1; ist 4 eine vergrößerte Ansicht einer Einzelheit „IV” in 3; zeigt 5 ein Abstandselement aus 2 mit einem Kontaktelement in Explosionsdarstellung; und zeigt 6 eine Teildraufsicht auf eine Schmalseite des Zellenblocks von 2.
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Gemäß der perspektivischen Gesamtdarstellung in 1 weist ein Zellenblock 1 eine Mehrzahl von Speicherzellen 2 (galvanischen Zellen, Akkumulatorzellen oder dergleichen, in 1 nur eine sichtbar), eine Mehrzahl von als Abstandselemente dienenden Zwischenrahmen 4, zwei Endrahmen 6, zwei Druckbrillen 8 sowie vier Zuganker 10 mit beidseitig aufgesetzten Muttern 12 als Spanneinrichtung auf. Einer der beiden Endrahmen 6, die Zwischenrahmen 4 und der zweite der beiden Endrahmen 6 bilden einen Stapel, der über die endseitig angeordneten Druckbrillen 8 mittels der Zuganker 10 und der Muttern 12 zusammengehalten wird. Die Speicherzellen 2 befinden sich innerhalb der durch die gestapelten Rahmen 4, 6 gebildeten Struktur.
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In 2 ist der Zellenblock 1 aus 1 in einer perspektivischen Teilexplosionsdarstellung gezeigt. D. h. die Muttern 12 sind entfernt und auf der dem Betrachter zugewandten Seite sind die Druckbrille 8, der Endrahmen 6, eine Speicherzelle 2 und ein Zwischenrahmen 4 von den Zugankern 10 abgezogen.
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Gemäß der Darstellung in 2 sind die Speicherzellen 2 als so genannte Flachzellen oder Pouch-Zellen mit jeweils einem ersten Stromableiter 18a und einem zweiten Stromableiter 18b auf einer Schmalseite aufgebaut. Bei dieser Ausführungsform sind die im Stapel aufeinander folgenden Speicherzellen 2 relativ zueinander verdreht, sodass in Stapelrichtung jeweils auf einen ersten Stromableiter 18a ein zweiter Stromableiter 18b folgt und umgekehrt. Auf diese Weise kann eine Serienschaltung der Speicherzellen 2 gebildet werden, wie in 6 veranschaulicht.
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Weiter weist jede Speicherzelle 2 einen aktiven Teil 14, eine Siegelnaht (einen Randbereich) 16 und die beiden Stromableiter 18a, 18b auf. In dem aktiven Teil 14 finden die elektrochemischen Reaktionen zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie statt. Grundsätzlich kann jede Art elektrochemischer Reaktion zum Aufbau der Speicherzellen verwendet werden; die Beschreibung bezieht sich aber insbesondere auf Lithium-Ionen-Akkumulatoren, auf welche die Erfindung aufgrund der Anforderungen an mechanische Stabilität und Wärmehaushalt und der wirtschaftlichen Bedeutung besonders gut anwendbar ist.
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Der aktive Teil 14 ist von zwei Folien sandwichartig eingefasst, wobei die überstehenden Ränder der Folien miteinander gas- und flüssigkeitsdicht verschweißt sind und die so genannte Siegelnaht 16 bilden. Wie in 2 und 3 dargestellt, ragen von einer Schmalseite der Speicherzelle 2 ein positiver erster Stromableiter 18a und ein negativer zweiter Stromableiter 18b ab. In den Stromableitern 18a, 18b ist dabei jeweils wenigstens eine Bohrung 20 (nachstehend als Polbohrung bezeichnet) vorhanden.
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Die Speicherzellen 2 sind mit den Polbohrungen 20 auf die Zuganker 10 gefädelt, und zwar so, dass jeweils eine Speicherzelle 2 entweder zwischen zwei Zwischenrahmen 4 oder zwischen einem Zwischenrahmen 4 und einem Endrahmen 6 angeordnet ist. Die Rahmen 4, 6 sind so aufgebaut, dass der aktive Teil 14 der Speicherzellen 2 in dem Hohlraum des Rahmens 4, 6 angeordnet ist, während erste und zweite Druckflächen 22a, 22b gegen die Flachseiten der Stromableiter 18a, 18b drücken und diese nach Anziehen der Zuganker 10 und Muttern 12 festhalten. Vorzugsweise nehmen dritte Druckflächen 23 der Rahmen 4, 6 einen Teil der Siegelnaht 16 der Speicherzellen 2 zwischen sich auf, um auch die den Stromableitern 18a, 18b abgewandten Enden der Speicherzellen 2 in dem Zellenblock 1 auf Abstand zu positionieren. Die Seiten der Rahmen 4, 6 werden auch als Druckstege bezeichnet.
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Die Rahmen 4, 6 weisen ferner in ihren Druckflächen 22a, 22b, 23 angeordnete Bohrungen 24 auf, in denen zum Teil hülsenförmige Kontaktelemente 26, 27 aufgenommen sind. Genauer gesagt, sind in den Zwischenrahmen 4 Kontaktelemente 26 angeordnet und sind in den Endrahmen 6 Kontaktelemente 27 angeordnet, die sich nur in ihren Längen (in Stapelrichtung) voneinander unterscheiden, da die Zwischenrahmen 4 dicker als die Endrahmen 6 sind. Die Bohrungen 24 und die Kontaktelemente 26, 27 fluchten mit den Polbohrungen 20 in den Stromableitern 18a, 18b der Speicherzellen 2. Somit sind auch die Rahmen 4, 6 mit ihren Bohrungen 24 und Kontaktelementen 26, 27 über die Zuganker 10 gefädelt.
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Wie insbesondere in 4 bis 6 zu erkennen, ist in jedem Zwischenrahmen 4 nur ein Kontaktelement 26 in einer Bohrung 24 aufgenommen, und zwar entweder im Bereich der ersten Druckflächen 22a oder im Bereich der zweiten Druckflächen 22b. Außerdem sind die Kontaktelemente 26 wechselweise in den Zwischenrahmen 4 angeordnet, d. h. bei zwei im Stapel aufeinander folgenden Zwischenrahmen 4 ist in einem ersten Zwischenrahmen 4 das Kontaktelement 26 in der Bohrung 24 im Bereich der ersten Druckflächen 22a vorgesehen, während in einem zweiten Zwischenrahmen 4 das Kontaktelement 26 in der Bohrung 24 im Bereich der zweiten Druckflächen 22b vorgesehen ist.
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Die Kontaktelemente 26 stellen dabei im Fall eines Zwischenrahmens 4 einen elektrischen Kontakt zwischen den an den jeweiligen Druckflächen 22a, 22b anliegenden Stromableitern 18a, 18b der auf beiden Seiten angeordneten Speicherzellen 2 her, während im Fall eines Endrahmens 6 die Kontakthülsen 27 einen elektrischen Kontakt zwischen einem positiven bzw. negativen Stromableiter 18a, 18b einer Speicherzelle 2 und einer der Druckbrillen 8 herstellen. Im Bereich der jeweils anderen Druckfläche 22b, 22a, bei welcher keine Kontaktelemente angeordnet sind, bildet der Rahmen 4, 6 eine elektrische Isolierung zwischen den Stromableitern 18b, 18a zweier Speicherzellen 2 bzw. dem Stromableiter 18b, 18a und der Druckbrille 8.
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Durch die abwechselnd gedrehten Speicherzellen 2 und die wechselweise Anordnung der Kontaktelemente 26 in den Bohrungen 24 der Zwischenrahmen 4 werden alle Speicherzellen 2 in dem Zellenblock 1 ”Plus-auf-Minus” miteinander verbunden, d. h., es wird eine Serienschaltung der Speicherzellen 2 in dem Zellenblock 1 verwirklicht. Außerdem wird der nicht mit einer anderen Speicherzelle 2 verbundene Stromableiter 18a, 18b der ersten und letzten Speicherzelle 2 in dem Zellenblock 1 über das Kontaktelement 27 in dem jeweiligen Endrahmen 6 mit der jeweiligen Druckbrille 8 verbunden, sodass die Druckbrillen 8 einen positiven und einen negativen Pol bilden, an denen die Polspannung des gesamten Zellenblocks 1 anliegt.
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Die Rahmen 4, 6 sind, wie oben beschrieben, aus einem preiswerten, elektrisch isolierenden Material wie etwa Kunststoff, massiv oder faserverstärkt, hergestellt. Dagegen sind die Kontaktelemente 26, 27 aus einem elektrischen Leiter wie etwa Kupfer oder Messing, Bronze oder einer anderen Kupferlegierung oder einem anderen Metall oder einer anderen Metall-Legierung, mit oder ohne die Leitfähigkeit verbessernder Beschichtung wie etwa aus Silber oder Gold, hergestellt.
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Die Kontaktelemente 26, 27 stützen sich auf der Rückseite der Stromableiter 18a, 18b gegen das Material der Rahmen 4, 6 ab. Sofern das Material der Rahmen 4, 6 nachgiebiger ist als das Material der Kontaktelemente 26, 27, ist zur Vermeidung ungleicher Stauchung der Rahmen 4, 6 auf beiden lateralen Seiten durch geeignete Maßnahmen dafür zu sorgen, dass die Nachgiebigkeit des Rahmens 4, 6 auf der Seite ohne Kontaktelement (Isolierseite) der Gesamtnachgiebigkeit aus Rahmenmaterial und Hülsenmaterial auf der Seite mit den Kontaktelementen 26, 27 (Kontaktierungsseite) entspricht. Geeignete Maßnahmen, um die Gesamtstauchungen bzw. Steifigkeiten auf beiden lateralen Seiten der Rahmen 4, 6 aneinander anzugleichen, sind beispielsweise ein erhöhter Faseranteil auf der Isolierseite im Falle eines faserverstärkten Kunststoffs; unterschiedliche Material- bzw. Rohstoffzusammensetzungen auf Isolier- und Kontaktierungsseite; die Verwendung versteifender Einsätze auf der Isolierseite; und eine größere Stegbreite, zumindest tragende Stegbreite, auf der Isolierseite. Diese Maßnahmen können einzeln oder in Kombination durchgeführt werden, um zu dem gewünschten Ergebnis zu gelangen.
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In 3, die eine horizontale Längsschnittansicht des Zellenblocks 1 in einer Ebene III in 1 zeigt, ist die wechselsinnige Anordnung der Kontaktelemente 26 in den Zwischenrahmen 4 und der Kontaktelemente 27 in den Endrahmen 6 zu erkennen. Ebenso ist der Aufbau der Zwischenrahmen 4 und der Endrahmen 6 zu erkennen. Die Rahmen 4, 6 sind so ausgebildet, dass die ersten und zweiten Druckflächen (22a und 22b, in der Figur nicht näher bezeichnet) auf die gegenüber liegenden Flachseiten der Stromableiter 18a, 18b der Speicherzellen 2 drücken. Sie weisen auch eine Dicke derart auf, dass zwischen den aktiven Teilen 14 der Speicherzellen 2 ein Luftspalt 30 ausgebildet ist. Dieser Luftspalt 30 hält einerseits mechanische Druckbelastungen von den aktiven Teilen 14 fern, sodass hierauf zurückführbare Störungen in der elektrochemischen Funktion vermieden werden. Andererseits ist über den Luftspalt 30 eine Kühlung der Speicherzellen 2 möglich.
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Die Endrahmen 6 weisen, wie in 3 gut zu sehen, eine geringere Dicke als die Zwischenrahmen 4 auf. Damit ist der Tatsache Rechnung getragen, dass nur auf einer Seite der Endrahmen 6 eine Speicherzelle 2 angeordnet ist. Dementsprechend sind die Kontaktelemente 27, die in den Endrahmen 6 angeordnet sind, auch kürzer als die Kontaktelemente 26, die in den Zwischenrahmen 4 angeordnet sind.
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4 zeigt den Kontaktierungsbereich zwischen zwei Speicherzellen 2 als Einzelheit IV in 3. Deutlich ist auch der Luftspalt 30 zwischen den aktiven Teilen 14 der Speicherzellen 2 zu erkennen. Durch Freischnitte 32, 33 in den Druckflächen 22a bzw. 22b der Zwischenrahmen 4 ist gewährleistet, dass die Druckflächen 22a, 22b nur auf die jeweiligen Stromableiter 18a, 18b, nicht jedoch auf den sonstigen Randbereich der Speicherzellen 2 mit der Siegelnaht 16 Druck ausüben. Die Freischnitte 32 auf der Isolierseite sind tiefer als auf der Kontaktierungsseite. Die Endrahmen 6 weisen im Gegensatz zu den Zwischenrahmen 4 nur auf einer Flachseite Freischnitte 32, 33 auf.
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Der Zuganker 10 trägt eine durchgehende Hülse 34 aus einem isolierenden Material, zusätzlich ist zwischen dem Zuganker 10 und den von ihm durchdrungenen Bauteilen ein Abstand 36 vorgesehen. Hierdurch ist der Zuganker 10 gegenüber den leitenden bzw. potentialbehafteten Teilen, also den Stromableitern 18a, 18b, den Druckbrillen 8 und den Kontakthülsen 26, 27 elektrisch isoliert, und ein Kurzschluss wird wirksam vermieden. Obschon in der Figur nicht näher dargestellt, werden die Rahmen 4, 6, die Druckbrillen 8 und die Speicherzellen 2 so radial zentriert gehalten, dass zwischen den Zugankern 10 und den leitenden bzw. potentialbehafteten Teilen 18a, 18b, 26, 27, 8 stets der Abstand 36 eingehalten wird; geeignete Mittel zur Zentrierung sind etwa Passstifte oder eine geometrisch entsprechend abgestimmte Formgebung der gestapelten Bauteile. Ebenfalls in den Figuren nicht näher dargestellt, ist auch für eine geeignete Isolierung der Muttern 12 gegenüber den Druckbrillen 8 gesorgt; dies kann etwa durch isolierende Scheiben oder Kragenbuchsen, deren Zylinderteil in die jeweilige Druckbrille 8 ragt, geschehen.
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Zum Aufbau der Speicherzellen 2 ist in 4 zu erkennen, dass die Stromableiter 18a, 18b der Plus- und Minusseite unterschiedliche Dicken aufweisen. Auch sind hier die Folien 38 zur Umhüllung der aktiven Teile 14 der Speicherzellen 2 zu sehen.
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In 5 ist ein Zwischenrahmen 4 einzeln in perspektivischer Darstellung mit den ersten Druckflächen 22a, den zweiten Druckflächen 22b, den dritten Druckflächen 23, den Bohrungen 24 und dem Freischnitt 33 gezeigt. In die eine Bohrung 24 des Zwischenrahmens 4, die im Bereich der zweiten Druckflächen 22b angeordnet ist, wird in diesem Fall ein hülsenförmiges Kontaktelement 26 eingesetzt.
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6 verdeutlicht noch einmal die Abfolge der ersten und zweiten Stromableiter 18a, 18b der Speicherzellen 2 und die entsprechend wechselweise Anordnung der Kontaktelemente 26 zur Realisierung der Serienschaltung der Speicherzellen 2 des Zellenblocks 1.
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Nun wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand von 7 beschrieben. Dabei entspricht die Ansicht der 7 jener von 5 zum ersten Ausführungsbeispiel.
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Wie in 7 dargestellt, sind in dem Zwischenrahmen 4 des Zellenblocks 1 hülsenförmige Kontaktelemente 26 aus einem elektrisch leitenden Material und hülsenförmige Stützelemente 42 aus einem elektrisch isolierenden Material aufgenommen. Dabei ist ein Kontaktelement 26 in der Bohrung 24 im Bereich der einen Druckflächen 22b des Zwischenrahmens 4 angeordnet und ist ein Stützelement 42 in der Bohrung 24 im Bereich der anderen Druckflächen 22a des Zwischenrahmens 4 angeordnet. In den im Zellenblock 1 aufeinander folgenden Zwischenrahmen 4 werden dabei die Positionen der Kontaktelemente 26 und der Stützelemente 42 abwechselnd gewählt, um die oben in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläuterte Serienschaltung der Speicherzellen 2 zu realisieren. Die Endrahmen 6 des Zellenblocks 1 weisen in diesem Ausführungsbeispiel entsprechend zusätzliche, auf der Seite der isolierenden Druckflächen angeordnete Stützhülsen zusätzlich zu den Kontakthülsen 27 auf.
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Die Stützelemente 42 sind aus einem Material gefertigt, das eine den Kontaktelementen 26, 27 entsprechende Nachgiebigkeit bzw. Festigkeit aufweist. Daher können sich die Kontakthülsen 26, 27, die an den Stromableitern 18a, 18b der Speicherzellen 2 anliegen, wirksam an den auf der Rückseite der Stromableiter 18a, 18b anliegenden Stützhülsen abstützen. Eine einseitige Stauchung der Rahmen 4, 6 wird daher ebenso vermieden wie ein Einsinken der Kontakthülsen 26, 27 und eine hierdurch hervorgerufene Verformung der Stromableiter 18a, 18b.
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Wahlweise können die Stützhülsen 42 einen größeren Außendurchmesser als die Kontakthülsen 26 aufweisen, um eine besonders wirksame Stützwirkung zu entfalten. Die Stützhülsen 26 sind aus einem harten, elektrisch isolierenden Material wie etwa einem Glas- oder Keramikwerkstoff oder einem harten, ggf. faserverstärkten Kunststoff hergestellt. Die vorstehenden Ausführungen gelten entsprechend für die Stützhülsen, die in den Endrahmen 6 angeordnet sind.
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Im Übrigen entspricht der Zellenblock dieses Ausführungsbeispiels im Wesentlichen dem des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels.
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Nun wird ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der 8 bis 10 beschrieben. Dabei entsprechen die Ansichten der 8 bis 10 jenen der 4 bis 6 zum ersten Ausführungsbeispiel.
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Die Speicherzellen 2 des Zellenblocks 1 sind in diesem Ausführungsbeispiel parallel geschaltet. Zu diesem Zweck sind zwischen allen ersten und zweiten Druckflächen 22a, 22b der als Abstandselemente dienenden Zwischenrahmen 4 Kontaktelemente 26 in den Bohrungen 24 der Zwischenrahmen angeordnet. Außerdem sind alle Speicherzellen 2 des Zellenblocks 1 gleich angeordnet, sodass die ersten Stromableiter 18a aller Speicherzellen 2 hintereinander angeordnet sind und daneben die zweiten Stromableiter 18b aller Speicherzellen 2 hintereinander angeordnet sind.
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Im Übrigen entspricht der Zellenblock dieses dritten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen dem des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels.
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Nun wird ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand von 11 beschrieben. Dabei entspricht die Ansicht der 11 jener von 4 zum ersten Ausführungsbeispiel.
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11 zeigt den Kontaktierungsbereich zwischen einem ersten Stromableiter 18a einer Speicherzelle 2 und einem zweiten Stromableiter 18b einer benachbarter Speicherzelle 2.
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Gemäß der Darstellung in 11 ist im Kontaktierungsbereich des Zwischenrahmens 4 eine Kontaktfeder 44 vorgesehen, die einen Kontakt zwischen den Stromableitern 18a, 18b der zwei benachbarten Speicherzellen 2 herstellt. Die Kontaktfeder 44 ist aus einem guten Leitermaterial (s. o.) hergestellt und weist ein U-förmiges Profil auf. Die Kontaktfeder 44 ist von außen auf die ersten bzw. zweiten Druckflächen 22a, 22b des Zwischenrahmens 4 aufgesteckt. Der Zwischenrahmen 4 weist an dieser Stelle eine geringere Dicke als im übrigen Bereich auf, und die Innenweite des U-Profils der Kontaktfeder 44 entspricht der Dicke des Zwischenrahmens 4 an dieser Stelle. Die Außenweite des U-Profils der Kontaktfeder 44 entspricht der Dicke des Zwischenrahmens 4 außerhalb der zu kontaktierenden Druckflächen 22a bzw. 22b. Die Kontaktfeder 44 weist in ihren abstehenden Schenkeln Bohrungen auf, die mit den Bohrungen 24 in den Druckflächen 22a bzw. 22b des Zwischenrahmens 4 fluchten und den gleichen Durchmesser aufweisen.
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Die vorstehenden Erläuterungen gelten ebenso für die Endrahmen, die für dieses Ausführungsbeispiel nicht näher dargestellt sind. Dort sind Kontaktfedern mit geringerer Weite entsprechend der geringeren Dicke des Endrahmens zu verwenden.
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Die Kontaktfedern 44 stellen dem durch die Zuganker aufgebrachten Druck keinen nennenswerten Widerstand entgegen, sodass keine unsymmetrischen Stauchungen in den Kontaktierungs- und Isolierbereichen der Zwischenrahmen 4 entstehen. Die Kontaktfedern 44 erstrecken sich über die gesamte Höhe des Druckstegs der Rahmen, sodass auch eine Einkerbung der Druckflächen 22a, 22b nicht zu erwarten ist.
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In einer Abwandlung sind die Kontaktfedern 44 auf der seitlich freiliegenden Fläche mit einem isolierenden Überzug versehen oder ist dort eine isolierende Abdeckung vorgesehen.
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Im Übrigen entspricht der Zellenblock dieses vierten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen dem des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels. Zudem kann der Zellenblock des vierten Ausführungsbeispiels auch mit den isolierenden Stützelementen 42 des zweiten Ausführungsbeispiels kombiniert werden.
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Zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind für den Fachmann weitere Ausführungsvarianten der Erfindung denkbar.
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So werden in einer Abwandlung anstelle der vorstehend beschriebenen End- und Zwischenrahmen riegelförmige Abstandselemente (Abstands- oder Montageriegel) verwendet, die zusammen den oben beschriebenen Rahmen bilden. Die Abstandsriegel weisen Bohrungen und Kontaktelemente wie oben beschrieben auf und werden wie die Rahmen auf einer lateralen Seite des Zellenblocks im Wechsel mit den Stromableitern der Speicherzellen auf die Zuganker gefädelt. Da die Zuganker durch die Druckbrillen in ihrer radialen Lage festgelegt sind, bildet sich nach Verspannung über die Druckbrillen ein starrer und stabiler Block, der aufgrund des geringeren Materialeinsatzes leichter als ein Zellblock mit Rahmen ist. Gegebenenfalls werden die Druckbrillen dicker als bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sein oder Versteifungen aufweisen. Anstelle von Hülsen oder Kontaktfedern können die Abstandsriegel vollständig wahlweise aus einem Leitermaterial oder aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, wobei als Material für die isolierenden Abstandsriegel ein solches gewählt wird, das eine dem Leitermaterial angeglichene Drucknachgiebigkeit aufweist.
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In einer weitergehenden Abwandlung sind Abstandsriegel wie oben beschrieben in entsprechenden Aussparungen der Rahmen 4, 6 gehalten.
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In einer weiteren Abwandlung werden je Stromableiter zwei oder mehr Zuganker verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellblock
- 2
- Speicherzelle
- 4
- Abstandselement, Zwischenrahmen
- 6
- Endrahmen
- 8
- Druckbrille
- 10
- Zuganker
- 12
- Mutter
- 14
- aktiver Teil von 2
- 16
- Siegelnaht von 2
- 18a
- erster Stromableiter von 2
- 18b
- zweiter Stromableiter von 2
- 20
- Polbohrung in 18a oder 18b
- 22a
- erste Druckfläche von 4, 6
- 22b
- zweite Druckfläche von 4, 6
- 23
- dritte Druckfläche von 4, 6
- 24
- Bohrung in 4, 6
- 26, 27
- Kontaktelement, Kontakthülse
- 28
- Bohrung in 8
- 30
- Luftspalt
- 32, 33
- Freischnitt in 4, 6
- 34
- Beschichtung oder Hülse von 10
- 36
- Abstand
- 38
- Hüllfolie von 2
- 40
- Bohrung in 4
- 42
- Stützhülse
- 44
- Kontaktfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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