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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie mit einer Vielzahl von prismatischen Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
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Hochvoltbatterien, beispielsweise in Form von Lithium-Ionen-Batterien, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Derartige Batterien werden häufig in elektrisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge eingesetzt, um Antriebsenergie zu speichern beziehungsweise beim Abbremsen zurückgewonnene Energie zwischenzuspeichern.
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Aus der
WO 99/05746 A1 sind Flachzellen auf Lithium-Ionen-Basis bekannt, welche aus einem Elektrodenstapel bestehen, der zur Abdichtung zwischen Verpackungsfolie eingeschweißt ist. Solche Batterieeinzelzellen werden auch als sogenannte Pouch-Zellen oder Coffeebag-Zellen bezeichnet. Wie bei Flachzellen üblich wird eine Hochvoltbatterie aus derartigen Batterieeinzelzellen dann so aufgebaut, dass diese senkrecht zur größeren Seitenfläche der prismatischen Flachzelle gestapelt und unter Kompression miteinander verspannt werden. Systembedingte Dickenänderungen der Flachzellen beim Laden/Entladen, dem so genannten Zyklisieren, werden entweder in einem ersten Lösungsansatz durch komprimierbare Feststoffschichten zwischen den einzelnen Flachzellen oder in einem zweiten Lösungsansatz am Ende des Zellenstapels durch eine komprimierbare Matte oder einen federnden Mechanismus ausgeglichen. Dabei ist es erforderlich, dass der Zellenstapel immer unter Kompression steht.
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Hochvoltbatterien, insbesondere in einem Aufbau als Lithium-Ionen-Batterie, müssen dabei während großer Zeitabschnitte Ihres Betriebs gekühlt werden. In speziellen Situationen kann es außerdem sinnvoll sein die Batterie zu erwärmen. Hochvoltbatterien verfügen daher im Allgemeinen über Temperierungseinrichtungen, welche entsprechend ihren primären Verwendungszweck zumeist als Kühleinrichtungen bezeichnet werden. Die Kühleinrichtungen verfügen dabei häufig über Kühlrohre oder andere Kühlleitungen für ein meist flüssiges Kühlmittel. Aufgrund der Tatsache, dass sich die Batterieeinzelzellen beim Zyklisieren bewegen können – man spricht hierbei auch vom Atmen – müssen die Kühlrohre mit Verschiebungsmöglichkeit längs des Stapels der Flachzellen ausgebildet sein. Sie werden daher entweder mit Dehnmöglichkeiten z. B. mit Faltenbalgen versehen, wie es in der
US 2008/0299446 A1 beschrieben ist, oder zum Beispiel mechanisch gleitend und federnd mit dem Zellenstapel verbunden, wie es die oben genannte
WO 99/05746 A1 zeigt.
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Zur Kühlung des Zellenstapels können die Batterieeinzelzellen beispielsweise durch Direktanströmung mit einem elektrisch nichtleitenden Fluid gekühlt werden. Eine derartige Kühlung zeigt die
WO 2007/078147 A1 . Außerdem kann die Kühlung durch umströmte Module realisiert werde, wie in den Schriften
JP 2001-60465 und
JP 2001-60466 ausgeführt. Auch entsprechend gekühlte Modulgehäuse mit Kühlrippen, wie in der
US 2009/0173559 A1 , oder Kühlrohren, wie in der
US 2009/0068547 A1 sind bekannt. Ferner beschreibt der Stand der Technik die Kühlung durch eine wässrige Lösung mit Hilfe von Kühlblechen, die zwischen den Zellen angeordnet sind. Beispielhaft wird hierzu auf die Schriften
WO 2009/052927 A1 ,
DE 10 2007 052 375 A1 ,
JP 2007-062474 ,
KR 2007/000030 ,
US 5,756,227 ,
DE 10 2008 016 936 A1 ,
WO 2009/052927 A1 ,
DE 10 2007 052375 A1 und
US 2003/0165734 A1 hingewiesen.
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Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Kühlung besteht in der thermischen Ankopplung einer Seite eines prismatischen Zellenstapels an einem durchströmten Kühlrohr, ohne die Verwendung zusätzlicher Kühlbleche. Dies ist in der
EP 2 068 390 beschreiben. Auch die Kühlung der Hochvoltbatterie durch direkte oder indirekte Kühlung der Stromableiter der Batterieeinzelzellen ist durch zahlreiche Schriften beschreiben. Einige hiervon sind
JP 2002-056904 ,
JP 2003-163036 ,
DE 100 03 740 ,
WO 2008/010381 A1 ,
WO 99/05749 A1 ,
JP 2008-282545 ,
US 2008/0248379 A1 und
JP 2008-243783 . In der
US 4,830,936 ist ferner die Wärmeableitung aus einem Batteriemodul bestehend aus einem Stapel von Batterieeinzelzellen mittels einer den ganzen Zellenstapel umschließenden homogenen Vergussmasse beschreiben.
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Ebenfalls bekannt ist die Verwendung von sogenannten Heatpipes (Wärmerohren) zur Kühlung von elektrischen Speichern. So beschreibt z. B. die
JP 93-26264 die Verwendung einer solchen Heatpipe mit zusätzlichem Inertgas-Reservoir in Verbindung mit einer zentralen internen Kühlplatte und einem externen Wärmetauscher. Die
JP 20-94264 beschreibt die Verwendung einer Heatpipe als integraler Bestandteil einer positiven Elektrode einer Batteriezelle eines elektrochemischen Blei-Säure Akkumulators. Die
JP 60-107274 beschreibt die Verwendung einer Heatpipe in der Weise, dass die sich gegenüberstehenden Flächen von prismatischen Flachzellen in der Mitte eines Zellenpacks in Kontakt mit der flachen Heatpipe stehen. Die
JP 70-45310 zeigt die gleiche Anordnung der Heatpipe in Kontakt mit den sich gegenüberstehenden Flächen von mindestens zwei benachbarten prismatischen Flachzellen. Der Spalt zwischen den Flachzellen ist hierbei zusätzlich mit einer Vergussmasse gefüllt. Auch in
JP 11-204151 sind flache Heatpipes in dem Zwischenraum von benachbartern prismatischen Flachzellen vorgesehen. Das mit dem Volumenkörper einer Zelle verbundene und aus dem Zellenpack herausragende Ende der Heatpipe ist abgewinkelt und über ein wärmespeicherndes Material, z. B. Paraffin, mit einem Wärmetauscher verbunden.
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Letztlich beschreibt die
EP 1 274 137 zylindrische Batterieeinzelzellen mit wellenförmigen flachen Kühlblechen, die zwischen den Batterieeinzelzellen angeordnet sind und die mit Heatpipes verbunden sind, die in den Zwickeln zwischen jeweils drei Batterieeinzelzellen angeordnet sind und die Wärme in Richtung der Längsachse der Batterieeinzelzellen aus dem Verbund der Batterieeinzelzellen herausleiten.
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Die vorbekannten Lösungsansätze nach dem Stand der Technik haben dabei, insbesondere im Hinblick auf Pouch-Zellen, die folgenden Nachteile: Die beschriebene ständige Verspannung der Batterieeinzelzellen unter Kompression führt sowohl bei der Verwendung elastischer Zwischenschichten zwischen den Batterieeinzelzellen als auch bei der Verwendung eines Spannmechanismus am Ende des Zellenstapels zu einer Dauer-Druckbelastung der Batterieeinzelzellen und damit zu der Gefahr, dass über die Lebensdauer des Zellenstapels durch Setzvorgänge in der Verpackungsfolie oder dem Elektrodenstapel in den Batterieeinzelzellen unzulässige Verformungen stattfinden.
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Bei Luftkühlung der Batteriemodule sind großvolumige Strömungskanäle erforderlich und eine gleichmäßige Kühlung der Batterieeinzelzellen kann wegen der nicht laminaren und instationären Strömungsverhältnisse an den Batterieeinzelzellen typischerweise nicht ausreichend gewährleistet werden.
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Bei der Kühlung mit einem nicht elektrisch leitenden flüssigen Medium auf organischer Basis ist im Vergleich zur Kühlung mit einem Fluid auf wässriger Basis wegen der geringeren spezifischen Wärmekapazität nur eine sehr viel geringere Wärmeabfuhr bei gleichem Volumenstrom möglich. Auch kann im Schadensfall eine Brandgefahr von dem organischen Kühlmittel ausgehen.
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Bei der Kühlung mit einem wässrigen Fluid ist der Wärmefluss von den Batterieeinzelzellen zu dem Kühlmittel aufwändig, da dieses mit den Batterieeinzelzellen einerseits thermisch gut verbunden, aber andererseits von den elektrischen Komponenten der Batterieeinzelzellen elektrisch isoliert sein muss. Auch ist es wegen der Volumenänderungen der Batterieeinzelzellen beim Zyklisieren konstruktiv schwierig, eine zuverlässige thermische Kontaktierung zur Kühlung sicherzustellen.
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Die thermische Ankopplung an den großen Seitenflächen der Batterieeinzelzellen mit Hilfe der beschriebenen Kühlbleche oder flächigen Heatpipes zwischen den Batterieeinzelzellen umgeht zwar diese Schwierigkeit, erhöht aber das Gewicht und den notwendigen Bauraum für den Stapel der Batterieeinzelzellen. Insbesondere wird die Länge des Stapels durch die zusätzlichen Kühlelemente vergrößert.
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Die alternative thermische Ankopplung der Kühlung an die ebenfalls Wärme leitenden Stromfahnen der Batterieeinzelzellen erfordert wiederum zusätzliche Maßnahmen zur elektrischen Isolierung, die z. B. in Form von elektrisch isolierenden Wärmeleitfolien, welche auch dem Wärmefluss einen unerwünschten Widerstand entgegensetzen.
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Die Verwendung einer Vergussmasse, in der das ganze Batteriemodul, bestehend aus einem Stapel von Batterieeinzelzellen, eingebettet ist, führt bei den Volumenänderungen der Batterieeinzelzellen im Betrieb zu mechanischen Spannungen. Zudem führt dieses Verfahren zu einer unerwünschten Gewichtserhöhung und die vergossenen Batterieeinzelzellen sind anschließend nicht mehr mechanisch einzeln zugänglich.
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Dadurch können z. B. im Schadensfalls keine einzelnen Batterieeinzelzellen ausgetauscht werden. Die Unterhalt-/Reparaturkosten erhöhen sich unnötig.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie mit einer Vielzahl von prismatischen Einzelzellen zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile vermeidet und einen effizienten, bauraumoptimierten Aufbau ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Vorrichtungsansprüchen und werden anhand der Verwendung gemäß Anspruch 13 deutlich.
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Der erfindungsgemäße Aufbau sieht es nun also vor, dass eine Vielzahl von prismatischen Batterieeinzellen, welche als Pouch-Zellen ausgeführt sind, in der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie zusammengefasst sind. Der Zellenstapel der Batterieeinzelzellen ist dabei mit mindestens einem Teilelement einer Temperierungseinrichtung zusammengefasst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht außerdem vor, dass im Bereich eines Teils der Siegelnaht von zumindest einigen der Pouch-Zellen ein Wärmeleitelement angebracht ist. Durch die Verpackungsfolie der Pouch-Zellen hindurch steht dieses Wärmeleitelement erfindungsgemäß zumindest mit Teilen des Elektrodenstapels in thermischem Kontakt. Außerdem ist das Wärmeleitelement erfindungsgemäß mit dem mindestens einen Teilelement der Temperierungseinrichtung thermisch verbunden.
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Die Wärme, die im Elektrodenstapel der Batterieeinzelzelle entsteht, wird innerhalb der Batterieeinzelzelle vorwiegend entlang der Elektrodenfolien zu den äußeren Bereichen der Zelle geleitet und kann so gemäß der Erfindung vorteilhaft an der Schmalseite der Batterieeinzelzelle, durch die Verpackungsfolie hindurch, in das Wärmeleitelement abgeleitet werden. Die erfindungsgemäße Anordnung im Bereich der Siegelnaht entlang der Kante der Batterieeinzelzelle hat den Vorteil, dass der Bauraum an der Siegelnaht genutzt werden kann, ohne durch die Wärmeleitelemente notwendigerweise die Länge des Zellenstapels vergrößern zu müssen.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Wärmeleitelement über eine thermisch leitende Vergussmasse mit der jeweiligen Batterieeinzelzelle verbunden. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht also vor, dass das Wärmeleitelement im Bereich zumindest eines Teils der Siegelnaht über die thermisch leitende Vergussmasse mit der Stirnseite der Batterieeinzelzelle verbunden ist. Gleichzeitig kann das Wärmeleitelement dabei mit beispielsweise dem entsprechenden Teilbereich der Siegelnaht verklebt sein. Die Anbindung über die thermisch leitende Vergussmasse gewährleistet eine sehr gute thermische Anbindung des Wärmeleitelements an der Batterieeinzelzelle. Dies gewährleistet auch eine gute thermische Anbindung dann, wenn hohe Toleranzen in der Geometrie der Batterieeinzelzelle auftreten, was bei der Herstellung von Pouch-Zellen in den Bereich, in dem das Wärmeleitelement an dieser angeordnet ist, häufig nicht zu vermeiden ist.
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In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass das Wärmeleitelement in dem Bereich in der Siegelnaht angebracht ist, in dem Stromanschlussfahnen der Batterieeinzelzelle verlaufen. Die erfindungsgemäße Anordnung in dem Bereich der Siegelnaht, in dem die Stromanschlussfahnen verlaufen, ermöglicht es dabei, in diesem Bereich der Siegelnaht den dort vorhandenen Platz auszunutzen, da die Siegelnaht in dem Bereich, in dem die Stromanschlussfahnen durch sie verlaufen, typischerweise eine größere geometrische Ausdehnung hat, als in den anderen Bereichen um den Elektrodenstapel. Außerdem ermöglicht die Anbindung in diesem Bereich durch die Verpackungsfolie hindurch auch eine thermische Ankopplung des Wärmeleitelements an die Stromanschlussfahnen, welche ebenfalls einen Teil der in der Batterieeinzelzelle entstehenden Wärme ableiten, sodass die durch die Verpackungsfolie hindurch vorliegende Anschlussfläche für den thermischen Kontakt zwischen dem Innenleben der Batterieeinzelzelle und dem Wärmeleitelement weiter vergrößert wird.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es außerdem vorgesehen, dass das Teilelement der Temperierungseinrichtung als wenigstens ein von einem Kühlmedium durchströmtes Rohr ausgebildet ist, welches in Stapelrichtung des Zellenstapels verläuft, wobei die Anbindung an das Wärmeleitelement so ausgestaltet ist, dass in Stapelrichtung eine Relativbewegung zwischen dem Teilelement und dem Wärmeleitelement ohne Verlust der thermischen Anbindung möglich ist. Das Teilelement der Temperierungseinrichtung ist erfindungsgemäß in dieser vorteilhaften Weiterbildung also als wenigstens ein vom Kühlmedium durchströmtes Rohr ausgebildet. Es kann dabei entweder zentral über dem Stapel angeordnet sein, oder falls in diesem Bereich, welcher typischerweise zwischen den Stromanschlussfahnen der Batterieeinzelzellen liegt, Elektroniken vorgesehen sind, kann das Teilelement auch in Form von zwei Rohren, welche dann bevorzugt an den beiden Außenkanten dieser Seite des Zellenstapels verlaufen, ausgebildet sein. Der Aufbau ist dabei so ausgestaltet, dass die Anbindung der einzelnen Wärmeleitelemente jeder der mit einem solche Wärmeleitelement versehenen Batterieeinzelzelle gleitend gestaltet ist, beispielsweise durch einen über Federelemente im Kontakt gehaltenen gleitenden Schuh aus gut wärmeleitendem Material auf dem jeweiligen vom Kühlmedium durchströmten Rohr. Dieser Aufbau erlaubt sehr einfach und effizient die Kühlung der Batterieeinzelzellen unabhängig von ihrer beziehungsweise von Ladung und Entladung und/oder thermischer Ausdehnung eingenommenen Position beziehungsweise der sich ändernden Länge des Zellenstapels.
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In einer günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass der Zellenstapel von einer Wanne umgeben ist, die in Stapelrichtung innen größer als der Zellenstapel ist, wobei das in Stapelrichtung freie Volumen ein elastisch verformbares Material aufweist, welches keine nennenswerte Kompression des Zellenstapels verursacht. Da es infolge von Fertigungstoleranzen der Batterieeinzelzellen und Volumenänderungen der Batterieeinzelzellen durch Alterung und Ladungsänderung zu unterschiedlichen Längen des Zellenstapels kommen kann, ist ein Teil der Wanne an einem oder beiden Enden des Zellenstapels nicht mit Zellen gefüllt, sondern mit einem elastischen, Volumen füllenden Material, das aber keinen nennenswerten Druck auf den Zellenstapel ausübt.
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Die Wanne ermöglicht so einen guten Schutz für den Zellenstapel. In einer entsprechend vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es außerdem vorgesehen, dass das elastisch verformbare Material sich bei stoßartiger Belastung verhärtet. Um eine Bewegung des ganzen Zellenstapels im Falle einer größeren stoßartigen Belastung der Wanne zu verhindern, besteht das volumenfüllende elastisch verformbare Material aus einem aktiven Dämmstoff, welcher bei stoßartigen Belastungen eine sehr hohe Steifigkeit annimmt. Ein solches Material könnte zum Beispiel auf Basis der von Dow Corning® angebotenen Active Protection System Matten ausgebildet sein.
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Die Wärmeleitung und Stabilität der Verbindung des Wärmeleitelements mit der Batterieeinzelzelle kann durch zusätzliche Maßnahmen unterstützt werden. So können in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest Teile der Siegelnaht mit einem Rahmen versehen sein, welcher mit der Siegelnaht, dem Wärmeleitelement und oder anderen Bereichen der Batterieeinzelzelle durch eine formschlüssige Verbindung, eine kraftschlüssige Verbindung und/oder eine Klebeverbindung verbunden ist. In dieser Variante der Vorrichtung ist also ein Rahmen z. B. aus Kunststoff vorgesehen, der fest mit der Batterieeinzelzelle und/oder dem Wärmeleitelement durch Kleben und gut wärmeleitenden Verguss verbunden ist und für eine ausreichende Wärmeleitung und Steifigkeit der Zelle im Betrieb sorgt.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Rahmen mit Abstandshaltern versehen sind, die den Kontakt mit der Wanne herstellen. Damit enthält der oben beschriebene Rahmen angebrachte oder integrierte Abstandshalter, die mit der Wanne gleitend verbunden sind. Durch Nachbearbeitung der Abstandshalter können gegebenenfalls unzulässige Fertigungstoleranzen der Batterieeinzelzellen oder der Wanne so ausgeglichen werden, dass ein sicherer elektrischer und wärmetechnischer Kontakt der Batterieeinzelzellen gewährleistet ist und ein leichtgängiges Gleiten der Batterieeinzelzellen in der Wanne in Stapelrichtung möglich ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass die Rahmen mit einer gleitfähigen Gussmasse versehen sind, die den Kontakt mit der Wanne herstellt. Dabei wird also der oben beschriebene Zellenrahmen mit oder ohne Abstandshalter in einer Gussform an den Schmalseiten der Batterieeinzelzelle nach außen hin mit einer elastischen und gleitfähigen Gussmasse gefüllt, so dass Geometrieabweichungen aus den Toleranzen der Batterieeinzelzellen weitgehend ausgeglichen werden können und die Batterieeinzelzellen in die Zellenwanne gleitend eingebracht werden können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie ist also entsprechend kompakt aufzubauen und erlaubt, insbesondere in der Ausgestaltung mit der Wanne, einen sehr robusten Aufbau, welcher gegenüber Bewegungen und eventuellen Beschädigungen sehr resistent ist. Dieser Aufbau ist insbesondere geeignet, um die Vorrichtung als Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug einzusetzen. Bei einem solchen Fahrzeug, welches als rein elektrisches Fahrzeug oder als Hybridfahrzeug ausgebildet sein kann, spielt der kompakte Aufbau zusammen mit der zuverlässigen Funktionalität eine entscheidende Rolle, da so eine entsprechend hohe Speicherdichte erzielt werden kann, und mit dem zur Verfügung stehenden Bauvolumen und dem zugelassenen Gewicht die maximal mögliche Menge an elektrischer Energie gespeichert werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine Batterieeinzelzelle in Form einer Pouch-Zelle;
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2 eine Anbindung der Batterieeinzelzelle an ein Teilelement einer Temperierungseinrichtung;
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3 eine Ausgestaltung der Batterieeinzelzelle mit einem Rahmen; und
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4 eine beispielhafte Ausgestaltung der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie.
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In der Darstellung der 1 ist eine Batterieeinzelzelle 1 in Form einer sogenannten Pouch-Zelle zu erkennen. Die Batterieeinzelzelle 1 weist zwei Stromanschlussfahnen 2 auf, die mit einem Elektrodenstapel aus metallischen Elektrodenfolien, Separatorfolien und Elektrolyt verbunden sind, welcher sich im Inneren der Batterieeinzelzelle 1 befindet, und welcher in der Darstellung der 1 nicht zu erkennen ist. Dieser Elektrodenstapel liegt dabei in dem voluminös dargestellten Bereich der Batterieeinzelzelle 1, welcher mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet ist. Entsprechend dem Aufbau der Batterieeinzelzelle 1 als Pouch-Zelle ist die Batterieeinzelzelle 1 von einer Verpackungsfolie umgeben, welche den Volumenbereich 3, welcher den Elektrodenstapel enthält, umschließt. Typischerweise werden dabei zwei Verpackungsfolien auf jeder Seite des Elektrodenstapels positioniert und über eine seitlich neben dem Volumenbereich 3 liegende Siegelnaht 4 miteinander verbunden, wobei die Stromanschlussfahnen 2 durch den Bereich der Siegelnaht 4 verlaufen. Es bilden sich in den Bereichen neben der Siegelnaht 4 dementsprechend Stirnseiten 5 der Elektrodenfolien aus, welche unter der Verpackungsfolie neben der Siegelnaht 4 zu liegen kommen.
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In der Darstellung der 2 ist nun die Anbindung einer solchen Batterieeinzelzelle 1 an ein Wärmeleitelement 6 zu erkennen. Das Wärmeleitelement 6 ist dabei mit einer der Stirnseiten 5 des Volumenbereichs 3 über eine wärmeleitende Vergussmasse 7 verbunden. Außerdem kann das Wärmeleitelement 6, welches im Bereich der Siegelnaht 4 angeordnet ist, mit derselben verklebt sein. Auch hier wird eine entsprechende wärmeleitende Anbindung realisiert. Über die Vergussmasse 7, welche aufgrund der typischerweise auftretenden hohen Fertigungstoleranzen bei Pouch-Zellen in diesem Bereich zweckdienlich ist, erfolgt nun eine Ableitung von Abwärme aus dem im Volumenbereich 3 angeordneten Elektrodenstapel zu dem Wärmeleitelement 6. Außerdem kann über die Stromanschlussfahnen 2 abgeleitete Wärme durch das Material der Verpackungsfolie im Bereich der Siegelnaht ebenfalls zu dem Wärmeleitelement 6 gelangen. Das Wärmeleitelement ist in thermischem Kontakt mit einem Rohr 8 als Teilelement einer Temperierungseinrichtung. Dieses Rohr 8 kann typischerweise von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt werden, um überschüssige Wärme aus dem Bereich der Batterieeinzelzelle 1 abzuführen. Für bestimmte Betriebssituationen, beispielsweise die Inbetriebnahme der Batterieeinzelzelle 1 bei niedrigen Umgebungstemperaturen, kann über das Rohr 8 auch eine Erwärmung erfolgen, indem die Temperatur des Kühlmediums höher gewählt wird, als die Temperatur im Bereich des Wärmeleitelements 6 und der Batterieeinzelzelle 1.
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Die Anbindung des Wärmeleitelements 6 an das Rohr 8 erfolgt über einen wärmeleitenden Schuh beziehungsweise Block 9a, welcher über einen federnden Klammermechanismus und zwei elastische Spannzangen 9b so gegen das Rohr 8 verspannt wird, dass ein guter wärmeleitender Kontakt zustande kommt. Gleichzeitig ist trotz der großflächigen Berührung zwischen dem Block 9a und dem Rohr 8 eine Gleitbewegung entlang des Rohrs möglich. Diese Beweglichkeit entlang des Rohrs 8 ist vorteilhaft, da die Batterieeinzelzellen 1 später zu einem Zellenstapel gestapelt werden, welcher aufgrund von Toleranzen und Ausdehnungen der Elektrodenstapel Längenänderungen erfährt. Um Verspannungen zu vermeiden, sollte daher der Block 9a zur thermischen Anbindung des Wärmeleitelements 6 an dem Rohr 8 eine Gleitbewegung in Stapelrichtung der Batterieeinzelzellen 1 zulassen.
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Neben dem in 2 beschriebenen Aufbau ist es außerdem denkbar, die Batterieeinzelzelle 1 über einen Rahmen 10 aus Kunststoff entsprechend zu verstärken, um so einen mechanisch stabileren Aufbau realisieren zu können. Dafür enthält der Rahmen 10 eine Nut 11, in welche die Siegelnaht 4 der Batterieeinzelzelle 1 eingelegt und beispielsweise mit dem Rahmen 10 verklebt wird. In seinem Außenbereich sieht der Rahmen 10 dann Abstandshalter 12, 13, 14 vor, welche beim Einbau des Rahmens 10 mit der Batterieeinzelzelle 1 in eine später noch näher erläuterte Wanne 20 dazu dienen können, einen Randabstand zwischen den Batterieeinzelzellen 1 beziehungsweise dem Rahmen 10 und den Wandungen der Wanne 20 sicherzustellen. Die Abstandshalter 12, 13, 14 weisen Kontaktflächen 12a, 13a, 14a auf, welche in einen mechanisch gleitenden Kontakt mit der Wanne 20 kommen können, sodass auf einer vergleichsweise kleinen Berührungsfläche ein Gleiten des Rahmens 10 bei der schon beschriebenen Längenänderung des Zellenstapels auftreten kann, ohne dass es hierdurch zu Verspannungen kommt. Der aufgrund der Toleranzen der Batterieeinzelzelle 1 ungleichmäßige Spalt zwischen den Rahmen 10 und dem Volumenkörper 3 der Batterieeinzelzelle 1 kann, wie in der Darstellung der 3 erkennbar, durch eine entsprechende Vergussmasse 15 aufgefüllt werden, um eine hohe mechanische Stabilität der Batterieeinzelzelle 1 in dem Rahmen 10 zu gewährleisten. Der Rahmen 10 weist außerdem auf der dem Darsteller abgewandten Seite eine weitere Nut auf, in welcher das Wärmeleitelement 6 im beschriebenen Kontakt mit der einen Stirnseite 5 des Volumenkörpers 3 der Batterieeinzelzelle 1 steht, analog der Darstellung in 2. Prinzipiell wäre es auch möglich, die anderen Stirnseiten des Volumenkörpers 3 mit weiteren Wärmeleitelementen zu umgeben, ohne den Umfang der hier vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Der obere Rand 16 des Rahmens 10 enthält außerdem eine Öffnung 17, durch welche der Wärmeleitblock 9a und die elastischen Spannzangen 9b, welche mit dem Wärmeleitelement 6 verbunden sind, hindurchragen. Die im Bereich der Batterieeinzelzelle 1 entstehende Wärme kann so durch den Bereich des Rahmens 10 hindurchgeführt und auf das Kühlmedium in dem hier nicht dargestellten Rohr 8 abgeleitet werden.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Rahmen 10 jeder einzelnen Batterieeinzelzelle 1 außerdem eine eigene Zellelektronik 18, welche in einer entsprechenden Ausnehmung des Rahmens 10 angeordnet ist. Diese kann über einen Stecker 19 beispielsweise an ein Bus-System angeschlossen werden, um zusammen mit den anderen Batterieeinzelzellen 1 des Zellenstapels mit einem Batteriemanagementsystem verbunden zu werden.
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In der Darstellung der 4 ist nun der gesamte Aufbau der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie in einem geöffneten Zustand von oben zu erkennen. Die Batterieeinzelzellen 1, welche hier mit dem Bezugszeichen 1a bis 1l bezeichnet sind, sind dabei analog dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 aufgebaut. Die Anordnung der Batterieeinzelzellen 1 erfolgt dabei in der bereits erwähnten Wanne 20, die an den Längsseiten außerdem mit einer elektrisch isolierenden und elastischen Schutzschicht beziehungsweise Schutzfolie 21 ausgekleidet ist. Diese Schutzfolie 21 erlaubt einerseits die elastische Anbindung und gestattet andererseits ein Gleiten in Längsrichtung des Zellenstapels. Zu beiden Seiten des Zellenstapels aus den Batterieeinzelzellen 1a bis 1l befinden sich im freien Volumen Matten 22a, 22b, welche als elastisch verformbares Material dieses freie Volumen füllen. Die Matten 22a, 22b sind dabei so ausgebildet, dass diese keine nennenswerte Kompression des Zellenstapels verursachen, auch dann nicht, wenn sich dieser aufgrund eines Aufblähens und Zusammenziehens beim Laden beziehungsweise Entladen in Stapellängsrichtung entsprechend ausdehnt beziehungsweise zusammenzieht. Das elastische verformbare Material in Form der Matten 22a, 22b stellt lediglich sicher, dass die gesamte Wanne 20 entsprechend ausgefüllt ist und keine Bewegung des Zellenstapels gegenüber der Wanne 20 durch ein Verschieben des gesamten Zellenstapels auftritt. Dies ist sinnvoll, da der Zellenstapel zum Ausgleich seiner Längenänderung prinzipiell verschieblich sowohl in der Wanne 20 als auch an dem Rohr 8 angebunden ist. Aufgrund dieser Flexibilität sind auch die Stromanschlussfahnen 2 über flexible Stromableiter 23a, 23b kontaktiert. Über entsprechende Halterungen 24a, 24b werden die beiden Pole dann zu einem äußeren Terminal 25a, 25b der Vorrichtung geführt, an dem die Leistung zum Laden beziehungsweise Entladen der Batterie abgegriffen werden kann.
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Mit der Leitung 26 ist ein mehradriges Bussystem-Kabel dargestellt, welches die bereits im Rahmen der 3 erläuterten Stecker 19 untereinander und mit einem nicht dargestellten externen Batteriemanagementsystem verbindet.
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Der Aufbau mit den Batterieeinzelzellen 1 in ihren Rahmen 10 und der Wanne 20 kann dabei so ausgeführt sein, dass sowohl die Rahmen 10 als auch die Wanne 20 sich in einer Richtung, beispielsweise nach, unten also auf die der Öffnung der Wanne 20 abgewandten Seite hin verjüngt. Dadurch ist die Montage besonders einfach, da ein selbstzentrierender Effekt durch eine solche leicht konische Geometrie auftritt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 99/05746 A1 [0003, 0004]
- US 2008/0299446 A1 [0004]
- WO 2007/078147 A1 [0005]
- JP 2001-60465 [0005]
- JP 2001-60466 [0005]
- US 2009/0173559 A1 [0005]
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- EP 2068390 [0006]
- JP 2002-056904 [0006]
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- WO 99/05749 A1 [0006]
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- JP 93-26264 [0007]
- JP 20-94264 [0007]
- JP 60-107274 [0007]
- JP 70-45310 [0007]
- JP 11-204151 [0007]
- EP 1274137 [0008]
