DE102011000449A1

DE102011000449A1 - Galvanische Zelle sowie entsprechendes Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102011000449A1
Application number: DE201110000449
Authority: DE
Inventors: Dr. Chodura Hartmut; Dr. Chew Guan; Stefan Bender; Richard Krestel
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2012-08-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle. Die galvanische Zelle umfasst eine erste und zweite Elektrode Galvanische Zelle, umfassend eine erste und eine zweite Elektrode mit jeweils zumindest einem Anschluß zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Elektrode, sowie einen Elektrolyten, der zumindest teilweise zwischen den Elektroden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Temperaturbeeinflussungselement zur direkten Beeinflussung der Temperatur der galvanischen Zelle angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle in einem entsprechenden Akkumulator, ein entsprechendes System sowie eine Verwendung eines Systems und eine Verwendung einer galvanischen Zelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle umfassend eine erste und eine zweite Elektrode mit jeweils zumindest einem Anschluss zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Elektrode sowie einen Elektrolyten, der zumindest teilweise zwischen den Elektroden angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle insbesondere gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–7 mit den Schritten Anordnen einer ersten und einer zweiten Elektrode mit jeweils zumindest einem Anschluss zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Elektrode und Anordnen eines Elektrolyten zumindest teilweise zwischen den Elektroden.
Die Erfindung betrifft ebenfalls entsprechendes System umfassend zumindest eine galvanische Zelle gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–7 sowie eine Verwendung eines Systems gemäß dem Anspruch 11 und eine Verwendung einer galvanischen Zelle gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–7.
Galvanische Zellen weisen üblicherweise zwei verschiedene Elektroden sowie einen Elektrolyten auf und dienen zur spontanen Umwandlung von chemischer elektrische Energie. Galvanische Zellen werden üblicherweise in Batterien oder Akkumulatoren verwendet. In der neueren Zeit finden derartige Batterien in Form von Lithium-Ionen-Batterien in Kraftfahrzeugen Verwendung und dienen zum Bereitstellen von elektrischer Energie zum Antrieb des Fahrzeugs mittels eines entsprechenden Elektromotors.
Ein Betrieb der galvanischen Zelle ist dabei lediglich in einem eng begrenzten Temperaturbereich möglich, welcher sich auf den Wirkungsgrad der galvanischen Zelle entsprechend auswirkt.
Zur Lösung dieses Problems ist in der WO 2010/083982 A1 vorgeschlagen worden, zwischen zwei jeweils galvanischen Zellen eine Kühlvorrichtung anzuordnen. Aus der DE 10 2009/016868 A1 ist bekannt geworden, die elektrischen Kontakte der Elektroden der galvanischen Zelle als Kühlkörper auszubilden. In der DE 34 16 745 A1 und der CH 445586 ist vorgeschlagen worden, Kühlschlangen für den Elektrolyt in einem elektrischen Akkumulator vorzusehen.
Vorgenannte Lösungen können jedoch nur eine teilweise Kühlung der galvanischen Zelle bereitstellen, und verhindern nicht, dass lokale Überhitzungen auftreten können.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine galvanische Zelle zur Verfügung zu stellen, welche eine verbesserte Beeinflussung der Temperatur der galvanischen Zelle ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine galvanische Zelle zur Verfügung zu stellen, in der das Auftreten von lokalen Überhitzungen erheblich reduziert wird.
Die Erfindung löst die vorgenannten Aufgaben bei einer galvanischen Zelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1. Die vorgenannten Aufgaben werden ebenfalls durch ein Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 8 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 8 gelöst.
Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit der Wärmefluss innerhalb der galvanischen Zelle und in die Zelle hinein sowie aus der Zelle heraus direkter beeinflussbar und damit einfach und zuverlässig steuerbar ist. Gleichzeitig ist damit der Betrieb der galvanischen Zelle bei einem möglichst optimalen Wirkungsgrad im entsprechenden Temperaturbereich gewährleistet.
Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorteilhafterweise ist die galvanische Zelle als prismatische Zelle ausgebildet und das Temperaturbeeinflussungselement ist in Form einer Platte ausgebildet. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass eine Platte auf einfache Weise eine direkte Temperaturbeeinflussung also ein Heizen oder ein Kühlen der galvanischen Zelle ermöglicht, da die Platte eine flache und damit relativ gesehen große Kontaktoberfläche aufweist, dass der Elektrolyt der galvanischen Zelle oder die jeweiligen Elektroden, gegebenenfalls mit einer dünnen, elektrisch isolierenden Zwischenschicht, direkt gekühlt werden können.
Zweckmäßigerweise ist die galvanische Zelle als zylinderförmige Zelle ausgebildet und das Temperaturbeeinflussungselement zylinderförmig ausgebildet und insbesondere entlang der Längsachse der zylinderförmigen Zelle angeordnet. Auf diese Weise lässt sich eine zylinderförmige Zelle zusammen mit dem Temperaturbeeinflussungselement sehr einfach herstellen. Ist das Temperaturbeeinflussungselement zylinderförmig ausgeführt, kann die galvanische Zelle in Wickeltechnik einfach um das Temperaturbeeinflussungselement herum spiralförmig gewickelt werden. Das Temperaturbeeinflussungselement heizt und/oder kühlt dann das Innere der galvanischen zylinderförmigen Zelle auf im Wesentlichen direkte Weise.
Vorteilhafterweise weist das Temperaturbeeinflussungselement Aluminium und/oder Kupfer auf. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit eine entsprechend hohe Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig günstigen Materialkosten erzielt wird.
Zweckmäßigerweise ist das Temperaturbeeinflussungselement mit einem Kühlmedium zur Temperaturbeeinflussung beaufschlagbar. Auf diese Weise werden komplizierte Wärmeleiter vermieden und Wärme bzw. Kälte kann einfach mittels eines Mediums auf im Wesentlichen direkte Weise der galvanischen Zelle zur Temperaturbeeinflussung zur Verfügung gestellt werden.
Vorteilhafterweise weist das Temperaturbeeinflussungselement jeweils eine fluiddichte Leitung für ein Heiz- und ein Kühlmedium auf. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit eine äußerst genaue indirekte Temperaturbeeinflussung und damit Regelung der Temperatur im Inneren der galvanischen Zelle zur Verfügung gestellt wird.
Vorteilhafterweise ist das Temperaturbeeinflussungselement als Kühlelement ausgebildet. Auf diese Weise wird ein einfaches und kostengünstiges Temperaturbeeinflussungselement zur Verfügung gestellt, welches häufig auftretende lokale Überhitzungen in einer galvanischen Zelle vermeidet, bzw. deren Häufigkeit erheblich reduziert wird und so die galvanische Zelle zuverlässig mit ihrem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Zweckmäßigerweise umfasst der Akkumulator eine Mehrzahl galvanischer Zellen, wobei die Mehrzahl galvanischer Zellen gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–7 ausgebildet ist und die jeweiligen Temperaturbeeinflussungselemente mit einer gemeinsamen Temperaturbeeinflussungseinrichtung, insbesondere fluidtechnisch verbunden sind. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass auf einfache und zuverlässige Weise eine direkte Beeinflussung der Temperatur in der galvanischen Zelle ermöglicht wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Dabei zeigt:
1a in schematischer Form eine zylinderförmige galvanische Zeile gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
1b in schematischer Form eine prismatische galvanische Zelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
1c in schematischer Form einen Ausschnitt eines Systems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; sowie
2 Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer galvanischen Zelle gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1a zeigt in schematischer Form eine zylinderförmige galvanische Zelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1a ist eine galvanische Zelle 1 gezeigt, welche zylinderförmig ausgebildet ist. Die galvanische Zelle 1 weist dabei spiralförmig gewickelte Lagen von unterschiedlichen Elektroden 3a, 3b auf mit jeweils dazwischen angeordneten Elektrolyten 3c. Die Anschlüsse der Elektroden 2a, 2b sind dabei an der Stirnseite der zylinderförmigen Wicklung der galvanischen Zelle 1 herausgeführt. Um die zylinderförmige galvanische Zelle 1 herzustellen, wird zunächst ein stabförmiges Temperaturbeeinflussungselement 4 in Form einer Aluminiumstange mit einer Bohrung 6a entlang der Längsachse L angeordnet. Um diese herum werden dann spiralförmig die gewickelten Elektroden 3a, 3b samt Elektrolyt 3c gewickelt. Durch die Bohrung 6a entlang der Längsachse L, wobei die zylinderförmige Wicklung der galvanischen Zelle 1 koaxial zum stabförmigen Temperaturbeeinflussungselement 4 angeordnet ist, kann das Temperaturbeeinflussungselement 4 mit einem Heiz- und/oder Kühlmedium zur Kühlung der galvanischen Zelle 1 beaufschlagt werden.
1b zeigt in schematischer Form eine prismatische galvanische Zelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1b ist eine prismatische galvanische Zelle 1 gezeigt. Zwischen den beiden Elektroden 3a und 3b ist eine Platte als Temperaturbeeinflussungselement 4 angeordnet. Die Platte 4 weist dabei an der linken oberen Seite eine Vielzahl von Bohrungen 6a auf, die fluiddicht ausgebildet sind und mit einem Heiz- oder Kühlmedium F beaufschlagt werden können. Zusätzlich sind an der rechten oberen Seite der Platte 4 mehrere Bohrungen 6b angeordnet, die einerseits zum Abführen des über die Bohrungen 6a zugeführten Mediums F dienen können. Zum anderen können die Bohrungen 6a bzw. 6b auch jeweils separate Fluidkreisläufe F innerhalb der Platte 4 bilden, beispielsweise kann über die Bohrungen 6a die Platte 4 mit einem Heizmedium beaufschlagt werden wohingegen sie über die Bohrungen 6b mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden kann. Selbstverständlich können beide Kreisläufe von Heiz- und Kühlmedium getrennt sein und so angeordnet sein, dass jeweils abwechselnd in der Platte Kanäle für das Heiz- und für das Kühlmedium angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine Temperatur der Platte 4 und damit der galvanischen Zelle 1 sehr genau eingestellt werden. Die Elektroden 3a, 3b weisen dabei Kontakte 2a, 2b auf zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden 3a, 3b auf. Schließlich sind sowohl in der Elektrode 3a, der Platte 4 und auch der Elektrode 3b jeweils Temperatursensoren 7a, 7b, 7c angeordnet, die die jeweilige Temperatur der Platte 4 bzw. der Elektroden 3a, 3b messen. Aufgrund von Temperatursignalen der Sensoren 7a, 7b, 7c können dann die Bohrungen 6a, 6b entsprechend mit Heiz- und/oder Kühlmedium beaufschlagt werden, so dass die Temperatur der Platte 4 und der Elektroden 3a, 3b im optimalen Bereich für einen Betrieb der galvanischen Zelle 1 gehalten werden kann.
1c zeigt in schematischer Form einen Ausschnitt eines Systems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1c sind in schematischer Form Zuführleitungen 11a, 11b gezeigt, die mit den Bohrungen 6a bzw. 6b jeweils strömungstechnisch verbunden sind. Mittels einer jeweiligen Pumpe 10a, 10b werden über die Leitungen 11a, 11b, die jeweiligen Bohrungen 6a, 6b mit einem Heiz- oder mit einem Kühlmedium aus einem entsprechenden Reservoir R₁, R₂ beaufschlagt. Die Pumpen 10a, 10b sind wiederum mit einer Pumpensteuerungsvorrichtung 9 für die Pumpe 10a, 10b verbunden, Die Pumpensteuerungsvorrichtung 9 ist dabei mit einer Temperaturbeeinflussungseinrichtung 8 verbunden, welche in Abhängigkeit der Signale der Temperatursensoren 7a, 7b, 7c die entsprechende Pumpensteuerungsvorrichtung 9 und damit die Pumpen 10a, 10b betätigt, so dass eine Temperatur der galvanischen Zelle in einem vorgegebenen optimalen Betriebsbereich gehalten wird. Die Temperaturbeeinflussungseinrichtung 8 überwacht dabei laufend, also zeitdiskret, oder ereignisbasiert oder auch im Zeitmultiplexbetrieb Temperatursignale der Temperatursensoren 7a, 7b, 7c und regelt dementsprechend die Zufuhr von Heiz- und/oder Kühlmedium durch die Bohrungen 6a, 6b, beispielsweise der 1b oder durch die Bohrungen 6a des Temperaturbeeinflussungselements 4 der 1a.
2 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer galvanischen Zelle gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 2 bezeichnet S₁ den Schritt Anordnen einer ersten und einer zweiten Elektrode mit jeweils zumindest einem Anschluß zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Elektrode, S₂ den Schritt Anordnen eines Elektrolyten zumindest teilweise zwischen den Elektroden wobei in einem Schritt S₃ ein Temperaturbeeinflussungselement zur direkten Veränderung der Temperatur der galvanischen Zelle angeordnet wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
So ist es beispielsweise möglich, mehrere Bohrungen im stabförmigen Temperaturbeeinflussungselement 4 der 1a vorzusehen, um gleichzeitig die verschiedenen Bohrungen zur Temperaturbeeinflussung mit einem Heiz- und/oder Kühlmedium zu beaufschlagen. Diese können koaxial zueinander oder auch nebeneinander angeordnet sein. Weiterhin sind selbstverständlich auch schlangenförmige Verläufe der Bohrungen 6a, 6b in der Platte 4 gemäß 1b möglich. Darüber hinaus ist es möglich, dass abwechselnd Bohrungen 6a, 6b angeordnet sind, die in abwechselnder Reihenfolge von Heiz- und Kühlmedium beaufschlagt werden; das Heiz- und/oder Kühlmedium fließen dann innerhalb der Platte im Wesentlichen in entgegengesetzten Richtungen.
Zusammenfassend bietet die Erfindung die Vorteile, dass durch die direkte Integration eines Temperaturbeeinflussungselements in eine galvanische Zelle ein optimierter Wärmemengenfluss erreicht wird, da das Temperaturbeeinflussungselement nahe Bereichen beispielsweise einer Hitzeentwicklung angeordnet ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch ein reduzierter Platzbedarf sowie ebenfalls ein reduziertes Gewicht der galvanischen Zelle ermöglicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/083982 A1 [0006]
DE 102009/016868 A1 [0006]
DE 3416745 A1 [0006]
CH 445586 [0006]

Claims

Galvanische Zelle (1), umfassend eine erste und eine zweite Elektrode (3a, 3b) mit jeweils zumindest einem Anschluss (2a, 2b) zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Elektrode (3a, 3b), sowie einen Elektrolyten, der zumindest teilweise zwischen den Elektroden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Temperaturbeeinflussungselement (4) zur direkten Beeinflussung der Temperatur der galvanischen Zelle (1) angeordnet ist.
Zelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Zelle (1) als prismatische Zelle ausgebildet ist und das Temperaturbeeinflussungselement (4) in Form einer Platte ausgebildet ist.
Zelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Zelle (1) als zylinderförmige Zelle ausgebildet ist und das Temperaturbeeinflussungselement (4) zylinderförmig ausgebildet ist und insbesondere entlang der Längsachse (L) der zylinderförmigen Zelle (1) angeordnet ist.
Zelle gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturbeeinflussungselement (4) Aluminium und/oder Kupfer aufweist.
Zelle gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturbeeinflussungselement (4) mit einem fluiden Medium zur Temperaturbeeinflussung beaufschlagbar ist.
Zelle gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturbeeinflussungselement (4) jeweils eine fluiddichte Leitung (6a, 6b) für ein Heiz- und ein Kühlmedium aufweist.
Zelle gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturbeeinflussungselement (4) als Kühlelement ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle insbesondere gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–7 mit den Schritten Anordnen (S₁) einer ersten und einer zweiten Elektrode (3a, 3b) mit jeweils zumindest einem Anschluss zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Elektrode (3a, 3b), Anordnen (S₂) eines Elektrolyten zumindest teilweise zwischen den Elektroden (3a, 3b), dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturbeeinflussungselement zur direkten Veränderung der Temperatur der galvanischen Zelle (1) angeordnet wird (S₃).
Akkumulator, umfassend eine Mehrzahl galvanischer Zellen (1), wobei zumindest eine galvanische Zelle (1) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–7 ausgebildet ist.
Akkumulator gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl galvanischer Zellen (1) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–7 ausgebildet ist und die jeweiligen Temperaturbeeinflussungselemente (4) mit einer gemeinsamen Temperaturbeeinflussungseinrichtung (8), insbesondere fluidtechnisch, verbunden sind.
System, umfassend zumindest eine galvanische Zelle (1) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–7, zumindest eine Temperaturbeeinflussungseinrichtung (8), welche mit dem Temperaturbeeinflussungselement (4) der zumindest einen galvanischen Zelle (1) verbunden ist, sowie zumindest ein Temperatursensor (7a, 7b, 7c) zur direkten und/oder indirekten Messung der Temperatur der galvanischen Zelle (1), wobei die Temperaturbeeinflussungseinrichtung (8) derart ausgebildet ist, um anhand der vom Temperatursensor (7a, 7b, 7c) erhaltenen Temperaturdaten eine Temperatur der galvanischen Zelle (1) auf einen vorgegebenen Temperaturwert einzustellen.
Verwendung eines Systems gemäß Anspruch 11 in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
Verwendung einer galvanischen Zelle gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–7 in einem Akkumulator oder einer Batterie.