DE102011056417B4

DE102011056417B4 - Akkumulator und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102011056417B4
Application number: DE102011056417.9A
Authority: DE
Inventors: Torsten Greth
Original assignee: Johnson Controls Autobatterie GmbH and Co KGaA
Current assignee: Clarios Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: DE102011056417A1; WO2013087742A2; WO2013087742A3

Abstract

Akkumulator (1) mit einer oder mehreren elektrochemischen Akkumulatorzellen, wobei der Akkumulator (1) ein Gehäuse (2, 3) mit wenigstens zwei durch eine oder mehrere Gehäusewände (10) voneinander getrennten Aufnahmeräumen (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) aufweist, wobei einer oder mehrere der Aufnahmeräume (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) als Zellräume (11, 12, 13, 15, 16, 17) ausgebildet sind, die zur Aufnahme der elektrochemischen Elemente (5, 6, 7) jeweils einer Akkumulatorzelle eingerichtet sind, wobei wenigstens einer der Aufnahmeräume (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) als Zusatzraum (14) ausgebildet ist, in dem einer oder mehrere Superkondensatoren (20) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Superkondensatoren (20) über wenigstens eine Elektronikschaltung (22, 30) mit den Anschlusspolen (4) des Akkumulators (1) elektrisch verbunden sind, wobei mehrere der Aufnahmeräume (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) als Zellräume (11, 12, 13, 15, 16, 17) ausgebildet sind, wobei die Zellräume (11, 12, 13, 15, 16, 17) in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind und an jeweiligen Enden (8, 9) des Gehäuses (2, 3) jeweilige außen liegende Zellräume (11, 17) angeordnet sind, wobei der Zusatzraum (14) zwischen den außen liegenden Zellräumen (11, 17) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Akkumulator mit einer oder mehreren elektrochemischen Akkumulatorzellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Akkumulators gemäß Anspruch 9.
Ein gattungsgemäßer Akkumulator ist aus der CN 201927685 U bekannt. Aus der DE 602 10 175 T2 ist eine Batterie mit eingebautem Lastverteilungs-System bekannt. Aus der US 2005/0083021 A1 geht eine Akkumulatorzelle mit einem Gehäuse und einem am Gehäuse befestigten Superkondensator hervor.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet von Akkumulatoren mit elektrochemischen Akkumulatorzellen, d.h. elektrochemische Akkumulatoren. Solche Akkumulatoren werden in Kraftfahrzeugen regelmäßig eingesetzt als Starterbatterien. Solche Akkumulatoren weisen in der Regel einen flüssigen Elektrolyten auf. Der flüssige Elektrolyt kann auch in einem faserartigen Separatormaterial, das die einzelnen Elektrodenplatten umgibt, gebunden sein. Die Erfindung umfasst aber auch elektrochemische Akkumulatoren, bei denen der Elektrolyt nicht in flüssiger Form vorliegt, sondern z.B. als pastöse Masse.
Im Rahmen der Optimierung der Energiebilanz von Kraftfahrzeugen und insbesondere zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs werden in Kraftfahrzeugen vorhandene Akkumulatoren in derartige Konzepte einbezogen, z.B. bei Start-/ Stopp-Systemen oder bei einer Energierückgewinnung beim Bremsen. Es bestehen daher neue Anforderungen an solche Akkumulatoren, die über die bisherige Anforderung, zum Starten des Motors geeignet zu sein, hinausgehen. Zugleich sollen moderne Akkumulatoren, die den neuen Anforderungen entsprechen, aber möglichst bauraumgleich mit bisherigen Akkumulatoren sein, d.h. es darf kein zusätzlicher Bauraum verbraucht werden und die äußeren Abmessungen sollten möglichst weitgehend erhalten bleiben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Akkumulator mit einer oder mehreren elektrochemischen Akkumulatorzellen anzugeben, der verbesserte Eigenschaften für die erwähnten neuartigen Fahrzeugkonzepte bei vergleichbaren Außenabmessungen bietet.
Diese Aufgabe wird durch einen Akkumulator gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung hat den Vorteil, dass in dem Akkumulator-Gehäuse selbst einer oder mehrere Superkondensatoren untergebracht sind, so dass kein zusätzlicher Bauraum im Fahrzeug für solche oder andere Bauteile erforderlich ist. Vielmehr kann der Akkumulator weiterhin als im Wesentlichen quaderförmiger Block mit vergleichbaren Außenabmessungen wie bisherige Starterbatterien hergestellt werden. Durch die Integration von Superkondensatoren in einem Zusatzraum des Akkumulators werden die dynamischen Lade- und Entladeeigenschaften des Akkumulators verbessert. Herkömmliche elektrochemische Akkumulatorzellen sind hinsichtlich der möglichen Lade- oder Entladeströme auf bestimmte Technologie-bedingte Grenzen limitiert. Durch Einsatz von einem oder mehreren Superkondensatoren kann sowohl die Stromaufnahmefähigkeit als auch die Stromabgabefähigkeit des Akkumulators deutlich verbessert werden.
Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass der oder die Superkondensatoren über wenigstens eine Elektronikschaltung mit den Akkumulatoranschlüssen elektrisch verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass die Superkondensatoren nicht direkt nur über elektrische Leitungen mit den Akkumulatoranschlüssen verbunden sind, sondern über die Elektronikschaltung von den Akkumulatoranschlüssen entkoppelt sind. Dies ermöglicht es, eine Schutzschaltung für die empfindlichen Superkondensatoren vorzusehen, z.B. ein Schutz gegen Spannungsspitzen im Bordnetz. Zudem kann über die Elektronikschaltung eine Anpassung der Bordnetzspannung an die zulässige Nennspannung der Superkondensatoren erfolgen, z.B. über einen Gleichspannungswandler. Es besteht auch die Möglichkeit, die Elektronikschaltung mit einem Schaltelement zu versehen, über das der oder die Superkondensatoren bei Bedarf von den Akkumulatoranschlüssen entkoppelbar sind, z.B. zur Schonung der Superkondensatoren oder im Falle eines Defekts der Superkondensatoren.
Für Akkumulatoren, die für den Einsatz in gebräuchlichen Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, können z.B. Superkondensatoren mit einer Gesamtkapazität im Bereich von 1 bis 10 Farad eingesetzt werden.
Die Aufnahmeräume des Gehäuses können in einer Reihe nebeneinander angeordnet sein oder mehrreihig oder unregelmäßig angeordnet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Elektronikschaltung einen Gleichspannungswandler und/oder wenigstens ein von einem Batteriemanagementsystem gesteuertes Schaltelement auf. Das gesteuerte Schaltelement kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung als Halbleiterschalter ausgebildet sein, z.B. als Transistor. Die elektrische Verbindung zwischen den Anschlusspolen des Akkumulators und den Superkondensatoren kann auch einen Gleichspannungswandler aufweisen, durch den unterschiedliche Nennspannungspegel zwischen dem Akkumulator und den Superkondensatoren kompensiert werden. Das Batteriemanagementsystem kann eine Steuerungselektronik aufweisen, z.B. mit einem Mikroprozessor. Die Elektronikschaltung kann mit dem Batteriemanagementsystem zu einer Baueinheit zusammengefasst sein.
Der Akkumulator mit den erwähnten zusätzlichen Elementen wie Batteriemanagementsystem und Superkondensatoren kann insbesondere modular aufgebaut sein. So kann das Batteriemanagementsystem als ein Modul realisiert werden, und die Superkondensatoren als ein Superkondensator-Modul. Der modulare Aufbau hat den Vorteil, dass einzelne Module leicht ausgewechselt und ersetzt werden können. Es ergeben sich zudem Vorteile beim Recycling, da die einzelnen Module leicht voneinander getrennt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass Module mit langer Haltbarkeit, wie z.B. das Batteriemanagementsystem oder das Superkondensator-Modul, auch nach Ende der Lebensdauer der elektrochemischen Akkumulatorzellen noch weiter verwendet werden können.
Grundsätzlich kann jeder der Aufnahmeräume als Zusatzraum ausgebildet sein. Es können auch mehrere Aufnahmeräume als Zusatzräume ausgebildet sein, in denen dann jeweils einer oder mehrere Superkondensatoren angeordnet sind. Gemäß der Erfindung sind mehrere der Aufnahmeräume als Zellräume ausgebildet, wobei die Zellräume in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind und an jeweiligen Enden des Gehäuses jeweilige außen liegende Zellräume angeordnet sind, wobei der Zusatzraum zwischen den außen liegenden Zellräumen angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Zusatzraum und die darin angeordneten Superkondensatoren besser vor äußeren Einflüssen geschützt sind, da sie von den außen liegenden Zellräumen und gegebenenfalls weiteren dazwischen liegenden Zellräumen umgeben sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Akkumulator eine Anzahl von 2n Zellräumen auf und an jeder Seite des Zusatzraumes ist eine Anzahl von n Zellräumen angeordnet, wobei n eine natürliche Zahl ist. Hiermit ist der Zusatzraum sozusagen mittig zwischen den Zellräumen angeordnet und auf beiden Seiten symmetrisch von der gleichen Zahl von Zellräumen umgeben. Hierdurch ist der Zusatzraum und dessen Inhalt besonders gut vor Beschädigungen durch äußere Einflüsse geschützt. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich eine gleichmäßige Gewichtsverteilung innerhalb des Akkumulators ergibt und der Schwerpunkt des Akkumulators etwa mittig liegt. Damit entspricht der erfindungsgemäße Akkumulator auch von der Gewichtsverteilung und der damit verbundenen Handhabung bisherigen Akkumulatoren ohne Superkondensatoren. Ein weiterer Vorteil ergibt sich für die elektrische Leitungsführung zur Verbindung des Superkondensators bzw. der Superkondensatoren mit den Anschlusspolen des Akkumulators. Diese elektrischen Leitungen können ebenfalls symmetrisch jeweils etwa gleich lang ausgeführt werden, so dass sich beim Laden oder Entladen der Superkondensatoren auch in etwa symmetrische Spannungsabfälle an den Leitungen ergeben.
Der Superkondensator bzw. die Superkondensatoren können nach grundsätzlich beliebigen verfügbaren Technologien hergestellt bzw. ausgewählt werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können der Superkondensator bzw. die Superkondensatoren nach wenigstens einer der folgenden Technologien ausgebildet sein, wobei bei mehreren Superkondensatoren auch verschiedene Technologien miteinander kombiniert sein können:

- Doppelschichtkondensatoren,
- Pseudokondensatoren,
- Ultrakondensatoren,
- Hybridkondensatoren.

Doppelschichtkondensatoren, Superkondensatoren, Ultrakondensatoren und Hybridkondensatoren werden unter unterschiedlichen Handelsnamen angeboten, wie z.B. APowerCap, BestCap, BoostCap, CAP-XX, DLCAP, EVerCAP, DynaCap, Faradcap, GreenCap, Goldcap, HY-CAP, Super capacitor, Super-Cap, PAS Capacitor, PowerStor, PseudoCap oder Ultracapacitor.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind elektrische Verbindungselemente zur Verbindung des oder der Superkondensatoren mit den Anschlusspolen des Akkumulators in das Gehäuse des Akkumulators integriert. Die elektrischen Verbindungselemente können z.B. in einem Deckel des Gehäuses oder unterhalb des Deckels angeordnet sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die elektrischen Verbindungselemente in einem Kunststoffmaterial einbettet, aus dem das Gehäuse hergestellt ist. So können die elektrischen Verbindungselemente z.B. in das Kunststoffmaterial des Deckels des Gehäuses eingebettet sein, z.B. beim Kunststoff-Spritzvorgang.
Die elektrischen Verbindungselemente zur Verbindung des oder der Superkondensatoren mit den Anschlusspolen des Akkumulators können auf verschiedene Arten realisiert werden, z.B.

- mittels einer elektrischen Leiterplatte (PCB) mit integrierten Busbars (Stromschienen), die im Bereich zwischen den Anschlusspolen und über eine Öffnung im Deckel des Gehäuses oberhalb des Zusatzraumes montiert wird, oder
- mittels Busbar, z.B. in Form eines Kupferleiters, der in den Deckel während des Kunststoff-Spritzvorgangs eingespritzt wird. Die Integration erfolgt derart, dass der Busbar nicht mit der Säure in den Zellräumen des Akkumulators in Berührung kommen kann.

Die Verbindung der elektrischen Verbindungselemente mit den elektrischen Kontakten der Superkondensatoren kann über eine Schraub- oder Schweißverbindung erfolgen. Die Verbindung der elektrischen Verbindungselemente mit den Anschlusspolen des Akkumulators kann über eine Schraub- oder Klemmverbindung erfolgen, d.h. eine lösbare Verbindung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Akkumulatorzellen über jeweilige Zellverbinder in Reihenschaltung miteinander verbunden, wobei ein Zusatz-Zellverbinder den Zusatzraum überbrückt. Dieser Zusatz-Zellverbinder kann länger sein als die übrigen Zellverbinder. Dies hat den Vorteil, dass bisherige Herstell- und Montageverfahren, wie sie z.B. für Starterbatterien eingesetzt wurden, auch zur Herstellung des erfindungsgemäßen Akkumulators verwendet werden können. Zur Verbindung der Akkumulatorzellen können, soweit direkt nebeneinander liegende Akkumulatorzellen verbunden werden müssen, bereits vorhandene Zellverbinder verwendet werden. Zur Überbrückung des Zusatzraumes ist lediglich ein etwas verlängerter Zellverbinder zu konstruieren, der länger ist als die übrigen Zellverbinder, ansonsten aber in vergleichbarer Weise wie die übrigen Zellverbinder in dem Akkumulator montiert werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass der oder die Superkondensatoren im Laufe der Herstellung des Akkumulators in den Zusatzraum eingebracht werden, z.B. bevor ein Unterteil des Gehäuses mit einem Deckel des Gehäuses verschlossen wird. Sofern der Deckel durch eine unlösbare Verbindung mit dem Unterteil verbunden wird, z.B. durch eine Kunststoffschweißverbindung, sind der oder die Superkondensatoren danach nicht mehr ohne Beschädigung oder Zerstörung des Akkumulators aus diesem zu entfernen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Gehäuse eine Abdeckung zum Verschließen des Zusatzraumes auf, durch die der oder die Superkondensatoren nach Fertigstellung der elektrochemischen Akkumulatorzellen in das Gehäuse einsetzbar oder daraus entnehmbar ist. Dies hat den Vorteil, dass der Akkumulator hinsichtlich der Bestückung der elektrochemischen Akkumulatorzellen mit den elektrochemischen Elementen, insbesondere der Säure, zunächst ohne die eingesetzten Superkondensatoren hergestellt werden kann. Dies erlaubt es, den Akkumulator nach bisherigen Fertigungsverfahren herzustellen, ohne dass besondere Rücksicht auf die Vermeidung einer Beschädigung der Superkondensatoren bei der Herstellung des Akkumulators genommen werden muss. Insbesondere kann vermieden werden, dass die Superkondensatoren durch den zum Ende des Herstellungsprozesses des Akkumulators durchgeführten Durchschlagstest, bei dem das Gehäuse mit Hochspannung beaufschlagt wird, beschädigt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Superkondensatoren im späteren Betrieb des Akkumulators jederzeit aus dem Gehäuse entnommen werden können, z.B. für einen Austausch, eine Reparatur oder die Wiederverwendung des oder der Superkondensatoren in einem anderen Akkumulator. Die Abdeckung kann z.B. als am Gehäuse befestigte Klappe, als Schiebeelement oder als separates, abnehmbares Teil ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Abdeckung im Boden des Gehäuses angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass das Gehäuse sozusagen von unten mit den Superkondensatoren bestückt werden kann, bzw. diese wieder aus dem Gehäuse entnommen werden können. Dies ist besonders vorteilhaft bei Akkumulatoren mit so genanntem Doppeldeckel, bei dem im Deckel ein Labyrinth mit Entgasungskanälen gebildet ist. Solche Deckel können dann ohne aufwendige Änderungen weiterverwendet werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß Anspruch 9 gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators der zuvor beschriebenen Art, wobei vor der Einbringung der elektrochemischen Elemente der Akkumulatorzellen in die Zellräume ein Stabilisatorbauteil in den Zusatzraum eingebracht wird, danach die elektrochemischen Elemente der Akkumulatorzellen in die Zellräume eingebracht werden, danach das Gehäuse mit einem Deckel verschlossen wird, danach das Stabilisatorbauteil aus dem Gehäuse entfernt wird und danach einer oder mehrere Superkondensatoren in den Zusatzraum eingesetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass eine durch das Einsetzen der elektrochemischen Elemente, insbesondere der Elektrodenplattensätze, einer Verformung der Gehäusewände aufgrund des noch unbestückten Zusatzraums entgegengewirkt werden kann. Anschließend kann der Zusatzraum durch die Abdeckung verschlossen werden. Durch das Stabilisatorbauteil werden die Gehäusewände des Zusatzraumes gegenüber Kräften, die von außen auf den Zusatzraum einwirken, abgestützt. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Akkumulatoren mit in Separatorentaschen befindlichen Elektrodenplatten, wie z.B. bei AGM-Batterien. Dort kann es durch eine starke innere Kompression der Plattensätze sowie damit verbundener Kräfte auf die Gehäusewände des Gehäuses vorkommen, dass sich die Gehäusewände verformen. Diese Verformung kann bei dem noch unbestückten Zusatzraum durch das Einsetzen eines Platzhalters in Form des Stabilisatorbauteils vermieden werden. Vorteilhaft kann das Stabilisatorbauteil nach dem Verschließen des Gehäuses mit dem Deckelteil aus dem Gehäuse entfernt werden, ohne dass es dann zu der Verformung der Gehäusewände im Zusatzraum kommt, da die Gehäusewände im fertig gestellten Zustand des Gehäuses, d.h. bei aufgesetztem Deckel, durch diesen Deckel stabilisiert werden. Somit können zum Abschluss des Herstellverfahrens der oder die Superkondensatoren in den Zusatzraum eingesetzt werden, ohne dass es zu Problemen aufgrund verformter Gehäusewände kommt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 - einen Akkumulator in einer isometrischen Ansicht und
2 - den Akkumulator gemäß 1 in einer Schnittdarstellung und
3 - einen Akkumulator in Explosionsdarstellung und
4 und 5 - einen Akkumulator in Draufsicht ohne Deckel und
6 bis 9 - Ausführungsformen der elektrischen Verbindung zwischen den Superkondensatoren und den Anschlusspolen.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die 1 zeigt einen Akkumulator 1, z. B. in Form einer Starterbatterie, in einer isometrischen Ansicht. Der Akkumulator 1 ist hierbei in einer vereinfachten Darstellung wiedergegeben. Erkennbar ist ein Gehäuse mit einem Unterteil 3 und einem Deckel 2, der auf das Unterteil 3 aufgesetzt ist und dieses verschließt. Durch Öffnungen in dem Deckel 2 sind Anschlusspole 4 zur Außenseite des Akkumulators 1 geführt, die zur elektrischen Kontaktierung des Akkumulators 1 dienen.
Erkennbar ist ferner eine Anzahl von Aufnahmeräumen 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 innerhalb des Unterteils 3, die sich in einer Reihe hintereinander von einer linken Gehäuseseite 8 zu einer rechten Gehäuseseite 9 hin erstrecken. Die Aufnahmeräume 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 sind innerhalb des Unterteils 3 durch Wände 10 voneinander getrennt. Da die Wände 10 von außen an sich nicht sichtbar sind, sind sie mit punktierten Linien wiedergegeben. Es sei nachfolgend angenommen, dass die Aufnahmeräume 11, 12, 13, 15, 16, 17 als Zellräume ausgebildet sind, die zur Aufnahme von elektrochemischen Elementen der Akkumulatorzellen eingerichtet sind, und der Aufnahmeraum 14 als Zusatzraum zur Aufnahme der Superkondensatoren ausgebildet ist.
Die 2 zeigt den Akkumulator 1 in einer Schnittdarstellung durch eine Zelle des Akkumulators 1. Erkennbar ist der typische Aufbau einer Starterbatterie, bei der im Inneren einer Zelle Elektrodenplatten 6 vorgesehen sind, die über jeweilige Anschlussfahnen 5 mit den Anschlusspolen 4 verbunden sind. Einige Elektrodenplatten 6 können dabei in taschenförmigen Separatoren 7 angeordnet sein, z. B. jeweils die positiven Elektrodenplatten. Die Separatoren 7 stehen dabei etwas über die Elektrodenplatten 6 hinaus.
Die 3 zeigt den Akkumulator gemäß 1 mit weiteren Details, wobei die Einzelteile nach Art einer Explosionsdarstellung voneinander getrennt wiedergegeben sind. Zum Abschluss der Herstellung des Akkumulators sind die dargestellten Teile, bis auf ein Stabilisatorbauteil 25, miteinander verbunden. Erkennbar ist, dass der Boden 18 des Unterteils 3 des Gehäuses eine Öffnung 19 aufweist, durch die Superkondensatoren 20 in den Zusatzraum 14 einsetzbar sind. Das Einsetzen der Superkondensatoren erfolgt somit von unten her in der durch den Pfeil dargestellten Richtung. Vor dem Einsetzen der Superkondensatoren 20 in den Zusatzraum 14 kann in diesem Zusatzraum 14 ein Stabilisatorbauteil 25 angeordnet werden, das als Platzhalter für die Superkondensatoren in vorausgehenden Herstellschritten des Akkumulators dient. Hierdurch werden die Wände 10 des Zusatzraums 14 gegenüber von außen einwirkenden Kräften gestützt, die z.B. beim Einsetzen der Elektrodenplattensätze in die Zellräume 11, 12, 13, 15, 16, 17. Das Stabilisatorbauteil 25 kann z.B. als Kunststoffblock mit einem an der Unterseite angeformten Handgriff ausgebildet sein.
Die 3 zeigt die Superkondensatoren 20 in Form von sechs nebeneinander in Form eines Blocks angeordneten, plattenförmigen Superkondensatoren, die elektrisch miteinander in Reihenschaltung verbunden sind. Die Superkondensatoren 20 sind damit als ein Superkondensator-Modul ausgebildet. Unterhalb der Superkondensatoren 20 befindet sich eine Abdeckung 28, die zum Verschließen der Öffnung 19 des Bodens 18 vorgesehen ist. Die Abdeckung 28 kann als separates Bauteil vorgesehen sein oder mit den Superkondensatoren 20 verbunden sein. Oberhalb der Superkondensatoren 20 ist eine Elektronikschaltung 30 dargestellt, die z.B. blockartig mit vergleichbaren Außenabmessungen in der Horizontalebene wie die Superkondensatoren 20 ausgebildet sein kann. Die Elektronikschaltung 30 kann z.B. von oben auf die Superkondensatoren 20 aufgesetzt sein und dann beim Bestücken des Zusatzraumes 14 zusammen mit den Superkondensatoren 20 und der Abdeckung 28 in den Zusatzraum 14 eingesetzt werden. Die Elektronikschaltung 30 kann verschiedene Komponenten aufweisen, z.B. einen Gleichspannungswandler und/oder wenigstens ein von einem Batteriemanagementsystem gesteuertes Schaltelement. Die elektrischen Anschlüsse der Superkondensatoren 20, die zur Verbindung mit den Anschlusspolen 4 des Akkumulators vorgesehen sind, werden in die Elektronikschaltung 30 geführt bzw. zum Teil durch die Elektronikschaltung 30 hindurchgeführt. Aus der Elektronikschaltung 30 austretende elektrische Anschlüsse 26, 27 werden dann, direkt oder indirekt, mit den Anschlusspolen 4 verbunden.
Oberhalb des Unterteils 3 ist der Deckel 2 dargestellt. Der Deckel 2 weist ein in der Regel aus Kunststoff hergestelltes Kasten-Deckelteil 23 auf, das z.B. Entgasungskanäle aufweist. Das Kasten-Deckelteil 23 weist eine Öffnung 24 auf, durch die die Anschlüsse 26, 27 elektrisch kontaktiert werden können. Zum Deckel 2 gehört ferner ein Batteriemanagementsystem-Modul 22, das mit einem hervorstehenden Sockel in die Öffnung 24 einsetzbar ist. Durch das Batteriemanagementsystem-Modul 22 werden die Anschlüsse 26, 27 der Superkondensatoren 20, bzw. der Elektronikschaltung 30, über elektrische Verbindungsleitungen 31, 32 mit elektrischen Anschlussfahnen 33, 34 der Anschlusspole 4 verbunden.
Das Batteriemanagementsystem kann hinsichtlich der elektronischen Komponenten wie Halbleiterbauelemente und Mikroprozessoren vollständig in dem Modul 22 oder in der Elektronikschaltung 30 angeordnet sein. Insoweit kann auch die Elektronikschaltung 30 Teil des Batteriemanagementsystems sein. Das Batteriemanagementsystem kann auch hinsichtlich der verwendeten Bauteile auf das Modul 22 und die Elektronikschaltung 30 verteilt sein.
Oberhalb des Batteriemanagementsystem-Moduls 22 ist ein Polschutzdeckel 21 dargestellt, der schließlich als Abschluss über dem Batteriemanagementsystem-Modul 22 und den Anschlusspolen 4 angeordnet wird und als Schutz gegenüber Umgebungseinflüssen dient.
Die 4 zeigt das Unterteil 3 gemäß 3 ohne aufgesetzten Deckel 2 in einer Draufsicht. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Elektrodenplattensätze bereits in den Zellräumen 11, 12, 13, 15, 16, 17 angeordnet sind. Ebenso sind bereits die Superkondensatoren 20 und ggf. die Elektronikschaltung 30 in dem Zusatzraum 14 angeordnet. Wie erkennbar ist, ist der Zusatzraum 14 mittig zwischen Zellräumen 11, 12, 13, 15, 16, 17 angeordnet. Die jeweiligen Elektrodenplattensätze sind über Zellverbinder 40 kontaktiert und mit jeweiligen Zellverbindern 40 benachbarter Zellräume elektrisch verbunden, derart, dass sich eine Reihenschaltung der Akkumulatorzellen ergibt. Die Verbindung der Akkumulatorzellen über die Zellverbinder 40 kann in üblicher Weise gemäß dem Stand der Technik erfolgen. Zur Überbrückung des Zusatzraumes 14 ist ein Zusatz-Zellverbinder 41 vorgesehen, der elektrisch einerseits mit dem Zellverbinder 40 des Zellraums 13 und andererseits mit dem Zellverbinder 40 des Zellraums 15 verbunden ist. Hierdurch wird die Reihenschaltung der Akkumulatorzellen unter Überbrückung des Zusatzraums 14 fortgesetzt. Der Zusatz-Zellverbinder 41 weist eine besondere Form auf, z.B. beidseitig Kontaktfahnen für eine Schraubverbindung zu Kontaktfahnen benachbarter Zellverbinder 40. Der Zusatz-Zellverbinder 41 kann etwas länger ausgebildet sein als die normalen Zellverbinder 40. Der Zusatz-Zellverbinder 41 kann auch durch eine entsprechende Öffnung in der Zellwand 10 hindurch mit der Kontaktfahne des benachbarten Zellverbinders 40 verschweißt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass die Akkumulatorzellen säuredicht verschlossen werden.
In der 4 ist noch erkennbar, dass die einzelnen Superkondensatoren über Verbindungselemente 29 miteinander in Reihenschaltung verbunden sind.
Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Akkumulators mit einem Zusatzraum 14 und darin angeordneten Superkondensatoren 20. Die Ausführungsform gemäß 5 unterscheidet sich zu den zuvor erläuterten Ausführungsformen dadurch, dass der Zusatzraum 14 nicht mittig zwischen den Zellräumen 11, 12, 13, 15,16 angeordnet ist, sondern dezentral. Im dargestellten Beispiel ist der Zusatzraum 14 zwischen den Zellräumen 16 und 17 angeordnet. Der Zusatzraum kann auch an jeder anderen Stelle angeordnet sein, z.B. zwischen den Zellräumen 11 und 12.
Die 6 zeigt eine erste Ausführungsform zur Führung elektrischer Verbindungsleitungen von den Anschlüssen 26, 27 der Superkondensatoren 20 bzw. der Elektronikschaltung 30 zu den Anschlusspolen 4. Dargestellt sind Busbars 60, 61, d.h. Stromschienen, die im Kunststoffmaterial des Kasten-Deckelteils 23 eingespritzt sind. Die Busbars 60, 61 können z.B. aus Kupfer hergestellt sein. Die Verbindung zwischen den Anschlüssen 26, 27 und dem jeweiligen Busbar 60, 61 kann z.B. durch Schweißen hergestellt sein. Eine Verbindung des jeweiligen Busbar 60, 61 mit einer Anschlussfahne 34 des Anschlusspols kann durch Versicken hergestellt werden.
Die 7 zeigt eine Ausführungsform der genannten elektrischen Verbindungen, bei der Anschlussfahnen 31, 32 des Batteriemanagementsystem-Moduls 22 mittels einer Schraubverbindung über eine jeweilige Schraube 70 mit einer mit einem Innengewinde versehenen Flanschfläche des Anschlusspols 4 verbunden wird. Die Anschlüsse 26, 27 sind dabei mit entsprechenden Gegenkontakten des Batteriemanagementsystem-Moduls 22 verbunden.
Die 8 und 9 zeigen eine Ausführungsform der Herstellung der genannten elektrischen Verbindungen, bei der Busbars 81, 83 in Nuten im Kasten-Deckelteil 23 verlegt sind, d.h. an einer äußeren Oberfläche des Kasten-Deckelteils 23. Der jeweilige Busbar 81, 83 wird mit dem jeweiligen Anschluss 26, 27 der Superkondensatoren 20 bzw. der Elektronikschaltung 30 über Schrauben 80, 82 verbunden. Auf der Seite der Anschlusspole 4 erfolgt eine Verbindung, indem der Busbar 81, 83 in einem Endbereich eine Ringform mit einer inneren Öffnung aufweist, die nach Art einer Buchse über den Anschlusspol 4 gepresst werden kann. Die elektrische Verbindung erfolgt dabei durch die Pressung zwischen der ringförmigen Anschlussbuchse des Busbars 81, 83 und dem Außenumfang des Anschlusspols 4. Die 9 zeigt dies in einer Schnittdarstellung durch das Kasten-Deckelteil 23. Erkennbar ist, dass der Anschlusspol 4 über einen Labyrinthabschnitt 90 im Kunststoffmaterial des Kasten-Deckels 23 verankert ist.

Claims

Akkumulator (1) mit einer oder mehreren elektrochemischen Akkumulatorzellen, wobei der Akkumulator (1) ein Gehäuse (2, 3) mit wenigstens zwei durch eine oder mehrere Gehäusewände (10) voneinander getrennten Aufnahmeräumen (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) aufweist, wobei einer oder mehrere der Aufnahmeräume (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) als Zellräume (11, 12, 13, 15, 16, 17) ausgebildet sind, die zur Aufnahme der elektrochemischen Elemente (5, 6, 7) jeweils einer Akkumulatorzelle eingerichtet sind, wobei wenigstens einer der Aufnahmeräume (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) als Zusatzraum (14) ausgebildet ist, in dem einer oder mehrere Superkondensatoren (20) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Superkondensatoren (20) über wenigstens eine Elektronikschaltung (22, 30) mit den Anschlusspolen (4) des Akkumulators (1) elektrisch verbunden sind, wobei mehrere der Aufnahmeräume (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) als Zellräume (11, 12, 13, 15, 16, 17) ausgebildet sind, wobei die Zellräume (11, 12, 13, 15, 16, 17) in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind und an jeweiligen Enden (8, 9) des Gehäuses (2, 3) jeweilige außen liegende Zellräume (11, 17) angeordnet sind, wobei der Zusatzraum (14) zwischen den außen liegenden Zellräumen (11, 17) angeordnet ist.
Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikschaltung (22, 30) einen Gleichspannungswandler und/oder wenigstens ein von einem Batteriemanagementsystem gesteuertes Schalterelement aufweist.
Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator eine Anzahl von 2n Zellräumen (11, 12, 13, 15, 16, 17) aufweist und an jeder Seite des Zusatzraumes (14) eine Anzahl von n Zellräumen (11, 12, 13, 15, 16, 17) angeordnet ist, wobei n eine natürliche Zahl ist.
Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Superkondensator (20) bzw. die Superkondensatoren (20) nach wenigstens einer der folgenden Technologien ausgebildet sind, wobei bei mehreren Superkondensatoren (20) auch verschiedene Technologien miteinander kombiniert sein können: - Doppelschichtkondensatoren, - Pseudokondensatoren, - Ultrakondensatoren, - Hybridkondensatoren.
Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Verbindungselemente (60, 61, 81, 83) zur Verbindung des oder der Superkondensatoren mit den Anschlusspolen (4) des Akkumulators (1) in das Gehäuse (2, 3) des Akkumulators (1) integriert sind, insbesondere in ein Kunststoffmaterial eingebettet sind, aus dem das Gehäuse (2, 3) hergestellt ist.
Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulatorzellen über jeweilige Zellverbinder (40, 41) in Reihenschaltung miteinander verbunden sind, wobei ein Zusatz-Zellverbinder (41) den Zusatzraum (14) überbrückt.
Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2, 3) eine Abdeckung (28) zum Verschließen einer Öffnung (19) des Zusatzraumes (14) aufweist, durch die der oder die Superkondensatoren (20) nach Fertigstellung der elektrochemischen Akkumulatorzellen in das Gehäuse (2, 3) einsetzbar oder daraus entnehmbar ist.
Akkumulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (28) im Boden (18) des Gehäuses (2, 3) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators, wobei der Akkumulator (1) folgende Merkmale aufweist: - eine oder mehrere elektrochemische Akkumulatorzellen, wobei der Akkumulator (1) ein Gehäuse (2, 3) mit wenigstens zwei durch eine oder mehrere Gehäusewände (10) voneinander getrennten Aufnahmeräumen (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) aufweist, wobei einer oder mehrere der Aufnahmeräume (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) als Zellräume (11, 12, 13, 15, 16, 17) ausgebildet sind, die zur Aufnahme der elektrochemischen Elemente (5, 6, 7) jeweils einer Akkumulatorzelle eingerichtet sind, wobei wenigstens einer der Aufnahmeräume (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) als Zusatzraum (14) ausgebildet ist, in dem einer oder mehrere Superkondensatoren (20) angeordnet sind, wobei der oder die Superkondensatoren (20) über wenigstens eine Elektronikschaltung (22, 30) mit den Anschlusspolen (4) des Akkumulators (1) elektrisch verbunden sind, und - das Gehäuse (2, 3) eine Abdeckung (28) zum Verschließen einer Öffnung (19) des Zusatzraumes (14) aufweist, durch die der oder die Superkondensatoren (20) nach Fertigstellung der elektrochemischen Akkumulatorzellen in das Gehäuse (2, 3) einsetzbar oder daraus entnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Einbringung der elektrochemischen Elemente (5, 6, 7) der Akkumulatorzellen in die Zellräume (11, 12, 13, 15, 16, 17) ein Stabilisatorbauteil (25) in den Zusatzraum (14) eingebracht wird, danach die elektrochemischen Elemente (5, 6, 7) der Akkumulatorzellen in die Zellräume (11, 12, 13, 15, 16, 17) eingebracht werden, danach das Gehäuse (2, 3) mit einem Deckel (2) verschlossen wird, danach das Stabilisatorbauteil (25) aus dem Gehäuse (2, 3) entfernt wird und danach einer oder mehrere Superkondensatoren (20) in den Zusatzraum (14) eingesetzt werden.