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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontaktelement zum mechanischen, thermischen und elektrischen Kontaktieren wenigstens eines Energiespeichers. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein das Kontaktelement umfassendes Energiespeichermodul.
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Stand der Technik
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Zur Reduktion der Emission, wie etwa der lokalen Emission von Kraftfahrzeugen, werden derzeit verstärkt hybridelektrische oder rein elektrische Antriebskonzepte entwickelt. Der Betrieb von elektrischen Maschinen im Motor- und Generatorbetrieb setzt einen elektrischen Energiespeicher im Fahrzeug voraus. Die relativ hohen Stückkosten einer sogenannten Traktionsbatterie in einem Fahrzeug machen eine Lebensdauer der Energiespeicher beziehungsweise der Zellen im Bereich der Fahrzeuglebensdauer wünschenswert.
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Typischerweise umfassen Traktionsbatterien einige wenige bis hin zu mehreren tausend Einzelzellen, die in parallelen oder seriellen Ästen derart verschaltet sind, dass die Spezifikation bezüglich Reichweite, also der Ladungskapazität der gesamten Traktionsbatterie, und der maximalen Leistung, also dem maximalen Laststrom pro Zelle, erfüllt wird. In praktischen Ausführungen werden die Zellen oftmals in kompakten Modulen montiert. Derartige Module sowie dessen Komponenten sollten die Anforderungen hinsichtlich mechanischer Stabilität, Thermik und elektrischer Kontaktierung erfüllen, um eine lange Lebensdauer des Moduls und damit der gesamten Traktionsbatterie zu gewährleisten.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontaktelement zum mechanischen, thermischen und elektrischen Kontaktieren wenigstens eines Energiespeichers, wobei das Kontaktelement wenigstens einen Aufnahmeraum zum Aufnehmen des wenigstens einen Energiespeichers zumindest teilweise begrenzt, wobei das Kontaktelement zu einer kraft-, form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung mit zumindest einem Teilbereich des Energiespeichers ausgebildet ist, wobei das Kontaktelement zumindest teilweise elektrisch leitfähig ist und wobei das Kontaktelement wenigstens teilweise thermisch leitfähig ist.
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Ein mechanisches Kontaktieren kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten ein mechanisches Befestigen des wenigstens einen Energiespeichers an dem Kontaktelement, was dem Energiespeicher, beispielsweise bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug, einen sicheren Halt und damit einhergehend eine hohe Stabilität gewährt.
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Ein thermisches Kontaktieren kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten ein in Kontakt Bringen des Kontaktelements mit dem Energiespeicher derart, dass die von dem Energiespeicher während des Betriebs erzeugte Wärme insbesondere vollständig durch das thermische Kontaktieren des Kontaktelements über das Kontaktelement abführbar ist. Ferner kann gleichermaßen Wärme aus einer anderen Quelle zuführbar sein, wodurch der Energiespeicher gekühlt beziehungsweise aufgewärmt werden kann.
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Ein elektrisches Kontaktieren kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten ein elektrisches Anschließen des Energiespeichers an das Kontaktelement und damit insbesondere weiterhin ein mögliches elektrisches Verbinden mit einem elektrischen System beispielsweise einer Traktionsbatterie beziehungsweise eines Verbrauchers. Dabei ist beispielsweise eine parallele oder eine serielle Verschaltung des wenigstens einen Energiespeichers mit weiteren Energiespeichern möglich.
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Ein Energiespeicher im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann jegliches Element sein, welches Energie, insbesondere elektrische Energie, speichern und einem Verbraucher zur Verfügung stellen kann. Besonders bevorzugt umfasst oder ist der wenigstens eine Energiespeicher eine Einzelzelle einer Traktionsbatterie beziehungsweise eine Einzelzelle eines Akkumulators.
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Erfindungsgemäß begrenzt das Kontaktelement wenigstens einen Aufnahmeraum zur Aufnahme des Energiespeichers zumindest teilweise. Dies kann beispielsweise durch nur einen Bereich des Kontaktelements realisiert werden, welcher den Aufnahmeraum vollständig oder teilweise begrenzt. Ferner kann eine Mehrzahl an Bereichen vorgesehen sein, welche den Aufnahmeraum jeweils teilweise begrenzen.
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Dabei ist das Kontaktelement zwecks einer mechanischen Kontaktierung zu einer kraft-, form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung mit zumindest einem Teilbereich eines Energiespeichers ausgebildet. Das Kontaktelement ist ferner zwecks einer elektrischen Kontaktierung zumindest teilweise elektrisch leitfähig. Ferner ist das Kontaktelement zwecks einer thermischen Kontaktierung wenigstens teilweise thermisch leitfähig. Jeweils eine der obengenannten Eigenschaften kann dabei jeweils einem einzelnen separaten Bereich des Kontaktelements zukommen, für den Fall, dass eine Mehrzahl an derartigen Bereichen vorgesehen ist. Alternativ kann nur ein oder jeder der Bereiche oder das ganze Kontaktelement selbst alle oder mehrere der vorgenannten Eigenschaften aufweisen. Für den Fall, dass nur ein Bereich für die vorgenannten Aufgaben vorgesehen ist, weist dieser jede der vorgenannten Eigenschaften auf.
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Eine Ausbildung zu einer kraftschlüssigen Verbindung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass das Kontaktelement zumindest teilweise in geeigneter Weise ausgerichtet beziehungsweise ausgestaltet ist, um eine Klemmwirkung zu entfalten. Dazu kann das Kontaktelement beispielsweise teilweise, etwa durch einen geeigneten Klemmbereich, im Wesentlichen parallel zu zumindest einem Teilbereich einer Außenwandung des Energiespeichers verlaufen. Das kann insbesondere bedeuten, dass eine exakt parallele Ausrichtung oder eine abgeschrägte Ausrichtung vorgesehen sein kann. Eine abgeschrägte Ausrichtung kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn an dem Kontaktelement kein Energiespeicher befestigt, also kontaktiert ist, da in diesem Fall eine Vorspannung insbesondere in den Aufnahmeraum vorteilhaft sein kann. Dabei ist das Maß der Abschrägung beziehungsweise Vorspannung insbesondere abhängig von der Form und Größe des zu kontaktierenden Energiespeichers sowie von der gewünschten Klemmkraft.
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Eine Ausbildung zu einer stoffschlüssigen Verbindung kann insbesondere bedeuten, dass ein geeigneter Bereich des Kontaktelements, beispielsweise ein Seitenschenkel desselben, parallel zu einer Außenwandung des Energiespeichers verlaufen kann, jedoch nicht zwingend vorgespannt sein muss, um eine Klemmverbindung zu erzeugen. Vielmehr kann die mechanische Kontaktierung beispielsweise durch einen geeigneten Klebstoff erfolgen, der die beiden Bauteile aufgrund ihrer Ausrichtung zusammenhalten kann und der auf dem Kontaktelement angeordnet sein kann.
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Eine Ausbildung zu einer formschlüssigen Verbindung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass das Kontaktelement einen Abschnitt aufweist, der beispielsweise einen Teil des Energiespeichers hintergreifen kann, um diesen so zu befestigen beziehungsweise mechanisch zu kontaktieren.
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Das Kontaktelement dient ferner der thermischen Kontaktierung. Insbesondere durch einen direkten Kontakt mit dem wenigstens einen Energiespeicher oder einem Teil desselben kann es dazu geeignet sein, Wärme von dem Energiespeicher aufzunehmen und weiter abzuführen. Dazu kann es von Vorteil sein, wenn eine Kontaktfläche zwischen dem Kontaktelement oder einem Bereich desselben und dem Energiespeicher eine Größe aufweist, die in einem Bereich von ≥ 10%, insbesondere ≥ 20%, einer Fläche des Energiespeichers, wie etwa einer Seitenfläche des Energiespeichers, beträgt. Dadurch ist eine besonders große Kontaktfläche vorhanden, was neben einem guten Kraftschluss zusätzlich eine besonders vorteilhafte Wärmeübertragung gewährleisten kann. Eine derartige Fläche kann ferner von einer Mehrzahl an Bereichen des Kontaktelements eingenommen werden, wobei insgesamt eine Überdeckung beziehungsweise thermische Kontaktierung des Energiespeichers von ≥ 10% beziehungsweise ≥ 30% bezogen auf die Gesamtaußenfläche des wenigstens einen Energiespeichers vorteilhaft sein kann. Dafür kann es insbesondere von Vorteil sein, wenn das Kontaktelement zumindest teilweise thermisch leitfähig ist.
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Es ist dabei, wie oben ausgeführt, möglich, dass ein oder mehrere für die thermische Kontaktierung zuständigen Bereiche des Kontaktelements nur begrenzt für die mechanische Kontaktierung eingesetzt werden beziehungsweise diesbezüglich wirken. Zusätzlich zu einem oder mehreren Bereichen des Kontaktelements mit großer Dimension, wie oben beschrieben, können beispielsweise weitere Bereiche vorgesehen sein, die durch ihre Ausrichtung beziehungsweise Vorspannung einen Großteil oder die gesamte mechanische Kontaktierung übernehmen. Diese Bereiche können in diesem Fall deutlich kleiner dimensioniert sein, und nur einen vergleichsweise geringen Teil an thermischer Energie übertragen.
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Darüber hinaus dient das Kontaktelement einer elektrischen Kontaktierung. Diese kann, wenn das Kontaktelement zumindest teilweise elektrisch leitend ist, bereits erzielt werden durch einen bloßen Kontakt des Kontaktelements mit dem Energiespeicher oder beispielsweise seinem auf Masse gelegten Gehäuse. Ferner können elektrische Verbindungen zwischen dem Kontaktelement und dem entsprechenden Pol des Energiespeichers ausgebildet werden. Je nach elektrischer Verschaltung, also insbesondere einer seriellen oder parallelen Verschaltung, und Zellgeometrie kann die elektrische Kontaktierung durch zusätzliche Laschen beziehungsweise eigens dafür vorgesehene Kontaktmittel des Kontaktelements erfolgen. Die Kontaktierung kann beispielsweise durch Schweißen, Löten, Pressen, Crimpen, Bonden oder sonstige kraft-, form-, oder stoffschlüssige Verfahren gewährleistet werden, wobei in diesem Fall gleichermaßen eine mechanische Kontaktierung erfolgen kann.
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Das erfindungsgemäße Kontaktelement ermöglicht somit eine vollständige mechanische, thermische und elektrische zumindest einpolige beziehungsweise obenseitige Kontaktierung wenigstens eines Energiespeichers mit nur einem Bauteil beziehungsweise einem Kontaktelement. Dies wird ermöglicht, da das erfindungsgemäße Kontaktelement thermische, mechanische und elektrische Schnittstellen bereitstellt, so dass eine zusätzliche beziehungsweise parallele thermische, mechanische und elektrische Kontaktierung beziehungsweise Anbindung nicht notwendig ist. Erfindungsgemäß ist es daher zumindest für eine insbesondere vollständige einpolige beziehungsweise obenseitige mechanische, thermische und elektrische Kontaktierung nicht mehr notwendig, wie im Stand der Technik üblich, eine Mehrzahl an Kontaktelementen beziehungsweise Bauteilen für eine Kontaktierung des Energiespeichers bereitzustellen.
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Auf diese Weise kann die Anzahl der Komponenten beispielsweise einer Traktionsbatterie deutlich gesenkt werden, was beispielsweise das Systemgewicht reduziert. Ferner weisen erfindungsgemäß das eingesetzte Material beziehungsweise die eingesetzten Komponenten einen Mehrfachnutzen auf, was eine Hochintegration der Batteriekomponenten erlaubt.
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Ein weiterer positiver Aspekt des erfindungsgemäßen Kontaktelements liegt ferner darin, dass dadurch, dass das gleiche Element, das einer elektrischen Kontaktierung dient, auch einer Wärmeableitung dient, stromführende Bauteile gekühlt werden. Dadurch kann etwa der Querschnitt von Stromableitern reduziert werden, was weiterhin Material und damit Gewicht gleichermaßen wie Kosten spart.
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Da die mechanische Kontaktierung erfindungsgemäß insbesondere durch eine Klemmwirkung eines oder einer Mehrzahl an Bereichen des Kontaktelements erfolgen kann, zwischen denen der wenigstens eine Energiespeicher eingefügt und eingeklemmt wird, ist eine rein kraftschlüssige Verbindung zwischen Energiespeicher und Kontaktelement ausbildbar. Eine derartige Verbindung ist dabei leicht ausbildbar und leicht wieder lösbar. Der Montageaufwand beim Befestigen eines Energiespeichers an dem Kontaktelement kann daher gering gehalten werden, was Zeit und Kosten beim Herstellen beispielsweise einer Traktionsbatterie spart. Ein Austausch beispielsweise eines Energiespeichers für den Fall, dass dieser einen Defekt aufweist, ist ferner ebenfalls leicht möglich. Das Recycling einer Traktionsbatterie ist damit zusätzlich vereinfacht.
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Erfindungsgemäß weist das Kontaktelement einen Kopfabschnitt auf, an dem wenigstens zwei Seitenschenkel angeordnet sind, welche gemeinsam zu einer kraftschlüssigen Verbindung mit zumindest einem Teilbereich des Energiespeichers (12) ausgebildet sind. Dies kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere das Vorsehen wenigstens eines Schenkels bedeuten, der einstückig mit dem Kopfabschnitt ausgebildet ist, oder der an dem Kopfabschnitt befestigt ist. Dabei kann beispielsweise ein Seitenschenkel vorgesehen sein, der etwa einen runden oder rechteckig geformten Aufnahmeraum zumindest teilweise begrenzt, jeweils in Abhängigkeit der Ausgestaltung des zu kontaktierenden Energiespeichers. Insbesondere können jedoch wenigstens zwei Seitenschenkel vorgesehen sein, welche zueinander gegenüberliegend an dem Kopfabschnitt angeordnet sind. Gegenüberliegend angeordnet kann dabei insbesondere bedeuten, dass sie einen zwischen sich angeordneten Aufnahmeraum definieren, in welchen ein Energiespeicher einbringbar ist. Der Kopfabschnitt kann dabei gleichermaßen wie der wenigstens eine Seitenschenkel ein kontaktierender Bereich des Kontaktelements sein und somit ebenfalls zum mechanischen und/oder thermischen und/oder elektrischen Kontaktieren dienen. Insbesondere kann der Kopfabschnitt einem mechanischen Kontaktieren dienen.
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Weiterhin kann der wenigstens eine Seitenschenkel im Wesentlichen senkrecht zu dem Kopfabschnitt angeordnet sein. Dies kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass der wenigstens eine Seitenschenkel exakt rechtwinklig verläuft oder aber einen bestimmten Winkel einschließt, um beispielsweise eine Vorspannung zu realisieren. In diesem Fall kann die rechtwinklige Ausrichtung erreicht werden für den Fall, dass ein Energiespeicher von dem Kontaktelement kontaktiert wird.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass der wenigstens eine Seitenschenkel abgeschrägt verläuft. Dies kann insbesondere für den Fall geeignet sein, wenn etwa der Kopfbereich des Energiespeichers nicht exakt parallel zueinander, sondern beispielsweise sich nach oben verdickend verläuft, wodurch die mechanische Kontaktierung verbessert werden kann. In diesem Fall kann der wenigstens eine Seitenschenkel auch beispielsweise in einem Winkel von 45° in den Aufnahmeraum ausgerichtet sein für den Fall, dass ein Energiespeicher kontaktiert ist.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Kontaktelement wenigstens ein Wärmeübertragungsmittel, insbesondere einen Temperierkanal, zum Abführen oder Zuführen von Wärme von oder zu dem Kontaktelement auf. Ein Wärmeübertragungsmittel zum Abführen oder Zuführen von Wärme kann im Sinne der vorliegenden Erfindung jegliches Element umfassen, welches dem Zweck dient, von dem Kontaktelement aufgenommene Wärme des wenigstens einen Energiespeichers abzuführen oder diesem Wärme zuzuführen. Dabei ist sowohl ein direktes Abführen von Wärme umfasst, wie auch ein indirektes, beispielsweise über weitere Elemente beziehungsweise Komponenten.
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Insbesondere durch einen Temperierkanal, wie einen Kühlkanal beziehungsweise Heizkanal, kann auf einfache Weise die von dem Kontaktelement aufgenommene Wärme des Energiespeichers an den Temperierkanal beziehungsweise an in dem Temperierkanal sich befindendes Temperiermittel abgegeben werden. Dazu ist es vorteilhaft, dass der Temperierkanal eine geringe thermische Isolierungsgüte aufweist, um Wärme gut übertragen zu können. Geeignete Temperierkanäle können daher aus Metall ausgebildet sein, wobei in diesem Fall eine geeignete elektrische Isolierung an den notwendigen Stellen vorgesehen sein kann, um einen Kurzschluss zu verhindern. Weiterhin sind Kunststoffe, insbesondere mit keramischen Füllstoffen, von Vorteil, da diese elektrisch isolierend und thermisch gut wärmeleitend sein können. Die exakte Ausgestaltung und Dimensionierung ist dabei insbesondere zu wählen in Abhängigkeit der notwendigen zu erzeugenden Temperierwirkung.
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Dabei kann an dem Kontaktelement beispielsweise ein oder eine Vielzahl an Befestigungsmitteln vorgesehen sein, um einen Temperierkanal an dem äußeren des Kontaktelements zu befestigen. Alternativ oder zusätzlich kann es weiterhin vorteilhaft sein, dass das wenigstens eine Wärmeübertragungsmittel einen in dem Inneren des Kontaktelements angeordneten Temperierkanal aufweist, In dieser Ausführungsform kann die von dem Kontaktelement aufgenommene Wärme direkt aus dessen Inneren abgeführt werden oder dem Inneren zugeführt werden. Die Anzahl und Größe der Temperierkanäle ist wiederum insbesondere abhängig von der notwendigen zu erzeugenden Kühlwirkung oder Heizwirkung. Als Kühl- beziehungsweise Heizmittel, welches den Temperierkanal durchströmen kann, ist zweckmäßigerweise ein elektrisch nicht leitfähiges Kühlmittel geeignet. Beispielhaft können organische Öle oder auch entionisiertes Wasser verwendet werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Kontaktelement ein Rastelement zum Befestigen des wenigstens einen Energiespeichers auf. Auf diese Weise kann die mechanische Kontaktierung weiter verbessert werden. So wird die mechanische Kontaktierung nicht nur beispielsweise durch einen Klemmeffekt hervorgerufen, sondern kann ferner durch die Rastverbindung verstärkt oder ausschließlich durch diese bewirkt werden. In dieser Ausführungsform ist somit eine besonders stabile mechanische Kontaktierung möglich. Vorteilhaft an einer Rastverbindung ist ferner, dass eine derartige mechanische Fixierung eine leicht lösbare Verbindung darstellt, wodurch eine mechanische Kontaktierung, etwa zum Austauschen eines Energiespeichers, leicht lösbar ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Energiespeichermodul mit zumindest einem Energiespeicher und mit einem erfindungsgemäßen Kontaktelement, an dem der wenigstens eine Energiespeicher mechanisch, thermisch und elektrisch kontaktiert ist, ferner umfassend ein Bodenelement zum bodenseitigen Kontaktieren des wenigstens einen Energiespeichers. Das erfindungsgemäße Energiespeichermodul umfasst somit wenigstens einen Energiespeicher, ist jedoch bevorzugt mit einer Mehrzahl an Energiespeichern ausgestattet. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Energiespeichermodul eine Einheit von vier Batteriezellen beziehungsweise Akkumulatorzellen aufweisen, die etwa parallel geschaltet sein können. Das Bodenelement kann insbesondere zum bodenseitigen Kontaktieren des wenigstens einen Energiespeichers dienen. Ein bodenseitiges Kontaktieren kann dabei insbesondere ein mechanisches Kontaktieren, wie etwa ein Stabilisieren des oder der Energiespeicher beziehungsweise des Energiespeichermoduls, wie auch ein elektrisches Kontaktieren des oder der Energiespeicher bedeuten. Dabei ist dem Fachmann verständlich, dass das bodenseitige elektrische Kontaktieren insbesondere das Kontaktieren des Gegenpols bezüglich des mit dem Kontaktelement kontaktierten Pols des Energiespeichers gemeint ist.
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Dabei kann ferner vorzugsweise das erfindungsgemäße Kontaktelement zum mechanischen, thermischen und elektrischen Kontaktieren des wenigstens einen oder bevorzugt sämtlicher einer Mehrzahl von Energiespeichern ausgebildet sein. Dazu kann das Kontaktelement, beispielsweise bei quaderförmigen Energiespeichern, vorzugsweise einen durchgehenden Kopfabschnitt und für jeden der Energiespeicher beispielsweise wenigstens einen Seitenschenkel aufweisen, der ausgestaltet ist, wie oben beschrieben. Das Wärmeübertragungsmittel zum Abführen von Wärme kann dabei für jeden der Energiespeicher vorgesehen sein oder derart angeordnet sein, dass es die Wärme, welche das Kontaktelement von dem oder den Energiespeichern aufnimmt, gesamtheitlich aufnimmt oder an dieses abgibt.
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Das erfindungsgemäße Energiespeichermodul weist insbesondere die mit Bezug auf das Kontaktelement diskutierten Vorteile auf. Durch das Vorsehen des erfindungsgemäßen Kontaktelements kann der Energiespeicher oder können die Energiespeicher durch das Kontaktelement mechanisch, thermisch und elektrisch kontaktiert werden. Dadurch kann der Montageaufwand wie auch der Demontageaufwand erheblich reduziert werden, was Zeit und Kosten spart und die Instandhaltung vereinfacht. Darüber hinaus können durch eine Reduzierung der Bauteile Gewicht und Kosten eingespart werden.
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Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ist zwischen dem wenigstens einem Energiespeicher und dem Kontaktelement ein Wärmeübertragungsmedium angeordnet. Das Wärmeübertragungsmedium ist dabei zweckmäßigerweise ein an sich nicht elektrisch leitfähiges Wärmeübertragungsmedium, wie etwa ein Wärmeübertragungsgel. Dadurch kann die thermische Anbindung des Energiespeichers an das Kontaktelement noch weiter verbessert werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ist der wenigstens eine Energiespeicher ein Lithiumlonen-Akkumulator. Ein derartiger Energiespeicher weist eine Vielzahl von Vorteilen auf, da dieser meist thermisch stabil ist und keinen Memory-Effekt aufweist. Darüber hinaus zeichnet sich ein Lithium-Ionen-Akkumulator durch eine vergleichsweise hohe Energiedichte aus.
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Es kann ferner vorteilhaft sein, wenn wenigstens zwei Energiespeicher vorgesehen sind, zwischen denen wenigstens ein Schwingungsdämpfungselement angeordnet ist. Ein Schwingungsdämpfungselement kann dabei zum einen die Stabilität des Energiespeichermoduls verbessern. Denn vorzugsweise sind bei einer Mehrzahl von Energiespeichern diese nicht direkt aneinander angeordnet, sondern es ist vielmehr ein Spalt zwischen den Energiespeichern vorgesehen, um beispielsweise einen elektrischen Kontakt der elektrisch leitenden Energiespeichergehäuse zu verhindern und ferner eine Kühlung zu ermöglichen. Bei Erschütterungen jedoch, wie sie beispielsweise bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls in einem Fahrzeug vorkommen können, kann die Stabilität des Moduls nach einer längeren Verwendungszeit beeinträchtigt werden. Um dies zu verhindern, ist in dieser Ausführungsform wenigstens ein Schwingungsdämpfungselement zwischen den Energiespeichern vorgesehen. Das wenigstens eine Schwingungsdämpfungselement ist dabei vorzugsweise elastisch und elektrisch nicht leitend. Beispielsweise kann ein oder eine Vielzahl von Gummipuffern oder Elastomerfolien Verwendung finden, oder ein geeigneter Schaum kann zwischen die Energiespeicher eingebracht werden. Ferner können Kunststoffbauteile zwischen den Energiespeichern angeordnet werden, um Schwingungen zu dämpfen. Ein Energiespeichermodul gemäß dieser Ausführungsform ist somit besonders stabil und langlebig. Das wenigstens eine Schwingungsdämpfungselement sollte dabei derart ausgestaltet sein, dass es auch bei hohen Temperaturen stabil ist, also auch einem potentiellen thermischen Durchgehen des Energiespeichers standhält.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Energiespeicheranordnung, umfassend wenigstens zwei erfindungsgemäße Energiespeichermodule. Bei einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung können zwei oder mehrere Energiespeichermodule parallel oder in Reihe geschaltet werden, um die Anforderungen der Energiespeicheranordnung mit Bezug auf maximale Ladungskapazität der gesamten Anordnung, wie etwa einer Traktionsbatterie, und der maximalen Leistung, zu erfüllen. Eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung weist insbesondere die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Kontaktelement und die mit Bezug auf das Energiespeichermodul genannten Vorteile auf, nämlich insbesondere eine einfache Montage und Demontage, eine Reduzierung der benötigten Bauteile und eine damit einhergehende Reduzierung der Kosten.
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Im Rahmen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung ist zwischen den wenigstens zwei Energiespeichermodulen eine elektrische Isolierung angeordnet. Dadurch kann ein elektrischer Kontakt zwischen den einzelnen Modulen beziehungsweise den in den Modulen angeordneten Energiespeichern verhindert werden. Dabei können die Module trotzdem sehr eng aneinander verbaut werden, was Bauraum einspart. Dies ist insbesondere bei mobilen Anwendungen, wie etwa in Fahrzeugen, beispielsweise Kraftfahrzeugen, von Vorteil. Die elektrische Isolierung sollte dabei derart ausgestaltet sein, dass sie auch bei hohen Temperaturen stabil ist, also auch einem potentiellen thermischen Durchgehen des Energiespeichers standhält.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
- 1 eine schematische Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kontaktelements;
- 2 eine schematische Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls von schräg oben;
- 3 eine schematische Skizze der Ausführungsform des Energiespeichermoduls aus 2 von schräg unten.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kontaktelements 10. Das Kontaktelement 10 dient dem mechanischen, thermischen und elektrischen Kontaktieren wenigstens eines in 1 nicht gezeigten Energiespeichers 12. Die Anordnung des Energiespeichers 12 in dem Kontaktelement 10 beziehungsweise das Kontaktieren des Energiespeichers 12 durch das Kontaktelement 10 ist in den 2 und 3 gezeigt.
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Das erfindungsgemäße Kontaktelement 10 kann beispielsweise einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist das Kontaktelement 10 einstückig aus einem Metall, wie etwa einem Metallblech, beispielsweise aus Kupfer, ausgebildet. Es kann in eine geeignete Form gestanzt beziehungsweise gefalzt sein.
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Das Kontaktelement 10 gemäß 1 ist ausgebildet, um wenigstens einen Energiespeicher 12 aufzunehmen beziehungsweise zu kontaktieren. Es begrenzt wenigstens einen Aufnahmeraum 20 zum Aufnehmen des wenigstens einen Energiespeichers 12 zumindest teilweise. Für den Fall eines Energiespeichers 12 mit rundem Querschnitt beispielsweise kann nur ein Bereich des Kontaktelements vorgesehen sein, welcher einen kreisförmigen Aufnahmeraum 20 ausbildet. Gemäß 1 ist das Kontaktelement 10 jedoch nicht beschränkend zum Kontaktieren von vier Energiespeichern 12 ausgebildet, die weiterhin quaderförmig ausgestaltet sind. Folglich begrenzt das Kontaktelement 10 gemäß 1 vier Aufnahmeräume 20 zumindest teilweise.
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Das Kontaktelement 10 ist dabei zu einer kraft-, form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung mit zumindest einem Teilbereich des Energiespeichers 12 ausgebildet. Das Kontaktelement 10 ist ferner zumindest teilweise elektrisch leitfähig und darüber hinaus wenigstens teilweise thermisch leitfähig.
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Gemäß 1 kann das Kontaktelement einen Kopfabschnitt 14 aufweisen, der zur oberen Anlage eines Energiespeichers 12 oder einer Mehrzahl an Energiespeichern 12 dienen kann. Gemäß 1 ist der Kopfabschnitt 14 zur Anlage von vier Energiespeichern 12 ausgebildet. Zusätzlich zu dem Kopfabschnitt 14 kann das Kontaktelement 10 einen oder mehrere weitere Bereiche aufweisen, beispielsweise wenigstens einen oder zwei Seitenschenkel 16. Diese können zueinander gegenüberliegend an dem Kopfabschnitt 14 angeordnet sein. Die beispielsweise wenigstens zwei Seitenschenkel 16 können einer kraftschlüssigen, stoffschlüssigen und/oder formschlüssigen Fixierung des Energiespeichers 12, also seiner mechanischen Kontaktierung, dienen. Dabei können für jeden Energiespeicher 12 wenigstens zwei gegenüberliegend angeordnete Seitenschenkel 16 vorhanden sein, so dass zwischen den Seitenschenkeln 16 der wenigstens eine Energiespeicher 12 einbringbar ist. Da gemäß 1 das Kontaktelement 10 zur Kontaktierung von vier Energiespeichern 12 ausgebildet ist, können für jeden der Energiespeicher 12 vorzugsweise zwei Seitenschenkel 16 vorgesehen sein. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass zwei Energiespeicher 12 direkt aneinander angeordnet werden derart, dass sie den zwischen sich befindlichen Seitenschenkel 16 teilen. In diesem Fall kann zwischen den Energiespeichern 12 ein elektrischer Isolator angeordnet sein, um einen Kurzschluss zu verhindern. Es ist jedoch bevorzugt, dass, wie in 1 gezeigt, für jeden Energiespeicher 12 wenigstens zwei Seitenschenkel 16 vorgesehen sind.
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Die Seitenschenkel 16 können dabei bei einer Ausbildung zu einer kraftschlüssigen Verbindung mit zumindest einem Teilbereich eines Energiespeichers 12 rechtwinklig mit Bezug auf den Kopfabschnitt 14 ausgerichtet sein. Sie können jedoch auch durch eine Abweichung von der rechtwinkligen Form vorgespannt sein, indem sie nach innen, also aufeinander zu, gebeugt und in den Aufnahmebereich 20 gerichtet sind. Grundsätzlich kann die Ausrichtung und Form der Seitenschenkel 16 vorzugsweise in Abhängigkeit der Form des oder der Energiespeicher 12 gewählt werden, um beispielsweise einen ausreichenden Kraftschluss und damit die gewünschte mechanische Kontaktierung zu erzielen.
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Für den Fall, dass die Seitenschenkel 16 oder wenigstens ein Seitenschenkel 16 neben einer mechanischen Kontaktierung einer thermischen Kontaktierung dient, ist dieser zumindest teilweise thermisch leitfähig. Dabei kann dieser Bereich dazu dienen, die von dem Kontaktelement 10 aufgenommene Wärme durch Luft- oder Flüssigkeitskühlung oder Direktverdampfung abzuleiten. Dazu ist neben einer zumindest partiellen thermischen Leitfähigkeit eine große Kontaktfläche zwischen Seitenschenkel 16, und dem Energiespeicher 12 hilfreich. Beispielsweise kann der Bereich des Kontaktelements, welcher einer thermischen Kontaktierung dient, eine Größe aufweisen, die ≥ 10% oder sogar ≥ 20% beispielsweise einer Seitenfläche des Energiespeichers 12 entspricht. Insgesamt kann es vorteilhaft sein, wenn ≥ 10% oder sogar ≥ 30% der gesamten Oberfläche des Energiespeichers durch einen oder mehrere Bereiche des Kontaktelements kontaktiert beziehungsweise bedeckt sind.
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Weiterhin kann das Kontaktelement 10 wenigstens ein Wärmeübertragungsmittel zum Abführen von Wärme von dem Kontaktelement 10 oder zum Zuführen von Wärme zu dem Kontaktelement 10 aufweisen. Gemäß 1 ist ein Befestigungsmittel 22 zum Befestigen eines Temperierkanals 24 vorgesehen, der außenseitig auf dem Kontaktelement 10 angeordnet ist. So kann auf einfache Weise beispielsweise die von dem Kontaktelement 10 aufgenommene Wärme abgeleitet werden. Zusätzlich oder alternativ kann beispielsweise ein Temperierkanal im Inneren des Kontaktelements 10 angeordnet sein. Allgemein kann durch einen Temperierkanal 24 eine besonders effektive Kühlung oder Heizung des Kontaktelements 10 erzielt werden. Der oder die Temperierkanäle 24 können beispielsweise in oder auf dem Kopfabschnitt 14 oder auch in oder auf den Seitenschenkeln 16 verlaufen und grundsätzlich beispielsweise als Mäander ausgebildet sein.
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Neben den beispielsweise als Seitenschenkel 16 ausgebildeten Bereichen des Kontaktelements können ferner oder alternativ weitere, beispielsweise ebenfalls als Seitenschenkel 18 ausgebildete Bereiche des Kontaktelements 10 vorgesehen sein. Diese können kleiner dimensioniert sein, als die Seitenschenkel 16. Die Seitenschenkel 18 können neben einer geringen thermischen Kontaktierung insbesondere einer mechanischen und/oder elektrischen Kontaktierung dienen. Sie können im Zusammenspiel mit dem Kopfelement 14 und den Seitenschenkeln 16 den Aufnahmeraum 20 für den oder die Energiespeicher 12 definieren und dabei ebenfalls in Abhängigkeit der Form des Energiespeichers 12 ausgerichtet sein, um einen Kraftschluss zu erzeugen.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Ausbildung des Kontaktelements 10 wie insbesondere der Seitenschenkel 16, 18 zu einer form- oder stoffschlüssigen Verbindung ausgebildet sein. Für eine stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise eine Klebeverbindung vorgesehen sein. Dabei sollte jedoch ein Klebstoff verwendet werden, welcher den von dem oder den Energiespeichern 12 erzeugten Temperaturen standhält und er sollte ferner eine Wärmeübertragung erlauben oder nur partiell aufgebracht sein, um eine Wärmeübertragung zu dem Kontaktelement 10 nicht zu verhindern. Alternativ oder Zusätzlich kann eine formschlüssige Verbindung vorliegen. Dazu kann beispielsweise ein Seitenschenkel 16, 18 entlang der gesamten Länge des Energiespeichers 12 verlaufen und einen Abschnitt aufweisen, welcher den Bodenbereich des Energiespeichers 12 hintergreift. Als weitere Möglichkeit zur Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung kann das Kontaktelement 10, beispielsweise an einem Seitenschenkel 16, 18, ein Rastelement zum Befestigen des wenigstens einen Energiespeichers 12 aufweisen.
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2 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls 26 mit wenigstens einem Energiespeicher 12, das wenigstens ein Kontaktelement 10 gemäß 1 umfasst. Demgemäß weist das Energiespeichermodul 26 vier Energiespeicher 12, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen beziehungsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren, auf, welche durch das Kontaktelement 10 thermisch, mechanisch und elektrisch kontaktiert sind. Da das Kontaktelement 10 dem in 1 Beschriebenen entspricht, wird dieses hier nicht im Detail erklärt. Es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu 1 verwiesen.
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Erfindungsgemäße Energiespeichermodule 26 können Anwendung finden in einer Vielzahl von mobilen und stationären Anwendungen. Beispielsweise ist ein Einsatz in einem rein elektrisch betriebenen Fahrzeug oder einem hybridelektrischen Fahrzeug vorteilhaft.
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Die Energiespeicher 12 können, wie oben beschrieben, durch eine kraftschlüssige, formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung mit dem Kontaktelement 10, wie etwa mit den Seitenschenkeln 16, 18 des Kontaktelements 10 verbunden sein.
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Die Energiespeicher 12 können einen Massepol aufweisen, der durch einen Kontakt mit dem Kontaktelement 10 beziehungsweise einem elektrisch leitfähigen Bereich desselben, wie etwa eines Seitenschenkels 16, 18, mit dem Gehäuse des Energiespeichers 12 kontaktierbar ist. Dadurch kann durch ein Kontaktieren insbesondere der Seitenschenkel 16, 18 ein elektrischer Kontakt zwischen dem Kontaktelement 10 und dem Massepol des Energiespeichers 12 ausgebildet werden. Dabei kann vorzugsweise zwischen dem wenigstens einen Energiespeicher 12 und dem Kontaktelement 10 eine Schweißung oder Ähnliches vorgesehen sein, um eine genau definierte elektrische Kontaktierung zu erreichen.
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Das Energiespeichermodul 26 kann ferner ein Bodenelement 28 umfassen, das insbesondere zum bodenseitigen Kontaktieren des wenigstens einen Energiespeichers 12 ausgebildet ist. Durch ein Befestigen des oder der Energiespeicher 12 an dem Bodenelement 28 kann das gesamte Energiespeichermodul 26 eine größere Steifigkeit besitzen. Dies ist insbesondere in 3 zu erkennen. Das Bodenelement 28 weist vorzugsweise Öffnungen 32 auf, um den weiteren Pol des Energiespeichers 12 elektrisch zu kontaktieren. Im Regelfall wird der Massepol der (+)-Pol des Energiespeichers 12 sein, wohingegen der (-)-Pol am Boden des Energiespeichers 12 kontaktierbar ist und als Anschluss 34 dargestellt ist. Gemäß 2 werden wiederum vier Energiespeicher 12 mit je einem Anschluss 34 kontaktiert.
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Um die Stabilität des Energiespeichermoduls 26 zu erhöhen, kann zwischen zwei Energiespeichern 12 ferner wenigstens ein nicht gezeigtes Schwingungsdämpfungselement angeordnet sein. Dieses beispielsweise aus Kunststoff oder Gummi ausgebildete Element kann die Position der Energiespeicher 12 stabilisieren und das gesamte Energiespeichermodul 26 langlebiger gestalten. Darüber hinaus kann die Oberseite der Energiespeicher 12 durch eine geeignete Isolierung 30, beispielsweise eine Kunststofffolie, elektrisch isoliert werden.
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Ferner kann zwischen dem wenigstens einen Energiespeicher 12 und dem Kontaktelement 10 ein Wärmeübertragungsmedium angeordnet sein, um den thermischen Kontakt zu verbessern.
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Eine Mehrzahl an Energiespeichermodulen 26, wie insbesondere wenigstens zwei, kann ferner zu einer Energiespeicheranordnung verbunden und in geeigneter Weise parallel oder seriell verschaltet werden, um beispielsweise eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug zu bilden. Dabei kann jedes Energiespeichermodul 26 gleichermaßen wie jeder Energiespeicher 12 von einem elektrischen Isolator 36, 38 wie etwa einer Isolationsplatte oder Isolationsfolie zumindest teilweise umgeben sein, um elektrische Übersprünge oder Kurzschlüsse zu verhindern. Der elektrische Isolator 36 kann dabei in seiner Größe an die Dimension der Energiespeicher 12 beziehungsweise des Energiespeichermoduls 26 angepasst sein beziehungsweise seine Ausmaße annehmen. Ferner kann der Isolator 38 beispielsweise ein Energiespeichermodul nur teilweise umgeben beziehungsweise umrahmen. Folglich kann zwischen den wenigstens zwei Energiespeichermodulen 26 eine elektrische Isolierung 36, 38 angeordnet sein.
