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Die Erfindung betrifft elektrische Energiespeicher, deren Herstellung, und Komponenten, die bei der Herstellung von elektrischen Energiespeichern Verwendung finden.
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Elektrische Energiespeicher der hier interessierenden Art werden z. B. als so genannte Großbatterien bzw. -akkumulatoren für Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb benötigt.
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Vor allem bei Energiespeichern für Fahrzeuge ist die Ausnutzung eines vorhandenen Einbauraums enorm wichtig. Ferner sind auch die Herstellungskosten zu beachten. Im Hinblick hierauf sind aus dem Stand der Technik z. B. quaderförmige, so genannte "Flachzellen" bekannt, die bei der Herstellung von elektrischen Energiespeichern verschiedener Leistungsklassen verwendet werden können, indem diese Zellen zu einem "Zellenstapel" gestapelt angeordnet werden. Zur mechanischen Stabilisierung des Zellenstapels sind geeignete Haltemittel (z. B. Zuganker, Verklebung etc.) vorzusehen. Die elektrische Kontaktierung der Zellen erfolgt durch eine relativ aufwändige Verschweißung von Kontaktlaschen (oftmals Zellenableiter genannt), die aus den einzelnen Zellen hervorstehen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, neue Möglichkeiten aufzuzeigen, wie elektrische Energiespeicher und insbesondere Großbatterien flexibel bzw. bedarfsgerecht, mit geringem Aufwand und kostengünstig hergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung durch ein Baukastensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzuge Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Baukastensystems sind in den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Baukastensystem dient der Herstellung eines elektrischen Energiespeichers mit mehreren zu wenigstens einem Modulverbund baulich zusammengefassten und elektrisch untereinander verschalteten Speichermodulen. Ein Speichermodul kann eine oder mehrere elektrische Zellen (wie z. B. elektrochemische Zellen, Kondensatorzellen oder dergleichen) aufweisen. Es ist vorgesehen, dass die Speichermodule mit einem Gehäuse ausgebildet sind, wobei diese Gehäuse an ihren Außenflächen korrespondierende Formschlusselemente aufweisen, so dass die Speichermodule mittels dieser Formschlusselemente in einem durch die Gehäuseform und die Anordnung der Formschlusselemente vorgegebenen Schema, insbesondere lösbar, miteinander verbunden werden können. Diese Verbindung kann sowohl rein mechanisch aber, alternativ oder zusätzlich, auch elektrisch (als serielle und/oder parallele Verschaltung) vorgesehen sein. Die Speichermodule können hierbei z. B. in einer Ebene oder in mehreren Ebenen angeordnet und baulich zusammengefasst werden. Der kleinste mit diesem Baukastensystem herstellbare elektrische Energiespeicher umfasst zwei Speichermodule.
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Das erfindungsgemäße Baukastensystem zur Herstellung eines elektrischen Energiespeichers kann neben den speziell ausgebildeten Speichermodulen (Grundbausteine) weitere Komponenten bzw. Systembausteine umfassen, wie nachfolgend noch erläutert (z. B. Funktionselektronikmodule, Kontaktbrücken, Kühlelemente etc.). Ferner kann das erfindungsgemäße Baukastensystem gleiche oder verschiedene Speichermodule (d. h. elektrisch und/oder baulich verschiedene Speichermodule, wie z. B. Speichermodule mit unterschiedlichen Gehäuseformen und/oder unterschiedlichen Formschlusselementen bzw. Formschlusselementanordnungen) umfassen.
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Unter einem Schema bzw. Schemata wird ein konstruktiv vorgegebenes Verbindungsmuster für die einzelnen Speichermodule verstanden, innerhalb dessen diese Speichermodule quasi als Grundbausteine definiert (im Sinne von nicht willkürlich) oder in einer konstruktiv vorgegebenen Methode baulich zusammengefasst werden können und hierbei einen Modulverbund bilden.
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Das erfindungsgemäße Baukastensystem ermöglicht eine flexible bzw. bedarfsgerechte, aufwandsgeringe und kostengünstige Herstellung von elektrischen Energiespeichern, wobei es sich vorrangig um Großbatterien für ein Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb handelt. Durch das Vorsehen von Formschlusselementen an den Gehäusen der Speichermodule können unter Umständen die bislang verwendeten Zuganker, Spannbänder, etc. oder Verschraubungen, Verlötungen, Verschweißungen, etc. entfallen, womit auch die entsprechenden Produktionsanlagen zur Herstellung solcher Verbindungen entbehrlich sind. Ferner kann durch die gegebene Flexibilität eine bessere Nutzung eines vorgegebenen Einbauraums erzielt werden. Weiterhin wird auch eine einfache Skalierung sowie eine kompaktere Bauweise ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass mit dem erfindungsgemäßen Baukastensystem insbesondere beim manuellen Aufbau eines elektrischen Energiespeichers die Arbeitsvorgänge reduziert und/oder vereinfacht werden.
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In einer Ausführungsform umfasst das Baukastensystem prismatische (d. h. als gerade Prismen) ausgebildete Speichermodule, wobei das Verbindungsschema vorsieht, dass die Speichermodule in einer wabenartigen Struktur nebeneinander liegend (wenigstens) eine "Speichermodulebene" ausbilden. Die Formschlusselemente sind hierbei zweckmäßigerweise an den (seitlichen) Mantelflächen der prismatischen Speichermodule bzw. Gehäuse angeordnet. Bevorzugt gestattet das Schema eine Anordnung der Speichermodule derart, dass zumindest ein Großteil von seitlichen Mantelflächenabschnitten (z. B. jeweils eben ausgebildet) flächig an einem korrespondierenden Mantelflächenabschnitt eines im Modulverbund unmittelbar benachbarten Speichermodus anliegt.
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Die elektrische Kontaktierung der zu einem Modulverbund zusammengefassten Speichermodule kann z. B. mittels zum Baukastensystem gehörenden Kontaktbrücken erfolgen, die (z. B. verpolungssicher) auf die Kontaktpole der Speichermodule aufgesteckt werden können. Diese Ausführungsform eignet sich besonders gut für ein Baukastensystem bzw. hierbei vorgesehene Gehäuseformen, bei welchen die einzelnen Speichermodule im Wesentlichen "dicht gepackt", d. h. im Wesentlichen lückenlos nebeneinander angeordnet werden. Die Kontaktbrücken können in diesem Fall als elektrische Verbindungen zwischen den (axialen) Stirnseiten der z. B. prismatischen Speichermodule fungieren. In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die an den Gehäusen der Speichermodule vorhandenen Formschlusselemente derart ausgebildet sind, dass diese gleichfalls auch der elektrischen Kontaktierung der Speichermodule dienen. Derartige Formschlusselemente mit "doppelter Funktionalität", nämlich einerseits zum Zwecke einer mechanischen Fixierung bzw. Stabilisierung des Modulverbundes und andererseits zur elektrischen Kontaktierung von einander benachbarten Speichermodulen, sind bei prismatischen Speichermodulen bevorzugt im Bereich der (seitlichen) Mantelflächen der Speichermodulgehäuse angeordnet.
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Die Formschlusselemente an den Außenflächen der Gehäuse der Speichermodule können z. B. als korrespondierende Rast- bzw. Klickelemente oder Hinterschnittelemente (wie z. B. Schwalbenschwanzverbindung) ausgebildet sein. Die Formschlusselemente sollen eine leichte Verbindbarkeit und bevorzugt auch eine einfache Trennbarkeit ermöglichen.
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In einer Ausführungsform sind die Speichermodule (bzw. deren Gehäuse) prismatisch, wobei die Formschlusselemente jeweils als in Axialrichtung durchgehende Profile ausgebildet sind, so dass ein Speichermodul z. B. auch nachträglich durch axiales Herausschieben ausgetauscht werden kann.
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Das erfindungsgemäße Baukastensystem kann ferner Funktionselektronikmodule umfassen, die derart ausgestaltet sind, dass diese auf die Speichermodule aufgesteckt werden können (z. B. ein Funktionselektronikmodul pro Speichermodul). Ein Funktionselektronikmodul kann z. B. die Temperatur und/oder die Spannung des zugehörigen Speichermoduls überwachen und gegebenenfalls steuern. Die Überwachung und/oder Steuerung eines Speichermoduls erfolgt bevorzugt unabhängig von der Überwachung und/oder Steuerung der anderen Speichermodule durch deren Funktionselektronikmodule. Die Funktionselektronikmodule sind bevorzugt in ihrer Form an die Gehäuseform der zugehörigen Speichermodule angepasst. Insbesondere ist vorgesehen, dass diese im aufgesteckten Zustand in einer seitlichen Richtung nicht über die Gehäuse der Speichermodule überstehen. Bei z. B. sechseckigen Speichermodulen können die Funktionselektronikmodule demnach ebenfalls eine sechseckige Kontur besitzen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Funktionselektronikmodule mit einem elektronischen Kommunikationsbussystem (z. B. CAN-Bus) verbindbar sind oder durch Verbindung untereinander ein solches Bussystem ausbilden, was beispielsweise über entsprechende separate Kontaktelemente bewerkstelligt werden kann. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Funktionselektronikmodule derart ausgebildet sind, dass ein Speichermodul beim Montieren oder Demontieren (beispielsweise beim Austauschen eines defekten Speichermoduls) automatisch am Bussystem abgemeldet und/oder angemeldet wird. Durch die automatische Abmeldung kann unter Umständen auch ein Weiterbetrieb des elektrischen Energiespeichers nach Entnahme einzelner Speichermodule bewerkstelligt werden.
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Das erfindungsgemäße Baukastensystem kann ferner Kühlelemente (wie z. B. Kühlbleche, Kühlfinnen und dergleichen) umfassen, die zwischen zwei miteinander zu verbindenden Speichermodulen angeordnet werden können. Insbesondere kann hierbei eine Aufsteckbarkeit der Speichermodule an den Kühlelementen vorgesehen sein. Gegebenenfalls sind die Speichermodule bzw. deren Gehäuse entsprechend auszubilden, was beispielsweise durch die Ausbildung von geeigneten Ausnehmungen bewerkstelligt werden kann. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Baukastensystem flächig ausgedehnte Kühlelemente, also z. B. Kühlplatten (z. B. im Wesentlichen rechteckig-eben), umfasst, welche mit ihren Flachseiten an korrespondierenden Mantelflächen der Speichermodule zur Anlage gebracht werden können, wobei im montierten Zustand ein zusätzlicher Zusammenhalt von einander benachbarten Speichermodulen durch das zwischengefügte (z. B. dazwischen eingeschobene) Kühlelement bewerkstelligt wird. Hierfür kann insbesondere eine hinterschnittene Formgestaltung (z. B. so genannte Schwalbenschwanzverbindung) zwischen dem Kühlelement und den beiderseits davon befindlichen Speichermodulen vorgesehen sein.
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Die Gehäuse von zum erfindungsgemäßen Baukastensystem gehörenden Speichermodulen können z. B. prismatisch (d.h. als gerade Prismen) und insbesondere mit einer sechseckigen Grundfläche ausgebildet sein. Derartige Gehäuse können dann zu einem Modulverbund in Gestalt einer Wabenstruktur und insbesondere in Gestalt einer sechseckigen Wabenstruktur verbunden bzw. baulich zusammengefasst werden. In einer solchen Wabenstruktur können ferner auch andere Gehäuseformen integriert werden, die mit entsprechenden Flächenabschnitten und Formschlusselementen ausgebildet sind.
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Die Gehäuse von zum erfindungsgemäßen Baukastensystem gehörenden Speichermodule können z. B. auch quaderförmig ausgebildet sein und dadurch zu einem einreihigen oder mehrreihigen prismatischen, insbesondere quaderförmigen Zellstapel bzw. Zellverbund verbunden bzw. baulich zusammengefasst werden.
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Insbesondere für quaderförmig ausgebildete Speichermodule kann sehr vorteilhaft vorgesehen sein, dass die elektrische Kontaktierung über Kontaktelemente erfolgt, die an (z. B. gegenüberliegenden) Außenflächenabschnitten der Gehäuse ausgebildet sind, wobei über diese Kontaktelemente gleichfalls auch die formschlüssige Verbindung zwischen den Speichermodulen bewerkstelligt wird. D. h. die Formschlusselemente dienen hier gleichfalls auch der elektrischen Kontaktierung der Speichermodule. Durch eine spezielle Ausgestaltung der Formschlusselemente bzw. Kontaktelemente kann eine verpolungssichere elektrische Kontaktierung gewährleistet werden (vgl. z. B. "Poka Yoke Prinzip").
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Mit dem ersten nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Erfindung gemäß eines weiteren Aspekts auf einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb, wobei dieser mit einem erfindungsgemäßen Baukastensystem gemäß den vorausgehenden oder auch nachfolgenden Erläuterungen hergestellt ist.
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Der erfindungsgemäße elektrische Energiespeicher umfasst somit mehrere baulich zusammengefasste und elektrisch untereinander verschaltete Speichermodule, wobei diese Speichermodule mit Gehäusen ausgebildet sind, die an ihren Außenflächen korrespondierende Formschlusselemente aufweisen und wobei diese Speichermodule mittels dieser Formschlusselemente in einem durch die Gehäuseform und durch die Anordnung der Formschlusselemente vorgegebenen Schema, insbesondere lösbar, (zu wenigstens einem Modulverbund) miteinander verbunden sind. Des Weiteren gelten analog die vorausgehenden oder auch nachfolgenden im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Baukastensystem stehenden Erläuterungen und Weiterbildungen.
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Gemäß eines noch weiteren Aspekts erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Speichermodul, das zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Baukastensystem und/oder in einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher ausgebildet ist, wozu im Einzelnen auf die diesbezüglichen vorausgehenden und nachfolgenden Erläuterungen verwiesen wird. Das erfindungsgemäße Speichermodul kann somit z. B. insbesondere die Form eines geraden Prismas aufweisen (z. B. mit dreieckiger, viereckiger oder sechseckiger Grundfläche), wobei in diesem Fall die Formschlusselemente bevorzugt an (z. B. gegenüberliegenden) Mantelflächenabschnitten der prismatischen Form angeordnet sind. Hinsichtlich der elektrischen Kontaktierung von im fertigen Modulverbund einander benachbarten Speichermodulen können z. B. stirnseitig angeordnete Kontaktbuchsen bzw. Kontaktkupplungen vorgesehen sein. Alternativ können seitliche Formschlusselemente gleichzeitig dieser elektrischen Kontaktierung dienen. In letzterem Falle sind die Formschlusselemente metallisch oder zumindest elektrisch leitfähig vorzusehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen schematisch dar:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Speichermoduls und eines zugehörigen Funktionselektronikmoduls, in einer perspektivischen Ansicht,
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2 das Speichermodul aus 1 mit aufgestecktem Funktionselektronikmodul, in einer perspektivischen Ansicht,
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3 mehrere baulich zusammengefassten Speichermodule gemäß 1, in einer perspektivischen Ansicht,
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Speichermoduls und eines zugehörigen Funktionselektronikmoduls, in einer Draufsicht,
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5 mehrere baulich zusammengefasste Speichermodule gemäß 4, mit aufgesteckten Funktionselektronikmodulen, in einer Draufsicht,
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6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Speichermoduls und eines zugehörigen Funktionselektronikmoduls, in einer Draufsicht,
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7 mehrere baulich zusammengefasste Speichermodule gemäß 6, mit aufgesteckten Funktionselektronikmodulen und dazwischen angeordneten Kühlfinnen, in einer Draufsicht, und
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8 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Speichermoduls und eines zugehörigen Funktionselektronikmoduls, in einer Draufsicht.
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1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Speichermodul. Das Speichermodul 100 weist ein mit sechseckiger Grundfläche prismatisch ausgebildetes Gehäuse 110 auf, in dem eine Speicherzelle (insbesondere eine Rundzelle) oder auch mehrere Speicherzellen zur Speicherung von elektrischer Energie (wie beispielsweise elektrochemische Speicherzellen oder auch Kondensatorspeicherzellen) aufgenommen ist/sind. Die sechseckige Boden- bzw. Grundfläche des Gehäuses 110 (regelmäßiges Sechseck) ist mit 111 und die obere Stirnfläche ist mit 113 bezeichnet. Die sich zwischen Grundfläche 111 und Stirnfläche 113 erstreckende Mantelfläche ist mit 112 bezeichnet. Die Mantelfläche 112 weist sechs jeweils rechteckige Außenflächenabschnitte auf.
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Im dargestellten Beispiel sind an der Mantelfläche 112 mehrere jeweils "profilartig" in axialer Richtung verlaufende Formschlusselemente angeordnet. Es sind dies einerseits Einbuchtungen, nämlich Nuten 121, und andererseits Ausbuchtungen, nämlich vom Gehäuse 110 abstehende Stege bzw. Wulste 122. Diese Formschlusselemente sind im dargestellten Beispiel jeweils mittig in den betreffenden Außenflächenabschnitten angeordnet. Die Formschlusselemente 121 und 122 können z. B. durch entsprechende Formgestaltung des Gehäuses im Rahmen der Fertigung des Gehäuses (z. B. aus Kunststoff) ausgebildet werden. Alternativ könnten die Formschlusselemente 121 und 122 als separate Elemente ausgebildet sein, die nachträglich fest mit dem Gehäuse 100 bzw. dessen Mantelfläche 112 verbunden wurden. Die Formschlusselemente 121 und 122 dienen der baulichen Zusammenfassung mehrerer Speichermodule 100, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Die 1 zeigt ferner ein insgesamt mit 200 bezeichnetes Funktionselektronikmodul. Das Funktionselektronikmodul 200 kann in bekannter Weise mehrere elektronische Funktionsbaugruppen und/oder -elemente zur Implementierung unterschiedlicher Funktionen umfassen, wie beispielsweise eine CSC ("Cell Supervising Circuit") zum Angleich der Spannungslage der einzelnen Zellen im Verbund und/oder mehrere Schütze bzw. Sicherungen. Das Funktionselektronikmodul 200 kann auf das Speichermodul 100 aufgesteckt werden, wozu an der Unterseite des Funktionselektronikmoduls 200 mehrere Steckkontakte bzw. Stecker 230 angeordnet sind, die in korrespondierende Buchsen bzw. Kupplungen 130 an der oberen Stirnfläche 113 des Speichermoduls 100 lösbar eingreifen können (oder umgekehrt). Hierbei wird sowohl eine Befestigung als auch eine elektrische Kontaktierung des Funktionselektronikmoduls 200 erreicht. Das Funktionselektronikmodul 200 ist in seiner Form bzw. Außenkontur an die sechseckige Form des Gehäuses 110 des Speichermoduls 100 angepasst.
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2 zeigt das Speichermodul 100 mit aufgestecktem Funktionselektronikmodul 200. Wie aus der gezeigten Darstellung ersichtlich, deckt das Funktionselektronikmodul 200 das Speichermodul 100 stirnseitig ab und überragt nicht die seitlichen Umrisse des Gehäuses 110 bzw. dessen Mantelfläche 112. Mit 140 sind zum Speichermodul 100 gehörende und das Funktionselektronikmodul 200 durchragende Kontaktpole (Zellableiter) bezeichnet.
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3 zeigt mehrere Speichermodule 100, die jeweils mit einem aufgesteckten Funktionselektronikmodul 200 in einer Ebene zu einem insgesamt mit 10 bezeichneten Modulverbund baulich zusammengefasst sind. Die Speichermodule 100 berühren sich hierbei flächig an ihren Mantelflächen 112. Ferner wird durch den gegenseitigen Eingriff der an den Mantelflächen 112 angeordneten Formschlusselemente 121 und 122 sowohl eine Ausrichtung der Speichermodule 100 relativ zueinander als auch ein gewisser mechanischer Zusammenhalt bewerkstelligt. Durch Einbringen weiterer Speichermodule 100 kann der Modulverbund 10 zu einer im Prinzip beliebig großen Wabenstruktur (hier: Sechseck-Wabenstruktur) zusammengebaut werden, wobei die räumliche Ausrichtung der einzelnen Speichermodule 100 ferner durch die prismatische Gehäuseform der Gehäuse 110 bewerkstelligt wird. Inwieweit die Formschlusselemente 121 und 122 hierbei einen "Zusammenhalt" von einander benachbarten Modulen 100 gewährleisten, hängt von der konkreten Formgebung der Formschlusselelemente ab (z. B. davon, ob das Profil der Einbuchtungen/Ausbuchtungen hinterschnitten ist oder nicht), bzw. davon, ob die ein Elemente eine Nachgiebigkeit besitzen.
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Durch die Gehäuseform der Gehäuse 110 und die Anordnung der Formschlusselemente 121 und 122 ist somit ein Schema vorgegeben, innerhalb dessen mehrere einzelne Speichermodule 100, insbesondere lösbar, miteinander verbunden werden können.
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Ganz allgemein ist ein Schema bevorzugt, welches wie im gezeigten Beispiel eine mehr oder weniger "dichte Packung" der Speichermodule 100 in (wenigstens) einer Ebene vorsieht. Im gezeigten Beispiel ist die Fläche des Modulverbundes 10 praktisch vollständig mit Speichermodulen 100 besetzt. Speichermodule einer (in 3 nicht dargestellten) weiteren Ebene können z. B. jeweils koaxial zu einem Speichermodul der mit 3 veranschaulichten Ebene angeordnet sein.
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Im Übrigen ist denkbar, dass auch Speichermodule 100 mit einer anderen als der dargestellten sechseckigen Gehäuseform in den Modulverbund 10 integrierbar sind (z. B. zusätzliche dreieckige Speichermodule zur Schaffung geradlinig verlaufender Ränder des betreffenden Modulverbundes).
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Der Modulverbund 10 kann ergänzend durch Zuganker, Spannbänder oder dergleichen zusammengehalten werden. Ein Verschweißen, Verlöten, Verkleben oder dergleichen ist vorteilhaft entbehrlich und im gezeigten Beispiel nicht beabsichtigt.
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Die elektrische Kontaktierung der einzelnen Speichermodule 100 in dem Modulverbund 10 erfolgt im gezeigten Beispiel mit Kontaktbrücken 300, die unter Beachtung der Polarität auf die stirnseitig angeordneten Kontaktpole 140 aufgesteckt sind. Derartige Kontaktbrücken 300 können von dem Baukastensystem in verschiedenen Abmessungen bereit gestellt werden.
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Des Weiteren sind die auf die einzelnen Speichermodule 100 aufgesteckten Funktionselektronikmodule 200 untereinander verbunden und gehören z. B. zu einem übergreifenden Bussystem. Die elektronische Verbindung der Funktionselektronikmodule 200 untereinander ist in den Figuren nicht dargestellt. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass eine solche Verbindung durch entsprechende Kontakteinrichtungen an den Funktionselektronikmodulen 200 automatisch erfolgt, wenn die Speichermodule 100 zu dem Modulverbund 10 zusammengebaut oder wenn die Funktionselektronikmodule 200 nach dem Zusammenbau der Speichermodule 100 auf diese aufgesteckt werden (Alternativ könnten auch Kontaktbrücken für das Bussystem vorgesehen werden). Jedem Funktionselektronikmodul 200 und einem damit verbundenen Speichermodul 100 kann innerhalb des Modulverbunds 10 eine eigene Adresse im Bussystem zugewiesen sein.
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Bevorzugt sind die Funktionselektronikmodule 200 derart ausgebildet, dass diese auch zu einem späteren Zeitpunkt (beispielsweise im Falle eines Defekts oder zum Zwecke eines "Upgrades") ausgetauscht werden können, ohne dass hierbei der gesamte Modulverbund 10 zerlegt werden muss (In dieser Hinsicht sind z. B. die wie bereits erwähnt profilartig in Axialrichtung verlaufenden Formschlusselemente 121, 122 von Vorteil). Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass sich neu in den Modulverbund 10 eingebrachte Funktionselektronikmodule 200, aufgrund entsprechender Ausbildung der Elektronik, selbsttätig am übergreifenden Bussystem anmelden können.
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Der Modulverbund 10 erlaubt, sofern die Speichermodule 100 lösbar miteinander verbunden sind, ein verhältnismäßig einfaches Austauschen einzelner Speichermodule 100 (beispielsweise im Falle eine Defekts) und/oder das Ergänzen mit weiteren oder anderen Speichermodulen 100, wobei der Austausch und/oder das Ergänzen durch das automatische Ab- und Anmelden des jeweils zugehörigen Funktionselektronikmoduls 200 am Bussystem (wie obenstehend erläutert), welches auch beim Herausnehmen einzelner Funktionselektronikmodule 200 weiterfunktioniert, in vorteilhafter Weise unterstützt wird.
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Abweichend von dem Beispiel gemäß der 1 bis 3 könnten die Formschlusselemente 121 und 122 an der Mantelfläche 112 des Gehäuses 110 eines Speichermoduls 100 auch wie die im Zusammenhang mit den weiteren Ausführungsbeispielen gezeigten und nachfolgend erläuterten Formschlusselemente ausgebildet sein.
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Bei der nachfolgenden Erläuterung weiterer Ausführungsbeispiele sind gleiche und/oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit demselben Bezugszeichen benannt. Zur Unterscheidung der einzelnen Ausführungsbeispiele werden jedoch ergänzend die Buchstaben a, b und c verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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4 zeigt ein insgesamt mit 100a bezeichnetes Speichermodul. Das Speichermodul 100a ist als prismatische Flachzelle bzw. Quaderzelle mit einem quaderförmigen Gehäuse 110a ausgebildet, welches eine rechteckige Grundfläche aufweist. An gegenüberliegenden Außenflächenabschnitten (wobei es sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel um die schmalen Außenflächenabschnitte handelt) weist das Gehäuse 110a multiple Formschlusselemente 123a und 126a auf, die jeweils mehrere Formschlussabschnitte 124a und 125a sowie 127a und 128a umfassen und die gleichzeitig auch der elektrischen Kontaktierung des Speichermoduls 100a dienen, wie nachfolgend noch näher erläutert. Die multiplen Formschlusselemente 123a und 126a sind im gezeigten Beispiel als separate z. B. metallische (elektrisch leitfähige) Bauteile ausgebildet, die fest mit dem Gehäuse 110 verbunden sind und gleichzeitig die Anschlusspole des Speichermoduls 100a darstellen.
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Mit 200a ist ein zum Speichermodul 100a gehörendes Funktionselektronikmodul bezeichnet, das mittels an der Unterseite befindlichen Steckern in die korrespondierenden Buchsen bzw. Kupplungen 130a an der Stirnfläche 113a des Speichermoduls 100a lösbar eingesteckt werden kann.
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5 zeigt mehrere Speichermodule 100a, die mit aufgesteckten Funktionselektronikmodulen 200a innerhalb einer Ebene in zwei Dreierreihen zu einem insgesamt mit 10a bezeichneten Modulverbund baulich zusammengefasst sind. Für den Zusammenbau können je nach dem zuerst die Funktionselektronikmodule 200a auf die Speichermodule 100a aufgesteckt und dann die Speichermodule 100a zusammengefügt werden, oder es werden zuerst die Speichermodule 100a zusammengefügt und dann die Funktionselektronikmodule 200a aufgesteckt.
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Der mechanische Zusammenhalt der Speichermodule 100a in dem Modulverbund 10a wird mittels der multiplen Formschlusselemente 123a und 126a bewerkstelligt, deren Formschlussabschnitte 124a und 125a sowie 127a und 128a in der Art einer Schwalbenschwanzverbindung formschlüssig ineinander greifen. Je nach Ausgestaltung der Formschlussabschnitte 124a, 125a, 127a und 128a kann der dargestellte Formschluss durch axiales Ineinanderschieben oder Ineinanderstecken hergestellt werden.
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Durch die Ausbildung und Anordnung der Formschlusselemente 124a, 125a, 127a und 128a können die Speichermodule 100a an den kurzen und an den langen Außenflächenabschnitten aneinander gesteckt werden. Die gezeigte Ausbildung und Anordnung der Formschlussabschnitte 124a, 125a, 127a und 128a ist jedoch lediglich beispielhaft. In dem herstellbaren Modulverbund 10a berühren sich die parallel geschalteten Speichermodule 100a flächig an den langen Außenflächenabschnitten ihren Mantelflächen, wie gezeigt.
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Durch die Gehäuseform der Gehäuse 110a und die Anordnung und/oder Ausgestaltung der Formschlusselemente 123a und 126a ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel ein Schema vorgegeben, innerhalb dessen mehrere einzelne Speichermodule 100a miteinander verbunden werden können. Die baulich zusammen zu fassenden oder zusammengefassten Speichermodule 100a können sich innerhalb eines Modulverbunds 10a auch über mehrere Ebenen erstrecken.
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Mittels der multiplen Formschlusselemente 123a und 126a wird im gezeigten Beispiel gleichfalls die elektrische Kontaktierung der Speichermodule 100a bewerkstelligt. Die multiplen Formschlusselemente 123a und 126a weisen daher eine positive (+) und eine negative (–) Polarität auf. Durch Ausgestaltung der Formschlusselemente 123a und 126a bzw. der daran befindlichen Formschlussabschnitte 124a, 125a, 127a und 128a, kann ein verpolungssicheres elektrisches Verbindungsschema vorgegeben werden. Das in 5 gezeigte elektrische Verbindungsmuster (2 mal seriell und 3 mal parallel) ist lediglich beispielhafter Art. Gemäß demselben Schema könnte auch ein kleinerer oder ein größerer Modulverbund als der gezeigte "2 × 3"-Verbund (pro Speichermodulebene) zusammengesetzt werden.
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Für das in den 4 und 5 gezeigte und zuvor erläuterte zweite Ausführungsbeispiel gelten analog die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel (vgl. 1 bis 3) und umgekehrt.
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Die 6 und 7 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel, das im Wesentlichen dem in den 4 und 5 gezeigten und obenstehend erläuterten zweiten Ausführungsbeispiel entspricht. Abweichend zum zweiten Ausführungsbeispiel sind hier Kühlfinnen 400b (oder Kühlbleche oder dergleichen) vorgesehen, die im Modulverbund 10b zwischen zwei benachbarten Speichermodulen 100b angeordnet sind. Die Kühlfinnen 400b ermöglichen eine effiziente Wärmeabfuhr aus den Speichermodulen 100b über die mit den Kühlfinnen 400b in Kontakt befindlichen Außenflächenabschnitte. Vorteilhaft ist eine hinterschnittene Formgestaltung (hier: "Schwalbenschwanzverbindung") zwischen dem Kühlelement 400b und den beiderseits davon befindlichen Speichermodulen 100b vorgesehen.
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Um den in 7 gezeigten Aufbau eines Modulverbunds 10b zu ermöglichen, sind in den Gehäusen 110b der Speichermodule 100b entsprechende Ausnehmungen bzw. Aussparungen 150b ausgebildet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel befinden sich die Ausnehmungen 150b in den langen Außenflächenabschnitten.
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Die Befestigung der Kühlfinnen 400b kann durch Klemmwirkung zwischen den Speichermodulen 100b erzielt werden, wobei die Klemmkraft durch die ineinandergreifenden Formschlusselemente 123b und 126b (bzw. durch deren ineinandergreifenden Formschlussabschnitte) aufgebracht wird. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Verklebung (mit Wärmeleitkleber) oder sonstige Befestigung formschlüssiger oder stoffschlüssiger Art vorgesehen sein.
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Durch die Kühlfinnen 400b und die korrespondierenden Ausnehmungen 150b in den Gehäusen 110b wird ferner auch eine höhere mechanische Stabilität zwischen den Speichermodulen 100b erreicht. Die Aussparungen 150b und/oder die Kühlfinnen 400b können auch andere für eine kompakte Bauweise und/oder eine optimale Wärmeabfuhr geeignete Geometrie aufweisen.
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Falls der aus den Speichermodulen 100b zusammengesetzte Energiespeicher mehrere Ebenen von Modulverbunden aufweist, so können die betreffenden Kühlelemente (hier: Kühlfinnen 400b) sich in Axialrichtung über mehrere Ebenen durchgehend erstreckend vorgesehen sein.
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Im Übrigen gelten für das in den 6 und 7 gezeigte und zuvor erläuterte dritte Ausführungsbeispiel analog die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel (vgl. 4 und 5) und umgekehrt.
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8 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, dass im Wesentlichen dem in den 4 und 5 gezeigten und obenstehend erläuterten zweiten Ausführungsbeispiel entspricht. Abweichend zum zweiten Ausführungsbeispiel sind hier die Formschlussabschnitte 124c, 125c, 127c und 128c an den multiplen Formschlusselementen 123c und 126c ohne Hinterschnitt (hier: halbkreisförmig) ausgebildet. Im Übrigen gelten für das in 8 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel analog die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel (vgl. 4 und 5) und/oder dritten Ausführungsbeispiel (vgl. 6 und 7) und umgekehrt.
