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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet von Energiespeichersystemen, welche zumindest eine Energiespeicherzelle aufweisen, die in einer Trägervorrichtung aufgenommen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Trägervorrichtung für elektrische Energiespeicherzellen, insbesondere für elektrische Energiespeicherzellen für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zum Speichern von elektrischer Energie insbesondere in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, wobei die Anordnung eine Energiespeicherzelle und eine Trägervorrichtung des oben beschriebenen Typs aufweist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Fixieren von elektrischen Energiespeicherzellen, insbesondere von elektrischen Energiespeicherzellen für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, in einer Trägervorrichtung des oben beschriebenen Typs.
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Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeuge bezeichnet man Kraftfahrzeuge, die ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen bestehen allgemein aus einer Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einem Tank für einen flüssigen oder gasförmigen Energieträger, einem elektrochemischen Energiespeicher und einer elektrischen Maschine für den Antrieb.
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Die elektrische Maschine eines Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie beispielsweise beim Bremsen eine Rekuperation (Energie-Rückgewinnung) von Bewegungsenergie in elektrische Energie, die später wieder für den Antrieb genutzt werden kann.
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Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug, ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereit gestellt und transferiert werden müssen.
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Die Energieentnahme aus einem Energiespeicher oder einer Brennstoffzelle dient allgemein zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Speichers bzw. zur Wandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie d. h. dem regenerativen Bremsen.
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Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann auch während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt typischerweise der Verbrennungsmotor des Hybridfahrzeugs bereit.
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Als Energiespeicher für Elektrofahrzeuganwendungen lassen sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschicht- Kondensatoren, Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen Zellen nutzen.
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Die Anwendung eines durch energiereiche Fahrzyklen belasteten Energiespeichersystems in einem Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug, insbesondere in einem Nutzfahrzeug, stellt typischerweise hohe Anforderungen an die Kühlung der Zellen eines Energiespeichers. Hier sind vor allem die Temperaturunterschiede zwischen den Zellen und einem entsprechenden Wärmetauscher bzw. zwischen den Zellen und der Umgebungstemperatur des typischerweise an einem Fahrzeugrahmen angerachten Energiespeichers zu beachten. Auch weitere Temperatureinflüsse, wie beispielsweise örtliche Wärmestauungen aufgrund einer evtl. fehlenden Belüftung stellen eine weitere Herausforderung an die Wärmeabfuhr aus einem Energiespeichersystem dar.
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An Fahrzeugrahmen oder in Aufbauten von Nutzfahrzeugen angebrachte Energiespeichersysteme sind zusätzlich neben extremen elektrischen Energiedurchsätzen und einer damit verbundenen erhöhten Wärmeabgabe auch noch hohen mechanischen Belastungen insbesondere durch Vibrationen und/oder Stößen ausgesetzt. Der innere Aufbau eines ein Kühlsystem aufweisenden Zellträgers zur Aufnahme von elektrischen Zellen oder Zellmodulen muss daher in der Praxis starken Stoß- und Schwingungsbelastungen wiederstehen können. Dies stellt vor allem bei einem Nutzfahrzeug hohe Anforderungen an die Konstruktion eines Zellträgers hinsichtlich der mechanischen Festigkeit und der Dämpfungseigenschaften.
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Bekannte Kühlungssysteme für elektrische Zellen für Elektro- und Hybridfahrzeuge werden im Wesentlichen über metallische Kühlfinnen, die wiederum an einem Kühler oder Wärmetauscher angebunden sind, mechanisch befestigt. Die metallischen Kühlfinnen dienen dabei einem Wärmestromtransport von der betreffenden Zelle zu dem Kühler oder Wärmetauscher und ermöglichen somit lediglich eine indirekte Kühlung der betreffenden Zelle. Für hohe Kühlleistungen sind derartige Kühlkonzepte nur bedingt geeignet, da sie bei hohen Kühlleistungen lediglich eine geringe Wärmeabfuhr von der Zelle bereitstellen können.
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Im Unterschied dazu ermöglichen durchflossene metallische Kühlfinnen eine direktere Kühlung der Zelle, sind jedoch durch eine Vielzahl an stoffschlüssigen Schnittstellen in ihrer mechanischen Belastbarkeit eingeschränkt und neigen zu einer hohen Störanfälligkeit. Außerdem ist so ein schnittstellenreiches direktes metallisches Kühlsystem mit einer kostenintensiven Herstellung verbunden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der mechanischen Stabilität solide, hinsichtlich der Kühlleistung starke und hinsichtlich der Herstellungskosten günstige Anbindung von elektrischen Zellen an einen Kühler oder an einen Wärmetauscher zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Trägervorrichtung für elektrische Energiespeicherzellen, insbesondere für elektrische Energiespeicherzellen für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug beschrieben. Die Trägervorrichtung weist auf (a) einen hohlen Grundkörper, welcher einen geschlossenen Innenraum bildet und welcher zumindest eine Aufnahmetasche aufweist, die in den Innenraum hineinragt, (b) einen ersten Kühlmittelanschluss zum Zuführen von Kühlmittel in den Innenraum und (c) einen zweiten Kühlmittelanschluss zum Abführen von Kühlmittel aus den Innenraum. Zumindest die zumindest eine Aufnahmetasche weist ein elastisches Material auf und ist räumlich derart ausgebildet, so dass (i) bei einem ersten Druck im Innenraum des Grundkörpers die Energiespeicherzelle in die Aufnahmetasche einbringbar oder aus der Aufnahmetasche herausnehmbar ist und (ii) bei einem im Vergleich zu dem ersten Druck größeren zweiten Druck im Innenraum des Grundkörpers die Energiespeicherzelle in der Aufnahmetasche und damit in der gesamten Trägervorrichtung mechanisch fixiert ist.
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Der beschriebenen Trägervorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung von elastischen Aufnahmetaschen für eine Trägervorrichtung für elektrische Energiespeicherzellen (a) zum einen eine zuverlässige Fixierung einer sich in der betreffenden Aufnahmetasche befindlichen Energiespeicherzelle und (b) zum anderen eine gute Wärmeanbindung an ein sich im Innenraum der elastischen Trägervorrichtung befindliches Kühlmittel gewährleistet werden kann.
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Die zuverlässige Fixierung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der zweite Druck des Kühlmittels entsprechend den Gesetzen der Fluidmechanik allseitig und damit auch gleichmäßig auf die zumindest eine elastische Aufnahmetasche wirkt. Da die Aufnahmetasche ein elastisches Material aufweist oder aus einem elastischen Material besteht, wird dieser Kühlmitteldruck flächig an eine in der Aufnahmetasche aufgenommene Energiespeicherzelle übertragen.
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Die gute Wärmeanbindung kann bevorzugt dadurch erreicht werden, dass die elastische Aufnahmetasche zumindest in den Bereichen, die nach einer Druckbeaufschlagung des Kühlmittels an der Energiespeicherzelle anliegen, aus einem dünnen Material und/oder aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit besteht.
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Das Kühlmittel kann ein beliebiges Fluid, d. h. ein Gas und/oder eine Flüssigkeit sein, welche bevorzugt eine hohe Wärmekapazität aufweist, so dass ein effizienter Abtransport von Wärme erreicht werden kann.
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Der Begriff "geschlossener Innenraum" kann insbesondere dahingehend verstanden werden, dass sich im Betrieb der Trägervorrichtung das Kühlmittel lediglich innerhalb des hohlen Grundkörpers und insbesondere nicht in der zumindest einen Aufnahmetasche befindet. Das Kühlmittel liegt vielmehr nur an den Außenseiten der in das Innere des Grundkörpers hinein ragenden Aufnahmetaschen an. Ein Kühlmittelaustausch mit einem entsprechenden Kühlaggregat kann somit lediglich über die beiden Kühlmittelanschlüsse oder ggf. über weitere Kühlmittelanschlüsse erfolgen.
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Bevorzugt weist die beschriebene Trägervorrichtung jedoch lediglich die beiden beschriebenen Kühlmittelanschlüsse und keine weiteren Kühlmittelanschlüsse für flüssiges und/oder gasförmiges Kühlmittel auf. Dies ermöglicht einen besonders hohen Grad an Sicherheit gegenüber Undichtigkeiten in einem die Trägervorrichtung aufweisenden Energiespeichersystem. Bevorzugt können die beiden Kühlmittelanschlüsse für einen Eintritt und für einen Austritt von Kühlmittel mittels genormter Fluidverbindern oder Fluidschnittstellen realisiert werden.
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Die erfindungsgemäße Fixierung der zumindest einen Energiespeicherzelle durch den (zweiten) Druck des Kühlmittels hat den Vorteil, dass die Fixierung weitgehend isotrop erfolgt. Damit können mechanische Belastungen beispielsweise durch Vibrationen und/oder Stöße aus allen Richtungen gleichermaßen gut aufgenommen werden. Dies hat zur Folge, dass die zumindest eine Energiespeicherzelle auch unter schwierigen Bedingungen besonders zuverlässig und zugleich schonend in der Trägervorrichtung fixiert ist. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass insbesondere bei starken dynamischen Belastungen die Gewichtskraft der zumindest einen Energiespeicherzelle in guter Näherung vernachlässigt werden kann und demzufolge eine solide mechanische Anbindung der zumindest einen Energiespeicherzelle an die Trägervorrichtung bzw. an ein die Trägervorrichtung aufweisendes Energiespeichersystem von großer Bedeutung ist.
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Bevorzugt weist der Grundkörper nicht nur eine sondern mehrere Aufnahmetaschen für jeweils eine Energiespeicherzelle auf. Die Aufnahmetaschen können dabei derart angeordnet sein, dass eine möglichst gute Strömung von Kühlmittel an den nach innen in den Innenraum ragenden Aufnahmetaschen vorbei möglich ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der hohle Grundkörper einteilig ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass der Grundkörper auf einfache Weise aus einem einzigen Elastomer beispielsweise mittels eines Elastomer-Spritzgießverfahrens hergestellt werden kann. Da erfindungsgemäß die zumindest eine Aufnahmetasche der Trägervorrichtung eine gewisse Elastizität hat, weist bei der Verwendung eines einheitlichen Materials für die Trägervorrichtung die gesamte Trägervorrichtung zumindest eine gewisse Elastizität auf.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Materialstärke der zumindest einen Aufnahmetasche des hohlen Grundkörpers geringer als die Materialstärke von anderen Bereichen des hohlen Grundkörpers.
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Die beschriebene Verwendung von unterschiedlichen Material- bzw. Wandstärken hat den Vorteil, dass (a) in Folge einer dünnen Materialstärke zwischen Energiespeicherzelle und Kühlmittel einerseits ein guter Wärmeabtransport von einer in der Aufnahmetasche aufgenommenen Energiespeicherzelle in das Kühlmittel gewährleistet werden kann und dass (b) der Grundkörper andererseits zumindest eine gewisse Formstabilität aufweisen kann, welche ein Bestücken der Trägervorrichtung mit der zumindest einen Energiespeicherzelle erleichtert. Damit ist es möglich, die zumindest eine Energiespeicherzelle ohne technische Hilfsmittel wie beispielsweise einem Einführwerkzeug in die zumindest eine Aufnahmetasche einzuführen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass je nach Anwendungsfall die Material- bzw. Wandstärken so eingestellt werden können, dass sowohl eine gute thermische Anbindung einer eingeführten Energiespeicherzelle an das sich in dem Innenraum des Grundkörpers befindlichen Kühlmittel als auch eine gute Formstabilität der gesamten (elastischen) Trägervorrichtung erreicht werden können.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zumindest eine Aufnahmetasche derart ausgebildet, dass, sofern der zweite Druck im Innenraum des Grundkörpers anliegt, innere Seitenflächen der zumindest einen Aufnahmetasche an zwei einander gegenüberliegenden äußeren Seitenflächen einer eingebrachten Energiespeicherzelle anliegen. Dies hat den Vorteil, dass eine in der zumindest einen Aufnahmetasche eingebrachte Energiespeicherzelle mit zwei flächigen Außenseiten von beiden Seiten gleichzeitig gekühlt werden kann. Dabei ist durch die Auswahl für das Material insbesondere der Aufnahmetasche der Wärmeübergang innerhalb gewisser Bereiche einstellbar. Durch eine große Fläche (innere Seitenfläche der Aufnahmetasche bzw. äußere Seitenfläche der eingebrachten Energiespeicherzelle) und optional durch eine möglichst geringe Material- bzw. Wandstärke der Aufnahmetasche kann ein wirkungsvoller Wärmeabtransport von der eingebrachten Energiespeicherzelle sichergestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung zum Speichern von elektrischer Energie insbesondere in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug beschrieben. Die beschriebene Anordnung weist zumindest eine Energiespeicherzelle und eine Trägervorrichtung des oben beschriebenen Typs auf. Die Energiespeicherzelle ist in die zumindest eine Aufnahmetasche der Trägervorrichtung eingebracht.
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Der beschriebenen Anordnung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Energiespeicherzelle insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, welche beispielsweise eine Bleibatterie, einen Doppelschicht-Kondensator, eine Nickel- Metallhydrid- und/oder eine Lithium-Ionen Zelle aufweisen kann, in eine Trägervorrichtung der oben beschriebenen Art eingebracht werden kann und dass damit zum einen eine gute Wärmeableitung zu dem Kühlmittel und zum anderen eine zuverlässige und zugleich schonende mechanische Halterung der Energiespeicherzelle erreicht werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Energiespeicherzelle in der Aufnahmetasche zusätzlich mittels einer ersten Klebeverbindung fixiert.
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Die erste Klebeverbindung, welche beispielsweise mittels eines Flüssigklebers realisiert werden kann, hat den Vorteil, dass die mechanische Fixierung der Energiespeicherzelle in der Aufnahmetasche auch dann aufrecht erhalten bleibt, wenn sich, beispielsweise während einer technischen Wartung, gerade kein Kühlmittel oder ein Kühlmittel mit einem im Vergleich zum zweiten Druck reduzierten Druck in dem Innenraum des Grundkörpers befindet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der gesamte Grundkörper aus einem elastischen Material hergestellt und die Anordnung umfasst ferner ein Gehäuse, welches ein Material aufweist, das im Vergleich zu dem elastischen Material des Grundkörpers starr ist und welches derart geformt ist, dass (a) bei dem ersten Druck im Innenraum des Grundkörpers die Trägervorrichtung zumindest teilweise in das Gehäuse einbringbar oder aus dem Gehäuse herausnehmbar ist und (b) bei dem zweiten Druck im Innenraum des Grundkörpers die Trägervorrichtung in dem Gehäuse mechanisch fixiert ist.
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Die Verwendung eines starren Gehäuses, in welches die Trägervorrichtung zusammen mit der zumindest einen Energiespeicherzelle eingebracht und durch einen geeigneten Kühlmitteldruck im Innenraum des hohlen Grundkörpers der Trägervorrichtung fixiert werden kann, hat den Vorteil, dass die gesamte Anordnung zum Speichern von elektrischer Energie als starres Gebilde in bekannter Weise insbesondere an einem Chassis eines Elektro- oder Hybridfahrzeug angebracht werden kann.
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Das Gehäuse kann geeignete Durchgangsöffnungen aufweisen, so dass die Kühlmittelanschlüsse der Trägervorrichtung von außen zugänglich sind.
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Unter dem Begriff Gehäuse kann in diesem Dokument jede räumliche Struktur verstanden werden, welche als Umhausung für die Trägervorrichtung dient und an welche sich die Trägervorrichtung bei einer Beaufschlagung von Kühlmittel im Innenraum des hohlen Grundkörpers von innen andrückt. So kann das Gehäuse nicht nur mit einem starren dreidimensionalen Gebilde sondern beispielsweise auch mittels Spannbänder und/oder Bandagen realisiert werden, welche eine äußere Gegenkraft für zum durch den Kühlmitteldruck aufgeblähten Grundkörper aufbringen können.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Trägervorrichtung an dem Gehäuse zusätzlich mittels einer zweiten Klebeverbindung fixiert.
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Die zweite Klebeverbindung, welche ebenfalls beispielsweise mittels eines Flüssigklebers realisiert werden kann, hat den Vorteil, dass die mechanische Fixierung der Trägervorrichtung an oder in dem Gehäuse auch dann aufrecht erhalten bleibt, wenn sich, beispielsweise während einer technischen Wartung, gerade kein Kühlmittel oder ein Kühlmittel mit einem im Vergleich zum zweiten Druck reduzierten Druck in dem Innenraum des Grundkörpers befindet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Fixieren von elektrischen Energiespeicherzellen insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug in einer Trägervorrichtung des oben beschriebenen Typs angegeben. Das Verfahren weist auf (a) Anlegen eines ersten Drucks in dem Innenraum des Grundkörpers, (b) Einbringen einer Energiespeicherzelle in die Aufnahmetasche der Trägervorrichtung und (c) Anlegen eines zweiten Drucks in dem Innenraum des Grundkörpers, so dass die Energiespeicherzelle in der Aufnahmetasche der Trägervorrichtung fixiert ist.
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Auch dem beschriebene Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung von elastischen Aufnahmetaschen für eine Trägervorrichtung für elektrische Energiespeicherzellen (a) zum einen eine zuverlässige Fixierung einer sich in der betreffenden Aufnahmetasche befindlichen Energiespeicherzelle und (b) zum anderen eine gute Wärmeanbindung an ein sich im Innenraum befindliches Kühlmittel gewährleistet werden kann.
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Die Fertigung einer Energiespeicheranordnung, welche die Trägervorrichtung und, in zumindest einer Aufnahmetasche der Trägervorrichtung, eine Energiespeicherzelle aufweist, kann bevorzugt bei einem druckfreien Zustand der Trägervorrichtung oder sogar bei einem applizierten Unterdruck erfolgen. Auf diese Weise kann die Fertigung erleichtert werden, da bei einem gegenüber einem Betriebsdruck verminderten (ersten) Druck die Montage der Energiespeicherzelle in der Aufnahmetasche besonders einfach ist.
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Durch das Beaufschlagen des Innenraums des hohlen Grundkörpers mit dem zweiten Druck kann sich die Aufnahmetasche derart an eine eingebrachte Energiespeicherzelle anlegen bzw. anschmiegen, dass evtl. vorhandene Hohlräume zwischen der Energiespeicherzelle und der Aufnahmetasche geschlossen werden. Durch das Aufbringen des zweiten Drucks mittels des Kühlmittels, welches eine Flüssigkeit und/oder ein Gas sein kann und welches über den ersten Kühlmittelanschluss zugeführt werden kann, wird die eingebrachte Energiespeicherzelle in der Trägervorrichtung fixiert.
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Durch den erhöhten Innendruck (im Betriebszustand, im Prüfzustand oder im Fertigungszustand eines die Trägervorrichtung aufweisenden Energiespeichersystems) kann eine flächenoptimale Verbindung zwischen der Energiespeicherzelle und der der Aufnahmetasche hergestellt werden. Eine gleichmäßige Druckverteilung kann dabei ein gleichmäßiges Anlegen der Aufnahmetasche an die betreffende Energiespeicherzelle gewährleisten. Neben einem Kraftschluss zwischen Energiespeicherzelle und Aufnahmetasche ist somit auch ein gewisser Formschluss gegeben.
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Durch ein gleichmäßiges Anlegen der elastischen Aufnahmetasche an eine eingebrachte Energiespeicherzelle kann somit sowohl eine optimale direkte Kühlung als auch eine gedämpfte Kraftübertragung zwischen Energiespeicherzelle und Trägervorrichtung erreicht werden. Dadurch wird auf vorteilhafte Weise automatisch eine zusätzliche innere Dämpfung von dynamischen Belastungen direkt an der Energiespeicherzelle erreicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
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1a zeigt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Energiespeicheranordnung mit einer elastischen Trägervorrichtung und einer Energiespeicherzelle.
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1b zeigt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Energiespeicheranordnung mit einer elastischen Trägervorrichtung und einer Energiespeicherzelle.
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2 zeigt gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Energiespeicheranordnung mit einer elastischen Trägervorrichtung, in der eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen aufgenommen sind, und einem starren Gehäuse, in welches die elastische Trägervorrichtung eingeschoben werden kann.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem anderen Bezugszeichen versehen sind, welches sich lediglich in seiner ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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1a zeigt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Energiespeicheranordnung 100a mit einer elastischen Trägervorrichtung 110 und einer Energiespeicherzelle 150. Die Trägervorrichtung 110 weist einen hohlen Grundkörper 114 auf, welcher einstückig aus einem elastischen oder plastischen Material hergestellt ist. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das elastische Material ein elastomerer Kunststoff.
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In dem elastischen Grundkörper 114 sind eine Mehrzahl von Aufnahmetaschen 118 ausgebildet, welche sich in Richtung des Innenraums des elastischen Grundkörpers 114 erstrecken. In der perspektivischen Ansicht von 1a sind von den Aufnahmetaschen 118 lediglich an der Oberseite des Grundkörpers 114 ausgebildete schlitzförmige Aufnahmeöffnungen zu erkennen.
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Die Trägervorrichtung 110 weist ferner einen ersten Kühlmittelanschluss 121 zum Zuführen von Kühlmittel in den Innenraum des elastischen Grundkörpers 114 und einen zweiten Kühlmittelanschluss 122 zum Abführen von Kühlmittel aus dem Innenraum des elastischen Grundkörpers 114 auf. Abgesehen von diesen beiden Kühlmittelanschlüssen 121 und 122 stellt der Grundkörper 114 eine Struktur mit einem geschlossenen Innenraum dar, so dass ein Austritt von Kühlmittel nicht zu besorgen ist.
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Wie aus 1a ersichtlich, kann jeweils in eine Aufnahmetasche 118 eine herkömmliche Energiespeicherzelle 150 eingeschoben werden, welche zwei elektrische Anschlusskontakte 151 und 152 aufweist. Die Aufnahmetaschen 118 sind derart dimensioniert, dass bei einem ersten Druck des Kühlmittels im Innenraum des Grundkörpers 114, welcher erste Druck kleiner ist als ein üblicher Betriebsdruck, die Energiespeicherzelle 150 ohne Hilfswerkzeuge in die betreffende Aufnahmetasche 118 eingebracht werden kann. Dieses Einbringen ist in 1a durch den Pfeil 160 angedeutet.
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Bei einem Betriebsdruck, welcher größer ist als der erste Druck, legt sich die betreffende Aufnahmetasche 118 fest an die eingebrachte Energiespeicherzelle 150 an, so dass diese in der Aufnahmetasche 118 und damit in der gesamten Trägervorrichtung 110 mechanisch fixiert ist.
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Anschaulich gesprochen wird also die Energiespeicherzelle 150 in eine passende und/oder dafür vorgesehene Aufnahmetasche 118 eingeführt, welche in der elastischen jedoch selbstständig stehenden Trägervorrichtung 110 ausgebildet ist. Dabei ist der innere Druck in der elastischen Trägervorrichtung 110 gegenüber einem üblichen Betriebsdruck vermindert, so dass die Energiespeicherzelle 150 auf einfache Weise eingeführt werden kann. Bei einem üblichen Betriebsdruck von Kühlmittel liegen zumindest die inneren Seitenflächen der entsprechenden elastischen Aufnahmetasche 118 flächig an den beiden äußeren Seitenflächen der Energiespeicherzelle 150 an.
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Es wird darauf hingewiesen, dass in 1a als Ausführungsbeispiel ein Aufbau für eine flexible Softpackträgervorrichtung gezeigt ist. In ähnlicher Weise können Energiespeicherzellen jedoch auch in einem prismatischen Hartschalengehäuse in jeweils einer geeignet geformten elastischen Aufnahmetasche gehalten werden. Um die Fixierung der Energiespeicherzellen zu verbessern, können zusätzlich Befestigungsmaßnahmen zum Fixieren und Hilfsmittel zum Positionieren der Energiespeicherzelle eingesetzt werden (nicht dargestellt).
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Derartige Befestigungsmaßnahmen können beispielsweise ein Kleben umfassen.
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1b zeigt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Energiespeicheranordnung 100b mit einer elastischen Trägervorrichtung 110 und einer Energiespeicherzelle 150. Wie aus 1b ersichtlich, weist der hohle Grundkörper 114 der Trägervorrichtung 110 ein im Vergleich zu der in 1a dargestellten Trägervorrichtung abweichende Formgebung (mit abgerundeten Ecken) auf. Ferner weist die Trägervorrichtung 110 der Energiespeicheranordnung 100b im Vergleich zu der in 1a dargestellten Energiespeicheranordnung 100a Kühlmittelanschlüsse 121 und 122 auf, welche mittels genormten Fluidanschlüssen bzw. Fluidschnittstellen realisiert sind.
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2 zeigt gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Energiespeicheranordnung 200 mit einer elastischen Trägervorrichtung 110, in der eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen aufgenommen sind, und mit einem starren Gehäuse 240, in welches die elastische Trägervorrichtung 110 eingeschoben werden kann.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist das starre Gehäuse 240 zwei Öffnungen, eine erste Öffnung 241 und eine zweite Öffnung 242 auf, welche hinsichtlich ihrer Position mit den Positionen von zwei Kühlmittelanschlüssen 121 und 122 korrespondieren.
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Bei einem ersten Druck innerhalb des ebenfalls einstückig ausgebildeten Grundkörpers 114 der Trägervorrichtung 110, welcher erste Druck kleiner ist als ein üblicher Betriebsdruck von Kühlmittel, welches sich innerhalb der elastischen Trägervorrichtung 110 befindet, weist die Trägervorrichtung 110 in einem entspannten Zustand ein Volumen auf, welches geringfügig kleiner ist als das Innenvolumen des starren Gehäuses 240. Damit kann die Trägervorrichtung 110 problemlos entlang der Einschieberichtung 245 in das starre Gehäuse 240 eingeschoben werden.
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Bei einem üblichen Betriebsdruck, welcher von einem Kühlmittel im Inneren des Grundkörpers 114 bereitgestellt wird, wird die elastische Trägervorrichtung 110 gespannt, so dass sich deren Volumen zumindest geringfügig erhöht. Die Trägervorrichtung 110 liegt dann flächig und/oder formschlüssig an dem starren Gehäuse 240 an, so dass im Ergebnis ein tragender Verbund bestehend aus (a) dem starren Gehäuse 240, (b) der elastischen und in das Gehäuse 240 eingespannten Trägervorrichtung 110 sowie (c) den in den Aufnahmetaschen des Grundkörpers 114 eingespannten Energiespeicherzellen entsteht.
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Durch eine optionale obere Abdeckung (nicht dargestellt) kann die elastische Trägervorrichtung 110 dauerhaft im Gehäuse 240 fixiert und positioniert werden. Durch Klebemaßnahmen zwischen der Trägervorrichtung 110 und dem Gehäuse 240 kann auf eine zusätzliche obere Abdeckung verzichtet werden.
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Die in diesem Dokument beschriebene Aufnahme einer Energiespeicherzelle in einer elastischen Aufnahmetasche einer Trägervorrichtung weist insbesondere folgende Vorteile auf:
- (A) Es wird eine beidseitige und gleichmäßige Kühlung direkt an den Seitenflächen der Energiespeicherzelle ermöglicht. In diesem Zusammenhang kommt einem beidseitigen Anliegen der elastischen Aufnahmetasche an der aufgenommenen Energiespeicherzelle eine zentrale funktionale Rolle zu. Durch eine direkte und beidseitige Kühlung an der Energiespeicherzelle ohne lange Wärmetransportwege entsteht eine weitgehend optimale Kühlung, bei welcher eine Wärmeabtransport nahezu über die gesamte Fläche der Energiespeicherzelle hinweg erfolgt.
- (B) Die Herstellung der Energiespeicheranordnung, welche mit einer minimalen Anzahl von mechanischen Komponenten aufgebaut werden kann, kann infolge einer besonders einfachen Montage in wenigen Arbeitsschritten erfolgen. Dadurch ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen insbesondere bei einer industriellen Fertigung.
- (C) Infolge einer minimalen Anzahl an Schnittstellen (z.B. für Kühlmittel) kann die Energiespeicheranordnung auf einfache Weise mit einer hohen Dichtigkeit realisiert werden. Durch eine Realisierung der Funktion des Dichtens an der Außenseite des starren Gehäuses kann für die Energiespeicheranordnung einfach die Schutzklasse IP6K9K gewährleistet werden.
- (D) Im Betriebsfall werden alle Energiespeicherzellen mit einer optimierten Anlagefläche zur elastischen Trägervorrichtung gleichmäßig umströmt und somit an allen Stellen der Energiespeicherzellen optimal gekühlt. Diese optimierte und gleichmäßige Kühlung wirkt sich im Besonderen über die Lebensdauer der Energiespeicherzellen positiv aus, da die Energiespeicherzellen ihre Form und Ihre Größe über die Lebensdauer verändern können.
- (E) Die mit dem beschrieben Aufbau verbundene dynamische Dämpfung mechanischer Belastungen minimiert die Belastungen auf die Energiespeicherzellen und verhindert somit mechanische Beschädigungen an den typischerweise sehr empfindlichen Energiespeicherzellen. Durch die Elastizität der Trägervorrichtung werden mechanische Schäden (z.B. Rissbildungen) an stoffschlüssigen Fügesteilen am Kühl- oder am Befestigungssystem ausgeschlossen.
- (F) Durch den Wegfall von mechanisch aufwändigen Kühlungselementen wie beispielsweise Kühler oder Kühlfinnen können die Herstellungskosten besonders gering gehalten werden.
