DE102012210611A1 - Energiespeichereinheit mit zwei getrennten elektrochemischen Bereichen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung schafft einen elektrochemische Energiespeicher (10), wie beispielsweise eine Batterie oder eine wiederaufladbare Batterie, mit einer ersten elektrochemischen Einheit (22) mit einer ersten Anode (26), einer ersten Kathode (28) und einem ersten Stromanschluss (24), der mit der ersten Kathode (28) elektrisch leitend verbunden ist, einer zweiten elektrochemischen Einheit (42) mit einer zweiten Anode (46), einer zweiten Kathode (48) und einem zweiten Stromanschluss (44), der mit der zweiten Anode (46) elektrisch leitend verbunden ist, und mit einem Gehäuse (12) mit einem ersten eingehauster Bereich (20), in dem die erste elektrochemische Einheit (22) angeordnet ist, einem zweiten eingehauster Bereich (40), in dem die zweite elektrochemische Einheit (42) angeordnet ist, und einer Trennwand (80), die den ersten eingehauster Bereich (20) von dem zweiten eingehauster Bereich (40) trennt. Die Anode (26) der ersten elektrochemischen Einheit (22) ist mit der Kathode (48) der zweiten elektrochemischen Einheit (42) elektrisch leitfähig verbunden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Energiespeicher und eine Verwendung desselben.
  • Stand der Technik
  • In der Automobilindustrie wurden die Anforderungen an die Lebensdauer, die Sicherheit und die Zuverlässigkeit neuer Konzepte für wiederaufladbare Energiespeicher bzw. Fahrbatterien klar definiert. Demgemäß ist ein sicherer und zuverlässiger Betrieb der Fahrbatterie über deren Lebenszeit ein wesentlicher Aspekt für die Akzeptanz einer Fahrbatterie bzw. eines Fahrbatteriekonzepts. Dabei stehen Kostenaspekte vorerst noch weiterhin im Vordergrund, weil ein Elektrofahrzeug derzeit noch wesentlich teurer ist als ein konventionelles Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor. Es ist abzusehen, dass die Endmontage von Batterie-Packs zum Einbau in ein Elektrofahrzeug zukünftig in der Nähe der Standorte von Kunden, die meistens nicht in einem Günstiglohnstaat liegen, durchgeführt wird. Daher ist eine weitere Verringerung des Aufwands und der Kosten für den Zusammenbau eines Batteriesystem-Packs und mithin eine Verringerung der Systemkomplexität eines als Batterie-Pack ausgebildeten elektrochemischen Energiespeichers erstrebenswert.
  • DE 10 2009 046 505 A1 offenbart ein Verfahren zum Verbinden eines Batteriepols einer ersten Batteriezelle mit einem Batteriepol einer zweiten Batteriezelle und eine Batterie mit verfahrensgemäß miteinander verbundenen Batteriezellen. Der erste Batteriepol weist ein als integraler Bestandteil desselben ausgebildetes Fahnenelement auf, das eine direkte und unmittelbare, d.h. ohne Zwischenschaltung weiterer Bauelemente, stoffschlüssige oder kraft- und formschlüssige sowie elektrisch leitfähige Verbindung mit geringem Übergangswiderstand zu dem zweiten Batteriepol realisiert. In dieser Weise können n Batterieeinzellellen mittels (n – 1) Fahnenelementen zu einem Batteriepack elektrisch leitfähig verbunden werden (hierin ist n eine ganze Zahl größer oder gleich 2).
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft einen elektrochemischen Energiespeicher mit den Merkmalen des beigefügten unabhängigen Anspruchs 1 und eine Verwendung desselben nach Anspruch 16. Vorteilhafte Ausführungsformen des elektrochemischen Energiespeichers sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
  • Ein elektrochemischer Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie oder eine wiederaufladbare Batterie, umfasst folgendes: eine erste elektrochemische Einheit mit einer ersten Anode, einer ersten Kathode und einem ersten Stromanschluss, der mit der ersten Kathode elektrisch leitend verbunden ist, und eine zweite elektrochemische Einheit mit einer zweiten Anode, einer zweiten Kathode und einem zweiten Stromanschluss, der mit der zweiten Anode elektrisch leitend verbunden ist. Der Energiespeicher umfasst ferner ein Gehäuse mit einem ersten eingehausten Bereich, in dem die erste elektrochemische Einheit angeordnet ist, einem zweiten eingehausten Bereich, in dem die zweite elektrochemische Einheit angeordnet ist, und einer Trennwand, die den ersten eingehausten Bereich von dem zweiten eingehausten Bereich trennt. Die Anode der ersten elektrochemischen Einheit ist mit der Kathode der zweiten elektrochemischen Einheit elektrisch leitfähig verbunden.
  • Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Komplexität des zwei elektrochemische Einheiten umfassenden elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Erfindung durch die Integration der beiden elektrochemischen Einheiten in einem gemeinsamen Gehäuse und mithin der Montageaufwand und die Kosten beim Zusammenbau der Elemente des erfindungsgemäßen Energiespeichers verringert sind im Vergleich zu herkömmlichen Energiespeichern, bei denen in einem Gehäuse nur jeweils eine elektrochemische Einheit enthalten ist.
  • Weitere Vorteile der Erfindung
  • Die Anode der ersten elektrochemischen Einheit oder die Kathode der zweiten elektrochemischen Einheit können mit dem Gehäuse elektrisch leitfähig verbunden sein. Dadurch ist das Gehäuse auf einem definierten Zwischenpotential, das zwischen dem Potential des ersten Stromanschlusses und dem Potential des zweiten Stromanschlusses ist.
  • Der Energiespeicher kann einen Zwischenspannungsanschluss zur Spannungsüberprüfung des Potenzials der Anode der ersten elektrochemischen Einheit bzw. der Kathode der zweiten elektrochemischen Einheit umfassen. Der Zwischenspannungsanschluss ermöglicht eine Überwachung der Spannung der ersten bzw. zweiten elektrochemischen Einheit und einen Stromausgleich zwischen den beiden elektrochemischen Einheiten.
  • In einer ersten Ausführungsform ist der Zwischenspannungsanschluss elektrisch isoliert in Bezug auf das Gehäuse bzw. den ersten und/oder zweiten Gehäusebereich ausgeführt. In einer dazu alternativen Ausführungsform ist der Zwischenspannungsanschluss elektrisch leitfähig verbunden mit dam Gehäuse bzw. dem ersten und/oder zweiten Gehäusebereich, wobei das Gehäuse insbesondere elektrisch leitend ausgebildet sein kann. In der letzteren Ausführungsform definiert das Potential des Zwischenspannungsanschlusses das Potential des Gehäuses.
  • Die Trennwand ist vorzugsweise so ausgebildet, dass ein Ionentransport, ein Flüssigkeitstransport und/oder ein Druckausgleich zwischen der ersten elektrochemischen Einheit bzw. dem ersten eingehausten Bereich und der zweiten elektrochemischen Einheit bzw. dem zweiten eingehausten Bereich unterbunden ist. Dadurch sind die erste und die zweite elektrochemische Einheit im Betrieb im Wesentlichen voneinander entkoppelt.
  • In einer Ausführungsform kann die erste elektrochemische Einheit bezüglich ihres Typs und ihrer elektrischen Eigenschaften im Wesentlichen baugleich wie die zweite elektrochemische Einheit sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfache und systematische Zusammensetzung von erfindungsgemäßen Energiespeichern zu Packs aus den erfindungsgemäßen Energiespeichern.
  • In einer dazu alternativen Ausführungsform kann die erste elektrochemische Einheit sich selbstverständlich auch bezüglich ihres Typs und ihrer elektrischen Eigenschaften im Wesentlichen von der zweiten elektrochemischen Einheit unterscheiden.
  • In einen elektrochemischen Energiespeicher kann zur Erhöhung der Betriebssicherheit ein passives elektrisches Sicherheitselement gemäß einer der folgenden Möglichkeiten geschaltet sein: (i) zwischen der Anode der ersten elektrochemischen Einheit und der Kathode der zweiten elektrochemischen Einheit, und/oder (ii) zwischen der Kathode der ersten elektrochemischen Einheit und dem ersten Stromanschluss der ersten elektrochemischen Einheit, und/oder (iii) zwischen der Anode der zweiten elektrochemischen Einheit und dem zweiten Stromanschluss der zweiten elektrochemischen Einheit. In dem elektrochemischen Energiespeicher können auch zwei oder mehr passive elektrische Sicherheitselemente gemäß zweier oder mehrerer der vorgenannten Möglichkeiten eingebaut sein. Dabei kann das passive elektrische Sicherheitselement insbesondere ausgewählt sein aus einer Gruppe, die eine Sicherung, ein Element mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, d.h. ein so genanntes PTC-Element (Englisch: PTC = Positive Temperature Coefficient) und ein ladungsunterbrechendes Element, d.h. ein so genanntes CID-Element (Englisch: CID = Charge Interrupting Device) umfasst.
  • In einer Ausführungsform können in dem elektrochemischen Energiespeicher die erste elektrochemische Einheit bzw. der erste eingehauste Bereich und die zweite elektrochemische Einheit bzw. der zweite eingehauste Bereich vom Typ einer prismatischen elektrochemischen Einheit bzw. eines prismatischen eingehausten Bereichs ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht den mechanischen Zusammenbau von mehreren elektrochemischen Energiespeichern im Wesentlichen ohne dazwischen liegendes Totvolumen. Dabei können die erste prismatische elektrochemische Einheit und die zweite prismatische elektrochemische Einheit bezüglich ihrer geometrischen Abmessungen im Wesentlichen identisch sind und jeweils ein erstes Wandpaar, ein zweites Wandpaar und ein drittes Wandpaar von gegenüberliegend angeordneten Wänden umfassen, wobei die Flächen der Wände des ersten Wandpaares größer als oder gleich groß sind wie die Flächen der Wände des zweiten Wandpaares, und die Flächen der Wände des zweiten Wandpaares größer als oder gleich groß wie die Flächen der Wände des dritten Wandpaares sein. Ferner kann dabei eine Wand von einem aus dem ersten, zweiten und dritten Wandpaar ausgewählten Wandpaar der ersten elektrochemischen Einheit und eine entsprechende Wand von einem aus dem entsprechenden ersten, zweiten oder dritten Wandpaar ausgewählten Wandpaar der zweiten elektrochemischen Einheit entweder miteinander in Kontakt sein oder jeweils mit der Trennwand in Kontakt sein.
  • In einer dazu alternativen Ausführungsform können in dem elektrochemischen Energiespeicher die erste elektrochemische Einheit bzw. der erste eingehauste Bereich und die zweite elektrochemische Einheit bzw. der zweite eingehauste Bereich vom Typ einer zylindrischen elektrochemischen Einheit bzw. eines zylindrischen eingehausten Bereichs ausgebildet sein.
  • Dabei kann die erste zylindrische elektrochemische Einheit eine erste und eine zweite kreisförmige Endfläche umfassen und auch die zweite zylindrische elektrochemische Einheit kann eine erste und eine zweite kreisförmige Endfläche umfassen. Dabei können die zweite kreisförmige Endfläche der ersten zylindrischen elektrochemischen Einheit und die erste kreisförmige Endfläche der zweiten zylindrischen elektrochemischen Einheit einen im Wesentlichen gleichen Durchmesser aufweisen und entweder in Kontakt miteinander sein oder jeweils mit der Trennwand in Kontakt sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die erste zylindrische elektrochemische Einheit eine Zylinderwand und die zweite zylindrische elektrochemische Einheit ebenfalls eine Zylinderwand umfassen, wobei die erste und die zweite Zylinderwand im Wesentlichen gleiche Längen aufweisen und entweder in Kontakt miteinander sind oder jeweils mit der Trennwand in Kontakt sind.
  • Der vorstehend beschriebene elektrochemische Energiespeicher kann als wiederaufladbare Fahrbatterie in einem Kraftfahrzeug Verwendung finden.
  • Ein erfindungsgemäßer elektrochemischer Energiespeicher weist die folgenden Vorteile auf:
    • – Gegenüber herkömmlichen elektrochemischen Energiespeichern, bei denen jede einzelne elektrochemische Einheit zwei externe Stromanschlüsse für den elektrischen Pluspol und den elektrischen Minuspol aufweist, erzielt eine erfindungsgemäße elektrochemische Energiequelle eine höhere spezifische Energie bzw. eine höhere spezifische Leistung als ein Batteriesystem, und zwar durch ein geringeres Gewicht bzw. eingespartes Gewicht von elektrochemisch inaktiven Komponenten.
    • – Die Komplexität des Kontaktierungsaufwandes aus Systemsicht pro Energiespeicher ist reduziert. Insbesondere ist die Zahl der erforderlichen externen Stromanschlüsse, die häufig in der Form von Kontaktflächen ausgeführt sind, halbiert. Entsprechend halbiert sich auch ein Montageaufwand.
    • – Bei einigen Anordnungen der zwei eingehausten Bereiche ist es möglich, pro eingehaustem Bereich 20, 40 jeweils einen Stromanschluss 24, 44 zentriert anzuordnen, wie beispielsweise bei den in den 5, 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen. Dadurch können Torsionskräfte an den Stromanschlüssen reduziert werden, was wiederum eine konstruktiv einfachere Isolation des Stromanschlusses in Bezug auf das Gehäuse 12 ermöglicht.
    • – Für erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicher verringert sich auch der Aufwand für die Temperaturerfassung in den elektrochemischen Einheiten u.a. dadurch, dass es bei den erfindungsgemäßen Energiespeichern möglich ist, in nur einer der beiden elektrochemischen Einheiten die Temperatur zu erfassen und darauf zu bauen, dass die Temperatur in dem jeweils anderen eingehausten Bereich durch die unmittelbare Nachbarschaft bzw. die gemeinsame Trennwand nahe bei der erfassten Temperatur ist. Das heißt, nur ein Temperatursensor ist für jeweils zwei elektrochemische Einheiten ausreichend.
    • – Der elektrische Isolationsaufwand verringert sich, weil nur zwei externe Stromanschlüsse 24, 44 für jeweils zwei elektrochemische Einheiten 22, 42 erforderlich sind.
    • – Der mechanische Kontaktierungsaufwand, insbesondere für eine Zellhalterung, ist in dem erfindungsgemäßen Energiespeicher mit dem Verbund von zwei elektrochemischen Einheiten in einem System verringert.
    • – Ein thermischer Kontaktierungsaufwand für Kühlungs- oder Aufheizungssysteme ist für einen erfindungsgemäße Energiespeicher ebenfalls reduziert.
    • – Der Aufwand und die Kosten für den Aufbau bzw. den Zusammenbau (Montage) eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers sind ebenfalls reduziert.
    • – Die mechanische Stabilität der in dem erfindungsgemäßen Energiespeicher realisierten Doppelzelle, umfassend zwei eingehauste Bereiche, ist erhöht gegenüber zwei gesonderten Einzelzellen bzw. elektrochemischen Einheiten mit insgesamt gleichem Energieinhalt.
    • – Pro erfindungsgemäßem Energiespeicher, d.h. pro Doppelzelle, werden zwei elektrische Durchführungen durch die Gehäusewand für die externen Stromanschlüsse eingespart. Dadurch reduziert sich die Wahrscheinlichkeit einer Undichtigkeit an den Durchführungen.
    • – Die unmittelbare Nachbarschaft von zwei elektrochemischen Einheiten in einem erfindungsgemäßen Energiespeicher ermöglicht eine bessere thermische Kopplung zwischen den beiden elektrochemischen Einheiten in einer erfindungsgemäßen Doppelzelle im Vergleich zu zwei als jeweils gesonderte Zellen ausgebildete herkömmliche elektrochemische Einheiten.
    • – In einem erfindungsgemäßen Energiespeicher ist auch die Induktivität des Gesamtsystems reduziert im Vergleich zu einem Aufbau mit zwei Einzelzellen. Dieser Aspekt ist besonders wichtig für Konzepte von wiederaufladbaren Energiespeichern, wie z.B. Batteriedirektinverter.
    • – Das Konzept der erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeicher kann für jeden Typ der Elektrochemie bzw. Zellchemie, für jede Rezeptur der Anode, der Kathode oder des Elektrolyts, und für jede beliebige Geometrie eines eingehausten Bereiches bzw. einer elektrochemischen Einheit (z.B. zylindrisch oder prismatisch) angewendet werden.
    • – Aufgrund der vorgenannten Vorteile ist zu erwarten, dass sich insgesamt die Zuverlässigkeit eines erfindungsgemäßen Energiespeichers und dadurch auch deren Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen elektrochemischen Einheiten mit Batterieeinzelzellen erhöht.
    • – Auch die Gesamtsystemkosten, der Gesamtsystemmontageaufwand und das Gesamtsystemgewicht eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers ist reduziert im Vergleich zu herkömmlichen, aus Einzelzellen aufgebauten Batteriepacks, was für automotive, stationäre und auch andere Energiespeichersysteme vorteilhaft ist.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand von in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung in weiteren Einzelheiten beschrieben. In den Figuren zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Erfindung;
  • 4 eine schematische Ansicht eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Erfindung mit prismatischen ersten und zweiten eingehausten Bereichen in einer ersten Ausführungsvariante;
  • 5 eine schematische Ansicht eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Erfindung mit prismatischen ersten und zweiten eingehausten Bereichen in einer zweiten Ausführungsvariante;
  • 6 eine schematische Ansicht eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Erfindung mit prismatischen ersten und zweiten eingehausten Bereichen in einer dritten Ausführungsvariante;
  • 7 eine schematische Ansicht eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Erfindung mit zylindrischen ersten und zweiten eingehausten Bereichen in einer ersten Ausführungsvariante; und
  • 8 eine schematische Ansicht eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Erfindung mit zylindrischen ersten und zweiten eingehausten Bereichen in einer zweiten Ausführungsvariante.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Den in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen eines elektrochemischen Energiespeichers 10 gemäß der Erfindung ist gemeinsam, dass sie Folgendes umfassen: eine erste elektrochemische Einheit 22, die eine erste Anode 26, eine erste Kathode 28 und einen mit der ersten Kathode 28 im Betrieb elektrisch leitfähig verbundenen externen ersten Stromanschluss 24 umfasst und in einem ersten eingehausten Bereich 20 eines Gehäuses 12 angeordnet ist, eine zweite elektrochemische Einheit 42, die eine zweite Anode 46, eine zweite Kathode 48 und einen mit der zweiten Anode 46 im Betrieb elektrisch leitfähig verbundenen externen zweiten Stromanschluss 44 umfasst und in einem zweiten eingehausten Bereich 40 des Gehäuses 12 angeordnet sind, das Gehäuse 12 mit dem ersten eingehausten Bereich 20, in dem wie erwähnt die erste elektrochemische Einheit 22 angeordnet ist, dem zweiten eingehausten Bereich 40, in dem wie erwähnt die zweite elektrochemische Einheit 42 angeordnet ist, und einer Trennwand 80, die den ersten eingehausten Bereich 20 von dem zweiten eingehausten Bereich 40 trennt. In dem elektrochemischen Energiespeicher 10 ist die Anode 26 der ersten elektrochemischen Einheit 22 mit der Kathode 48 der zweiten elektrochemischen Einheit 42 elektrisch leitfähig verbunden. Diese elektrisch leitfähige Verbindung verbindet die genannten elektrochemischen Elemente 26 und 48, die in dem ersten bzw. zweiten eingehausten Bereich 20 bzw. 40 angeordnet sind. Diese elektrische Verbindung kann durch die Trennwand 80 hindurchgeführt sein, wie in den 1 bis 3 gezeigt, oder entlang bzw. in einer Wand des Gehäuses 12 unter Umgehung der Trennwand 80 verlaufen (nicht gezeigt).
  • Die den ersten eingehausten Bereich 20 bzw. die erste elektrochemische Einheit 22 von dem zweiten eingehausten Bereich 40 bzw. der zweiten elektrochemischen Einheit 42 räumlich voneinander trennende Trennwand 80 ist so ausgebildet und mit dem Gehäuse verbunden, dass ein Ionentransport, ein Flüssigkeitsaustausch und ein Druckausgleich zwischen den beiden Bereichen 20, 40 bzw. den beiden elektrochemischen Einheiten 22 und 42 unterbunden ist.
  • Der externe erste Stromanschluss 24 und der externe zweite Stromanschluss 44 stellen die beiden Pole, d.h. den elektrischen Pluspol und den elektrischen Minuspol, des erfindungsgemäßen Energiespeichers 10 dar. An diesen Stromanschlüssen 24 und 44 werden im Betrieb des Energiespeichers 10 mindestens ein externer Stromverbraucher (nicht gezeigt) oder ein externes Batterielade- und/oder -entladegerät (ebenfalls nicht gezeigt) angeschlossen. Zu diesem Zweck sind der erste Stromanschluss 24 und der zweite Stromanschluss 44, die auch als Leistungsanschlüsse bzw. Power Terminals bezeichnet werden, so ausgelegt, dass sie dazu geeignet sind, einen maximalen für die erfindungsgemäßen Energiespeicher spezifizierten Lade- bzw. Entladestrom zu übertragen, d.h. die Stromanschlüsse 24 und 44 sind sogenannt hochstromfähig. Die elektrisch leitfähigen Verbindungen zwischen dem ersten Stromanschluss 24 und der ersten Kathode 28 und die zwischen dem zweiten Stromanschluss 44 und der zweiten Anode 46 sind jeweils durch eine Wand des Gehäuses 12 so hindurchgeführt, dass die Durchführung des entsprechenden elektrischen Leiters zum Herstellen der elektrisch leitfähigen Verbindung in Bezug auf das Gehäuse 12 elektrisch isoliert ist. Zu diesem Zweck sind die entsprechenden elektrischen Leiter durch in die entsprechende Wand des Gehäuses 12 eingesetzte elektrische Isolationsmittel 25 bzw. 45 hindurchgeführt.
  • Die elektrisch leitfähige Verbindung von der ersten Anode 26 der ersten elektrochemischen Einheit 22 zu der Kathode 48 der zweiten elektrochemischen Einheit 42 befindet sich auf einem elektrischen Zwischenpotenzial, das zwischen den an dem ersten Stromanschluss 24 und dem zweiten Stromanschluss 44 angelegten Pluspol- bzw. Minuspol-Potenzialen liegt. Dieses Zwischenpotenzial ist über eine elektrisch leitende Verbindung mit einem externen Zwischenspannungsanschluss 60 verbunden, wobei letztere elektrisch leitende Verbindung den Zwischenspannungsanschluss 60 mit der elektrisch leitenden Verbindung zwischen der ersten Anode 26 und der zweiten Kathode 48 verbindet, wie in den 1 bis 3 gezeigt. Alternativ dazu kann in den in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen der Zwischenspannungsanschluss 60 auch direkt entweder mit der ersten Anode 26 der ersten elektrochemischen Einheit 22 oder mit der zweiten Kathode 48 der zweiten elektrochemischen Einheit 42 elektrisch leitfähig verbunden sein (nicht gezeigt).
  • Die in den 1 und 2 gezeigten erste bzw. zweite Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers 10 unterscheiden sich durch eine elektrische Isolierung (siehe das elektrische Isolationsmittel 65 in 1) bzw. eine elektrisch leitende Verbindung (wie in 2 angedeutet) zwischen dem Zwischenspannungsanschluss 60 und dem Gehäuse 12.
  • In der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ist der elektrische Leiter zu dem Zwischenspannungsanschluss 60 mittels eines elektrischen Isolationsmittels 65 gegenüber dem Gehäuse 12 elektrisch isoliert und zu diesem Zweck durch das elektrische Isolationsmittel 65 hindurchgeführt, ohne in Kontakt mit dem Gehäuse 12 zu sein. In ähnlicher Weise ist auch in der in der 3 gezeigten, dritten Ausführungsform des Energiespeichers 10 die elektrische Zuleitung zu dem Zwischenspannungsanschluss 60 mittels des elektrischen Isolationsmittels 65 gegenüber dem Gehäuse 12 elektrisch isoliert.
  • In der in der 2 gezeigten zweiten Ausführungsform des elektrochemischen Energiespeichers 10 gemäß der Erfindung ist der Zwischenspannungsanschluss 60 bzw. die an diesem angeschlossene elektrische Zuleitung in elektrisch leitfähigem Kontakt mit dem Gehäuse 12, d.h., das Gehäuse 12 ist auf das Zwischenpotenzial, das auch an dem Zwischenspannungsanschluss 60 anliegt, gelegt. Hierbei kann das Gehäuse 12 elektrisch leitend bzw. aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein, wodurhc das Gehäuse 12 auf einem definierten elektrischen Potential (dem Zwischenpotential) liegt. Die in 2 gezeigte Ausgestaltung des Zwischenspannungsanschlusses 60 kann selbstverständlich auch in der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform zur Anwendung kommen, anstelle der dort gezeigten Ausführung mit der elektrischen Isolation des Zwischenanschlusses 60 gegenüber dem Gehäuse 12.
  • Zur Erhöhung der Betriebssicherheit und insbesondere als Überstromschutz zum Schutz der Elektroden 26 und 28 der ersten elektrochemischen Einheit 22 und der Elektroden 46 und 48 der zweiten elektrochemischen Einheit 42 vor einem schädlichen übergroßen Lade- bzw. Entladestrom, und ebenso zum Überstromschutz von externen angeschlossenen elektrischen Geräten, umfasst der elektrochemische Energiespeicher 10 mindestens ein passives elektrisches Sicherheitselement oder auch mehrere derartige Sicherheitselemente 70, 70', 70'', 70'''. Diese können in der internen elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen dem ersten Stromanschluss 24 und der ersten Kathode 28 und/oder zwischen der ersten Anode 26 und der zweiten Kathode 48 und/oder zwischen der zweiten Anode 46 und dem zweiten Stromanschluss 44 vorgesehen sein, wie in den 1 bis 3 gezeigt.
  • Ein jeweiliges passives elektrisches Sicherheitselement 70, 70', 70'', 70''' ist dazu ausgelegt, einen hindurchgehenden elektrischen Strom zu begrenzen oder zu unterbrechen, wenn der Strom einen vordefinierten Schwellwert überschreitet. Ein jeweiliges der in den 1 und 2 gezeigten passiven elektrischen Sicherheitselemente 70, 70', 70'', 70''' kann ein Element sein, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Folgendes umfasst: eine insbesondere passive Sicherung 72, ein PTC-Element 74, d.h. ein Element mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (Englisch: PTC = Positive Temperature Coefficient), und ein CID-Element 76, d.h. ein ladungsunterbrechendes Element (Englisch: CID = Charge Interrupting Device).
  • In jedem der drei Teilstücke der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen dem ersten Stromanschluss 24 und dem zweiten Stromanschluss 44, d.h. in dem Teilstück zwischen dem ersten Stromanschluss 24 und der ersten Kathode 28, in dem zweiten Teilstück zwischen der ersten Anode 26 und der zweiten Kathode 48 und/oder in dem dritten Teilstück zwischen der zweiten Anode 46 und dem zweiten Stromanschluss 44 können ein oder mehrere passive elektrische Sicherheitselemente vorgesehen sein, beispielsweise eine Sicherung 72 und ein PTC-Element 74 oder ein CID-Element 76, wie in 3 gezeigt, oder auch eine Sicherung 72, ein PTC-Element 74 und ein CID-Element 76, die in Serie geschaltet sind (in den Figuren nicht gezeigt).
  • Für die in 3 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichers sind drei Varianten für die Anordnung der Trennwand 80 bzw. 80’ bzw. 80’’ angedeutet. In 3 ist die Trennwand 80 mit durchgezogenen Linien und die Trennwände 80’ und 80’’ gepunktet dargestellt. Die Anordnungen der Trennwände 80, 80’ bzw. 80’’ unterscheiden sich durch ihre Lage in Bezug auf die in der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen der ersten Anode 26 im ersten eingehausten Bereich 20 und der zweiten Kathode 48 im zweiten eingehausten Bereich 40 vorgesehenen, passiven Sicherheitselemente (die Sicherung 72’’ bzw. das PTC-Element 74’’ und das CID-Element 76’’). In der ersten Variante ist die Trennwand 80 so angeordnet, dass die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der ersten Anode 26 und der Sicherung 72’’ durch die Trennwand 80 hindurch verläuft, so dass die Sicherung 72’’, das PTC-Element 74’’ und das CID-Element 76’ im zweiten eingehausten Bereich 40 angeordnet sind. In der zweiten Variante ist die Trennwand 80’ so angeordnet, dass die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Sicherung 72’’ bzw. dem PTC-Element 74’’ und dem CID-Element 76’’ durch die Trennwand 80’ hindurch verläuft, so dass die Sicherung 72’’ bzw. das PTC-Element 74’’ im ersten eingehausten Bereich 20 und das CID-Element 76’ im zweiten eingehausten Bereich 40 angeordnet sind. In der dritten Variante ist die Trennwand 80’’ so angeordnet, dass die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem CID-Element 76’’ und der zweiten Kathode 48 durch die Trennwand 80’’ hindurch verläuft, so dass die Sicherung 72’’ bzw. das PTC-Element 74’’ und das CID-Element 76’ im ersten eingehausten Bereich 20 angeordnet sind.
  • Das Gehäuse 12 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein oder mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet sein. Eine derartige, elektrisch leitfähige Ausgestaltung des Gehäuses 12 ist insbesondere in der in der 2 gezeigten zweiten Ausführungsform des elektrochemischen Energiespeichers 10 vorgesehen, in der der Zwischenspannungsanschluss 60 mit dem Gehäuse 12 in elektrisch leitfähigem Kontakt ist, sodass das Gehäuse 12 auf ein definiertes elektrisches Potentzial, nämlich das Zwischenpotenzial, gelegt ist.
  • Alternativ dazu kann das Gehäuse 12 auch aus einem elektrisch nicht leitfähigem, d.h. einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, ausgebildet sein.
  • Eine derartige, elektrisch isolierende Ausgestaltung des Gehäuses 12 ist insbesondere in der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform des elektrochemischen Energiespeichers 10 vorgesehen, in der der Zwischenspannungsanschluss 60 (vermittels des elektrischen Isolationsmittels 65) gegenüber dem Gehäuse 12 elektrisch isoliert ist, ebenso wie der erste Stromanschluss 24 und der zweite Stromanschluss 44, insbesondere vermittels der entsprechenden elektrischen Isolationsmittel 25 und 45, wie in 1 gezeigt.
  • Der erste und zweite eingehauste Bereich 20 und 40 bzw. die erste und zweite elektrochemische Einheit 22 und 42 können als prismatische Zellen, wie in den 4 bis 6 gezeigt, oder als zylindrische Zellen, wie in den 7 und 8 gezeigt, ausgebildet sein.
  • Bei den in den 4 bis 6 gezeigten Ausführungsformen mit prismatischen Zellen bzw. eingehausten Bereichen 20 und 40 umfasst eine jeweilige Zelle ein erstes Wandpaar 32, 52 voneinander gegenüberliegender Wände 31, 31' bzw. 51, 51', ein zweites Wandpaar 34, 54 voneinander gegenüberliegende Wände 33, 33' bzw. 53, 53' und ein drittes Wandpaar 36, 56 voneinander gegenüberliegender Wände 35, 35', 55, 55'. Für eine allgemeine prismatische Zelle gilt, dass die Flächen der Wände 31, 31', 51, 51' des ersten Wandpaares 32, 52 größer als die Flächen der Wände 33, 33', 53, 53' des zweiten Wandpaares 34, 54 sind und dass die Flächen der Wände 33, 33', 53, 53' des zweiten Wandpaares 34, 54 größer als die Flächen der Wände 35, 35', 55, 55' des dritten Wandpaares 36, 56 sind, wie in den 4 bis 6 gezeigt. Alternativ und nicht in den Figuren gezeigt, könnten die Flächen der Wände des ersten Wandpaares auch im Wesentlichen gleich groß sein wie die Flächen der Wände des zweiten Wandpaares oder es könnten die Flächen der Wände des zweiten Wandpaares gleich groß sein wie die Flächen der Wände des dritten Wandpaares.
  • Bei den in den 4 bis 6 gezeigten Ausführungsformen mit prismatischen Zellen weisen die beiden Zellen, d.h. der erste und zweite eingehauste Bereich 20 und 40 im Wesentlichen die gleichen Abmessungen auf.
  • Bei der in der 4 gezeigten Ausführungsform sind der erste eingehauste Bereich 20 und der zweite eingehauste Bereich 40 so nebeneinander angeordnet, dass zwei Wände des dritten Wandpaares 36, 56, also die Wände der Wandpaare 32, 52 mit den kleinsten Flächen, einander benachbart sind. Dabei können die benachbarten Wände 35, 55 des dritten Wandpaares 36, 56 entweder miteinander in direktem Kontakt sein oder gar integral miteinander ausgebildet sein und auf diese Weise die Trennwand 80 des Energiespeichers 10 ausbilden, wie in 4 angedeutet, oder sie können alternativ jeweils mit einer dazwischen angeordneten Trennwand in Kontakt sein (so nicht gezeigt).
  • Bei der in der 5 gezeigten Ausführungsform des Energiespeichers 10 sind Wände 31 und 51 des ersten Wandpaares 32 der ersten Zelle und Wände 51 des ersten Wandpaares 52 der zweiten Zelle, also die Wände der Wandpaare 32, 52 mit den größten Flächen, benachbart zueinander angeordnet. Dabei kann die Wand 31 des ersten Wandpaares 32 mit der Wand 51 des ersten Wandpaares 52 entweder in direktem Kontakt miteinander oder integral miteinander ausgebildet sein und auf diese Weise die Trennwand des Energiespeichers 10 ausbilden, wie in 5 angedeutet, oder sie können alternativ jeweils mit einer dazwischen angeordneten Trennwand des elektrochemischen Energiespeichers in Kontakt sein (so nicht gezeigt).
  • Bei der in der 6 gezeigten Ausführungsform des Energiespeichers 10 sind Wände 33 des zweiten Wandpaares 34 der ersten Zelle und Wände 53 des zweiten Wandpaares 54 der zweiten Zelle zueinander benachbart angeordnet. Dabei können die benachbart zueinander angeordneten Wände 33, 53 der zweiten Wandpaare 34, 54 entweder in direktem Kontakt miteinander oder integral miteinander ausgebildet sein und auf diese Weise die Trennwand des Energiespeichers ausbilden, oder sie können alternativ jeweils mit einer dazwischen angeordneten Trennwand des elektrochemischen Energiespeichers in Kontakt sein (so nicht gezeigt).
  • Bei den in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Energiespeichers 10 mit zylindrischen Zellen weist eine jeweilige zylindrische Zelle bzw. zylindrische elektrochemische Einheit 37 bzw. 57 eine Zylinderwand 38 bzw. 58 und zwei in Längsrichtung der Zellen einander gegenüberliegend angeordnete kreisförmige Endflächen 39, 39' bzw. 59, 59' auf. Bei diesen Ausführungsformen weisen die beiden zylindrischen Zellen im Wesentlichen die gleichen Abmessungen auf
  • Bei der in der 7 gezeigten Ausführungsform sind eine kreisförmige Endfläche 39 der ersten zylindrischen elektrochemischen Einheit 37 und eine zweite kreisförmige Endfläche 59 der zweiten zylindrischen elektrochemischen Einheit 57 benachbart zueinander angeordnet. Dabei können sie entweder in direktem Kontakt miteinander oder integral miteinander ausgebildet sein und auf diese Weise die Trennwand 80 des Energiespeichers 10 ausbilden, wie in der 7 angedeutet. Alternativ dazu können die benachbart angeordneten Endflächen jeweils mit einer dazwischen angeordneten Trennwand in Kontakt sein (so nicht gezeigt).
  • Bei der in der 8 gezeigten Ausführungsform sind die erste und zweite Zelle bzw. zylindrische elektrochemische Einheit 37 und 57 mit im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Längsachsen angeordnet, und zwar so, dass die Zylinderwand 38 der ersten Einheit 37 die Zylinderwand 58 der zweiten Einheit 57 berührt. Dabei können die Zylinderwände 38 und 58 im Bereich der Berührungsfläche in Kontakt miteinander sein oder teilweise ineinandergreifen bzw. partiell integral miteinander ausgebildet sein. Alternativ dazu können die Zylinderwände 38 und 58 jeweils mit einer dazwischengelegten Trennwand in Kontakt sein (so nicht gezeigt).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009046505 A1 [0003]

Claims (16)

  1. Elektrochemischer Energiespeicher (10), beispielsweise eine Batterie oder eine wiederaufladbare Batterie, mit: einer ersten elektrochemischen Einheit (22) mit einer ersten Anode (26), einer ersten Kathode (28) und einem ersten Stromanschluss (24), der mit der ersten Kathode (28) elektrisch leitend verbunden ist, einer zweiten elektrochemischen Einheit (42) mit einer zweiten Anode (46), einer zweiten Kathode (48) und einem zweiten Stromanschluss (44), der mit der zweiten Anode (46) elektrisch leitend verbunden ist, und einem Gehäuse (12) mit einem ersten eingehausten Bereich (20), in dem die erste elektrochemische Einheit (22) angeordnet ist, einem zweiten eingehausten Bereich (40), in dem die zweite elektrochemische Einheit (42) angeordnet ist, und einer Trennwand (80), die den ersten eingehausten Bereich (20) von dem zweiten eingehausten Bereich (40) trennt, wobei die Anode (26) der ersten elektrochemischen Einheit (22) mit der Kathode (48) der zweiten elektrochemischen Einheit (42) elektrisch leitfähig verbunden ist.
  2. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (26) der ersten elektrochemischen Einheit (22) oder die Kathode (48) der zweiten elektrochemischen Einheit (42) mit dem Gehäuse (12) elektrisch leitfähig verbunden ist.
  3. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (10) einen Zwischenspannungsanschluss (60) zur Spannungsüberprüfung des Potenzials der Anode (26) der ersten elektrochemischen Einheit (22) bzw. der Kathode (48) der zweiten elektrochemischen Einheit (42) umfasst.
  4. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspannungsanschluss (60) elektrisch isoliert in Bezug auf das Gehäuse (12) bzw. den ersten und/oder zweiten Gehäusebereich (20, 40) ist.
  5. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspannungsanschluss (60) elektrisch leitfähig verbunden mit dam Gehäuse (12) bzw. dem ersten und/oder zweiten Gehäusebereich (20, 40) ist.
  6. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (80) so ausgebildet ist, dass ein Ionentransport, ein Flüssigkeitstransport und/oder ein Druckausgleich zwischen der ersten elektrochemischen Einheit (22) bzw. dem ersten eingehausten Bereich (20) und der zweiten elektrochemischen Einheit (42) bzw. dem zweiten eingehausten Bereich (40) unterbunden ist.
  7. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrochemische Einheit (22) bezüglich ihres Typs und ihrer elektrischen Eigenschaften im Wesentlichen baugleich wie die zweite elektrochemische Einheit (42) ist.
  8. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrochemische Einheit (22) sich bezüglich ihres Typs und ihrer elektrischen Eigenschaften im Wesentlichen von der zweiten elektrochemischen Einheit (42) unterscheidet.
  9. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (i) zwischen der Anode (26) der ersten elektrochemischen Einheit (22) und der Kathode (48) der zweiten elektrochemischen Einheit (42), und/oder (ii) zwischen der Kathode (28) der ersten elektrochemischen Einheit (22) und dem ersten Stromanschluss (24) der ersten elektrochemischen Einheit (22), und/oder (iii) zwischen der Anode (46) der zweiten elektrochemischen Einheit (42) und dem zweiten Stromanschluss (44) der zweiten elektrochemischen Einheit (42) ein passives elektrisches Sicherheitselement (70, 70’, 70’’, 70’’’) geschaltet ist.
  10. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das passive elektrische Sicherheitselement (70, 70’, 70’’, 70’’’) ausgewählt ist aus einer Gruppe, die eine Sicherung (72), ein Element mit einem positiven Temperaturkoeffizient (74) und ein ladungsunterbrechendes Element (76) umfasst.
  11. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrochemische Einheit (22) bzw. der erste eingehauste Bereich (20) und die zweite elektrochemische Einheit (42) bzw. der zweite eingehauste Bereich (40) vom Typ einer prismatischen elektrochemischen Einheit (30, 50) bzw. eines prismatischen eingehausten Bereichs sind.
  12. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrochemische Einheit (22) bzw. der erste eingehauste Bereich (20) und die zweite elektrochemische Einheit (42) bzw. der zweite eingehauste Bereich (40) vom Typ einer zylindrischen elektrochemischen Einheit (37, 57) bzw. eines zylindrischen eingehausten Bereichs sind.
  13. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste prismatische elektrochemische Einheit (30) und die zweite prismatische elektrochemische Einheit (50) bezüglich ihrer geometrischen Abmessungen im Wesentlichen identisch sind und jeweils ein erstes Wandpaar (32; 52), ein zweites Wandpaar (34; 54) und ein drittes Wandpaar (36; 56) von gegenüberliegend angeordneten Wänden (31, 31’, 33, 33’, 35, 35’; 51, 51’, 53, 53’, 55, 55’) umfassen, wobei: – die Flächen der Wände (31, 31’; 51, 51’) des ersten Wandpaares (32; 52) größer als oder gleich wie die Flächen der Wände (33, 33’; 53, 53’) des zweiten Wandpaares (34; 54), und – die Flächen der Wände (33, 33’; 53, 53’) des zweiten Wandpaares (34; 54) größer als oder gleich wie die Flächen der Wände (35, 35’; 55, 55’) des dritten Wandpaares (36; 56), und wobei eine Wand (31’ oder 33’ oder 35’) von einem aus dem ersten, zweiten und dritten Wandpaar (32 und 34 und 36) ausgewählten Wandpaar der ersten elektrochemischen Einheit (22) und eine entsprechende Wand (51, 53, 55) von einem aus dem entsprechenden ersten, zweiten oder dritten Wandpaar (52 und 54 und 56) ausgewählten Wandpaar der zweiten elektrochemischen Einheit (42) – entweder in Kontakt miteinander sind – oder jeweils mit der Trennwand (80, 80’, 80’’) in Kontakt sind.
  14. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zylindrische elektrochemische Einheit (37) eine erste und eine zweite kreisförmige Endfläche (39, 39’) umfasst, und dass die zweite zylindrische elektrochemische Einheit (57) eine erste und eine zweite kreisförmige Endfläche (59, 59’) umfasst, wobei die zweite kreisförmige Endfläche (39’) der ersten zylindrischen elektrochemischen Einheit (37) und die erste kreisförmige Endfläche (59) der zweiten zylindrischen elektrochemischen Einheit (57) einen im Wesentlichen gleichen Durchmesser aufweisen und – entweder in Kontakt miteinander sind – oder jeweils mit der Trennwand (80) in Kontakt sind.
  15. Elektrochemischer Energiespeicher (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zylindrische elektrochemische Einheit (37) eine Zylinderwand (38) und die zweite zylindrische elektrochemische Einheit (57) eine Zylinderwand (58) umfassen, dass die erste und die zweite Zylinderwand (38, 58) im Wesentlichen gleiche Längen aufweisen und – entweder in Kontakt miteinander sind – oder jeweils mit der Trennwand (80) in Kontakt sind.
  16. Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als wiederaufladbare Fahrbatterie in einem Kraftfahrzeug oder in einem stationären Speicher.
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