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Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher mit einer Vielzahl von Energiespeicherzellen und mit einem Gehäuse zum Aufnehmen und zum Temperieren der Energiespeicherzellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers.
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Ein Energiespeicher zum Versorgen eines Antriebs und/oder eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie umfasst gewöhnlich eine Vielzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteten Energiespeicherzellen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen.
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Um Sicherheit und Funktion dieser Zellen über einen möglichst langen Zeitraum optimal zu gewährleisten, ist es erforderlich, die Zellen innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches zu betreiben. Um während des Betriebes insbesondere ein Aufheizen der Energiespeicherzellen über eine kritische Maximaltemperatur hinaus zu unterbinden, muss in den Zellen produzierte Wärme daher möglichst effektiv abgeführt werden. Zudem sollte eine Temperaturverteilung innerhalb des Energiespeichers idealerweise möglichst homogen sein. Beispielsweise sollte eine maximale Temperaturdifferenz innerhalb des Energiespeichers eine Maximaldifferenz von z. B. 5 Kelvin nicht überschreiten.
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Dazu ist es bekannt, die Energiespeicherzellen in einem Gehäuse anzuordnen, das die Zellen vor mechanischer Beschädigung schützt und zugleich zur Kühlung der Zellen dient. Die Herstellung derartiger Energiespeicher ist bisher jedoch häufig arbeitsaufwendig und kostenintensiv.
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Aus der
DE 10 2011 009 753 A1 ist ein modulares System für einen im Wesentlichen quaderförmigen Akkumulator bekannt, welches zumindest eine spannungserzeugende Zelle und zumindest zwei lose Gehäuseelemente umfasst.
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Die
DE 10 2012 100 977 B3 beschreibt ein Energiespeichergefäß für ein Kraftfahrzeug, welches eine Bodenplatte, einen aus mehreren Seitenwänden gebildeten Rahmen und eine Abdeckung umfasst, wobei die Bodenplatte und der Rahmen zusammen einen Nutzraum bilden zur Aufnahme wenigstens eines Energiespeichers. Dabei ist vorgesehen, dass die Bodenplatte aus mehreren länglichen Profilelementen gebildet ist, welche in Längsrichtung einen konstanten Querschnitt aufweisen, wobei die Profilelemente formschlüssig miteinander verbunden sind.
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Die
DE 23 24 491 A beschreibt eine Festkörperbatterie mit einem zylinderförmigen Gehäuse.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Energiespeicher mit einer Vielzahl von Energiespeicherzellen und mit einem Gehäuse zum Aufnehmen und zum Temperieren der Energiespeicherzellen zu schaffen, der möglichst einfach und kostengünstig herstellbar ist. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines solchen Energiespeichers angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Energiespeicher und durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Spezielle Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Vorgeschlagen wird also ein Energiespeicher mit einer Vielzahl von Energiespeicherzellen und mit einem Gehäuse zum Aufnehmen und zum Temperieren der Energiespeicherzellen, wobei das Gehäuse wenigstens eine Bodenplatte, zwei Stirnwände und wenigstens zwei Seitenwände aufweist und die Bodenplatte, die Stirnwände und die Seitenwände wenigstens ein Gehäusesegment bilden, in dem die Energiespeicherzellen angeordnet sind, wobei die Seitenwände jeweils mit wenigstens einer Bodenplatte durch eine Kaltpressschweißverbindung verbunden sind. Das Gehäusesegment ist vorzugsweise im Querschnitt viereckig und insbesondere rechteckig. Dieses Formmerkmal und folglich auch das Gehäusesegment kann auch als kastenartig bezeichnet werden.
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Vorgeschlagen wird außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers mit einer Vielzahl von Energiespeicherzellen und mit einem Gehäuse zum Aufnehmen und zum Temperieren der Energiespeicherzellen, wobei zum Herstellen des Gehäuses wenigstens eine Bodenplatte, zwei Stirnwände und wenigstens zwei Seitenwände derart miteinander verbunden werden, dass die Bodenplatte, die Stirnwände und die Seitenwände wenigstens ein kastenartiges Gehäusesegment bilden, in das die Energiespeicherzellen eingesetzt werden, wobei die Seitenwände jeweils mit wenigstens einer Bodenplatte durch Kaltpressschweißen verbunden werden.
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Bei der Kaltpressschweißverbindung handelt es sich dabei um eine Verbindung, bei der die Seitenwände und die Bodenplatte unter einem Druck, der höher ist als ein Mindestdruck, ohne Wärmezufuhr und ohne Schweißzusatzwerkstoffe stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Im Vergleich zu konventionellen Schweißverbindungen sind Kaltpressschweißverbindungen also besonders einfach, schnell und kostengünstig herstellbar. Ferner erreichen Kaltpressschweißverbindung eine ähnliche Festigkeit und Stabilität wie herkömmliche Schweißverbindungen, weisen jedoch nicht deren Nachteile wie Verzug oder Festigkeitsverlust in der Wärmeeinflusszone auf. Der vorgeschlagene Energiespeicher weist damit ein Gehäuse auf, das besonders stabil ist und sich zudem auf besonders einfache und kostengünstige Weise herstellen lässt. Vorzugsweise sind auch die Verbindungen zwischen den Seitenwänden und den Stirnwänden und/oder die Verbindungen zwischen der mindestens einen Bodenplatte und den Stirnwänden jeweils als Kaltpressschweißverbindungen ausgebildet.
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Insbesondere kann es sich bei dem Energiespeicher um einen Energiespeicher zum Versorgen eines Antriebes und/oder eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie handeln. Die Energiespeicherzellen können chemische oder elektrochemische Energiespeicherzellen wie z. B. Lithium-Ionen-Zellen sein. Sie können im Wesentlichen eine Quaderform bzw. eine Plattenform haben und z. B. als flexible Pouchzellen ausgebildet sein.
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Bevorzugt sind die Seitenwände und/oder die Bodenplatte und/oder die Stirnwände aus einem Metall gebildet, vorzugsweise aus Aluminium oder aus einer Aluminiumknetlegierung. Aluminium ist leicht, stabil, hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eignet sich in besonderer Weise zur Herstellung von Kaltpressschweißverbindungen. Um die beim Kaltpressschweißen erforderlichen hohen Drücke zu erzielen, können an den zu verschweißenden Oberflächen längliche Rippen ausgebildet sein, die vorzugsweise ein dreieckiges, viereckiges oder trapezoides Profil haben und vor dem Zusammenpressen z. B. um bis zu 1 mm, bis zu 0.5 mm oder bis zu 0.2 mm von den Oberflächen abstehen. Durch die plastische Deformation der Rippen beim Kaltpressschweißen wird der Druck zwischen den zu verschweißenden Fügeteilen erhöht. Die Kaltpressschweißverbindung ist besonders stabil, wenn eine Oxidschicht auf den zu verschweißenden Oberflächen möglichst vollständig verdrängt wird. Dies kann durch Reibung zwischen den zu verschweißenden Fügeteilen erreicht werden.
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Der Energiespeicher bzw. das Gehäuse ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar, wenn die mindestens eine Bodenplatte und/oder die Stirnwände und/oder die Seitenwände als Strangpressprofile ausgebildet sind, also in einem Strangpressverfahren hergestellt werden. Beim Strangpressen wird ein auf eine Umformtemperatur gebrachter Pressling mittels eines Stempels durch eine Form gepresst. Auf diese Weise können Profile beliebiger Länge erzeugt werden.
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Üblicherweise haben die Bodenplatte und/oder die Seitenwände und/oder die Stirnwände jeweils einen viereckigen oder rechteckigen Querschnitt, wobei dies hier allgemein als Quaderform bezeichnet wird. Die Bodenplatte, Seitenwände und/oder Stirnwände haben vorzugsweise im Wesentlichen eine Quaderform und sind vorzugsweise jeweils als Platte bzw. plattenartig ausgebildet. Typischerweise hat die Bodenplatte also an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite jeweils eine große Oberfläche sowie zwei Seitenflächen und zwei Stirnflächen, wobei die Seitenflächen und die Stirnflächen jeweils kleiner sind als die Oberflächen an der Oberseite und der Unterseite. Gewöhnlich sind die Bodenplatte, die Seitenwände und die Stirnwände relativ zueinander jeweils senkrecht angeordnet. Die Seitenwände und die Stirnwände schließen dann mit der Bodenplatte jeweils einen rechten Winkel ein. Ebenso schließen dann die Seitenwände mit den Stirnwänden jeweils einen rechten Winkel ein. Typischerweise sind die Seitenwände parallel zueinander angeordnet. Auch die Stirnwände sind gewöhnlich parallel zueinander ausgerichtet. Auf diese Weise schließen eine Bodenplatte, zwei Seitenwände und die Stirnwände dann jeweils einen quaderförmigen Hohlraum ein, der an einer von der Bodenplatte abgewandten Oberseite des jeweiligen Gehäusesegments offen sein kann und in dem die Energiespeicherzellen oder wenigstens ein Teil der Energiespeicherzellen des Energiespeichers auf der Oberseite der Bodenplatte angeordnet sind.
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Das Gehäuse kann genau ein Gehäusesegment oder eine Vielzahl von Gehäusesegmenten umfassen, die dann bevorzugt periodisch in einer Reihe angeordnet und jeweils über Kaltpressschweißverbindungen miteinander verbunden sind. Die Bodenplatten der einzelnen Gehäusesegmente sind dann vorzugsweise in derselben Ebene angeordnet und die zwei Stirnwände bilden die Stirnseiten der Gehäusesegmente. Typischerweise sind sämtliche Bodenplatten des Gehäuses jeweils baugleich. Dasselbe kann für die Seitenwände des Gehäuses gelten. Die Herstellung des Gehäuses ist dadurch besonders einfach und kostengünstig, da nur eine geringe Anzahl unterschiedlicher Gehäuseteile benötigt wird.
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Bei einer speziellen Ausführungsform können die (kleinen) Seitenflächen der Bodenplatte durch die Kaltpressschweißverbindungen jeweils mit den Seitenwänden verbunden sein, insbesondere also jeweils mit einer der großen Oberflächen der vorzugsweise plattenartigen Seitenwände. Umfasst das Gehäuse eine Vielzahl von Gehäusesegmenten so sind dann - mit Ausnahme zweier abschließender Seitenwände an den Enden des Gehäuses - die Seitenwände jeweils mit zwei Bodenplatten verbunden. In diesem Fall ist jede Seitenwand im Inneren des Gehäuses zwischen zwei Bodenplatten angeordnet und mit diesen verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Bodenplatten und die Seitenwände zum Ausbilden der Kaltpressschweißverbindungen zwischen den Bodenplatten und den Seitenwänden relativ zum Gehäuse jeweils in derselben Richtung zusammengepresst werden, wodurch die Herstellung des Gehäuses erheblich vereinfacht wird.
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Eine weitere spezielle Ausführungsform sieht vor, dass die Seitenwände und die Bodenplatte jeweils über komplementäre Ausstülpungen und Ausnehmungen der Seitenwände und der Bodenplatte wenigstens teilweise formschlüssig verbunden sind oder ineinander greifen, wobei die Kaltpressschweißverbindungen entlang der komplementären Ausstülpungen und Ausnehmungen ausgebildet sind. Die komplementären Ausstülpungen und Ausnehmungen können jeweils in Form einer Nut-Feder-Verbindung gegeben sein. Z. B. können die Bodenplatten an ihren (kleinen) Seitenflächen jeweils längliche Ausstülpungen bzw. Federn aufweisen, die in komplementär geformte längliche Ausnehmungen bzw. Nuten an oder in den (großen) Oberflächen der Seitenwände eingesteckt sind oder einsteckbar sind. Ebenso ist es denkbar, dass andersherum die Bodenplatten an ihren (kleinen) Seitenflächen Ausnehmungen oder Nuten aufweisen und die dazu komplementären Ausstülpungen oder Federn an den (großen) Oberflächen der Seitenwände angeordnet sind. Zum Verbinden der Bodenplatten und/oder der Seitenwände mit den Stirnwänden können auch diese an den einander zugewandten und zu verbindenden bzw. verbundenen Oberflächen jeweils entsprechende komplementäre Ausnehmungen und Ausstülpungen aufweisen, die ineinander gesteckt oder ineinander steckbar sind. Vorzugsweise verlaufen dann auch die Kaltpressschweißverbindungen zwischen der Bodenplatte und den Stirnwänden und/oder zwischen den Seitenwänden und den Stirnwänden jeweils entlang dieser ineinandergreifenden Ausnehmungen und Ausstülpungen. Die Ausnehmungen und/oder die Ausstülpungen erstrecken sich vorzugsweise in der gleichen Richtung wie die Bodenplatte. Die Ausnehmungen bzw. Ausstülpungen erstrecken sich in der Richtung, in welcher die Bodenplatten und die Seitenwände bzw. Stirnwände aneinander gereiht sind.
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Zur effektiven Temperierung bzw. Kühlung der Energiespeicherzellen durch das Gehäuse kann es vorgesehen sein, dass die Bodenplatte, die Seitenwände und wenigstens eine der Stirnwände miteinander in Fluidverbindung stehende Kanäle zum Zirkulieren einer Temperierfüssigkeit aufweisen. Bei der Temperierflüssigkeit handelt es sich üblicherweise um eine Kühlflüssigkeit. In diesem Fall kann z. B. wenigstens eine der Stirnwände einen Vorlaufverteilerkanal und einen Rücklaufverteilerkanal aufweisen, der mit den Kanälen in der mindestens einen Bodenplatte und in den Seitenwänden verbunden ist und diese mit der Temperierflüssigkeit versorgt. Vorlauf- und Rücklaufverteilerkanal sind dann ihrerseits typischerweise an eine Pumpe zum Zirkulieren der Temperierflüssigkeit angeschlossen.
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Um die Temperierung bzw. Kühlung der Energiespeicherzellen weiter zu verbessern, kann es vorgesehen sein, dass zwischen zwei unmittelbar benachbarten Energiespeicherzellen, die in demselben Segment angeordnet sind, jeweils ein Wärmeleitelement zum Aufnehmen von Wärme aus diesen Energiespeicherzellen und zum Ableiten von Wärme an die Bodenplatte und/oder an die Seitenwände angeordnet ist, wobei das Wärmeleitelement zur Verbesserung der Wärmeleitung an einem der Bodenplatte zugewandten Ende oder an einer der Bodenplatte zugewandten Kante des Wärmeleitelements und/oder an den Seitenwänden zugewandten Enden oder Kanten des Wärmeleitelements einen vergrößerten Querschnitt aufweist. Z. B. kann der Querschnitt des Wärmeleitelements am Ende oder an der Kante gegenüber einem Querschnitt entlang einer Kontaktfläche zwischen Wärmeleitelement und angrenzender Energiespeicherzelle wenigstens um einen Faktor 20, wenigstens um einen Faktor 10 oder wenigstens um einen Faktor 5 vergrößert sein. Der Querschnitt ist dabei jeweils senkrecht zur Plattenebene des Wärmeleitelements zu bestimmen.
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Vorzugsweise ist auch das Wärmeleitelement ein Strangpressprofil und z. B. aus Aluminium gebildet. Durch die verbreiterten Enden oder Kanten der Wärmeleitelemente ist eine der Bodenplatte und/oder den Seitenwänden zugewandte wärmeleitende Oberfläche der Wärmeleitelemente, über die die Wärmeleitelemente die von den Zellen aufgenommene Wärme an die Bodenplatte und/oder an die Seitenwände ableiten können, vergrößert. Die Vergrößerung des Querschnitts der Wärmeleitelemente zu den genannten Enden oder Kanten hin kann sprunghaft, z. B. treppenartig, oder kontinuierlich gestaltet sein. Mit dieser Bauart nehmen die Wärmeleitelemente dort, wo sie mit den Zellen in Kontakt sind, möglichst wenig Raum ein. Gleichzeitig wird an den Enden oder Kanten eine besonders effektive Abführung der Wärme an das Gehäuse gewährleistet.
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Bei einer weiteren speziellen Ausführungsform kann die Herstellung des Energiespeichers dadurch vereinfacht werden, dass die Wärmeleitelemente im jeweiligen Segment gestapelt sind, wobei unmittelbar benachbarte Wärmeleitelemente entlang ihrer verbreiterten Enden oder Kanten wenigstens teilweise in Kontakt sind und an ihren verbreiterten Enden oder Kanten zur Verbesserung der Stabilität des Stapels vorzugsweise komplementäre Formen aufweisen, entlang derer sie miteinander verzahnt sind. Dadurch kann eine Vielzahl von Wärmeleitelementen und Energiespeicherzellen vor dem Einsetzen in das jeweilige Gehäusesegment z. B. zu einem kompakten Modul gestapelt und zusammengefasst werden, was das Einsetzen in das Gehäusesegment erheblich vereinfacht. Auch die Stabilität des Moduls im jeweiligen Gehäusesegment wird dadurch vorteilhaft erhöht. Die Bodenplatten und die Seitenwände bzw. Stirnwände werden aneinandergereiht, wobei die Ausstülpungen und Ausnehmungen zueinander ausgerichtet werden, insbesondere in der gleichen Ebene. Nachdem Aneinanderreihen werden diese zusammen gepresst, insbesondere in der gemeinsamen Erstreckungsrichtung (d.h. Ausstülpungsrichtung oder Tiefenerstreckung der Ausnehmungen) der Ausstülpungen und Ausnehmungen.
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Zur weiteren Erhöhung der Stabilität eines solchen Moduls aus Energiespeicherzellen und Wärmeleitelementen im jeweiligen Gehäusesegment können den Energiespeicherzellen zugewandte Innenseiten der Seitenwände und die den Seitenwänden zugewandten verbreiterten Enden oder Kanten der Wärmeleitelemente zueinander komplementäre Formen aufweisen. Diese können derart ausgebildet sein, dass die Wärmeleitelemente entlang einer durch eine Flächennormale der Bodenplatte definierten vertikalen Richtung formschlüssig im jeweiligen Segment eingeschlossen sind. Z. B. können die Seitenwände an einem von der Bodenplatte abgewandten oberen Ende der Seitenwände jeweils einen zur Innenseite hin überstehenden Überstand oder Kragen aufweisen, der die Wärmeleitelemente bzw. das Modul im jeweiligen Gehäusesegment hält. Ein solcher Überstand oder Kragen kann auch als Führung beim Einsetzen des Moduls in das jeweilige Gehäusesegment dienen. Vorzugsweise sind die Module auch entlang senkrecht auf der vertikalen Richtung stehenden lateralen Richtungen durch die Seitenwände und die Stirnwände jeweils formschlüssig im jeweiligen Gehäusesegment eingeschlossen.
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Zum Volumenausgleich der Energiespeicherzellen im jeweiligen Segment können zwischen den Energiespeicherzellen und den Wärmeleitelementen wärmeleitende elastische Volumenausgleichselemente angeordnet sein, die nachgeben, wenn sich die Energiespeicherzellen bei Erwärmung ausdehnen. Die Volumenausgleichselemente können beispielsweise durch wärmeleitfähigen Schaum, durch Wärmeleitfolie oder durch wärmeleitfähigen Gap-Filler mit Selbstklebestreifen gegeben sein. Der Gap-Filler umfasst z. B. eine wärmeleitende Keramik wie Bornitrid, Aluminiumoxid oder eine Mischung gefüllter hochvernetzter Elastomere wie Silikone.
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Ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Energiespeichers und des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen des Energiespeichers ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses eines Energiespeichers mit Bodenplatten, einer von zwei Stirnwänden und mit parallel zueinander ausgerichteten Seitenwänden, wobei eine Bodenplatte, zwei Seitenwände und die Stirnwände jeweils ein Gehäusesegment zum Aufnehmen von hier nicht dargestellten Energiespeicherzellen bilden,
- 2 schematisch eine Kaltpressschweißverbindung zwischen einer der Seitenwände aus 1 und jeweils zwei angrenzenden Bodenplatten,
- 3 schematisch eine perspektivische Ansicht von stapelbaren Vormontageeinheiten, die jeweils eine Energiespeicherzelle und ein Wärmeleitelement zum Ableiten von Wärme aus angrenzenden Energiespeicherzellen umfassen,
- 4 eine der Vormontageeinheiten aus 3 in einer Schnittdarstellung,
- 5 eine perspektivische Ansicht der in 3 und 4 gezeigten Wärmeleitelemente,
- 6 einen Stapel aus Wärmeleitelementen und zwischen diesen angeordneten Energiespeicherzellen, wobei der Stapel formschlüssig in einem der in 1 gezeigten Gehäusesegmente angeordnet ist,
- 7 einen Schnitt durch das Gehäusesegment aus 6 sowie
- 8 schematisch einzelne Schritte bei der Herstellung des Energiespeichers.
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses 1 eines erfindungsgemäßen Energiespeichers, der hier zu Illustrationszwecken jedoch zunächst ohne Energiespeicherzellen dargestellt ist. Das Gehäuse 1 umfasst drei Bodenplatten 2a-c, vier Seitenwände 3a-d sowie zwei Stirnwände 4a-b, von denen hier jedoch lediglich die Stirnwand 4a dargestellt ist. Bei den Bodenplatten 2a-c, den Seitenwänden 3a-d und den Stirnwänden 4a-b handelt es sich jeweils um Strangpressprofile aus Aluminium, die jeweils quaderförmig bzw. plattenförmig ausgebildet sind. Die Bodenplatten 2a-c, die Seitenwände 3a-d und die Stirnwände 4a-b haben also jeweils zwei große Oberflächen und vier kleine Oberflächen, die jeweils kleiner sind als die großen Oberflächen. Zur Beschreibung der Anordnung der Komponenten des Energiespeichers wird hier und im Folgenden ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem mit einer x-Achse 5, einer y-Achse 6 und einer z-Achse 7 zugrunde gelegt, wobei zur Vereinheitlichung der Sprechweise alle parallel zur y-z-Ebene ausgerichteten Oberflächen „Seitenflächen“ und alle parallel zur x-z-Ebene ausgerichteten Oberflächen „Stirnflächen“ genannt werden.
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Die Bodenplatten 2a-c sind jeweils baugleich, haben also identische Maße. Ebenso sind Seitenwände 3a-d jeweils baugleich und stimmen in ihren Maßen überein. Die Bodenplatten 2a-c sind jeweils in der x-y-Ebene angeordnet und entlang der x-Richtung 5 aneinandergereiht, wobei sie jeweils gleich ausgerichtet sind. Die Seitenwände 3a-d sind jeweils parallel zur y-z-Ebene orientiert. Die Bodenplatten 2a-c sind mit den Seitenwänden 3a-d jeweils über Kaltpressschweißverbindungen 8a-f verbunden (siehe auch 2), wobei die (kleinen) Seitenflächen der Bodenplatten 2a-c jeweils an einem unteren Ende der Seitenwände 3a-d an die (großen) Seitenflächen der Seitenwände 3a-d gefügt sind. Die inneren Seitenwände 3b und 3c sind damit jeweils zwischen zwei Bodenplatten angeordnet und mit diesen zusammengefügt, während die äußeren Seitenwände 3a und 3d jeweils nur mit einer der Bodenplatten verbunden sind. Zum Ausbilden der Kaltpressschweißverbindungen 8a-f zwischen den Bodenplatten 2a-c und den Seitenwänden 3a-d werden diese also jeweils entlang derselben Richtung, nämlich entlang der x-Richtung 5 zusammengepresst. Die Herstellung des Gehäuses 1 ist damit mit besonders wenigen Arbeitsschritten durchführbar.
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Die Stirnwände 4a-b sind jeweils parallel zur x-z-Richtung ausgerichtet und schließen das Gehäuse 1 jeweils an dessen Stirnseiten ab. Die Stirnwand 4b ist hier nur der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Bei dem vorliegend beschriebenen Gehäuse 1 sind auch die Stirnwände 4a-b mit den Bodenplatten 2a-c und mit den Seitenwänden 3a-d jeweils über Kaltpressschweißverbindungen verbunden, wobei die Stirnwände 4a-b mit den Bodenplatten 2a-c und mit den Seitenwänden 3a-d entlang ihrer jeweiligen Stirnflächen zusammengefügt sind. Auf diese Weisen bilden je eine Bodenplatte, zwei angrenzende Seitenwände und die Stirnwände 4a-b drei kastenförmige Gehäusesegmente 12a-c, die jeweils einen nach oben offenen, quaderförmigen Hohlraum zum Aufnehmen der Energiespeicherzellen umschließen. Die inneren Seitenwände 3b und 3c gehören dabei gleichzeitig zwei benachbarten Gehäusesegmenten an. Die Gehäusesegmente 12a-c sind jeweils baugleich und periodisch entlang der x-Richtung 5 angeordnet.
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Die Bodenplatten 2a-c, die Seitenwände 3a-d und die Stirnwände 4a-b weisen in ihrem Inneren jeweils Kanäle 9a-c, 10a-d und 11a-b zum Führen einer Kühlflüssigkeit auf, die miteinander in Fluidverbindung stehen. Zum Zirkulieren der Kühlflüssigkeit in dem derart gebildeten Kanalsystem weist die Stirnwand 4a einen Vorlaufanschluss 11a und einen Rücklaufanschluss 11b auf, die jeweils mit einer Zirkulationspumpe verbindbar sind. Über die Kühlflüssigkeit kann Wärme, die von den Energiespeicherzellen an das Gehäuse dissipiert wird, effektiv abgeführt werden.
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An einem von den Bodenplatten 2a-c abgewandten oberen Ende weisen die Seitenwände 3a-d jeweils verbreiterte Querschnitte oder Überstände 27a-d auf, die entlang der x-Richtung 5 über die jeweiligen Seitenflächen der Seitenwände 3a-d hinausragen und in einem rechten Winkel von der jeweiligen Seitenfläche abstehen. Sie dienen dazu, die Energiespeicherzellen entlang der z-Richtung 8 formschlüssig im jeweiligen Gehäusesegment 12a-c einzuschließen (siehe 6).
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2 zeigt exemplarisch einen x-z-Schnitt der Kaltpressschweißverbindung 8a zwischen der Seitenfläche 13a der Seitenwand 3a und der Seitenfläche 13b der Bodenplatte 2a am unteren Ende der Seitenwand 3a. Hier und im Weiteren sind identische Merkmale jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. An der Seitenfläche 13a ist eine in der x-Richtung 5 von der Seitenwand 3a abstehende Ausstülpung 14a angeordnet, die sich in der y-Richtung 6, also senkrecht zur Zeichenebene, entlang der gesamten Seitenfläche 13a der Seitenwand 3a erstreckt. Die der Seitenfläche 13a zugewandte Seitenfläche 13b der Bodenplatte 2a weist eine zur Ausstülpung 14a komplementäre Aussparung 14b in Form einer Nut auf, die sich in der y-Richtung 6 entlang der gesamten Seitenfläche 13b der Bodenplatte 2a erstreckt. Die Ausstülpung 14a ist in der Aussparung 14b aufgenommen, so dass beide formschlüssig ineinander greifen. Die Aussparung 14b hat eine konische Form und verjüngt sich entlang der x-Richtung 5 zu ihrem Nutgrund hin. Die Kaltpressschweißverbindung 8a ist entlang der Kontaktflächen der Ausstülpung 14a und der Aussparung 14b ausgebildet und erstreckt sich entlang der y-Richtung 6. Zur Verstärkung des zur Ausbildung der Kaltpressschweißverbindung nötigen Drucks weist die Ausstülpung 14a an ihrer Ober- und Unterseite jeweils feine Rinnen 15 auf, die sich entlang der y-Richtung 6 erstrecken und damit senkrecht zu einer Pressrichtung 16 verlaufen, die hier mit der x-Richtung 5 zusammenfällt. Der benötigte Druck entsteht durch plastische Verformung der Rinnen 15, die in der x-z-Ebene vor dem Zusammenpressen einen dreieckigen Querschnitt haben. Zur Bildung einer festen Verbindung ist es vorteilhaft, wenn die Ausstülpung 14a mit den Rinnen 15 gegenüber der Aussparung 14b ein Übermaß aufweist. Durch Reibung wird beim Zusammenpressen die Oxidschicht auf den Kontaktflächen der Ausstülpung 14a und der Aussparung 14 zerstört, so dass metallischer Verbund zwischen der Seitenwand 3a und der Bodenplatte 2a entsteht.
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In 3 sind Wärmeleitelemente 16 gezeigt, zwischen denen jeweils Energiespeicherzellen 17 eingeklemmt sind. Zum Stapeln der Wärmeleitelemente 16 ist auf jedem der Wärmeleitelemente 16 eine Energiespeicherzelle vormontiert bzw. befestigt. Bei den Energiespeicherzellen 17 handelt es sich um Lithium-Ionen-Zellen, die hier als elastische Pouchzellen ausgebildet sind. Die hier schematisch gezeigten Wärmeleitelemente 16 und Energiespeicherzellen 17 sind z. B. im Gehäusesegment 12a auf der Bodenplatte 2a angeordnet. Die Wärmeleitelemente 16 sind ebenfalls in Form von Strangpressprofilen aus Aluminium gegeben.
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Sie dienen zum effektiven Abführen von Wärme von den Energiespeicherzellen 17 an das Gehäuse 1, hier insbesondere an die Seitenwände 3a-d. Sowohl die Wärmeleitelemente 16 als auch die Energiespeicherzellen 17 haben jeweils in etwa eine Quaderform.
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4 zeigt einen x-y-Schnitt durch eines der Wärmeleitelemente 16 aus 3 mit einer darauf montierten Energiespeicherzelle 17. Zwischen dem Wärmeleitelement 16 und der Energiespeicherzelle 17 ist eine elastische Schicht wärmeleitenden Schaumes 18 angeordnet. Aufgrund seiner Elastizität kann der Schaum 18 nachgeben, wenn die Energiespeicherzellen 17 sich im Betrieb durch Erwärmung ausdehnen. Ziehen sich die Energiespeicherzellen 17 beim Abkühlen wieder zusammen, so dehnt sich der Schaum 18 erneut aus, so dass stets ein mechanischer Kontakt zwischen den Wärmeleitelementen 16 eingeklemmten Energiespeicherzellen 17 sowie eine effektive Wärmeleitung zwischen den Energiespeicherzellen 17 und den Wärmeleitelementen 16 gewährleistet ist. Anstelle des Schaumes 18 kann auch Wärmeleitfolie oder ein Gap-Filler mit Selbstklebestreifen verwendet werden.
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4 zeigt, dass die Wärmeleitelemente 16 an ihren seitlichen Enden 24 entlang der y-Richtung 6, also senkrecht zur Plattenebene der Wärmeleitelemente 16, jeweils einen verbreiterten Querschnitt 19 aufweisen. Hier sind die Enden 24 der Wärmeleitelemente 16 jeweils den angrenzenden Seitenwänden zugewandt und dienen zum Abführen von Wärme an diese über wärmeleitende Oberflächen 25, die infolge der vergrößerten Querschnitte 19 ebenfalls vergrößert sind. Eine von den Wärmeleitelementen 16 an die angrenzenden Seitenwände des Gehäuses 1 abgegebene Wärmeleistung kann so erhöht werden. Damit ist ein effektiveres Kühlen der Energiespeicherzellen 17 gewährleistet.
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Gegenüber einem Querschnitt 20 des Wärmeleitelements 16 entlang einer Kontaktfläche zwischen dem Wärmeleitelement 16 und der angrenzenden Energiespeicherzelle 17 in einem zentralen Bereich 23 des Wärmeleitelements 16 ist der Querschnitt 19 an den seitlichen Enden 24 über eine Länge 21, die z. B. jeweils wenigstens drei Prozent oder wenigstens fünf Prozent einer Länge 22 des Wärmeleitelements 16 entlang der x-Richtung 5 entspricht, hier wenigstens um einen Faktor fünf vergrößert. Vorliegend erfolgt die Vergrößerung des Querschnitts abrupt oder stufenartig. Bei alternativen Ausgestaltungen kann der Querschnitt zu den Enden hin auch kontinuierlich zunehmen, z. B. in Gestalt einer von den Enden 24 zum zentralen Bereich 23 hin sich verjüngenden konischen Form.
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Den 3 und 4 ist ebenfalls entnehmbar, dass die Wärmeleitelemente 16 stapelbar sind, indem im Stapel benachbarte Wärmeleitelemente 16 einander an ihren verbreiterten Enden 24 berühren. Zur Erhöhung der Stabilität eines solchen Stapels sind Kontaktflächen 26 der Enden 24 derart geformt, das die Enden 24 im Stapel unmittelbar benachbarter Wärmeleitelemente 16 wenigstens teilweise formschlüssig ineinander greifen und miteinander verzahnbar sind. 5 zeigt perspektivische Ansichten alternativer Ausgestaltungen der Wärmeleitelemente 16, wobei die verbreiterten Enden 24 jeweils deutlich zu erkennen sind. Bei weiteren hier nicht dargestellten Ausführungsformen können die Wärmeleitelemente 16 auch an einer der jeweiligen Bodenplatte zugewandten Unterkante einen verbreiterten Querschnitt aufweisen, um so die Wärmeleitung zwischen Wärmeleitelement und Bodenplatte ebenfalls zu verbessern.
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In 6 ist ein z. B. im Gehäusesegment 12a angeordneter Stapel gezeigt, der eine Vielzahl von Wärmeleitelementen 16 und Energiespeicherzellen 17 umfasst, wobei die Energiespeicherzellen 17 jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbarten Wärmeleitelementen 16 angeordnet sind. Der Stapel ist in allen Raumrichtungen formschlüssig im Gehäusesegment 12a eingeschlossen. Entlang der y-Richtung 6 wird der Formschluss durch die Stirnseiten 4a und 4b bewirkt, entlang der x-Richtung 5 durch die Seitenwände 3a und 3b. Illustriert sind zusätzlich Befestigungsleisten 27 zur Befestigung des Gehäuses 1 in einem Kraftfahrzeug.
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7 zeigt einen x-z-Schnitt durch das Gehäusesegment 12a aus 6. Zu erkennen sind die Seitenwände 3a und 3b mit den darin angeordneten Kühlkanälen 9a und 9b, die mit den Seitenwänden 3a und 3b verbundene Bodenplatte 2a, eine im von dem Segment 12a eingeschlossenen Hohlraum angeordnete Energiespeicherzelle 17 sowie ein Energiespeicherelement 16 mit den verbreiterten Enden 24, über welche Wärme von der Energiespeicherzelle 17 an die Seitenwände 3a und 3b abführbar ist. Zu sehen ist ebenso der durch die Überstände 27a-d bewirkte Formschluss zwischen den Seitenwänden 3a und 3b und den Enden 24 des Wärmeleitelements 16, die den Seitenwänden 3a und 3b jeweils zugewandt und mit diesen in thermischem Kontakt sind. Dabei befindet sich zur Verbesserung der Stabilität und der Wärmeleitung zwischen den Enden 24 des Wärmeleitelements 16 und den Seitenwänden 3a und 3b jeweils eine Schicht Wärmeleitfolie 28.
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Schließlich zeigt 8 schematisch einzelne Schritte bei der Herstellung des Energiespeichers 100. Dazu werden die Bodenplatten 2c und 2b zum Herstellen der Kaltpressschweißverbindungen 8c-f mit den Seitenwänden 3b-d jeweils entlang der x-Richtung 5 zusammengepresst. Nach dem Verbinden der Bodenplatte 2c mit der äußeren Seitenwand 3d wird zunächst der Stapel 29c in das noch nicht fertiggestellte Gehäusesegment 12c eingesetzt, wobei der Überstand 27d am oberen Ende der Seitenwand 3d als Führung dient. Daraufhin wird zunächst die Kaltpressschweißverbindung 8d zwischen der Bodenplatte 2b und der Seitenwand 3c hergestellt, woraufhin die Seitenwand 3c zur Ausbildung der Kaltpressschweißverbindung 8e mit der Bodenplatte 2c zusammengepresst wird. Es folgt das Einsetzen des Stapels 29b in das noch nicht fertiggestellte Gehäusesegment 12b und so fort. Zuletzt werden die Gehäusesegmente durch Verbinden der Stirnwände 4a und 4b mit den Bodenplatten und den Seitenplatten an ihren Stirnseiten verschlossen, wodurch insbesondere die im Inneren der Bodenplatten, der Seitenwände und der Stirnwände angeordneten Kanäle in Fluidverbindung gebracht werden.
