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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Speicherung von elektrischer Energie, insbesondere für die Anwendung in einem elektromobilen Kraftfahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen elektrischen Energiespeicher sowie ein elektrisches Energiespeichersystem welche zumindest eine an einer mechanischen Trägerstruktur angebrachte elektrische Energiespeicherzelle aufweisen.
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Als elektromobile Kraftfahrzeuge bezeichnet man im Allgemeinen Kraftfahrzeuge, die ganz oder teilweise mittels elektrischer Energie angetrieben werden. Elektromobile Kraftfahrzeuge können beispielsweise Kraftfahrzeuge mit einem Hybridantrieb oder reine Elektrofahrzeuge sein. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, einen Kraftstoffbehälter, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrische Energiespeicher auf. Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt, welche ihre Energie von einen oder mehreren elektrischen Energiespeichern bezieht.
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Als elektrische Energiespeicher für elektromobile Kraftfahrzeuge lassen sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metallhydrid-, Nickel/Zink, Zink/Luft, Lithium/Luft, Lithium-Polymer oder Lithium-Ionen Zellen nutzen.
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Es ist bekannt beispielsweise Lithium-Ionen Energiespeicherzellen in einem sog. Softpack-Design zu realisieren. Dabei befinden sich (a) die beiden Elektroden (Kathode und Anode), (b) eine Trennschicht zwischen den beiden Elektroden und (c) ein Elektrolyt in einem flexiblen beutelartigen Gehäuse, bei dem zwei gegenüberliegende Umhüllungsfolien jeweils aus einem mehrschichtigen Laminat mit mindestens drei Schichten bestehen. Diese Mehrschichtlaminate umfassen typischerweise eine innere thermoplastische Harzschicht, eine mittlere Metallfolienschicht und eine äußere elektrisch isolierende Materialschicht. Das beutelartige Gehäuse (Softpack) weist einen ausgedehnten, hermetisch verschlossenen Haftbereich auf, welcher sich als Siegelnaht entlang des Umfangs des Softpacks erstreckt. Die beiden inneren einander gegenüberliegenden thermoplastischen Harzschichten fungieren auch als Klebeschichten, welche bei der Herstellung des Softpacks miteinander verklebt bzw. thermisch versiegelt werden. Dadurch entsteht eine hermetische Abdichtung des Softpackgehäuses. Zwei jeweils mit einer Elektrode verbundene flächige Anschlussklemmen sind an sog. terminalen Entnahmestellen in dem ausgedehnten hermetischen Haftbereich hin zur Außenseite des Softpackgehäuses geführt.
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Bei einer Fehlfunktion und/oder im Falle einer Überladung kann es durch Zersetzung des Elektrolyts zu einer übermäßigen Gasbildung und damit zu einem Anstieg des Drucks in der Energiespeicherzelle kommen. Dadurch bläht sich das Softpackgehäuse auf. Bei einem starken Überdruck in der Zelle wird die Siegelnaht jedoch platzen, so dass es zu einem unkontrollierten Öffnen der Zelle und einem daraus resultierenden Entgasen der betreffenden Energiespeicherzelle kommt. Die unkontrolliert austretenden Gase von einer einzelnen oder von mehreren Energiespeicherzellen breiten sich dann im gesamten Energiespeicher und, bei einer Anwendung in einem elektromobilen Kraftfahrzeug, auch in dem gesamten elektromobilen Kraftfahrzeug aus. Insbesondere dann, wenn der Einbau des Energiespeichers im oder in der Nähe des Fahrgastraums erfolgt, kann es durch die austretenden Gase zu Gesundheitsgefährdung der Fahrgäste kommen.
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US 2009/0253026 A1 offenbart mit
8 und in Absatz [0073] eine elektrochemische Energiespeicherzelle, welche zwei elektrische Anschlüsse aufweist, die aus einer Umhüllung herausragen. Gegenüberliegend zu den elektrischen Anschlüssen ist das Material der Umhüllung geschwächt, so dass eine Sollbruchzone entsteht, welche sich bei einem Überdruck in der elektrochemischen Energiespeicherzelle öffnet, so dass sich Substanzen aus dem Inneren der elektrochemischen Energiespeicherzelle nach außen in einen Entlastungskanal entleeren können.
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Elektrische Energiespeicher von elektromobilen Kraftfahrzeugen können mittels eines Kühlmittelkreislaufs, in welchem eine Kühlflüssigkeit zirkuliert, oder mittels einer Luftkühlung durch Umgebungsluft gekühlt werden. Sog. luftgekühlte Energiespeichersysteme besitzen in der Regel keinen Wärmetauscher, d.h. die innere Umgebung des Energiespeichersystems ist direkt mit der Umgebungsluft, z.B. aus einem Fahrzeuginnenraum oder aus einer Frischluftzufuhr einer Klimaanlage, verbunden.
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Bei Energiespeichersystemen, die einen Kühlmittelkreislauf besitzen, jedoch im Fahrzeuginnenraum verbaut sind, können sich unkontrolliert aus einer Energiespeicherzelle austretende Gase auch im Fahrzeuginnenraum ausbreiten. Auch wenn die Wahrscheinlichkeit für eine hohe Konzentration dieser Gase im Fahrzeuginnenraum durch die Dichtigkeit eines Gehäuses eines Energiespeichers eher als gering einzustufen ist, ist ein Eindringen solcher Gase in den Fahrzeuginnenraum beispielsweise durch Diffusion an Steckern und Schrauben nie vollständig zu vermeiden.
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Noch schwerwiegender ist ein unkontrolliertes Öffnen einer Energiespeicherzelle bei einem luftgekühlten Energiespeichersystem einzustufen. Die im Fehlerfall entstehenden Gase können durch die Offenheit des Kühlsystems direkt in den Fahrzeuginnenraum gelangen. Dies stellt ein hohes Gesundheitsrisiko für die im Fahrzeuginnenraum befindlichen Personen dar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Energiespeicher zu schaffen, bei dem nach einem Platzen einer Energiespeicherzelle ein unkontrolliertes Austreten von Substanzen aus dem inneren der Energiespeicherzelle verhindert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen, weitere Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein elektrischer Energiespeicher beschrieben, welcher insbesondere für ein elektromobiles Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Der elektrische Energiespeicher weist auf (a) ein Gehäuse, (b) eine Trägerstruktur, welche in dem Gehäuse angeordnet ist, (c) zumindest eine elektrische Energiespeicherzelle, welche an der Trägerstruktur angebracht ist und welche eine beispielsweise als Sollbruchstelle ausgebildete Entlastungsöffnung aufweist, die in einem normalen Betriebszustand der Energiespeicherzelle geschlossen ist und die sich bei einem bestimmten Überdruck in der Energiespeicherzelle öffnet, und (d) eine Dichtungseinrichtung, welche in dem Gehäuse angeordnet ist und welche derart ausgebildet ist, dass in dem Gehäuse ein erstes Raumvolumen und ein von dem ersten Raumvolumen getrenntes zweites Raumvolumen entsteht, wobei die Entlastungsöffnung ausschließlich in das zweite Raumvolumen mündet.
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Dem beschriebenen elektrischen Energiespeicher liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine räumliche Abtrennung eines Entlastungsvolumens, welches hier als zweites Raumvolumen bezeichnet ist, von dem übrigen (ersten) Raumvolumen des Gehäuses auf einfach Weise sichergestellt werden kann, dass Substanzen, die im Fehlerfall wie beispielsweise bei einer elektrischen Überladung der Energiespeicherzelle durch die Entlastungsöffnung aus der Energiespeicherzelle austreten, von dem ersten Raumvolumen ferngehalten werden bzw. nicht in das erste Raumvolumen eindringen können.
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Unter dem Begriff "Energiespeicherzelle" können sowohl elektrochemische als auch elektrostatische Energiespeicherzelle verstanden werden.
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Unter der Begriff "Trägerstruktur" kann jede räumlich körperliche Ausgestaltung verstanden werden, welche in der Lage ist eine oder bevorzugt mehrere Energiespeicherzellen nach einer geeigneten Befestigung, beispielsweise mittels Klebens, an einer definierten Position innerhalb des Gehäuses zu halten. Die Trägerstruktur kann auch einstückig mit zumindest einem Teil des Gehäuses ausgebildet sein.
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Unter dem Begriff "Entlastungsöffnung" kann ein Strukturmerkmal der Energiespeicherzelle verstanden werden, welches im Normalzustand geschlossen ist, welches sich aber ab einem gewissen Mindestüberdruck in der Energiespeicherzelle reversibel oder irreversibel öffnet, so dass ab dem Zeitpunkt der Öffnung der Entlastungsöffnung Substanzen, insbesondere Gase, aus dem Inneren der Energiespeicherzelle austreten können. Damit wird dann automatisch der Druck in der Energiespeicherzelle reduziert und ein unkontrolliertes Platzen der Energiespeicherzelle verhindert.
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Die Entlastungsöffnung kann beispielsweise ein Element aufweisen, welches bei einem bestimmten Mindestinnendruck irreversibel zerstört wird. Ein solches Element kann beispielsweise eine Platte oder eine Scheibe mit einer gewissen Sollbruchfestigkeit sein, welche sich an einer Öffnung in der Umhüllung der Energiespeicherzelle befindet und welche an ihrem umlaufenden Rand hermetisch direkt oder indirekt mit der Umhüllung der Energiespeicherzelle verbunden ist.
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Die beiden Raumvolumina können sich auch über das Gesamtvolumen des Gehäuses hinaus erstrecken. Dazu können beispielsweise Leitungsführungen, beispielsweise ein Schlauchsystem, beitragen, über welche das betreffende Raumvolumen hin zu einem weiteren Raumvolumen erweitert wird. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist lediglich entscheidend, dass keine Substanzen aus der Energiespeicherzelle in das erste Raumvolumen oder einem mit dem ersten Raumvolumen direkt oder indirekt verbundenen weiteren Raumvolumen dringen können. Ein weiteres mit dem ersten Raumvolumen verbundenes Raumvolumen kann beispielsweise der Fahrgastinnenraum eines elektromobilen Kraftfahrzeugs sein.
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Anschaulich ausgedrückt kann der in diesem Dokument beschriebene Energiespeicher einen wichtigen Beitrag dazu leisten, dass Fahrzeuginsassen vor einem unkontrollierten Entgasen von Substanzen aus dem Innenraum einer Energiespeicherzelle und einer Vermischung von derartigen insbesondere gasförmigen Substanzen mit Frischluft geschützt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die zumindest eine Energiespeicherzelle einen ersten Teilbereich, welcher sich in dem ersten Raumvolumen befindet, und einen zweiten Teilbereich auf, welcher sich in dem zweiten Raumvolumen befindet.
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Anschaulich ausgedrückt bedeutet dies, dass das Gehäuse des elektrischen Energiespeichers in zwei voneinander abgetrennte Raumvolumina aufgeteilt ist und die zumindest eine Energiespeicherzelle sowohl in das erste Raumvolumen als auch in das zweite Raumvolumen hineinragt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der elektrischer Energiespeicher ferner auf eine Kühleinrichtung zum Kühlen der zumindest einen Energiespeicherzelle mittels eines durch das erste Raumvolumen strömenden Kühlmittels.
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Das Kühlmittel kann eine Flüssigkeit oder bevorzugt ein Gas sein, insbesondere Luft. Im Falle einer Luftkühlung kann die Kühleinrichtung beispielsweise ein Ventilator sein, welcher innerhalb oder außerhalb des Gehäuses des Energiespeichers angeordnet ist.
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Das erste Raumvolumen kann insbesondere unmittelbar oder mittelbar mit einem Raum verbunden sein, in welchem sich Personen wie beispielsweise der Fahrer oder ein Mitfahrer eines elektromobilen Kraftfahrzeugs befinden. Aufgrund der räumlichen Trennung zwischen dem zweiten Raumvolumen und dem ersten Raumvolumen kann eine Gesundheitsgefährdung von Personen, die nicht in Kontakt mit einem Gas oder einer Flüssigkeit aus dem zweiten Raumvolumen kommen können, zuverlässig ausgeschlossen werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass eine Kühlung der zumindest einen Energiespeicherzelle auch über die Trägerstruktur erfolgen kann. Die Trägerstruktur kann einen Grundkörper und mehrere Trägerelemente aufweisen, welche jeweils an dem Grundkörper angebracht sind und welche jeweils einen Stegabschnitt aufweisen, der sich ausgehend von einer Anbringungsoberfläche des Grundkörpers von dem Grundkörper weg erstreckt. Der Stegabschnitt kann zumindest eine oder zwei annähernd planare Montageoberflächen aufweisen, an welchen jeweils eine Energiespeicherzelle beispielsweise mittels einer Klebeverbindung anbringbar ist. Die Trägerstruktur kann aus einem thermisch gut leitenden Material, beispielsweise Aluminium, hergestellt sein.
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In der Trägerstruktur, d.h. in dem Grundelement und/oder in den Trägerelementen, können Kühlkanäle ausgebildet sein, durch welche eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Öl, strömt. Die Kühlflüssigkeit kann von den Energiespeicherzellen erzeugte Wärme aufnehmen und in bekannter Weise über einen Wärmetauscher wieder abgeben.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der elektrische Energiespeicher ferner ein Sammelvolumen auf, welches mit dem zweiten Raumvolumen verbunden ist oder welches ein Teil des zweiten Raumvolumens ist, wobei das Sammelvolumen vorgesehen ist, die aus einer oder aus mehrere Energiespeicherzellen ausgetretenen Substanzen zu sammeln.
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Bevorzugt ist das Sammelvolumen ein zentrales Sammelvolumen, in welchem sich alle Substanzen, die aus irgendeiner der Energiespeicherzellen ausgetreten sind, sammel können.
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Das Sammelvolumen kann insbesondere dann, wenn es sich zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses bzw. außerhalb des zweiten Raumvolumens befindet, auch über einen Entlastungskanal mit dem zweiten Raumvolumen verbunden sein. Der Entlastungskanal kann beispielsweise mittels einer festen Gasleitung oder einem flexiblen Schlauch realisiert sein.
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Es wird darauf hingewiesen, dass das zweite Raumvolumen und/oder das Sammelvolumen auch eine Öffnung aufweisen kann, über welche aus einer Energiespeicherzelle ausgetretene Substanzen an die Umgebung abgegeben werden können. Dabei ist der Ort dieser Abgabe so gewählt, dass keine der abgegebenen Substanzen in das erste Raumvolumen und/oder in einen Fahrzeuginnenraum dringen können.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Entlastungsöffnung in einem Randbereich der zumindest einen Energiespeicherzelle ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die zumindest eine Energiespeicherzelle nur geringfügig in das zweite Raumvolumen hineinragen muss. Dies bedeutet, dass sich der deutliche größere Teil der Energiespeicherzelle in dem ersten Raumvolumen befindet. Ein durch das erste Raumvolumen strömendes Kühlmedium kann somit mit dem größeren Teil der Energiespeicherzelle thermisch wechselwirken, so dass auf einfache Weise eine effektive Kühlung der Energiespeicherzellen erreicht werden kann.
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Abhängig von der Größe des Randbereiches bzw. abhängig von der genauen Position der Entlastungsöffnung können sich beispielsweise zumindest 80%, bevorzugt zumindest 90% und weiter bevorzugt zumindest 95% des Volumens der zumindest einen Energiespeicherzelle in dem ersten Raumvolumen befinden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Dichtungseinrichtung ein elastisches Dichtelement oder mehrere elastische Dichtelemente auf. Das Dichtelement oder die Dichtelemente kann bzw. können beispielsweise aus einen Gummimaterial hergestellt sein. Das Material der Dichtungseinrichtung sollte hinsichtlich seiner Temperaturverträglichkeit so robust sein, dass auch die Temperaturen, die im Falle einer Überladung einer Energiespeicherzelle auftreten, nicht zu einer Beschädigung und/oder zu einer thermischen Volumenänderung der Dichtungseinrichtung führen, so dass die vorstehend beschriebene räumliche Trennung zwischen dem ersten Raumvolumen und dem zweiten Raumvolumen nicht mehr zuverlässig gewährleistet werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Dichtungseinrichtung ein Dichtelement, welches einen Teilbereich eines Luftspaltes (i) zwischen zwei benachbarten Energiespeicherzellen oder (ii) zwischen einer Energiespeicherzelle und einem Trägerelement der Trägerstruktur, an welchem Trägerelement eine benachbarte Energiespeicherzelle angebracht ist, schließt.
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In diesem Zusammenhang wird erneut angemerkt, dass die Trägerstruktur einen Grundkörper und mehrere Trägerelemente aufweisen kann, welche jeweils an dem Grundkörper angebracht sind und welche jeweils einen Stegabschnitt aufweisen, der sich ausgehend von einer Anbringungsoberfläche des Grundkörpers von dem Grundkörper weg erstreckt. Die Trägerelemente bzw. die Stegabschnitte können zusammen mit dem Grundelement eine kammartige Struktur bilden. Falls an einem Stegabschnitt lediglich eine Energiespeicherzelle angebracht ist, dann wird sich bei einer gleichartigen Anbringung aller Energiespeicherzellen der vorstehend genannte Luftspalt zwischen einem Stegabschnitt und einer Energiespeicherzelle befinden, welche an einem benachbarten Trägerelement bzw. Stegabschnitt angebracht ist. Falls sich an jedem Stegabschnitt (an einander gegenüberliegenden Seiten) zwei Energiespeicherzellen befinden, dann befindet sich der Luftspalt zwischen zwei einander gegenüberliegenden Energiespeicherzellen, die an zwei benachbarten Trägerelementen bzw. Stegabschnitten angebracht sind.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Entlastungsöffnung ein Überdruckventil auf. Das Überdrückventil kann bevorzugt bei Energiespeicherzellen zum Einsatz kommen, welche ein festes Gehäuse aufweisen, welches häufig auch als Hardpack oder Hardcase bezeichnet wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die zumindest eine Energiespeicherzelle eine elastische Umhüllung auf. Die Energiespeicherzelle kann also eine sog. Softpack-Energiespeicherzelle sein. Bei einer solchen Softpack-Energiespeicherzelle können (a) die beiden Elektroden (Kathode und Anode), (b) eine Trennschicht zwischen den beiden Elektroden und (c) ein Elektrolyt in einem flexiblen beutelartigen Gehäuse angeordnet sein. Das flexible beutelartige Gehäuse kann zwei gegenüberliegende Umhüllungsfolien aufweisen, die aus einem mehrschichtigen Laminat mit mindestens drei Schichten bestehen können. Der beschriebene elektrische Energiespeicher kann also auch für einen Typ von Energiespeicherzelle verwendet werden, welcher derzeit insbesondere für elektromobile Kraftfahrzeuganwendungen als besonders geeignet erscheint.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Entlastungsöffnung mittels einer lokalen Schwächung des Materials der Umhüllung realisiert. Dies hat den Vorteil, dass die Entlastungsöffnung auf einfache Weise durch eine geeignete Modifikation der Umhüllung realisiert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Entlastungsöffnung mittels einer lokalen Schwächung einer Verklebung zwischen einer ersten Materialschicht der Umhüllung und einer zweiten Materialschicht der Umhüllung realisiert. Auch diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Entlastungsöffnung auf einfache Weise durch eine geeignete Anpassung der Herstellung der Softpack-Energiespeicherzelle und insbesondere der Umhüllung der Softpack-Energiespeicherzelle realisiert werden kann. Es ist nämlich lediglich erforderlich, die Menge und/oder die Qualität der für eine Verklebung verantwortlichen Substanzen (beispielsweise die oben genannte Harzschicht) in dem Bereich der späteren Entlastungsöffnung zu reduzieren.
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Bevorzugt sind die beiden Materialschichten einander gegenüberliegende Materialschichten der zumindest einen Energiespeicherzelle.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches Energiespeichersystem beschrieben, welches insbesondere für ein elektromobiles Kraftfahrzeug geeignet ist. Das beschriebene elektrische Energiespeichersystem weist auf (a) zumindest einen elektrischen Energiespeicher der vorstehend beschrieben Art und (b) eine Steuervorrichtung, welche mit dem zumindest einen elektrischen Energiespeicher gekoppelt ist und welche eingerichtet ist, einen elektrischen Energiefluss von dem zumindest einen elektrischen Energiespeicher zu steuern.
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Dem beschriebenen Energiespeichersystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit einer Steuervorrichtung, welche beispielsweise in einem sog. Batteriemanagementsystem oder Hybridcontroller realisiert sein kann, der zumindest eine elektrische Energiespeicher in geeigneter Weise betrieben werden kann. Die Steuervorrichtung kann insbesondere einen Lade- und/oder einen Entladestrom für den zumindest einen elektrischen Energiespeicher so steuern, dass es weder zu einer zu starken Ladung noch zu einer zu starken Entladung des zumindest einen elektrischen Energiespeichers kommt.
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Die Steuervorrichtung kann auch, beispielsweise durch eine geeignete Sensorik, darüber informiert werden, dass sich eine elektrische Energiespeicherzelle über ihre Entlastungsöffnung geöffnet hat. Ggf. kann eine entsprechende Information auch die Angabe enthalten, welche elektrische Energiespeicherzelle sich über ihre Entlastungsöffnung geöffnet hat und welche demzufolge als defekt einzustufen ist. Basierend auf einer Information über eine oder mehrere defekte Energiespeicherzellen kann dann der zumindest eine elektrische Energiespeicher so betrieben werden, dass defekte Energiespeicherzellen bei der Bestimmung der ggf. zellenindividuellen Ladung und Entladung des elektrischen Energiespeichers nicht mehr berücksichtigt werden.
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Die Steuervorrichtung kann einem Benutzer oder einem Mechaniker, welcher für eine Wartung oder eine Instandsetzung des Energiespeichersystems verantwortlich ist, eine entsprechende Information über die Schädigung einer Zelle geben. Diese spezifische Information kann durch ein geeignetes visuelles oder akustisches Signal an die betreffende Person erfolgen. Außerdem kann diese Information über eine eingeschränkte oder ggf. keine weitere Nutzung des betreffenden Energiespeichers über ein Bussystem weitergegeben werden. In der Steuervorrichtung kann der Fehler bzw. die Öffnung der Energiespeicherzelle bewertet werden.
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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 auf einen elektrischen Energiespeicher gerichteten Ansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit einem auf ein elektrisches Energiespeichersystem gerichteten Anspruch 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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1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen elektrischen Energiespeicher.
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2 zeigt eine elektrische Energiespeicherzelle mit einer durch eine Schwächung einer Siegelnaht realisierten Entlastungsöffnung.
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3 zeigt in einer Querschnittdarstellung einen Ausschnitt aus einem elektrischen Energiespeicher.
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4 zeigt eine Frontansicht eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen, welche mittels einer Flüssigkeitskühlung gekühlt werden.
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5 zeigt eine Frontansicht eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen, welche mittels einer Luftkühlung gekühlt werden.
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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 anderen Bezugszeichen versehen sind, welche sich lediglich in ihrer ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheiden. 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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1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen elektrischen Energiespeicher 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der in diesem Dokument beschriebenen Erfindung. Der Energiespeicher 100 weist ein Gehäuse 110 auf, in welchem an einer nicht dargestellten mechanischen Trägerstruktur mehrere Energiespeicherzellen 120 angeordnet sind. Die Energiespeicherzellen 120 sind mittels einer elektrischen Verbindung 130 miteinander verbunden. Je nach speziellem Anwendungsfall kann diese elektrische Verbindung 130 eine Parallel- oder eine Serienschaltung zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen 120 sein.
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Das Gehäuse 110 weist zwei Öffnungen 122 auf, von denen eine Öffnung 122 ein Einlass für eines Strömung von Kühlluft 150 und die andere Öffnung 122 ein Auslass für eines Strömung von Kühlluft 150 ist. In dem Gehäuse 110 befindet sich ferner eine Dichtungseinrichtung 140, welche das innere Volumen des Gehäuses 110 in zwei voneinander getrennte Raumvolumina, einem ersten Raumvolumen 142 und einem zweiten Raumvolumen 144, aufteilt.
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Die Energiespeicherzellen 120 sind in einem sog. Softpack-Design realisiert, bei dem anstelle eines starren Gehäuses eine flexible beutelartige Umhüllung den Behälter für das Innere der Energiespeicherzelle 120 darstellt. Der Aufbau der Energiespeicherzellen 120 wird nachstehend anhand von 2 noch genauer erläutert.
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Wie aus 1 ersichtlich, weist jede der verwendeten Energiespeicherzellen 120 im unteren Bereich eine Entlastungsöffnung 126 auf, welche derart dimensioniert ist, dass sie in einem normalen Betriebszustand der betreffenden Energiespeicherzelle 120 geschlossen ist und sich bei einem bestimmten Überdruck im Inneren der betreffenden Energiespeicherzelle 120 öffnet. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Entlastungsöffnung 126 durch eine einfache Schwächung einer Siegelnaht in einer Umhüllung der jeweiligen Energiespeicherzelle 120 realisiert.
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2 zeigt eine elektrische Energiespeicherzelle 220, welche, wie bereits vorstehend erwähnt, in einem Softpack-Design realisiert ist. Dabei befinden sich (a) zwei Elektroden (Kathode und Anode), (b) eine Trennschicht zwischen den beiden Elektroden und (c) ein Elektrolyt in einem flexiblen beutelartigen Gehäuse 222. Das beutelartige Gehäuse 222 bzw. die beutelartige Umhüllung 222 besteht aus zwei gegenüberliegenden Umhüllungsfolien, die entlang einer am Rand der Energiespeicherzelle 220 verlaufenden Siegelnaht 223 miteinander verklebt sind. Die Siegelnaht 223 stellt einen ausgedehnten, hermetisch verschlossenen Haftbereich dar, welcher entlang des Umfangs des Softpacks erstreckt.
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Die beiden Umhüllungsfolien des Softpack-Gehäuses bestehen jeweils aus einem mehrschichtigen Laminat mit mindestens drei Schichten. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen diese Mehrschichtlaminate eine innere thermoplastische Harzschicht, eine mittlere Metallfolienschicht und eine äußere elektrisch isolierende Materialschicht. Die beiden inneren einander gegenüberliegenden thermoplastischen Harzschichten fungieren als Klebeschichten, welche bei der Herstellung des Softpacks miteinander verklebt werden. Zwei jeweils mit einer Elektrode verbundene flächige Anschlusselemente 225 sind an sog. terminalen Entnahmestellen in dem ausgedehnten hermetischen Haftbereich über die Siegelnaht 223 hinweg hin zur Außenseite des Softpackgehäuses geführt.
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3 zeigt in einer Querschnittdarstellung einen Ausschnitt aus einem elektrischen Energiespeicher 300. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Energiespeicher 300 eine Trägerstruktur 360 auf, welche sich innerhalb eines nicht dargestellten Gehäuses befindet. Die Trägerstruktur 360, welche bevorzugt aus eine thermisch gut leitenden Material wie z.B. Aluminium gefertigt ist, umfasst einen Grundkörper 362, von dem in 3 aufgrund des gewählten Ausschnitts lediglich ein Teil zu sehen ist. An dem Grundkörper 362 sind in 3 nach oben abstehend mehrere Trägerelemente angebracht, welche in der Querschnittsansicht von 3 eine kammartige Struktur bilden. Jedes Trägerelement besteht aus einem Sockelabschnitt 364 sowie aus einem Stegabschnitt 366. Jeder Stegabschnitt weist zwei zumindest annähernd plane Befestigungsoberflächen auf, wobei an einer Befestigungsoberfläche jeweils eine Energiespeicherzelle 120 beispielsweise mittels einer flächigen Klebeverbindung befestigt ist.
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Im Falle einer Flüssigkeitskühlung der Energiespeicherzellen 120 kann der Grundkörper 362 und können die Trägerelemente (364, 366) noch Kühlkanäle aufweisen, durch welche eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Öl, strömt.
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Der elektrische Energiespeicher 300 weist außerdem eine Dichtungseinrichtung 140 mit mehreren Dichtelementen 341 auf, welche jeweils in Form eines Steges ausgebildet sind, dessen Längsrichtung sich senkrecht zu der Zeichenebene von 3 erstreckt. Die Dichtelementen 341 sorgen dafür, dass das Innere des nicht dargestellten Gehäuses des elektrischen Energiespeichers 300 in zwei voneinander getrennte Raumvolumina aufgeteilt wird. Wie bereits vorstehend beschrieben, ist eines der beiden Raumvolumina das ersten Raumvolumen 142 und das andere der beiden Raumvolumina ist das zweite Raumvolumen 144.
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Im Falle einer Luftkühlung wird die Kühlluft lediglich in dem ersten Raumvolumen 142 an die Energiespeicherzellen 120 herangeführt. Das zweite Raumvolumen 144, in welchem sich die Entlastungsöffnungen 126 der Energiespeicherzellen 120 befinden, ist durch die Dichtungseinrichtung 140 bzw. durch die Dichtelemente 341 von dem ersten Raumvolumen 142 getrennt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich Substanzen, insbesondere giftige Gase, die bei einem definierten Platzen einer Energiespeicherzelle 120 ausschließlich aus der entsprechenden Entlastungsöffnung 126 austreten, lediglich in das zweite Raumvolumen 144 oder in ein mit dem zweiten Raumvolumen verbundenes Sammelvolumen 370 und nicht in das erste Raumvolumen 142 gelangen, welches beispielsweise unmittelbar oder mittelbar mit einem Fahrgastbereich eines elektromobilen Kraftfahrzeugs verbunden sein kann. Eine gesundheitliche Gefährdung von sich in dem Fahrgastbereich befindlichen Personen durch aus dem Inneren einer geöffneten Energiespeicherzelle 120 austretende Substanzen kann damit auf einfache Weise verhindert werden.
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4 zeigt eine Frontansicht eines Energiespeichers 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der in diesem Dokument beschriebenen Erfindung. Der Energiespeichers 400 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 120 auf, die stapelartig in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene von 4 übereinander gestapelt sind. Eine oder zwei Energiespeicherzellen 120 sind jeweils flächig an einem Stegabschnitt 366 befestigt, welcher mittels zweier Befestigungsbohrungen 469 an einem in 4 nicht dargestellten Grundkörper angebracht ist.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Energiespeicherzellen 120 mittels einer Flüssigkeitskühlung gekühlt. Dafür sind in dem Trägerelement ein nicht dargestellter Kühlkanal sowie zwei mit dem Kühlkanal verbundene Öffnungen 468 vorgesehen, wobei eine Öffnung 468 einen Kühlflüssigkeitseingang und die andere Öffnung 468 einen Kühlflüssigkeitsausgang darstellt.
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Auch bei dem Energiespeicher 400 sorgt eine Dichtungseinrichtung 140 dafür, dass giftige Substanzen, welche bei einem ausreichend hohen Überdruck aus einer Entlastungsöffnung 126 einer Energiespeicherzelle 120 austreten, lediglich in ein (zweites) Raumvolumen dringen können, welches sich in 4 unterhalb der Dichtungseinrichtung 140 befindet.
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5 zeigt eine Frontansicht eines elektrischen Energiespeichers 500 mit einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen, welche mittels einer Luftkühlung gekühlt werden. Im Vergleich zu dem in 4 dargestellten Energiespeicher 400 weist der Energiespeicher 500 anstelle der beiden Kühlflüssigkeitsöffnungen 468 einen Kühlkanal 552 auf, über den Kühlluft in nicht dargestellter Weise in einen erstes Raumvolumen 142 einströmen und nach einer Kühlung von Energiespeicherzellen 120 aus dem ersten Raumvolumen 142 wieder ausströmen kann. Die Dichtungseinrichtung 140 sorgt auch hier dafür, dass das erste Raumvolumen 142, welches beispielsweise direkt oder indirekt mit einer Fahrgastzelle verbunden sein kann, von dem zweiten Raumvolumen 144 getrennt ist, in welches sich nach einem definierten Öffnen einer Energiespeicherzelle über die entsprechende Entlastungsöffnung 126 giftige Substanzen entleeren können.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Elektrischer Energiespeicher
- 110
- Gehäuse
- 122
- Öffnung
- 120
- Energiespeicherzelle
- 126
- Entlastungsöffnung
- 130
- elektrische Verbindung
- 140
- Dichtungseinrichtung
- 142
- erstes Raumvolumen
- 144
- zweites Raumvolumen
- 150
- Strömung von Kühlluft
- 220
- Energiespeicherzelle
- 222
- Umhüllung / Gehäuse
- 223
- Versiegelungsbereich / Verklebungsbereich / Siegelnaht
- 225
- Anschlusselement
- 300
- Elektrischer Energiespeicher
- 341
- Dichtelement
- 360
- Trägerstruktur
- 362
- Grundkörper
- 364
- Trägerelement / Sockelabschnitt
- 366
- Trägerelement / Stegabschnitt
- 370
- Sammelvolumen
- 400
- Elektrischer Energiespeicher
- 468
- Kühlflüssigkeitseingang / Kühlflüssigkeitsausgang
- 469
- Befestigungsbohrung
- 500
- Elektrischer Energiespeicher
- 552
- Kühlkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0253026 A1 [0006]
