DE102012222689A1

DE102012222689A1 - Energiespeicher mit Zellaufnahme

Info

Publication number: DE102012222689A1
Application number: DE201210222689
Authority: DE
Inventors: Ilonka Maier; Sven Robert Raisch; Dirk Schmiederer; Maximilian Bader
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-06-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher (10). Um eine verbesserte Temperierung bereitzustellen, umfasst der Energiespeicher (10) wenigstens eine elektrochemische Zelle (12, 14) mit einem Zellraum (16) zum zumindest teilweisen Aufnehmen einer Anode und einer Kathode und einem den Zellraum (16) zumindest teilweise von der äußeren Umgebung trennenden Zellgehäuse (18), wobei ferner eine Zellaufnahme (20) zum Aufnehmen wenigstens einer Zelle (12, 14) vorgesehen ist, welche Zellaufnahme (20) zumindest teilweise aus einem wärmeleitenden und insbesondere elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist, und welche Zellaufnahme (20) das Zellgehäuse (18) stirnseitig und zumindest teilweise wandseitig kontaktierend angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Energiespeicher aufweisend eine Zellaufnahme zum Aufnehmen wenigstens einer Zelle.
Stand der Technik
Energiespeicher, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, sind in vielen täglichen Anwendungen weit verbreitet. Sie werden beispielsweise in Computern, wie etwa Laptops, Mobiltelefonen, Smartphones und bei anderen Anwendungen eingesetzt. Auch bei der zur Zeit stark vorangetriebenen Elektrifizierung von Fahrzeugen, wie etwa Kraftfahrzeugen, bieten derartige Batterien Vorteile.
Lithium-Ionen-Zellen, beispielsweise, weisen herkömmlicherweise eine metallische Hülle, beispielsweise aus Aluminium auf. Üblicherweise werden mehrere, beispielsweise sechs bis zwanzig, dieser Zellen zu einem Batteriemodul verbaut, wobei wiederum mehrere, beispielsweise drei oder mehr, dieser Batteriemodule zu einem Batteriepack verbaut werden können.
Zum Zweck der Temperierung werden die Batteriemodule beziehungsweise Batteriepacks meist auf einer metallischen Kühlplatte montiert. Um einen Kurzschluss zwischen den Zellen und der metallischen Kühlplatte zu vermeiden, wird dabei zwischen den Zellen und der metallischen Platte ein elektrischer Isolator angebracht.
Aus dem Dokument DE 10 2010 001 033 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, welches eine Mehrzahl von Batterien umfasst, wobei zwischen den einzelnen Batterien Wärmespeicherplatten angeordnet sind und wobei die Batterien auf einer Bodenplatte aufgestellt sind, durch welche die Batterien kühlbar sind.
Aus dem Dokument DE 10 2011 002 415 A1 ist ferner eine Temperierplatte für eine galvanische Zelle bekannt. Eine derartige Temperierplatte ist insbesondere Teil eines Zellgehäuses, wie beispielsweise der Deckel eines Zellgehäuses.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Energiespeicher, umfassend wenigstens eine elektrochemische Zelle mit einem Zellraum zum zumindest teilweisen Aufnehmen einer Anode und einer Kathode und einem den Zellraum zumindest teilweise von der äußeren Umgebung trennenden Zellgehäuse, wobei ferner eine Zellaufnahme zum Aufnehmen wenigstens einer Zelle vorgesehen ist, welche Zellaufnahme zumindest teilweise aus einem wärmeleitenden und insbesondere elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist, und welche Zellaufnahme das Zellgehäuse stirnseitig und zumindest teilweise wandseitig kontaktierend angeordnet ist.
Ein Energiespeicher kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere jegliche Batterie sein. Insbesondere kann ein Energiespeicher ein elektrochemischer Energiespeicher und neben einer Primär-Batterie vor allem eine Sekundär-Batterie, also ein wieder aufladbarer Akkumulator, sein. Ein Energiespeicher kann dabei eine Zelle, wie insbesondere ein galvanisches Element oder eine Mehrzahl an untereinander verbundenen galvanischen Elementen umfassen. Beispielsweise kann ein Energiespeicher einen lithiumbasiertern Energiespeicher wie etwa eine Lithium-Ionen-Batterie umfassen. Dabei kann unter einem lithiumbasierten Energiespeicher wie etwa einer Lithium-Ionen Batterie insbesondere ein derartiger Energiespeicher verstanden werden, dessen elektrochemische Prozesse während eines Lade- beziehungsweise Entladevorgangs zumindest teilweise auf Lithiumionen basieren.
Unter einem Zellraum kann ferner im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Raum verstanden werden, in dem die Anode, die Kathode, ein zwischen Anode und Kathode angeordneter Separator sowie ein Elektrolyt vorliegen beziehungsweise angeordnet sind. Somit ist der Zellraum insbesondere ein derartiger Raum, in dem die für einen Lade- beziehungsweise Entladevorgang des Energiespeichers ablaufenden elektrochemischen Prozesse zumindest teilweise stattfinden. Grundsätzlich kann als in einem Zellraum angeordnetes galvanisches Element beziehungsweise als Batteriezelle eine auch als Jelly Roll bezeichnete Anordnung aus Elektrodenmaterialien, also Anode beziehungsweise Kathode, Aktivmaterial, Elektrolyt und gegebenenfalls Separator vorgesehen sein. Ein den Zellraum zumindest teilweise begrenzendes Gehäuse kann dabei insbesondere direkt den Zellraum begrenzen, also rein beispielhaft als Wand des Zellraums ausgestaltet sein.
Die äußere Umgebung kann ferner beispielsweise die den Energiespeicher umgebende Atmosphäre, also insbesondere die den Energiespeicher umgebende Luft oder an den Energiespeicher angrenzende Bauteile oder die sich in einem Zellstapel befindliche Atmosphäre sein.
Unter einer Zellaufnahme zum Aufnehmen wenigstens einer Zelle kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Bauteil verstanden werden, welches die Zelle beziehungsweise das Zellgehäuse zumindest teilweise umschließt und dabei die Zelle beziehungsweise das Zellgehäuse kontaktierend angeordnet ist. Dabei soll ein kontaktierendes Anordnen im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl das Bereitstellen eines unmittelbaren Kontakts zwischen der Zelle beziehungsweise dem Zellgehäuse und der Zellaufnahme verstanden werden, wie auch gleichermaßen eines indirekten Kontakts, etwa mit einem geeigneten Medium zwischen der Zelle und Zellaufnahme. Ein Kontakt kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein für eine Wärmeleitung geeigneter Kontakt sein. In anderen Worten soll durch ein Kontaktieren von der Zelle beziehungsweise von dem Zellgehäuse mit der Zellaufnahme das Ausbilden eines Wärmeflusses ermöglicht beziehungsweise ein vorteilhafter Wärmeleitpfad ausgebildet werden.
Ein wärmeleitendes Material kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Material sein, welches eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die in einem Bereich von größerer oder gleich 0,2 W/m·K, insbesondere in einem Bereich von größerer oder gleich 0,5 W/m·K, liegt.
Ein elektrisch isolierendes Material kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Material sein, welches einen elektrischen Oberflächenwiderstand aufweist, der in einem Bereich von größer oder gleich 10^12 Ohm liegt
Ein wie vorstehend beschrieben ausgestalteter Energiespeicher kann es auf besonders vorteilhafte Weise ermöglichen, auf kostengünstige Weise ein Temperieren, also ein Zu- oder Abführen von Wärme von einer Zelle oder einer Mehrzahl von Zellen zu verbessern. Dabei können die genannten Vorteile, welche im weiteren weitestgehend für eine Kühlung genannt sind, gleichfalls für ein Heizen einer Zelle vorteilhaft sein, ohne dass gesondert darauf hingewiesen wird.
Im Detail kann ein vorbeschriebener Energiespeicher wenigstens eine elektrochemische Zelle mit einem Zellraum zum zumindest teilweisen Aufnehmen einer Anode und einer Kathode und einem den Zellraum zumindest teilweise von der äußeren Umgebung trennenden Zellgehäuse umfassen. Dabei kann der Energiespeicher beispielsweise ein lithiumbasierter Energiespeicher, wie etwa eine Lithium-Ionen-Batterie, sein. Die Anode und die Kathode können grundsätzlich in an sich bekannter Weise wie für einen Energiespeicher bekannt ausgestaltet sein. Für den rein beispielhaften Fall einer Lithium-Ionen-Batterie kann die Anode eine Elektrode sein, welche metallisches Lithium umfasst oder Lithium interkallieren kann. Die Kathode kann dabei beispielhaft NMC oder Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO₂) aufweisen. Dabei kann das Kathodenmaterial gegebenenfalls in einem Binder, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF) etwa zusammen mit einem Leitzusatz, wie etwa einer elektrisch leitfähigen Kohlenstoffverbindung, beispielsweise Graphit, vorliegen. Der Elektrolyt kann ein Lösungsmittel umfassen, in dem ein oder mehrere elektrisch leitfähige Salze gelöst sind. Beispielsweise können aprotische Lösungsmittel, wie beispielsweise Ethylencarbon, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat oder Diethylcarbonat Verwendung finden. Weiterhin kann als elektrisch leitfähiges Salz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) verwendet werden.
Weiterhin kann zwischen Anode und Kathode in an sich bekannter Weise ein Separator angeordnet sein, um die Anode und die Kathode räumlich voneinander zu trennen, um insbesondere einen Kurzschluss zu verhindern. Der Separator kann dabei beispielsweise umfassen oder ausgebildet sein aus insbesondere porösen Kunststofffolien, Glasfasergeweben, oder auch insbesondere porösen Keramikwerkstoffen, wie etwa Keramikgeweben. Dabei kann der Elektrolyt beispielsweise innerhalb des Separators beziehungsweise Poren des Separators angeordnet sein.
Der wenigstens eine Zellraum ist dabei von der äußeren Umgebung zumindest teilweise, insbesondere vollständig, durch ein Gehäuse getrennt. Das Gehäuse kann insbesondere ein an sich bekanntes metallisches Zellgehäuse sein, welches den Zellraum, also insbesondere das Innere der Zelle beispielsweise luftdicht umschließen kann.
Dabei ist ferner eine Zellaufnahme zum Aufnehmen wenigstens einer Zelle vorgesehen. Die Zellaufnahme kann somit dazu dienen, die Zelle insbesondere wärmeleitend zu kontaktieren. Um dies zu realisieren, ist die Zellaufnahme insbesondere aus einem wärmeleitenden Material ausgebildet. Dabei kann die Zellaufnahme vollständig aus einem wärmeleitenden Material ausgebildet sein, oder die Zellaufnahme kann nur teilweise aus einem wärmeleitfähigen Material ausgebildet sein. Beispielsweise können Wärmeleitkanäle vorgesehen sein, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und dazu ausreichen, die Zelle ausreichend zu temperieren. Diese Wärmeleitkanäle können beispielsweise in einer Matrix vorgesehen sein, welche nicht zwingend aus einem wärmeleitfähigen Material ausgestaltet sein muss. Vorteilhafter Weise und für eine besonders gute Wärmeleitung kann jedoch die gesamte Zellaufnahme aus einem Material bestehen, welches wärmeleitfähig ist.
Weiterhin ist die Zellaufnahme das Zellgehäuse stirnseitig und zumindest teilweise wandseitig kontaktierend ausgestaltet beziehungsweise angeordnet. Dies kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass das Zellgehäuse an seiner Stirnseite insbesondere vollständig die Zellaufnahme kontaktierend angeordnet ist, und ferner wenigstens ein Wandbereich, also beispielsweise ein zu der Stirnseite im Wesentlichen rechtwinklig angeordnetes Teil des Zellgehäuses, ebenfalls die Zellaufnahme zumindest teilweise, also etwa lokal begrenzt, kontaktierend angeordnet ist. Dabei kann der wandseitig kontaktierende Bereiche mit dem stirnseitig kontaktierenden Bereich verbunden sein, als die entsprechende Kante umschließen. Dadurch kann zum einen ein besonders guter thermischer Kontakt realisierbar sein, so dass ein besonders effektiver Wärmeleitpfad bereitgestellt werden kann. Dabei kann eine effektive thermische Kontaktierung somit nicht nur an glatten Wandbereichen sondern vielmehr auch an Kanten des Zellgehäuses realisierbar sein. Dies kann insbesondere deshalb von Vorteil sein, da insbesondere an den Kanten eines Zellgehäuses eine hohe Temperatur und/oder ein hoher Wärmestrom auftreten kann und somit insbesondere hier eine effektive Temperierung von Nutzen ist. Dadurch kann eine besonders effektive Temperierung der wenigstens einen Zelle realisierbar sein, was beispielsweise die Lebensdauer eines Energiespeichers signifikant erhöhen kann.
Ferner kann so beispielsweise eine stabile Befestigung der Zelle an der Zellaufnahme realisierbar sein. Somit kann die Zellaufnahme beispielsweise neben der Funktion als Wärmeleitmedium zusätzlich eine mechanische Fixierung bereitstellen, so dass auf weitere Fixierungsmittel verzichtet werden kann. Insbesondere durch eine Zellaufnahme kann ein besonders einfaches, schnelles und kostengünstiges Herstellungsverfahren möglich sein. Hierdurch kann wiederum das Herstellungsverfahren eines Energiespeichers vereinfacht werden und somit der Energiespeicher kostengünstig herstellbar sein.
Ein Wandbereich der Zelle beziehungsweise des Zellgehäuses kann dabei die Seite der Zelle sein, welche beispielsweise benachbart zu weiteren nebeneinander angeordneten Zellen und/oder parallel zu diesen, angeordnet ist. Die Stirnseite der Zelle beziehungsweise des Zellgehäuses kann dabei insbesondere der Boden beziehungsweise der Deckel des Zellgehäuses sein. Stirnseitig kann daher im Sinne der vorliegenden Erfindung beispielsweise bedeuten bodenseitig oder deckelseitig.
Darüber hinaus kann die Zellaufnahmeinsbesondere aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet sein. Durch das Vorsehen eines elektrisch isolierenden Materials kann eine ausreichende elektrische Abkopplung der Zelle von weiteren Bauteilen des Energiespeichers beziehungsweise eines mit dem Energiespeicher ausgestatteten Bauteils realisierbar sein. Somit kann die Zellaufnahme dazu dienen, einen Kurzschluss zwischen der wenigstens einen Zelle und weiteren Bauteilen des Energiespeichers, insbesondere weiteren nicht als Zelle ausgestalteten Bauteilen, zu vermeiden. Ein zusätzlicher elektrischer Isolator, welcher insbesondere zwischen der Zelle und der Zellaufnahme angeordnet ist, ist somit nicht erforderlich. Dadurch kann der Fertigungsaufwand eines Energiespeichers signifikant reduziert werden. Darüber hinaus kann durch die fehlende Notwendigkeit weiterer Isolierungsmaterialien insbesondere an dem Stirnbereich zugewandten Bereich des Energiespeichers das Gesamtgewicht des Energiespeichers gesenkt werden, was eine Leistungsdichte des Systems verbessern kann. Weiterhin kann so der Vorteil erreicht werden, dass der Wärmeleitpfad zwischen einem Zellgehäuse und einem Kühlmedium besonders effektiv ausgestaltet ist, und nicht durch zusätzlich angebrachte Beschichtungen, beispielsweise Wickelbeschichtungen und/oder Lackierungen aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff negativ beeinflusst wird.
Aus dem Vorstehenden und auch den nachfolgenden Weiterbildungen eines vorbeschriebenen Energiespeichers wird ersichtlich, dass ein derartiger Energiespeicher einen verbesserten Wärmeleitpfad bei kostengünstiger Herstellung und ferner insbesondere guter elektrischer Isolierung aufweisen kann.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kontaktiert die Zellaufnahme die wenigstens eine Zelle nur an einem Stirnbereich kontaktieren. In dieser Ausgestaltung kann unter dem Stirnbereich beispielsweise ein der Stirnseite benachbarter Bereich der Zelle beziehungsweise des Zellgehäuses, verstanden werden. Somit erstreckt sich der Stirnbereich zusätzlich zu der strikt stirnseitigen Kontaktierung ferner nur auf die vorhandenen zu der Stirnseite benachbart angeordneten Wandbereiche. Im Sinne der Erfindung ist der Stirnbereich dabei insbesondere ein Bereich, der kleiner oder gleich der Hälfte der Wandhöhe, also beispielsweise der Entfernung von Gehäuseboden zu Gehäusedeckel, ist. Insbesondere kann der Stirnbereich dabei ein Bereich sein, der kleiner oder gleich einem Drittel der Wandhöhe ist. In dieser Ausgestaltung kann bereits eine sichere und stabile Befestigung der Zelle in der Zellaufnahme gewährleistet sein, so dass eine hohe Stabilität gegeben ist. Darüber hinaus ist der Wärmeleitpfad ausreichend ausgebildet, um eine effektive Temperierung der Zelle sicherzustellen. Dabei ist jedoch nur wenig Material der Zellaufnahme notwendig, so dass weiteres Gewicht eingespart werden kann und ferner eine besonders kostengünstige Herstellung möglich sein kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Zellaufnahme die wenigstens eine Zelle wandseitig umschließend kontaktieren. In dieser Ausgestaltung kann somit zusätzlich zu einer vollständigen stirnseitigen Kontaktierung eine zusätzliche Kontaktierung an sämtlichen vorhandenen Zellwänden realisierbar sein. Dabei können beispielsweise bei einem quaderförmigen Zellgehäuse sämtliche Wände, beispielsweise am Stirnbereich, die Zelle umrahmend kontaktiert werden, oder bei einem zylindrischen Gehäuse, beispielsweise der gesamte Umfang, gegebenenfalls nur am Stirnbereich. Dadurch kann eine besonders stabile Verbindung von einer Zelle zu der Zellaufnahme realisiert werden, was den gesamten Energiespeicher besonders stabil gestalten kann. Darüber hinaus kann in dieser Ausgestaltung ein besonders ausgedehnter und effektiver Wärmeleitpfad realisiert werden, was eine Temperierung der Zelle, wie auch insbesondere der stirnseitigen Randbereiche, besonders effektiv gestalten kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Zellaufnahme zur Verbesserung der Temperierung wenigstens eine Temperierstruktur aufweisen. Beispielsweise kann die Zellaufnahme einen oder mehrere Temperiermittelkanäle zum Führen eines Temperiermittels durch die Zellaufnahme und/oder eine oder mehrere Temperierrippen zum Abführen von Wärme umfassen. In dieser Ausgestaltung kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die, beispielsweise beim Laden entstehende, Wärme nicht mehr erst von der Zellhülle in den elektrischen Isolator und von dort wiederum an eine Kühlplatte übertragen werden muss, sondern, dass die Wärmeübertragung stattdessen von der Zellhülle oder sogar der Zelle selbst direkt an die Zellaufnahme und damit weiter gegebenenfalls an das Temperier- beziehungsweise Kühlmittel erfolgen kann. Ferner kann auf das Vorsehen weiterer Kühleinheiten wie beispielsweise Kühlplatten verzichtet werden. So kann vorteilhafterweise der Widerstand des Wärmeleitpfads deutlich gesenkt und das Gewicht reduziert werden. Ferner kann eine besonders kostengünstige Herstellung ermöglicht werden. Grundsätzlich kann es sich bei dem Temperiermittel um ein flüssiges, gasförmiges oder festes Temperiermittel handeln. Insbesondere kann das Temperiermittel ein flüssiges oder gasförmiges Temperiermittel sein. Dabei kann die Zellaufnahme mindestens einen Temperiermitteleinleitungsanschluss zum Einleiten eines flüssigen oder gasförmigen Temperiermittels in den oder die Temperiermittelkanäle und mindestens einen Temperiermittelableitungsanschluss zum Ableiten des flüssigen oder gasförmigen Temperiermittels aus dem oder den Temperiermittelkanälen umfassen.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann eine Temperiereinheit zum Zuführen von Wärme zu der Zellaufnahme oder zum Abführen von Wärme von der Zellaufnahme vorgesehen sein, wobei die Temperiereinheit die Zellaufnahme wärmeleitend kontaktierend angeordnet ist. Unter einer Temperiereinheit kann im Sinne der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen jegliche Einheit verstanden werden, die dazu geeignet ist, Wärme von der oder zu der Zellaufnahme und damit der Zelle, insbesondere von dem Zellgehäuse oder zu dem Zellgehäuse, zu führen. Insbesondere kann unter einer Temperiereinheit eine Kühleinheit wie beispielsweise eine Kühlplatte verstanden werden, welche die Zellaufnahme wärmeleitend kontaktierend angeordnet ist. Die Temperiereinheit kann dabei insbesondere aus einem wärmeleitfähigen Material ausgestaltet sein, wie beispielsweise aus einem Metall oder einem wärmeleitenden Kunststoff. Ferner können auch in der Temperiereinheit, insbesondere in der Kühlplatte, Temperierstrukturen, wie beispielsweise Temperiermittelkanäle, Turbulatoren oder Kühlrippen vorgesehen sein, um eine besonders effektive Temperierung zu ermöglichen. Grundsätzlich kann somit in dieser Ausgestaltung eine besonders effektive Temperierung und damit unter anderem die Abführung von Wärme von der Zelle deutlich verbessert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Zellaufnahme zum Aufnehmen einer Vielzahl von Zellen ausgestaltet sein. Im Rahmen dieser Ausführungsform des Energiespeichers ist die Zellaufnahme zur Aufnahme und Temperierung von zwei oder mehr galvanischen Zellen, insbesondere den galvanischen Zellen eines Batteriemoduls, beispielsweise von größer oder gleich 4 bis kleiner oder gleich 20, zum Beispiel von größer oder gleich 6 bis kleiner oder gleich 18, galvanischen Zellen, ausgelegt. Dies hat den Vorteil, dass die einzelnen Batteriemodule individuell zusammengestellt und an den zur Verfügung stehenden Raum angepasst angeordnet werden können, was beim Einsatz von einer gemeinsamen Zellaufnahme für einen ganzes Batteriestapel aus mehreren Batteriemodulen nicht möglich ist. Darüber hinaus kann in dieser Ausgestaltung ein besonders kostengünstiges Herstellungsverfahren des Energiespeichers möglich sein. Ferner kann eine besonders gute Temperierung der Zellen ermöglicht werden und dabei ferner die Stabilität des Energiespeichers verbessert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die wenigstens eine Zelle in der Zellaufnahme durch Kraftschluss oder durch Stoffschluss oder durch Formschluss befestigt sein, wobei eine oder eine Mehrzahl derartiger Verbindungsformen möglich sein kann. In dieser Ausgestaltung kann ein besonders einfaches Herstellungsverfahren ermöglicht werden, da auf zusätzliche Befestigungsmittel insbesondere vollständig verzichtet werden kann. Daher kann ein Energiespeicher in dieser Ausgestaltung besonders kostengünstig herstellbar sein und dabei dennoch sehr stabil ausgestaltet sein.
Bezüglich einer kraftschlüssigen Verbindung kann diese beispielsweise ausgebildet werden, indem ein Aufnahmeraum der Zellaufnahme mit einem definierten Untermaß, ausgestaltet ist, also der Aufnahmeraum der Zelleaufnahme definiert kleinere Ausmaße aufweist, als die entsprechende Zelle. Somit kann die wenigstens eine Zelle in dem Aufnahmeraum beispielsweise durch bloßes Einstecken positioniert werden und dabei durch die Kraft des den Aufnahmeraum umgrenzenden Materials sicher und stabil fixiert werden. Da das Material somit mit einer bestimmten Kraft auf die Zelle presst, kann ein besonders inniger Kontaktbereich und damit ein besonders effektiver Wärmeleitpfad ermöglicht werden. Beispielsweise kann bei der Montage das Material der Zellaufnahme definiert erwärmt werden, um dieses so gezielt lokal verformbar zu gestalten, was zu einem großflächigen Kraftschluss führen kann. Beispielsweise in dieser Ausgestaltung kann die Zellaufnahme somit beispielsweise aus einem thermoplatischen Polymer geformt, beispielsweise spritzgegossen beziehungsweise abgeformt sein.
Die durch das Einstecken der Zellen auftretenden Spannungen in der Zellaufnahme können etwa durch eine Temperaturbehandlung und den resultierenden beschleunigten Kriechvorgang beispielsweise in einem thermoplastischen Polymer reduziert werden. Dabei kann ferner ein besonders inniger Kontakt zwischen der Zellaufnahmen und der Zelle beziehungsweise dem Zellgehäuse ermöglicht werden. Grundsätzlich kann in dieser Ausgestaltung ein sehr geringer Wärmeübergangswiderstand erzielbar sein. Beispielsweise in dieser Ausgestaltung kann somit verhindert werden, dass aufgrund der potentiell geringen mechanischen Flexibilität und der potentiell fertigungsbedingten Unebenheit sowohl des Zellbodens als auch gegebenenfalls und materialabhängig der Zellaufnahme beim Aufbringen der Zellen ein vollflächiger Kontakt nur begrenzt möglich ist. Insbesondere in dieser Ausgestaltung dagegen kann eine vollflächige Kontaktierung von Zelle und Zellaufnahme realisiert werden, was zu einer Vergrößerung der zur Wärmeübertragung vorhandenen nutzbaren Fläche und daher zu einer besonders effizienten und homogenen Temperierung der Zelle erlaubt.
Ferner kann eine stoffschlüssige Verbindung ebenfalls durch ein zumindest lokales Erhitzen des Materials der Zellaufnahme und/oder des Materials des Gehäuses oder eines anderen an der Zelle angeordneten Materials erreicht werden. Beispielsweise können das Material der Zelle beziehungsweise das Material der Zellaufnahme über deren Schmelzpunkt erhitzt werden, was nach Abkühlen zu einer stabilen stoffschlüssigen Verbindung führen kann. Auch durch eine derartige Verbindung von Zelle zu Zellaufnahme kann ein eine stabile Verbindung bereitgestellt werden, die ferner einen besonders niedrigen Wärmeübergangswiderstand aufweisen kann. Auch in dieser Ausgestaltung kann somit verhindert werden, dass aufgrund der potentiell geringen mechanischen Flexibilität und der potentiell fertigungsbedingten Unebenheit sowohl des Zellbodens als auch gegebenenfalls und materialabhängig der Zellaufnahme beim Aufbringen der Zellen ein vollflächiger Kontakt nur begrenzt möglich ist. Auch in dieser Ausgestaltung kann dagegen eine vollflächige Kontaktierung von Zelle und Zellaufnahme realisiert werden, was zu einer Vergrößerung der zur Wärmeübertragung vorhandenen nutzbaren Fläche und daher zu einer besonders effizienten und homogenen Temperierung der Zelle führen kann.
Bezüglich des Formschlusses kann beispielsweise an der Zellaufnahme ein Hinterschnitt vorgesehen sein, hinter welchem die Zelle einrastet oder umgekehrt.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Zellaufnahme wenigstens einen Aufnahmebereich aufweisen, der mit einem Übermaß ausgeformt ist, wobei ein weiteres Wärmeleitmedium, also ein zusätzlich zu der Zellaufnahme vorgesehenes, zwischen der wenigstens einen Zelle und der Zellaufnahme vorgesehen ist. Unter einem Übermaß ist dabei zu verstehen, dass die Dimensionen des Aufnahmeraums definiert größer sind, als die Dimensionen der in dem Aufnahmeraum angeordneten Zelle. In dieser Ausgestaltung kann die wenigstens eine Zelle in die Zellaufnahme wiederum durch bloßes Einstecken positioniert werden. Dabei kann ferner ein Wärmeleitmedium vorgesehen sein, welches zwischen der Zelle und der Zellaufnahme angeordnet ist. Dies kann in für den Fachmann verständlicher Weise nur lokal begrenzt oder vollständig vorgesehen sein, also den gesamten Kontaktbereich abdecken. Das Wärmeleitmedium kann dabei zum Einen die Aufgabe erfüllen, eine stabile Haftung der Zelle an der Zellaufnahme zu gewährleisten, wie beispielsweise als ein Klebstoff zu wirken. Ferner kann das Wärmeleitmedium dazu dienen, einen besonders innigen Kontakt zwischen Zelle und Zellaufnahme bereitzustellen. Auch in dieser Ausgestaltung kann somit verhindert werden, dass aufgrund der potentiell geringen mechanischen Flexibilität und der potentiell fertigungsbedingten Unebenheit sowohl des Zellbodens als auch gegebenenfalls und materialabhängig der Zellaufnahme beim Aufbringen der Zellen ein vollflächiger Kontakt nur begrenzt möglich ist. Insbesondere in dieser Ausgestaltung dagegen kann eine vollflächige Kontaktierung von Zelle und Zellaufnahme realisiert werden, was eine Vergrößerung der zur Wärmeübertragung vorhandenen nutzbaren Fläche und daher eine besonders effiziente und homogene Temperierung der Zelle erlaubt. Dies gilt wiederum insbesondere für die Kanten des Gehäusebodens, da hier Konstruktionsbedingt eine besonders große Wärmemenge abzuführen ist. Da das Wärmeleitmedium ferner im Wesentlichen zum Toleranzausgleich und nicht zur elektrischen Isolation eingesetzt wird, kann diese/r sehr dünn ausgebildet sein, so dass das das Gesamtgewicht der Anordnung nicht wesentlich erhöht wird und ein geringer Wärmewiderstand vorliegt. Ferner kann das Wärmeleitmedium beispielsweise vor dem Einfügen der Zelle in der Zellaufnahme beziehungsweise deren Aufnahmebereich angeordnet werden.
Beispielsweise kann als Wärmeleitmedium ein Wärmeleitkleber, wie etwa der unter der Handelsbezeichnung Q1-9226 von der Firma Dow Corning Erhältliche, und/oder eine Wärmeleitfolie Verwendung finden, etwa aus einem wärmeleitfähig modifizierten Elastomer beziehungsweise thermoplastischen Elastomer, welche/r zwischen der Zelle und der Zellaufnahme angeordnet ist. So kann vorteilhafterweise die Wärmeableitung verbessert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Zellaufnahme zumindest teilweise aus einem Material ausgestaltet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polyphenylensulfid, Polycarbonat. Derartige Materialien können eine vorteilhafte elektrische Isolationsfähigkeit aufweisen und ferner eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, welche für Anwendungen mit geringer Hitzeentwicklung, beispielsweise, und somit einem geringen Bedarf an Temperierung ausreicht. Als beispielhafte Anwendung sei hier ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug genannt. In dieser Ausgestaltung kann die Zellaufnahme ferner besonders einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann mindestens ein zur Temperierung vorgesehener Abschnitt der Zellaufnahme aus einem Kunststoffcompound ausgebildet sein, welcher mindestens ein Additiv zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit umfasst. In dieser Ausgestaltung kann eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit beziehungsweise Wärmeleitfähigkeit ermöglicht werden, weshalb die Zellaufnahme insbesondere in dieser Ausgestaltung auch für stark zu temperierende Zellen geeignet ist.
Unter einem Kunststoffcompound kann im Sinn der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Verbundstoff verstanden werden, welcher neben einem oder mehreren Grundpolymeren, wie etwa Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polyphenylensulfid oder Polycarbonat, mindestens ein Additiv zur Modifizierung der Grundpolymereigenschaften umfasst.
Unter einem Additiv zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit kann im Sinn der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Additiv verstanden werden, welches die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffcompounds, bezogen auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffcompounds ohne das wärmeleitfähigkeitserhöhende Additiv, erhöht.
Vorzugsweise ist der mindestens eine zur Wärmeableitung vorgesehene und gegebenenfalls temperierkanalbegrenzende Abschnitt aus einem Kunststoffcompound ausgebildet, welcher, gemessen bei 20 °C Umgebungstemperatur und 50 % Luftfeuchte, eine spezifische Wärmeleitfähigkeit λ, von größer oder gleich 0,2 W / (m∙K), etwa von größer oder gleich 0,5 W / (m∙K), insbesondere von größer oder gleich 0,7 W / (m∙K), beispielsweise von größer oder gleich 1 W / (m∙K), und einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ von größer oder gleich 1∙10^–5 Ω∙m, insbesondere von größer oder gleich 1∙10^–1 Ω∙m, beispielsweise von größer oder gleich 1∙10^–4 Ω∙m, aufweist.
Vorzugsweise weist das Additiv zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit, gemessen bei 20 °C Umgebungstemperatur und 50 % Luftfeuchte, eine spezifische Wärmeleitfähigkeit λ, von größer oder gleich 10 W / (m∙K), insbesondere von größer oder gleich 20 W / (m∙K), beispielsweise von größer oder gleich 50 W /(m∙K), und/oder einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ von größer oder gleich 1∙10^–5 Ω∙m, insbesondere von größer oder gleich 1∙10^–1 Ω∙m, beispielsweise von größer oder gleich 1∙10^–4 Ω∙m, auf.
Beispielsweise kann das Additiv zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit ein keramisches Material sein. Zum Beispiel kann das Additiv zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit Bornitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Magnesiumoxid, Glasfasern, oder eine Kombination davon sein.
Vorzugsweise ist dabei mindestens ein Abschnitt der Zellaufnahme, welcher zur Wärmeableitung vorgesehen ist und welcher an mindestens eine Temperierstruktur zumindest teilweise angrenzt und/oder mindestens eine Temperierstruktur zumindest teilweise ausbildet, aus einem Kunststoffcompound ausgebildet, welcher mindestens ein Additiv zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit umfasst. Insbesondere kann der mindestens eine zur Wärmeableitung vorgesehene, aus einem wärmeleitfähigkeitsadditivierten Kunststoffcompound ausgebildete Abschnitt der Zellaufnahme an die mindestens eine Temperierstruktur zumindest teilweise angrenzen und/oder die mindestens eine Temperierstruktur zumindest teilweise ausbilden.
Alternativ können definierte Wärmeleitkanäle vorgesehen sein, welche von der Zelle beispielsweise zu einer Temperiereinheit, wie beispielsweise zu einer Kühlplatte verlaufen, aus einem Kunststoffcompound ausgebildet sein, welcher mindestens ein Additiv zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit umfasst.
Beispiele und Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Beispiele und Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Beispiele und Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische Schnittansicht durch einen Bereich einer Ausführungsform eines Energiespeichers gemäß der Erfindung; und
2 eine schematische Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß 1.
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Teilbereichs eines Energiespeichers 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein derartiger Energiespeicher 10 kann grundsätzlich jegliche Art von Energiespeicher 10 sein, insbesondere eine Batterie, wie etwa ein wieder aufladbarer Akkumulator. Beispielsweise kann der Energiespeicher 10 ein Lithium-Ionen-Akkumulator sein. Mögliche Anwendungsgebiete umfassen hierbei elektrisch angetriebene Fahrzeuge, Computer, wie etwa Laptops, Mobiltelefone, Smartphones, elektrische Werkzeuge und weitere Anwendungen, wie beispielsweise vollständig elektrisch angetriebene Fahrzeuge (EV) oder teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge (Hybridfahrzeuge, PHEV).
Im Detail ist in 1 ein Teil des Energiespeichers 10 gezeigt. Ein derartiger Energiespeicher 10 umfasst wenigstens eine, gemäß 1 wenigstens zwei, elektrochemische Zellen 12, 14 mit einem Zellraum 16 zum zumindest teilweisen Aufnehmen einer Anode und einer Kathode und einem den Zellraum 16 zumindest teilweise von der äußeren Umgebung trennenden Zellgehäuse 18, beispielsweise einem Aluminiumgehäuse. Die Zellen 12, 14 können beispielsweise elektrisch nicht isolierend ausgestaltet sein und/oder zur elektrischen Isolierung untereinander beispielsweise zwischen Kunststoffplatten oder Kunststofffolie und/oder einem Kunststoffgehäuse mit einzelnen Fächern lokalisiert sein. Ferner können zur elektrischen Isolation untereinander elektrisch isolierende Schrumpfschläuche um das Gehäuse 18 zumindest lokal begrenzt vorgesehen sein.
Ferner ist eine Zellaufnahme 20 zum Aufnehmen wenigstens einer Zelle 12, 14 vorgesehen. Gemäß 1 ist die Zellaufnahme 20 zum Aufnehmen einer Vielzahl von Zellen 12, 14 ausgestaltet. Dabei können die Zellen 12, 14 in der Zellaufnahme 20 bereits eine stabile Fixierung aufweisen, so dass diese stabil voneinander beabstandet sind und keine Isolationsmedien beziehungsweise zusätzliche Abstandshalter zwischen den Zellen 12, 14 notwendig sind. Um eine besonders große Stabilität zu erreichen können die Zellen jedoch durch insbesondere elektrisch isolierende Abstandshalter fixiert, wie etwa verspannt werden.
Dabei ist die Zellaufnahme 20 zumindest teilweise aus einem wärmeleitenden und ferner insbesondere elektrisch isolierenden Material ausgebildet. Beispielsweise ist die Zellaufnahme 20 einstückig ausgebildet und/oder zumindest teilweise aus einem Material ausgestaltet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polyphenylensulfid, Polycarbonat. Ferner kann mindestens ein zur Temperierung vorgesehener Abschnitt der Zellaufnahme 20 aus einem Kunststoffcompound ausgebildet sein, welcher mindestens ein Additiv zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit umfasst.
Weiterhin kann die Zellaufnahme 20 wenigstens eine Temperierstruktur aufweisen, die in der 1 nicht explizit gezeigt ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Temperiereinheit 22 zum Zuführen von Wärme zu der Zellaufnahme 20 oder zum Abführen von Wärme von der Zellaufnahme 20 vorgesehen sein, wobei die Temperiereinheit 22 die Zellaufnahme 20 wärmeleitend kontaktierend angeordnet ist. Gemäß 1 ist die Temperiereinheit 22 als Kühlplatte ausgestaltet.
Dabei kann die Zellaufnahme 20 durch ein Spritzgussverfahren und/oder ein Extrusionsverfahren und/oder ein Tiefziehverfahren und/oder ein kombiniertes Verfahren der aufgeführten Verfahren hergestellt sein. Durch die hohe Geometriefreiheit bei diesen Kunststoffverarbeitungen können die Temperierstrukturen, insbesondere Temperiermittelkanäle, oder auch elektrische Leitungen, elektrische Zellüberwachungen und elektrische Kontaktierungsstellen vorteilhafterweise ebenfalls in die Zellaufnahme 20 integriert werden können und deren Ausbildung in den Spritzgieß-, Extrusions- beziehungsweise Tiefziehzyklus integriert werden, so dass eine Verkürzung der Prozesskette erzielt werden kann
In der 1 ist ferner gezeigt, dass die Zellaufnahme 20 das Zellgehäuse 18 stirnseitig und zumindest teilweise wandseitig kontaktierend angeordnet ist. In der Ausgestaltung gemäß 1 ist ferner gezeigt, dass die Zellaufnahme 20 die Zellen 12, 14 nur an ihrem Stirnbereich 24 kontaktiert, wobei der Stirnbereich 24 insbesondere dem dem Boden 26 benachbarten Bereich entspricht.
Dabei können die Zellen 12, 14 in der Zellaufnahme 20 durch Kraftschluss oder durch Stoffschluss oder durch Formschluss befestigt sein. Ferner kann die Zellaufnahme 20 wenigstens einen Aufnahmebereich, also in der 1 einen durch die Zelle 12, 14 belegten Bereich, aufweisen, der mit einem Untermaß ausgeformt ist, und wobei ein Wärmeleitmedium zwischen der Zelle 12, 14 und der Zellaufnahme 20 vorgesehen ist.
In der 2 ist die Ausführungsform der 1 gezeigt, wobei entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind, weshalb bezüglich einer detaillierten Beschreibung auf die Beschreibung der 2 verwiesen wird. In der 2 ist ferner zu erkennen, dass die Zellaufnahme 20 die Zellen 12, 14 wandseitig umschließend kontaktiert
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010001033 A1 [0005]
DE 102011002415 A1 [0006]

Claims

Energiespeicher, umfassend wenigstens eine elektrochemische Zelle (12, 14) mit einem Zellraum (16) zum zumindest teilweisen Aufnehmen einer Anode und einer Kathode und einem den Zellraum (16) zumindest teilweise von der äußeren Umgebung trennenden Zellgehäuse (18), wobei ferner eine Zellaufnahme (20) zum Aufnehmen wenigstens einer Zelle (12, 14) vorgesehen ist, welche Zellaufnahme (20) zumindest teilweise aus einem wärmeleitenden und insbesondere elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist, und welche Zellaufnahme (20) das Zellgehäuse (18) stirnseitig und zumindest teilweise wandseitig kontaktierend angeordnet ist.
Energiespeicher nach Anspruch 1, wobei die Zellaufnahme (20) die wenigstens eine Zelle (12, 14) nur an einem Stirnbereich (24) kontaktiert.
Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zellaufnahme (20) die wenigstens eine Zelle (12, 14) wandseitig umschließend kontaktiert.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zellaufnahme (20) wenigstens eine Temperierstruktur aufweist.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Temperiereinheit (22) zum Zuführen von Wärme zu der Zellaufnahme (20) oder zum Abführen von Wärme von der Zellaufnahme (20) vorgesehen ist, wobei die Temperiereinheit (22) die Zellaufnahme (20) wärmeleitend kontaktierend angeordnet ist.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zellaufnahme (20) zum Aufnehmen einer Vielzahl von Zellen (12, 14) ausgestaltet ist.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die wenigstens eine Zelle (12, 14) in der Zellaufnahme (20) durch Kraftschluss oder durch Stoffschluss oder durch Formschluss befestigt ist.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zellaufnahme (20) wenigstens einen Aufnahmebereich aufweist, der mit einem Übermaß ausgeformt ist, und wobei ein weiteres Wärmeleitmedium zwischen der wenigstens einen Zelle (12, 14) und der Zellaufnahme (20) vorgesehen ist.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Zellaufnahme (20) zumindest teilweise aus einem Material ausgestaltet ist, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polyphenylensulfid, Polycarbonat.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mindestens ein zur Temperierung vorgesehener Abschnitt der Zellaufnahme (20) aus einem Kunststoffcompound ausgebildet ist, welcher mindestens ein Additiv zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit umfasst.