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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung, ein Verfahren zur Herstellung der Energiespeicheranordnung sowie einen Zellverbinder für die Energiespeicheranordnung.
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Energiespeicheranordnungen, insbesondere für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, setzen sich aus mehreren Speicherzellen zusammen. Die einzelnen Speicherzellen haben üblicherweise an ihrer Oberseite elektrische Anschlussmöglichkeiten. Diese elektrischen Anschlussmöglichkeiten werden als Stromabgriffe oder Anschlussterminals bezeichnet. Die einzelnen Speicherzellen werden durch lösbare oder unlösbare Verbindungen miteinander verschaltet. Aufgrund von Lade- und Entladevorgängen und ebenso durch thermisch aktivierte Vorgänge treten Relativbewegungen zwischen den Stromabgriffen auf. Infolge der Relativbewegungen treten Reaktionskräfte an den Stromabgriffen auf, die zu nachhaltiger Beschädigung der Speicherzellen führen können. Im Stand der Technik werden dünne Bleche zur Verbindung der Stromabgriffe eingesetzt. Alternativ dazu werden auch Kabel oder gebogene Vollquerschnitte verwendet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung, der erfindungsgemäße Zellverbinder sowie das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung ermöglichen eine biegeweiche Verbindung der Stromabgriffe verschiedener Speicherzellen in der Energiespeicheranordnung. Hierzu wird ein Ring aus gewickeltem Draht verwendet. Der Querschnitt des Rings ist frei wählbar und für jeden Anwendungsfall individuell und kostengünstig herstellbar. Durch die Verwendung des gewickelten Rings können die Relativbewegungen zwischen den Stromabgriffen in allen Raumrichtungen ausgeglichen werden. Die gewünschte Steifigkeit des Rings kann durch die Wahl des gewickelten Drahtes, insbesondere durch die Wahl der Form, des Querschnitt, des Durchmesser, des Material, der Drahtsorte sowie der Verbindung unter den Drähten, beeinflusst werden. Der stromtragende Querschnitt kann insbesondere durch die Anzahl der Wicklungen einfach variiert werden. All diese Vorteile werden erreicht durch die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung, umfassend eine erste Speicherzelle mit zumindest einem ersten Stromabgriff und eine zweite Speicherzelle mit zumindest einem zweiten Stromabgriff. Des Weiteren umfasst die Energiespeicheranordnung einen Zellverbinder, der den ersten Stromabgriff elektrisch leitend mit dem zweiten Stromabgriff verbindet. Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass der eine Zellverbinder mehr als zwei Stromabgriffe miteinander verbindet. Der Zellverbinder umfasst einen aus Draht gewickelten, biegeweichen Ring. Dieser Ring erstreckt sich zumindest über den ersten und zweiten Stromabgriff.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Ring aus einem Bündel an Drähten besteht. Der Draht wird also mehrfach gewickelt, so dass der Ring, im Querschnitt betrachtet, mehrere parallele Drähte aufweist. Durch die Anzahl der Wicklungen kann sehr einfach der stromtragende Querschnitt im Ring variiert werden.
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Der Ring ist insbesondere oval geformt. Hierbei weist der Ring einen ersten U-förmigen Bereich auf, der an dem ersten Stromabgriff angeordnet wird. Des Weiteren ist ein zweiter U-förmiger Bereich im Ring vorgesehen, der am zweiten Stromabgriff angeordnet ist. Die beiden U-förmigen Bereiche sind durch zwei Zwischenbereiche miteinander verbunden. Insbesondere diese beiden Zwischenbereiche werden bei einer Relativbewegung zwischen den beiden Stromabgriffen deformiert, so dass eine flexible Verbindung zwischen den beiden Speicherzellen möglich ist.
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Der erste U-förmige Bereich wird vorzugsweise mit einer ersten Platte verbunden. Der zweite U-förmige Bereich wird vorzugsweise mit einer zweiten Platte verbunden. Die Verbindung zwischen dem Ring und der jeweiligen Platte erfolgt vorzugsweise durch Verschweißen oder Verlöten. Die beiden Platten sind voneinander beabstandet und nicht direkt miteinander verbunden. Die beiden Platten dienen zur Anbindung des Zellverbinders an die jeweiligen Stromabgriffe. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass die erste Platte mit dem ersten Stromabgriff verschweißt, verlötet oder verschraubt wird. Des Weiteren wird die zweite Platte mit dem zweiten Stromabgriff verschweißt, verlötet oder verschraubt. Für die Schraubverbindung ist vorzugsweise vorgesehen, dass in den Platten jeweils ein Durchgangsloch ausgebildet ist. Durch die Durchgangslöcher werden die Stromabgriffe, ausgebildet als Schraubterminals, hindurchgesteckt und beispielsweise mit einer Mutter verschraubt.
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Anstatt der Verwendung der Platte kann der Ring auch direkt mit den Stromabgriffen verbunden werden. Auch die direkte Verbindung des Rings mit den Stromabgriffen kann durch Schweißen, Löten oder Verschrauben erfolgen.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Anfang oder ein Ende des gewickelten Drahtes vom Ring absteht und somit zum Anschluss eines Steuergerätes, insbesondere eines Batteriemanagementsystems, zur Verfügung steht.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren einen Zellverbinder für die Energiespeicheranordnung. Der Zellverbinder umfasst den aus Draht gewickelten, biegeweichen Ring zum elektrischen Verbinden des ersten Stromabgriffs der ersten Speicherzelle mit zumindest einem zweiten Stromabgriff einer zweiten Speicherzelle. Der Ring erstreckt sich dabei über die beiden Stromangriffe. Die Unteransprüche der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung sowie die im Rahmen der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung vorgestellten Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf den Zellverbinder.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung der Energiespeicheranordnung. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf: (i) Bereitstellen eines ersten Bolzens und eines zweiten Bolzens, (ii) mehrfaches Wickeln eines Drahtes um die beiden Bolzen zur Herstellung eines ovalen Rings, und (iii) elektrisch leitendes Verbinden des Rings mit einem ersten Stromabgriff einer ersten Speicherzelle und mit einem zweiten Stromabgriff einer zweiten Speicherzelle.
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Die Unteransprüche der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung sowie die im Rahmen der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung vorgestellten Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren. Insbesondere sind folgende vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens vorgesehen:
Die beiden Bolzen werden entsprechend dem Abstand zwischen den beiden Stromabgriffen positioniert. Dadurch entstehen die beiden U-förmigen Bereiche des Rings an denjenigen Stellen, die im Laufe des Verfahrens mit den Stromabgriffen verbunden werden.
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Der erste Bolzen steht bevorzugt während dem Wickeln senkrecht auf der ersten Platte. Der zweite Bolzen steht bevorzugt während dem Wickeln senkrecht auf der zweiten Platte. Nach dem Wickeln wird der Ring mit der ersten Platte und/oder mit der zweiten Platte vorzugsweise verschweißt oder verlötet. Insbesondere ist vorgesehen, dass die beiden Bolzen nach dem Wickeln entfernt werden und anschließend der Ring mit den Platten verschweißt oder verlötet wird.
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In den beiden Platten ist vorzugsweise jeweils ein Loch ausgebildet. In diesem Loch kann der jeweilige Bolzen positioniert werden. Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass dieselben Löcher, die zum Positionieren der Bolzen verwendet werden, auch zum Anschrauben der Platten an den Stromabgriffen verwendet werden.
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Der Ring ist insbesondere oval geformt und weist die zwei U-förmigen Bereich auf. Die beiden U-förmigen Bereiche sind durch die zwei Zwischenbereiche miteinander verbunden. Nach dem Wickeln des Rings wird zumindest einer der beiden Zwischenbereiche verformt. Insbesondere wird zumindest eine Welle in zumindest einem Zwischenbereich ausgebildet. Die Verformung kann dabei in jede Raumrichtung erfolgen. Durch diese Verformung, insbesondere durch die wellenförmige Ausgestaltung, des Zwischenbereichs ist eine erhöhte Flexibilität des Zwischenbereichs gegeben, so dass Relativbewegungen zwischen den beiden Stromabgriffen durch den Zellverbinder aufgenommen werden können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine Speicherzelle für eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung,
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2 einen Herstellungsschritt für einen erfindungsgemäßen Zellverbinder der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung für alle Ausführungsbeispiele,
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3 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Zellverbinder für alle Ausführungsbeispielen,
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4 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Zellverbinders für alle Ausführungsbeispiele,
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5 einen weiteren Herstellungsschritt für den erfindungsgemäßen Zellverbinder gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
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6 einen weiteren Herstellungsschritt für den erfindungsgemäßen Zellverbinder gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine der Speicherzellen 2, wie sie in einer Energiespeicheranordnung verwendet werden. Die 2 bis 4 zeigen die Herstellung und den Aufbau eines Zellverbinders 1 für die Energiespeicheranordnung. 5 zeigt eine Variante des Zellverbinders 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. 6 zeigt eine Variante des Zellverbinders 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt die Speicherzelle 2. Die Speicherzelle 2 umfasst ein Gehäuse 3. Das Gehäuse 3 ist mittels eines Deckels 4 dicht verschlossen. In dem Gehäuse 3 ist ein elektrochemisches Element 5 angeordnet. Das elektrochemische Element 5 umfasst einen ersten Stromkollektor 6 und einen weiteren Stromkollektor 8. Auf der Außenseite des Deckels 4 sind ein erster Stromabgriff 7 und ein weiterer Stromabgriff 9 angeordnet. Der erste Stromabgriff 7 ist durch den Deckel 4 hindurch mit dem ersten Stromkollektor 6 verbunden. Der weitere Stromabgriff 9 ist durch den Deckel 4 hindurch mit dem weiteren Stromkollektor 8 verbunden.
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Das Gehäuse 3 ist prismatisch, insbesondere quadratisch, ausgebildet. Der Deckel 4 bildet eine Fläche der prismatischen bzw. quadratischen Form. Das elektrochemische Element 5 ist insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet.
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Der erste Stromabgriff 7 erstreckt sich vom Deckel senkrecht entlang einer Achse 10.
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In einer Energiespeicheranordnung, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, werden mehrere der Speicherzellen 2 verwendet. Die Stromabgriffe 7, 9 unterschiedlicher Speicherzellen 2 werden dabei über einen Zellverbinder 1 miteinander elektrisch leitend verbunden.
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2 zeigt einen Verfahrensschritt zur Herstellung eines Zellverbinders 1 für die Energiespeicheranordnung. Hierzu werden ein erster Bolzen 11 und ein zweiter Bolzen 12 beabstandet voneinander bereitgestellt. Der erste Bolzen 11 steht senkrecht auf einer ersten Platte 17. Der zweite Bolzen 12 steht senkrecht auf einer zweiten Platte 18. Um die beiden Bolzen 11, 12 wird ein Draht 14 mehrfach gewickelt, so dass ein ovaler Ring 13 entsteht. Der Ring 13 weist um den ersten Bolzen 11 herum einen ersten U-förmigen Bereich 15 auf. Um den zweiten Bolzen 12 weist der Ring 13 einen zweiten U-förmigen Bereich 27 auf. Die beiden U-förmigen Bereiche 15, 27 sind durch zwei Zwischenbereiche 16 miteinander verbunden.
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Gemäß 3 werden die beiden Bolzen 11, 12 nach dem Wickeln des Rings 13 von den Platten 17, 18 entfernt. Wie 3 zeigt, ist in den Platten 17, 18 jeweils ein Loch 19 vorgesehen. Die Löcher 19 können zur Positionierung der beiden Bolzen 11, 12 verwendet werden.
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Die erste Platte 17 wird zur Verbindung des Zellverbinders 1 mit dem ersten Stromabgriff 7 verwendet. Die zweite Platte 18 wird zur Verbindung des Zellverbinders 1 mit einem zweiten Stromabgriff 26 einer nicht dargestellten zweiten Speicherzelle verwendet. Hierzu können die Platten 17, 18 mit dem jeweiligen Stromabgriff 7, 26 verschweißt, verlötet oder verschraubt werden. Für die Schraubverbindung werden insbesondere die Löcher 19 verwendet.
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Des Weiteren bedarf es nach dem Wickeln des Rings 13 einer Verbindung 21 zwischen dem Ring 13 und den beiden Platten 17, 18. Die Verbindung 21 ist vorzugsweise als Schweiß- oder Lötverbindung ausgebildet. Wie 3 zeigt, wird die Verbindung 21 sowohl innen als auch außen am Ring 13 angesetzt. Um ausreichend Platz für die Verbindung 21 zu haben, sind die Durchmesser der Bolzen 11, 12 etwas größer als die Durchmesser der Löcher 19, so dass nach dem Entfernen der Bolzen 11, 12 ein Spalt 20 zwischen einer Innenseite des Rings 11 und den Löchern 19 verbleibt.
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4 zeigt eine seitliche Ansicht zu 3. Gemäß den 3 und 4 werden die Drähte 14 sowohl nebeneinander als auch übereinander gewickelt, so dass ein entsprechend großer stromführender Querschnitt entsteht.
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4 zeigt des Weiteren einen Überstand 22. Gemäß diesem Überstand 22 sind die Platten 17, 18 größer dimensioniert als der Ring 13 in seinen U-förmigen Bereichen 15, 27. Dadurch steht ausreichend Platz für eine Schweiß- oder Lötverbindung der Platten 17, 18 mit den Stromabgriffen 7, 26 zur Verfügung.
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5 zeigt die Ausbildung des Zellverbinders 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Im ersten Ausführungsbeispiel werden die Zwischenbereiche 16 in Verformungsrichtung 24 verformt, so dass in jedem Zwischenbereich 16 eine Welle 25 entsteht. Diese Verformung bzw. die Welle 25 ermöglicht eine ausreichende Flexibilität des Rings 13. Die Verformungsrichtung 24 im ersten Ausführungsbeispiel steht senkrecht zur Achse 10. Entlang der Achse 10 erstreckt sich der erste Bolzen 11 während dem Wickeln des Rings 13. Die Position des ersten Bolzens 11 entspricht der Position des ersten Stromabgriffs 7.
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6 zeigt den Zellverbinder 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im zweiten Ausführungsbeispiel wird ebenfalls in den Zwischenbereichen 16 eine Welle 25 ausgebildet. Die Verformungsrichtung 24 steht dabei parallel zur Achse 10.
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In allen Ausführungsbeispielen kann die Verbindung zwischen den Platten 17, 18 und den Stromabgriffen 7, 26 sowohl durch Schrauben als auch durch Schweißen oder Löten erfolgen. Des Weiteren können die beiden Zwischenbereiche 16 unterschiedlichst verformt werden. Die beiden Ausführungsbeispiele zeigen zwei Varianten der Verformungsrichtung 24. Diese Verformungsrichtungen 24 können in alle Raumrichtungen gerichtet sein.
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Des Weiteren zeigt 5 beispielhaft für alle Varianten ein Drahtende 23. Dieses Drahtende 23 steht vom Ring 13 ab und wird zum Anschluss eines Steuergerätes verwendet.
