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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgleichsvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 zum Wärmetransport und zur Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten Akkumulatorzellen in Stapelrichtung in einem Akkumulatormodul, mit wenigstens einem Federelement und wenigstens zwei Druckplatten, wobei das wenigstens eine Federelement zwischen den wenigstens zwei Druckplatten aufgenommen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Akkumulatormodul, insbesondere ein Festkörper-Akkumulatormodul mit einer erfindungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung.
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STAND DER TECHNIK
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Akkumulatoren wie beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren bekannt. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte, der thermischen Stabilität und ihres sehr geringen Memory-Effekts sind sie bei mobilen elektronischen Geräten mittlerweile weit verbreitet. Neben Akkumulatoren mit flüssigem Elektrolyt gibt es auch Akkumulatoren mit festem Elektrolyt, sogenannte Festkörperakkumulatoren. Bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind dies beispielsweise moderne Lithium-Luft-Akkumulatoren oder Festkörperakkumulatoren mit Interkalations- oder Konversionskathodenmaterial. Diese zeichnen sich insbesondere durch ihre besonders hohe Energiedichte aus. Aktuelle Lithium-Ionen-Festkörperakkumulatoren als Sekundärbatterie für Kraftfahrzeuge können beispielsweise eine Energiedichte von mehr als 400Wh/kg aufweisen. Darüber hinaus haben derartige Festkörperakkumulatoren den sicherheitsrelevanten Vorteil, dass sie keinen flüssigen Elektrolyt aufweisen.
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Problematisch bei aktuellen Festkörperakkumulatoren ist jedoch, dass sich die einzelnen und im Wesentlichen aus Lithium, -Festkörperionenleiter, Kathodenaktivmaterial und elektronischem Leitfähigkeitsadditiv (z.B. auf Kohlenstoffbasis) bestehenden Akkumulatorzellen bei einem Ladevorgang relativ stark (geometrisch) ausdehnen und bei einem Entladevorgang entsprechend schrumpfen. Das heißt, bedingt durch ihren inneren Aufbau und ihre Funktionsweise (Ein-/Ablagerung von Lithium) haben Festkörperakkumulatoren, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Festkörperakkumulatoren eine im Vergleich zu bekannten Lithium-Ionen Zellen mit flüssigem Elektrolyt eine erhöhte Ausdehnung bzw. Schrumpfung beim Laden und Entladen der Akkumulatorzelle, wenn als Anode eine reine Lithium-Folie bzw. reines Lithium-Metall eingesetzt wird. Diese kann je nach Zellaufbau im Bereich von 10 bis 40 % Dehnung liegen. Deshalb ist es insbesondere bei diesen Zellkonzepten von großer Bedeutung, diese Dehnung aufzufangen bzw. zu kompensieren. Gleichzeitig besteht die Anforderung, diese Zellen im Betrieb zu heizen bzw. in bestimmten Betriebszuständen zu kühlen.
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In der
JP H08-321329 wird beispielsweise vorgeschlagen, eine teilweise wellenförmig ausgebildete Wärmeableitplatte zwischen zwei Akkumulatorzellen bereitzustellen. Diese Wärmeableitplatte besteht im Wesentlichen aus einem wellenförmigen Teil mit elastisch verformbaren Vorsprüngen sowie einem plattenförmigen Teil. Der plattenförmige Teil ist dabei mit dem wellenförmigen Teil fest verbunden und weist eine derartige Flexibilität auf, dass er sich bei einer Druckbeaufschlagung der Form des wellenförmigen Teils anpassen und sich darin einpressen kann. Das heißt, wenn sich der wellenförmige Teil verformt, verformt sich damit auch der plattenförmige Teil.
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Dadurch ist ein Mittel geschaffen, über welches die Ausdehnung bzw. Schrumpfung der Akkumulatorzellen bis zu einem gewissen Grad kompensiert werden kann. Aufgrund der elastischen Verformbarkeit des plattenförmigen Teils können die Kräfte der Akkumulatorzellen bei einer Ausdehnung derselben jedoch nicht besonders homogen übertragen werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Akkumulatormodul, insbesondere bei einem Festkörper-Akkumulatormodul zumindest teilweise zu vermeiden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ausgleichsvorrichtung sowie ein Akkumulatormodul, welches eine erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung enthält, zu schaffen, mittels welcher die Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten Akkumulatorzellen in Stapelrichtung in dem Akkumulatormodul und/oder der wechselwirkende Wärmetransport zwischen den Akkumulatorzellen auf effizientere und homogenere Art und Weise realisierbar sind.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Ausgleichsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Akkumulatormodul nach Anspruch 10 mit der erfindungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Ausgleichsvorrichtung beschrieben werden, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Akkumulatormodul und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, bzw. werden kann. Die Erfindung ist dabei nicht auf Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder Festkörperakkumulatoren beschränkt.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ausgleichsvorrichtung zum Wärmetransport und zur Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten Akkumulatorzellen in Stapelrichtung in einem Akkumulatormodul mit wenigstens einem Federelement und wenigstens zwei Druckplatten bereitgestellt, wobei das wenigstens eine Federelement zwischen den wenigstens zwei Druckplatten aufgenommen ist und das Federelement bei einer Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung relativ zu wenigstens einer Druckplatte bewegbar ist.
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Dass das Federelement relativ zu wenigstens einer Druckplatte bewegbar ist bedeutet, dass sich wenigstens ein Teil des Federelements relativ zur Druckplatte, im Wesentlichen orthogonal zu ihr, verschiebt. Hierbei liegt das Federelement bevorzugt an wenigstens einer der Druckplatten an und ist dabei insbesondere reibschlüssig zu der wenigstens einen Druckplatte bewegbar. Dadurch, dass das Federelement von wenigstens einer Druckplatte entkoppelt ist, können Druckplatten bereitgestellt werden, welche auf besonders vorteilhafte Weise für eine Homogenisierung der Kraftübertragung bei einer Ausdehnung bzw. Schrumpfung und zur flächigen Einleitung der Kraft in die Akkumulatorzelle bzw. das Akkumulatormodul geeignet sind. Darüber hinaus dienen die Druckplatten zur Erhöhung der Steifigkeit der Gesamtkonstruktion. Des Weiteren ist es vorgesehen, über die Druckplatten auch die Kühlung bzw. die Heizung der Akkumulatorzellen vorzunehmen. Zur Homogenisierung der Temperaturverteilung ist es dabei besonders vorteilhaft, die Druckplatten aus einem thermisch gut leitfähigen Material herzustellen, wie beispielsweise Aluminium, Stahl oder Kupfer. Es ist aber auch denkbar, die Druckplatten zur Gewichtsreduzierung aus einem Kunststoff herzustellen, welcher ggf. mit Additiven zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit, z.B. einem Metall oder einer Keramik, versehen ist. Unter der notwendigen Bedingung, dass die Druckplatten zur homogenen Kraftübertragung geeignet sind, können sie auch als dünne Folien (z.B. < 1 mm) ausgestaltet sein, die als Band durch die Akkumulatorzellen gezogen werden. Dies ist insbesondere dann eine vorteilhafte Ausgestaltung, wenn kleinere thermische Leistungen erforderlich sind. Als Material eigenen sich hier durch die gute thermische Leitfähigkeit insbesondere Aluminium- oder Kupferwerkstoffe.
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Darüber hinaus können durch die Ausgleichsvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt hohe Kräfte auf kurzem Weg realisiert werden, da sich das Federelement bei einer Druckbeaufschlagung über die Druckplatten hinaus erstrecken kann. Das Federelement kann dabei aus einem beliebigen Federwerkstoff hergestellt sein. Zur Gewichtsreduzierung sind beispielsweise auch Kunststoffe für das Federelement denkbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Ausgleichsvorrichtung bevorzugt wenigstens zwei sich gegenüberliegende und mit dem Federelement verbundene Profile mit Vorsprüngen und Rücksprüngen auf, die derart versetzt zueinander angeordnet und ausgestaltet sind, dass sich bei einer Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung die Vorsprünge des einen Profils reibschlüssig in die Rücksprünge des anderen Profils bewegen und sich die Profile dabei relativ zueinander verschieben. Durch eine derartige Ausgestaltung können besonders hohe Kräfte auf kurzem Weg realisiert werden. Die Richtung der Kraftübertragung kann dabei je nach Gestaltung der Profile bzw. deren Vorsprünge und Rücksprünge variiert werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Profil beispielsweise sägezahnförmig oder wellenförmig ausgestaltet sein. Je nach Steigung der Zahnkanten kann ein höherer oder geringerer Widerstand eingestellt werden. Bei einer wellenförmigen Ausgestaltung der Profile kann eine nichtlineare Kraftübertragung realisiert werden. Somit kann auf einfache Weise je nach Ausdehnungs- bzw. Schrumpfverhalten der Akkumulatorzellen ein dazu passendes Federelement geschaffen werden.
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Ferner können bei der vorliegenden Erfindung das Federelement und die wenigstens zwei Druckplatten einstückig, stoffeinheitlich und/oder monolithisch ausgebildet sein. Das bedeutet, das Federelement und die Druckplatten werden nicht als separate Einheiten bereitgestellt und anschließend miteinander verbunden, sondern werden beispielsweise aus einem Endlosband hergestellt, das durch entsprechendes Umformen oder Falten sowohl die Funktion des Federelements als auch die Funktion der Druckplatten erfüllt. Dies hat den Vorteil, dass ein sonst nötiger Zusammenbauschritt eingespart und somit eine kostengünstigere Ausgleichsvorrichtung bereitgestellt werden kann. Ein solches einstückiges Ausgleichselement lässt sich auch besonders einfach zwischen den Akkumulatorzellen setzten, da das Federelement relativ zu den Druckplatten immer an der vorher festgelegten richtigen Position dazwischen liegt.
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Des Weiteren ist es bei der vorliegenden Erfindung denkbar, dass wenigstens eine der Druckplatten eine innere Kühl- bzw. Heizstruktur aufweist, durch welche insbesondere ein Kühl- bzw. Heizmedium führbar ist. Dabei können beispielsweise Kanäle in den Druckplatten geschlossen mit einem flüssigen Medium wie Wasser oder Öl, oder offen mit einem gasförmigen Medium wie Luft ausgeführt werden. Durch eine derartige Ausgestaltung der Druckplatten kann eine besonders effektive Kühl- bzw. Heizstruktur geschaffen werden, in welcher das Kühlen bzw. Heizen der Akkumulatorzellen aktiv besser gesteuert werden kann als bei Druckplatten, die ihre Kühl- bzw. Heizeigenschaften unveränderbar durch ihre Materialzusammensetzung vorgegeben haben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Federelement ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Dadurch können Zellen durch einen elektrischen Strom im Federelement bzw. im gesamten Ausgleichselement geheizt werden, wenn das Federelement aktiv bestromt wird und somit eine Widerstandsheizung bildet. In einer bevorzugten Ausführungsform, kann der Strom dabei zum Beispiel in eine der beiden Druckplatten ein- und über das entsprechend entkoppelte Federelement als Heizdraht und die zweite Druckplatte wieder ausgeleitet werden. Auch dieses Ausführungsbeispiel schafft eine besonders effektive Kühl- bzw. Heizstruktur, in welcher das Kühlen bzw. Heizen der Akkumulatorzellen aktiv besser gesteuert werden kann als bei Ausgleichssystemen mit Federelementen, die ihre Kühl- bzw. Heizeigenschaften unveränderbar durch ihre Materialzusammensetzung vorgegeben haben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Ausgleichsvorrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie zwischen wenigstens drei Akkumulatorzellen einsetzbar ist. Ähnlich wie bereits vorstehend beschrieben, können dabei eine Mehrzahl von Druckplatten sowie eine Mehrzahl von Federelementen beispielsweise aus einem Endlosband hergestellt werden, das durch entsprechendes Umformen oder Falten die Funktionen der Federelemente und der Druckplatten erfüllt. Bevorzugt kann so die gesamte Druckplatten- und Federelementstruktur des Akkumulatormoduls einstückig hergestellt werden. Diese lässt sich dann besonders schnell und einfach in ein entsprechendes Akkumulatormodul setzen, so dass anschließend nur noch die einzelnen Akkumulatorzellen dazwischen eingefügt werden müssen. Dadurch, dass sämtliche Druckplatten sowie Federelemente aus einer einzigen Einheit bestehen, können die Akkumulatormodule schneller zusammengebaut werden und der Zusammenbau- und Ausrichtungsprozess weist eine geringere Fehleranfälligkeit auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Federelement wellenförmig, mäanderförmig oder zackenförmig ausgebildet und zwischen den wenigstens zwei Druckplatten sandwichartig aufgenommen sein. Dies stellt ein besonders einfach zu realisierendes und kostengünstiges Ausführungsbeispiel dar. Vorteilhaft ist hierbei insbesondere, dass jedes einzelne Federelement im Falle einer Fehlfunktion schnell und einfach ausgetauscht werden kann, ohne beispielsweise auch die Druckplatten mit zu ersetzen. Des Weiteren ist es auch denkbar, das Akkumulatormodul je nach Bedarf mit verschieden geformten Federelementen an verschiedenen Stellen zwischen den Akkumulatorzellen zu bestücken.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Ausgleichsvorrichtung eine gestanzte Platte aufweisen, welche eine Druckplatte sowie das wenigstens eine Federelement bildet. Eine solche gestanzte Platte ist sehr einfach herzustellen und bevorzugt insbesondere die Kühlung bzw. Heizung mit einem gasförmigen Medium, wie beispielsweise Luft, da das wenigstens eine Federelement als Kühl- bzw. Heizrippe wirkt. Bevorzugt werden aus der gestanzten Platte eine Mehrzahl von Federelementen teilweise herausgetrennt, so dass diese Federelemente gleichmäßig an der Druckplatte anliegend über diese verteilt sind.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Akkumulatormodul, insbesondere ein Festkörper-Akkumulatormodul, mit einer Mehrzahl von Akkumulatorzellen und einer vorstehend beschriebenen Ausgleichsvorrichtung bereitgestellt. In einem derartigen Akkumulatormodul liegen die jeweiligen Federelemente in Stapelrichtung betrachtet insbesondere im Bereich der Akkumulatorzellen vor. Das heißt, die Druckplatten erstrecken sich in einer bevorzugten Ausführungsform sowohl über die Akkumulatorzellen als auch über die jeweiligen Federelemente hinweg. Die Akkumulatorzellen können als Festkörper Li-Ionen Batterie / Akkumulatormodul ausgestaltet sein, welches zumindest eine (oder sämtliche) Anode als reine Lithium-Folie und/oder Lithium-Metall aufweist.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4 eine Draufsicht sowie eine geschnittene Seitenansicht einer gestanzten Platte gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
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5 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 5 jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung 10 in einem Akkumulatormodul 100 dargestellt. Die in 1 dargestellte Ausgleichvorrichtung 10 weist im Wesentlichen zwei Druckplatten 14 sowie das dazwischen sandwichartig aufgenommene Federelement 12 auf. Die Druckplatten 14 sind zwar bevorzugt als separates Bauteil zu den jeweiligen Akkumulatorzellen 110 angeordnet, können jedoch auch als Teil der Akkumulatorzellen bereitgestellt werden. Bei einer Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung D (s. Pfeil), wenn sich beispielsweise die Akkumulatorzellen 110 ausdehnen, wird das Federelement 12 in Stapelrichtung D zusammengedrückt und streckt sich entsprechend in Richtung orthogonal zur Stapelrichtung aus. Hierbei bewegt sich das Federelement 12 in Richtung orthogonal zur Stapelrichtung D reibschlüssig entlang der beiden Druckplatten 14.
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2 zeigt eine Ausgleichsvorrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei weist die Ausgleichsvorrichtung 10 wenigstens zwei sich gegenüberliegende und mit dem Federelement 12 verbundene Profile 20, 22 mit Vorsprüngen 24 und Rücksprüngen 26 auf. Das heißt, die Profile weisen zumindest eine Seite mit einem wellenförmigen oder sägezahnförmigen Bereich auf. Neben den in 2 dargestellten Profilen sind auch Profile denkbar, die nur eine einzige Zacke oder eine einzige Welle bzw. entsprechend gebogene Fläche bilden. Dabei sind die Profile 20, 22 derart versetzt zueinander angeordnet und ausgestaltet, dass sich bei einer Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung D die Vorsprünge 24 des einen Profils reibschlüssig in die Rücksprünge 26 des anderen Profils bewegen und sich die Profile 20, 22 dabei relativ zueinander verschieben. Das in 2 dargestellte Federelement 12 muss dabei nicht zwangsweise C-förmig ausgestaltet sein, sondern kann auch jede andere Form aufweisen, die zum federnden Lagern und Verbinden der beiden Profile 20, 22 geeignet ist. Die Steigung (Übersetzung x → x‘) kann dabei durch Anpassen der Profilgeometrie erfolgen. Bei einem wellenförmigen Profildesign wäre auch eine nichtlineare Zuordnung realisierbar. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist eine Rückseite eines Sägezahnprofils 20 mit einer Druckplatte 14 verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise mittels Schweißen, Löten, Kleben oder eine andere kraftschlüssige Verbindungsmethode hergestellt werden. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass die beiden Profile 20, 22, das Federelement 12 sowie die eine Druckplatte 14 einstückig, also als eine einzige, monolithische Einheit, bereitgestellt werden. Entscheidend ist, dass wenigstens ein Teil des Federelements bei einer Druckbeaufschlagung bzw. Kraftübertragung in Stapelrichtung D relativ zu wenigstens einer Druckplatte 14 reibschlüssig bewegbar ist.
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3 zeigt eine Ausgleichsvorrichtung 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform werden sowohl das Federelement 12 als auch die Druckplatte 14 in Form einer gestanzten Platte, beispielsweise als Stanz-Biegeteil, bereitgestellt. In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Federelementen 12 aus der als Druckplatte 14 dienenden Platte gestanzt. Der entsprechende Stanzvorgang kann mit im Stand der Technik bekannten Stanzwerkzeugen durchgeführt werden. Dabei ist es entscheidend, dass die ausgestanzten Bereiche, d.h., die Federelemente 12, nicht vollständig aus der Grundplatte gelöst werden. Die ausgestanzten Bereiche können beliebig geformt werden, solange sie eine Federfunktion aufweisen. Neben der in 4 dargestellten rechteckigen gestanzten Platte sind selbstverständlich auch andere Plattenquerschnitte denkbar. Diese können bevorzugt an die erforderliche Form im Akkumulatormodul angepasst werden. Auch die Dicke der gestanzten Platte kann je nach Bedarf ausgewählt werden.
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5 zeigt eine Ausgleichsvorrichtung 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform sind sowohl die wenigstens beiden Druckplatten 14 als auch das Federelement einstückig bereitgestellt. Bevorzugt sind hierbei sämtliche in einem Akkumulatormodul 100 bereitgestellte Druckplatten 14 und Federelemente 12 als eine einzige Einheit aus einem Endlosband hergestellt und zwischen den Akkumulatorzellen 110 eingefügt. Diese Einheit ist jedoch nicht auf die in 5 gezeigte wellenförmige Ausgestaltung beschränkt. So sind beispielsweise auch entsprechende einstückige Ausgleichsvorrichtungen 10 mit einem darin enthaltenen zackenförmigen Federelement 12 denkbar. Ferner ist es denkbar, dass das Federelement 12 und/oder die Druckplatten 14 nach dem Umformoder Faltprozess mit einer speziellen Beschichtung oder Legierung versehen werden, um entsprechende Feder-, Ausdehnungskompensations-, Heiz-, oder Kühleigenschaften zu erlangen. Es ist auch denkbar, bestimmten Abschnitten mit gezielter Wärmebehandlung entsprechende Eigenschafften zu verleihen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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