DE102014219609A1 - Compensating device and accumulator module with the same - Google Patents

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Ingo KERKAMM
Reiner Ramsayer
Markus Kohlberger
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgleichsvorrichtung (10) zum Wärmetransport und zur Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten Akkumulatorzellen (110) in Stapelrichtung in einem Akkumulatormodul (100), mit wenigstens einem Federelement (12) und wenigstens zwei Druckplatten (14), wobei das wenigstens eine Federelement (12) zwischen den wenigstens zwei Druckplatten (14) aufgenommen ist und bei einer Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung (D) relativ zu wenigstens einer Druckplatte (14) bewegbar ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Akkumulatormodul, insbesondere ein Festkörper-Akkumulatormodul mit einer derartigen Ausgleichsvorrichtung. Durch die vorliegende Erfindung sind eine Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten Akkumulatorzellen in Stapelrichtung in dem Akkumulatormodul und/oder ein wechselwirkender Wärmetransport zwischen den Akkumulatorzellen auf effiziente und homogene Art und Weise realisierbar.The present invention relates to a compensation device (10) for heat transport and for compensating for expansion of stacked accumulator cells (110) in the stacking direction in an accumulator module (100), comprising at least one spring element (12) and at least two pressure plates (14), the at least one Spring element (12) between the at least two pressure plates (14) is received and at a pressurization in the stacking direction (D) relative to at least one pressure plate (14) is movable. The present invention further relates to an accumulator module, in particular a solid-state accumulator module with such a compensating device. By means of the present invention, a compensation of an expansion of stacked accumulator cells in the stacking direction in the accumulator module and / or an interactive heat transfer between the accumulator cells can be realized in an efficient and homogeneous manner.

Description

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.The present invention relates to a compensating device according to the preamble of claim 1 for heat transfer and for compensating for expansion of stacked accumulator cells in the stacking direction in an accumulator module having at least one spring element and at least two pressure plates, wherein the at least one spring element is received between the at least two pressure plates. The present invention further relates to an accumulator module, in particular a solid-state accumulator module with a compensating device according to the invention.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

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.From the general state of the art, accumulators such as, for example, lithium ion accumulators are known. Due to their high energy density, thermal stability and their very low memory effect, they are now widely used in mobile electronic devices. In addition to batteries with liquid electrolyte, there are also accumulators with solid electrolyte, so-called solid-state accumulators. In the case of lithium-ion accumulators, these are, for example, modern lithium-air batteries or solid-state accumulators with intercalation or conversion cathode material. These are characterized in particular by their particularly high energy density. For example, current lithium ion solid state batteries as a secondary battery for automobiles may have an energy density of more than 400Wh / kg. In addition, such solid state batteries have the safety-relevant advantage that they have no liquid electrolyte.

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.However, a problem with current solid-state storage batteries is that the individual and substantially lithium, solid-state ion, cathode active material and electronic conductivity additive (e.g., carbon-based) accumulator cells expand relatively strongly (geometrically) during charging and correspondingly shrink in a discharge process. That is, due to their internal structure and operation (lithium deposition), solid-state batteries such as lithium-ion solid-state batteries have increased charging expansion and shrinkage as compared to known lithium-ion liquid electrolyte cells Discharging the battery cell, when the anode is a pure lithium foil or pure lithium metal is used. Depending on the cell structure, this can be in the range of 10 to 40% elongation. Therefore, it is particularly important in these cell concepts to absorb or compensate for this strain. At the same time, there is a requirement to heat these cells during operation or to cool them in certain operating states.

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.In the JP H08-321329 For example, it is proposed to provide a partially wave-shaped heat dissipation plate between two accumulator cells. This Wärmeableitplatte consists essentially of a wave-shaped part with elastically deformable projections and a plate-shaped part. The plate-shaped part is firmly connected to the wave-shaped part and has such flexibility that it can adapt to the shape of the wave-shaped part at a pressurization and press in it. That is, when the wave-shaped part deforms, it also deforms the plate-shaped part.

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. As a result, a means is provided, via which the expansion or shrinkage of the battery cells can be compensated to a certain extent. Due to the elastic deformability of the plate-shaped part, however, the forces of the battery cells can not be transmitted particularly homogeneously when they are expanded.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

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. It is therefore the object of the present invention to at least partially avoid the disadvantages described above in the case of an accumulator module, in particular in the case of a solid-state accumulator module. In particular, it is the object of the present invention to provide a compensation device and an accumulator module, which contains a compensation device according to the invention, by means of which the compensation of an expansion of stacked accumulator cells in the stacking direction in the accumulator module and / or the interactive heat transfer between the accumulator cells to more efficient and homogeneous manner are feasible.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Ausgleichsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Akkumulatormodul nach Anspruch 10 mit der erfindungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung.The above object is achieved by a compensating device with the features of claim 1 and an accumulator module according to claim 10 with the compensating device according to the invention.

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.Further features of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the balancing device, of course, also in connection with the accumulator module according to the invention and in each case vice versa, so that with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always reciprocal reference is or may be. The invention is here not limited to lithium-ion batteries or solid-state batteries.

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.According to a first aspect of the present invention, a balancing device is provided for heat transfer and compensation for stacked accumulator cell expansion in the stacking direction in an accumulator module having at least one spring element and at least two pressure plates, wherein the at least one spring element is received between the at least two pressure plates and the spring element is movable relative to at least one pressure plate when pressurized in the stacking direction.

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.That the spring element is movable relative to at least one pressure plate means that at least a part of the spring element shifts relative to the pressure plate, substantially orthogonal to it. In this case, the spring element is preferably applied to at least one of the pressure plates and in particular is frictionally movable relative to the at least one pressure plate. Due to the fact that the spring element is decoupled from at least one pressure plate, printing plates can be provided which are particularly advantageous for homogenizing the force transmission during expansion or shrinkage and for surface introduction of the force into the accumulator cell or the accumulator module. In addition, the printing plates serve to increase the rigidity of the overall construction. Furthermore, it is provided to make the cooling or heating of the battery cells via the pressure plates. To homogenize the temperature distribution, it is particularly advantageous to produce the printing plates from a thermally highly conductive material, such as aluminum, steel or copper. However, it is also conceivable to produce the printing plates for weight reduction from a plastic, which may be provided with additives to increase the thermal conductivity, e.g. a metal or a ceramic provided. Under the necessary condition that the printing plates are suitable for homogeneous power transmission, they may also be configured as thin films (e.g., <1 mm) which are pulled as a ribbon through the accumulator cells. This is an advantageous embodiment in particular if smaller thermal powers are required. As material own here by the good thermal conductivity in particular aluminum or copper materials.

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.In addition, high forces can be realized in a short way by the compensation device according to a first aspect, since the spring element may extend beyond the pressure plates at a pressurization. The spring element can be made of any spring material. For weight reduction, for example, plastics for the spring element are conceivable.

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.According to a further aspect of the present invention, the compensation device preferably has at least two opposing profiles connected to the spring element with projections and recesses which are arranged and configured offset from one another such that when a pressure is applied in the stacking direction, the projections of the one profile are frictionally engaged in move the recesses of the other profile and move the profiles while relative to each other. By such a configuration, particularly high forces can be realized in a short way. The direction of the transmission can be varied depending on the design of the profiles or their projections and recesses. According to a further aspect of the present invention, the profile may be designed, for example, as a sawtooth or wave-shaped. Depending on the slope of the tooth edges, a higher or lower resistance can be set. In a wave-shaped configuration of the profiles, a non-linear force transmission can be realized. Thus, a suitable spring element can be created in a simple manner depending on the expansion and shrinkage behavior of the battery cells.

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.Furthermore, in the present invention, the spring element and the at least two pressure plates may be formed in one piece, of uniform material and / or monolithic. This means that the spring element and the pressure plates are not provided as separate units and then connected to each other, but are made for example of an endless belt, which fulfills by appropriate forming or folding both the function of the spring element and the function of the printing plates. This has the advantage that an otherwise necessary assembly step can be saved and thus a more cost-effective compensation device can be provided. Such a one-piece compensating element can also be particularly easily placed between the battery cells, since the spring element is always located at the predetermined correct position relative to the printing plates in between.

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.Furthermore, it is conceivable in the present invention that at least one of the pressure plates has an internal cooling or heating structure, through which in particular a cooling or heating medium can be guided. For example, channels in the pressure plates can be closed with a liquid medium such as water or oil, or open with a gaseous medium such as air. Such a design of the printing plates can be a particularly effective cooling or Heating structure can be created in which the cooling or heating of the battery cells can be actively better controlled than printing plates that have given their cooling or heating properties immutable by their material composition.

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.According to a further aspect of the present invention, the spring element may comprise an electrically conductive material. As a result, cells can be heated by an electric current in the spring element or in the entire compensation element when the spring element is actively energized and thus forms a resistance heater. In a preferred embodiment, the current can be, for example, in one of the two pressure plates and discharged via the correspondingly decoupled spring element as a heating wire and the second pressure plate again. This embodiment also provides a particularly effective cooling or heating structure, in which the cooling or heating of the battery cells can be actively better controlled better than in compensation systems with spring elements that have given their cooling or heating properties immutable by their material composition.

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.According to a further aspect of the present invention, the compensation device can be designed such that it can be inserted between at least three battery cells. Similarly as already described above, a plurality of pressure plates and a plurality of spring elements can be produced, for example, from an endless belt, which fulfills the functions of the spring elements and the pressure plates by corresponding forming or folding. Preferably, the entire pressure plate and spring element structure of the accumulator module can thus be produced in one piece. This can then be set very quickly and easily in a corresponding accumulator module, so that subsequently only the individual accumulator cells must be inserted in between. By having all of the pressure plates and spring elements made of a single unit, the accumulator modules can be assembled faster and the assembly and alignment process is less susceptible to failure.

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.According to a further aspect of the present invention, the spring element may be wave-shaped, meandering or serrated and sandwiched between the at least two pressure plates. This is a particularly easy to implement and cost-effective embodiment. It is advantageous in particular that each individual spring element can be replaced quickly and easily in case of malfunction, without replacing, for example, the printing plates with. Furthermore, it is also conceivable to equip the accumulator module as required with differently shaped spring elements at different locations between the accumulator cells.

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. According to a further aspect of the present invention, the compensating device may comprise a stamped plate which forms a pressure plate and the at least one spring element. Such a stamped plate is very easy to produce and preferably in particular the cooling or heating with a gaseous medium, such as air, since the at least one spring element acts as a cooling or heating rib. Preferably, a plurality of spring elements are partially cut out of the stamped plate, so that these spring elements are evenly distributed to the pressure plate over this.

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.In the context of the present invention, an accumulator module, in particular a solid-state accumulator module, having a plurality of accumulator cells and a compensating device as described above is furthermore provided. In such an accumulator module, the respective spring elements are viewed in the stacking direction, in particular in the region of the accumulator cells. That is, in one preferred embodiment, the pressure plates extend both over the battery cells and over the respective spring elements. The accumulator cells can be designed as a solid-state Li-ion battery / accumulator module, which has at least one (or all) anode as a pure lithium foil and / or lithium metal.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELEPREFERRED EMBODIMENTS

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.Further, measures improving the invention will become apparent from the following description of some embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All of the claims, description or drawings resulting features and / or advantages, including constructive details and spatial arrangements may be essential to the invention both in itself and in the various combinations.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 1 a schematic view of a first embodiment of the present invention,

2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 2 a schematic view of a second embodiment of the present invention,

3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 3 a schematic view of a third embodiment of the present invention,

4 eine Draufsicht sowie eine geschnittene Seitenansicht einer gestanzten Platte gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 4 a plan view and a sectional side view of a stamped plate according to the third embodiment of the present invention, and

5 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 a schematic view of a fourth embodiment of the present invention.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 5 jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.Elements with the same function and mode of action are in the 1 to 5 each provided with the same reference numerals.

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.In 1 is schematically a compensation device according to the invention 10 in an accumulator module 100 shown. In the 1 illustrated balancing device 10 essentially has two printing plates 14 and the spring member sandwiched therebetween 12 on. The printing plates 14 Although preferred as a separate component to the respective accumulator cells 110 however, may also be provided as part of the battery cells. When pressurizing in the stacking direction D (see arrow), if, for example, the accumulator cells 110 expand, the spring element 12 compressed in the stacking direction D and correspondingly extends in the direction orthogonal to the stacking direction. Here, the spring element moves 12 in the direction orthogonal to the stacking direction D frictionally along the two pressure plates 14 ,

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. 2 shows a balancing device 10 according to a second embodiment of the present invention. In this case, the compensation device 10 at least two opposite and with the spring element 12 connected profiles 20 . 22 with projections 24 and returns 26 on. That is, the profiles have at least one side with a wave-shaped or sawtooth-shaped region. In addition to the in 2 Profiles shown are also conceivable profiles that form only a single point or a single wave or corresponding curved surface. Here are the profiles 20 . 22 arranged offset and arranged so that when a pressure in the stacking direction D, the projections 24 of a profile frictionally engaged in the recesses 26 of the other profile and move the profiles 20 . 22 while moving relative to each other. This in 2 illustrated spring element 12 must not necessarily be configured C-shaped, but may also have any other shape that is used for resilient storage and connecting the two profiles 20 . 22 suitable is. The slope (translation x → x ') can be done by adjusting the profile geometry. In a wave-shaped profile design and a non-linear assignment would be realized. In the in 2 illustrated embodiment is a back of a sawtooth profile 20 with a pressure plate 14 connected. This connection can be made for example by means of welding, soldering, gluing or another non-positive connection method. Alternatively, however, it is also conceivable that the two profiles 20 . 22 , the spring element 12 as well as the one printing plate 14 in one piece, ie as a single, monolithic unit. It is crucial that at least a part of the spring element in a pressurization or power transmission in the stacking direction D relative to at least one pressure plate 14 is frictionally movable.

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. 3 shows a balancing device 10 according to a third embodiment of the present invention. According to this embodiment, both the spring element 12 as well as the printing plate 14 provided in the form of a stamped plate, for example as a stamped and bent part. In the in 3 Shown embodiment is a plurality of spring elements 12 from the as a printing plate 14 punched serving plate. The corresponding punching process can be carried out with known in the prior art punching tools. It is crucial that the punched out areas, ie, the spring elements 12 , not completely detached from the base plate. The stamped areas can be arbitrarily shaped as long as they have a spring function. In addition to the in 4 shown rectangular stamped plate are of course also other plate cross-sections conceivable. These can preferably be adapted to the required shape in the accumulator module. The thickness of the stamped plate can also be selected as needed.

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. 5 shows a balancing device 10 according to a fourth embodiment of the present invention. According to this embodiment, both the at least two printing plates 14 as well as the spring element provided in one piece. All are preferred in this case in an accumulator module 100 provided printing plates 14 and spring elements 12 manufactured as a single unit from an endless belt and between the battery cells 110 inserted. However, this unit is not on the in 5 shown wavy design limited. Thus, for example, corresponding one-piece compensation devices 10 with a serrated spring element contained therein 12 conceivable. Furthermore, it is conceivable that the spring element 12 and / or the printing plates 14 After the forming or folding process, be provided with a special coating or alloy to obtain appropriate spring, expansion compensation, heating, or cooling properties. It is also conceivable to give certain sections with targeted heat treatment corresponding properties.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Ausgleichsvorrichtung (10) zum Wärmetransport und zur Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten Akkumulatorzellen (110) in Stapelrichtung (D) in einem Akkumulatormodul (100), mit wenigstens einem Federelement (12) und wenigstens zwei Druckplatten (14), wobei das wenigstens eine Federelement (12) zwischen den wenigstens zwei Druckplatten (14) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (12) bei einer Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung (D) relativ zu wenigstens einer Druckplatte (14) bewegbar ist.Balancing device ( 10 ) for heat transport and for compensation of an expansion of stacked accumulator cells ( 110 ) in the stacking direction (D) in an accumulator module ( 100 ), with at least one spring element ( 12 ) and at least two printing plates ( 14 ), wherein the at least one spring element ( 12 ) between the at least two pressure plates ( 14 ) Is accommodated, characterized in that the spring element ( 12 ) when pressurized in the stacking direction (D) relative to at least one pressure plate ( 14 ) is movable. Ausgleichsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsvorrichtung (10) wenigstens zwei sich gegenüberliegende und mit dem Federelement (12) verbundene Profile (20, 22) mit Vorsprüngen (24) und Rücksprüngen (26) aufweist, die derart versetzt zueinander angeordnet und ausgestaltet sind, 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.Balancing device ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the compensating device ( 10 ) at least two opposing and with the spring element ( 12 ) connected profiles ( 20 . 22 ) with protrusions ( 24 ) and returns ( 26 ) which are arranged and configured offset from one another in such a way that, when pressure is applied in the stacking direction (D), the projections ( 24 ) of a profile frictionally in the recesses ( 26 ) of the other profile and the profiles ( 20 . 22 ) move relative to each other. Ausgleichsvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sich gegenüberliegenden Profile ein Wellenprofil oder ein Sägezahnprofil aufweisen.Balancing device ( 10 ) according to claim 2, characterized in that the opposing profiles have a wave profile or a sawtooth profile. Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (12) und die wenigstens zwei Druckplatten (14) einstückig, stoffeinheitlich und/oder monolithisch ausgebildet sind.Balancing device ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the spring element ( 12 ) and the at least two printing plates ( 14 ) are integrally formed, uniform material and / or monolithic. Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Druckplatten (14) eine innere Kühl- bzw. Heizstruktur (16) aufweist, durch welche insbesondere ein Kühl- bzw. Heizmedium führbar ist.Balancing device ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the pressure plates ( 14 ) an internal cooling or heating structure ( 16 ), through which in particular a cooling or heating medium is feasible. Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (12) ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, welches insbesondere elektrisch heizbar ist.Balancing device ( 10 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the spring element ( 12 ) comprises an electrically conductive material, which is in particular electrically heated. Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsvorrichtung (10) derart ausgestaltet ist, dass sie zwischen wenigstens drei Akkumulatorzellen (110) einsetzbar ist.Balancing device ( 10 ) according to one of claims 4 to 6, characterized in that the compensating device ( 10 ) is configured such that it is between at least three accumulator cells ( 110 ) can be used. Ausgleichsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement wellenförmig, mäanderförmig oder zackenförmig ausgebildet ist und zwischen den wenigstens zwei Druckplatten (14) sandwichartig aufgenommen ist.Balancing device ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the spring element is wave-shaped, meandering or serrated and between the at least two pressure plates ( 14 ) is sandwiched. Ausgleichsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsvorrichtung (10) zumindest eine gestanzte Platte aufweist, welche zumindest eine Druckplatte (14) oder ein Federelement (12) bildet.Balancing device ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the compensating device ( 10 ) has at least one stamped plate, which at least one pressure plate ( 14 ) or a spring element ( 12 ). Akkumulatormodul (100), insbesondere Festkörper-Akkumulatormodul (100), mit einer Mehrzahl von Akkumulatorzellen (110) und einer Ausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Accumulator module ( 100 ), in particular solid-state accumulator module ( 100 ), with a plurality of accumulator cells ( 110 ) and a compensating device according to one of claims 1 to 9.
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