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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Speicherzellenanordnung zur Speicherung von elektrischer Energie umfassend wenigstens eine Speicherzelle, wie etwa Batterie oder Akkumulator, vorzugsweise eine Mehrzahl von Speicherzellen mit einer Zellenschale und mit Zellenkontakten, welche von außerhalb der Zellenschale kontaktierbar sind, um die Speicherzelle elektrisch leitend mit einem elektrischen Verbraucher oder einer Spannungsquelle zu verbinden, die Speicherzellenanordnung weiter umfassend ein die Speicherzelle umgebendes Anordnungsgehäuse mit einer Fluidzuleitung und einer Fluidableitung, um ein Kühlfluid in das Anordnungsgehäuse einzuleiten und wieder aus diesem auszuleiten, wobei zumindest abschnittsweise zwischen dem Anordnungsgehäuse und der wenigstens einen Speicherzelle ein Fluidströmungsraum vorgesehen ist, welcher zumindest einen Teil des Strömungswegs des Kühlfluids zwischen Fluidzuleitung und Fluidableitung bildet.
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Eine gattungsgemäße Speicherzellenanordnung mit einer Mehrzahl von Speicherzellen zur Speicherung von elektrischer Energie ist aus der
DE 10 2012 218 102 A1 bekannt.
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Die Leistungsabgabe bzw. Kapazität einer Speicherzelle, insbesondere in Form einer Lithium-Ionen-Batterie, ist stark temperaturabhängig. Dies gilt auch für die Lebensdauer der Speicherzelle, und zwar unabhängig davon, ob man die Lebensdauer kalendarisch bemisst, oder wie bei wiederaufladbaren Speicherzellen in der Anzahl an Ladezyklen.
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Die gattungsgemäße Druckschrift des Standes der Technik lehrt, eine Mehrzahl von Speicherzellen zu deren Temperierung teilweise in ein Fluidbad einzutauchen, welches in einer Wanne bereitgestellt ist. Zur gleichmäßigen Temperierung der Speicherzellen schlägt die gattungsgemäße Druckschrift des Standes der Technik vor, die Wanne mit Kühlfluid zu durchströmen, also über eine Fluidzuleitung mit Kühlfluid zu beliefern und das Kühlfluid über eine Fluidableitung aus der Wanne zu entnehmen.
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Dabei ragt jener Abschnitt der Speicherzellen, welcher die Zellenkontakte aufweist, aus dem Fluidbad heraus und wird nicht durch Kühlfluid benetzt. Gerade die thermisch besonders stark beanspruchten Zellkontakte unterliegen somit zumindest nicht der Kühlung durch Kühlfluid, welche die übrigen Abschnitte der Speicherzellen umspült und somit konvektiv kühlt.
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Nicht nur kann die bekannte Speicherzellenanordnung somit hinsichtlich der Kühlleistung verbessert werden, was sich positiv auf die Leistungsfähigkeit bzw. Lebensdauer der in der Speicherzellenanordnung angeordneten Speicherzellen auswirkt, sondern mit der Ausnahme der Zellenkontakte von der konvektiven Kühlfluidkühlung sind auch hohe Dichtigkeitsanforderungen im Anordnungsgehäuse zu erfüllen, um zu verhindern, dass durch leckendes Kühlfluid möglicherweise Kurzschlüsse an einzelnen Speicherzellen erzeugt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber dem oben genannten Stand der Technik verbesserte Speicherzellenanordnung anzugeben, welche die zuvor genannten Nachteile vermeidet.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine gattungsgemäße Speicherzellenanordnung, bei welcher die Zellenschale fluiddicht ist und die Speicherzelle einschließlich ihrer Zellenkontakte vollständig von dem Anordnungsgehäuse umschlossen ist.
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Die Fluiddichtigkeit der Zellenschale ist eine Voraussetzung dafür, dass die Speicherzelle vollständig von Kühlfluid umspült werden kann, sodass die Speicherzelle vollständig von Kühlfluid umgeben sein kann. Hierdurch kann eine gleichmäßige konvektive Kühlung der Speicherzelle durch Kühlfluid über ihre gesamte Außenfläche hinweg erreicht werden.
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Auch die vollständige Umschließung der Speicherzelle einschließlich ihrer Zellenkontakte durch das Anordnungsgehäuse ist technische Voraussetzung dafür, dass die Speicherzelle mit ihrer gesamten Außenfläche durch Kühlfluid benetzbar und somit durch Kühlfluid konvektiv kühlbar ist. Die Speicherzelle befindet sich somit vorzugsweise vollständig innerhalb eines vom Anordnungsgehäuse eingegrenzten Innenvolumens.
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Bei der Fluiddichtigkeit der Zellenschale ist insbesondere auf eine Fluiddichtigkeit im Grenzbereich zwischen den Zellenkontakten und einem von diesen verschiedenen Zellenschalenmaterial zu achten, sodass bevorzugt die gesamte Außenfläche einer Speicherzelle für das Kühlfluid zumindest während der erwarteten Lebensdauer der Speicherzelle eine unüberwindbare Barriere darstellt.
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Um sicherzustellen, dass gerade die thermisch im Betrieb hochbelasteten Zellenkontakte gekühlt werden können, kann vorgesehen sein, dass die Zellenkontakte der wenigstens einen Zelle zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, in den Fluidströmungsraum ragen. Somit sind die Zellenkontakte durch das im Betrieb der Speicherzellenanordnung durch den Fluidströmungsraum strömende Kühlfluid konvektiv kühlbar. Gerade die an den Zellkontakten entstehende Wärme kann somit durch das Kühlfluid gut abgeführt werden. Vorzugsweise sind die Zellenkontakte vollständig in den Fluidströmungsraum hinein exponiert. Im Betrieb können Zellenverbinder, welche Zellenkontakte benachbarter Speicherzellen elektrisch leitend verbinden können, Abschnitte der Zellenkontakte bedecken. Da jedoch in der Regel thermische und elektrische Leitfähigkeit bei den meisten Materialien korreliert, kann die an den Zellenkontakten entstehende Wärme auch über die Zellenverbinder an das Kühlfluid abgegeben werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann die Speicherzellenanordnung eine Mehrzahl von Speicherzellen umfassen, bei welchen Zellenkontakte durch Zellenverbinder elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Zellenverbinder zumindest abschnittsweise oder vorzugsweise vollständig in den Fluidströmungsraum ragen oder von diesem umgeben sein können.
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Wiederum ist dadurch die möglichst großflächige Benetzbarkeit der Zellenverbinder durch Kühlfluid gewährleistet.
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Zur Sicherstellung eines Fluidströmungsraums zwischen dem Anordnungsgehäuse und der wenigstens einen Speicherzelle kann zwischen der wenigstens einen Speicherzelle und einem zur Speicherzelle hinweisenden Innenwandbereich des Anordnungsgehäuses ein Abstandshalter vorgesehen sein.
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Grundsätzlich kann der Abstandshalter ein gesondertes Bauteil sein, welches im Anordnungsgehäuse vorgesehen wird. Der Abstandshalter kann hierzu in das Anordnungsgehäuse eingelegt und an diesem befestigt werden, etwa stoffschlüssig durch Klebstoff oder/und formschlüssig durch entsprechende Befestigungsformationen. Zusätzlich oder alternativ kann der Abstandshalter mit der wenigstens einen Speicherzelle verbunden sein, was die korrekte Relativanordnung von Abstandshalter und Speicherzelle sicherstellt.
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Aus fertigungs- und montagetechnischer Sicht vorteilhaft ist der Abstandshalter wenigstens eine vom Anordnungsgehäuse in das vom Anordnungsgehäuse umschlossene Anordnungsvolumen hinein vorspringende Rippe. Die Rippe ist besonders bevorzugt einstückig mit dem Anordnungsgehäuse ausgebildet, etwa durch Spritzgießen. Somit kann nicht nur das Anordnungsgehäuse durch Vorsehen von Rippen in vorteilhafter Weise versteift werden, sondern die Rippen können überdies zur Bereitstellung des erforderlichen Fluidströmungsraums zwischen Speicherzelle und Anordnungsgehäuse dienen.
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Darüber hinaus kann über die Anordnung und Ausbildung von Rippen an Innenwandbereichen des Anordnungsgehäuses die Kühlfluidströmung in gewünschter Weise geführt werden, sodass durch entsprechende Ausbildung von Rippen an Innenwandbereichen des Anordnungsgehäuses eine möglichst umfassende Umspülung der wenigstens einen darin aufgenommenen Speicherzelle unter möglichst umfassender Vermeidung von Totgebieten, in denen es unerwünschterweise zu keiner Kühlfluidbewegung kommt, erreicht werden kann. Dabei kann gerade durch das Zusammenwirken von Innenwandbereich des Anordnungsgehäuses, davon abstehender Rippe und an der Rippe anliegender Zellenschale ein Fluidströmungsraum derart gebildet werden, dass fluiddynamische Kurzschlüsse zwischen Fluidzuleitung und Fluidableitung verhindert werden. Dadurch kann für die oben genannte gewünschte größtmögliche Umspülung von Speicherzellen mit dem Kühlfluid gesorgt werden.
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Auf dem Weg von der Fluidzuleitung zu der Fluidableitung kommt es durch Reibung des Kühlfluids an den den Fluidströmungsraum begrenzenden Wänden zu Druckverlusten. Um diese Druckverluste auszugleichen, kann vorgesehen sein, dass eine Abmessung des Fluidströmungsraums, also eine lichte Weite in einer Raumrichtung, in einem der Fluidzuleitung näher gelegenen Abschnitt größer ist als in einem der Fluidableitung näher gelegenen Abschnitt.
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Um mit einer möglichst geringen Menge an umlaufendem Kühlfluid auskommen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Fluidströmungsraum als Spaltraum ausgestaltet ist, d.h. als ein Strömungsraum, dessen Abmessung in Abstandsrichtung zwischen Innenwandbereich des Anordnungsgehäuses und Außenwandbereich der Zellenschale verglichen mit Abmessungen orthogonal hierzu klein ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn zum Ausgleich der Druckverluste des strömenden Kühlfluids die Spalthöhe in einem der Fluidzuleitung näher gelegenen Abschnitt größer ist als in einem der Fluidableitung näher gelegenen Abschnitt des im Inneren des Anordnungsgehäuses gelegenen Strömungswegs des Kühlfluids.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass zwei unterschiedliche lichte Weiten bzw. Spalthöhen des Fluidströmungsraums vorgesehen sind und sich die lichte Weite des Fluidströmungsraums von der Fluidzuleitung zur Fluidableitung hin sprunghaft ändert. Bei Verwendung mehrerer Speicherzellen in einem Aufnahmegehäuse – was den Standardanwendungsfall darstellen wird – kann überdies vorgesehen sein, dass sich die lichte Weite, insbesondere die Spalthöhe, zwar sprunghaft ändert, jedoch in mehreren kleinen Sprüngen, etwa von Speicherzelle zu Speicherzelle, oder von einer Gruppe von Speicherzellen zur in Fluidströmungsrichtung von der Fluidzuleitung zur Fluidableitung nächstgelegenen Speicherzellengruppe.
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Da das Anordnungsgehäuse urformend hergestellt werden kann, etwa im Spritzgießverfahren, ist es überdies möglich, dass sich die lichte Weite des Fluidströmungsraums, insbesondere die Spalthöhe, kontinuierlich von der Fluidzuleitung zur Fluidableitung ändert.
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Zur Erhöhung der Positioniersicherheit der wenigstens einen Speicherzelle kann vorgesehen sein, dass die Speicherzellenanordnung eine vom Anordnungsgehäuse gesondert ausgebildete Rahmenstruktur umfasst, welche im Anordnungsgehäuse angeordnet einen mit der Rahmenstruktur in Eingriff stehenden Eingriffsabschnitt der wenigstens einen Speicherzelle relativ zum Anordnungsgehäuse positioniert.
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Eine einfache und stabile Anordnung der wenigstens einen Speicherzelle in dem Anordnungsgehäuse kann man dadurch erhalten, dass die wenigstens eine Speicherzelle mit ihrem einen Längsende an einer Innenwand des Anordnungsgehäuses, insbesondere an einer oder mehreren davon abstehenden Rippen, anliegt und im Bereich ihres entgegengesetzten Längsendes mit der zuvor genannten Rahmenstruktur im Eingriff ist, etwa in einem Anlageeingriff mit Eingriffsformationen der Rahmenstruktur. Somit kann die Rahmenstruktur formschlüssig das ihr zum Eingriff zugeordnete Längsende der Speicherzelle in Position halten. Die Eingriffsformation bzw. Eingriffsformationen der Rahmenstruktur können dabei den der Rahmenstruktur zum Eingriff zugeordneten Eingriffsabschnitt der wenigstens einen Speicherzelle teilweise oder bevorzugt vollständig umschließen.
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Bevorzugt ist die Innenwand des Anordnungsgehäuses, an welcher ein Längsende der Speicherzelle anliegt, eine im betriebsbereiten fertigmontierten Zustand des Anordnungsgehäuses vorwiegend oder ausschließlich horizontal orientierte Innenwand, sodass das Eigengewicht der Speicherzelle durch Abstellen der Speicherzelle auf der Innenwand von dem Anordnungsgehäuse aufgenommen werden kann.
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Da also bevorzugt das an der Innenwand des Anordnungsgehäuses anliegende Längsende auf der Innenwand aufsteht, weist bevorzugt das der Rahmenstruktur nähergelegene Längsende der Speicherzelle die Zellenkontakte auf, sodass diese besonders einfache zugänglich sind.
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Der Fluidströmungsraum, welcher zur Umspülung der wenigstens einen Speicherzelle im Anordnungsgehäuse ausgebildet ist, kann nicht nur zwischen Anordnungsgehäuse und Speicherzelle vorgesehen sein, sondern kann dann, wenn die Speicherzellenanordnung – wie im Regelfall – eine Mehrzahl von Speicherzellen mit jeweils Zellenkontakten und Zellenschale aufweist, auch zwischen benachbarten Speicherzellen in dem Anordnungsgehäuse ausgebildet sein. Hierzu können Speicherzellen aus einer Mehrzahl von im Anordnungsgehäuse vorgesehenen Speicherzellen zur Bildung eines Fluidströmungsraums zwischen ihnen mit Abstand voneinander angeordnet sein. Dies ermöglicht ein Umspülen mit Kühlfluid nicht nur eines Blocks aus mehreren Zellen im Anordnungsgehäuse, sondern auch ein Umspülen einzelner Zellen aus einer Mehrzahl von Speicherzellen im Anordnungsgehäuse. Die Wärmeabfuhr aus den Speicherzellen und damit deren Temperierung bei einer möglichst konstanten Temperatur kann dadurch verbessert werden.
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Zur Definition des Abstandes zwischen Speicherzellen in einem Anordnungsgehäuse können an der Rahmenstruktur vorspringende Nasen vorgesehen sein, welche als Abstandslehren in Spalte zwischen benachbarte Speicherzellen hineinragen. Die vorspringenden Nasen können gleichzeitig die oben genannten Eingriffsformationen sein, welche mit einer Anlagefläche in Anlageeingriff an die Zellenschale gelangen. Vorzugsweise hat eine vorspringende Nase zwei entgegengesetzte Anlagenflächen, von denen jede mit einer anderen Zellenschale in Anlageeingriff gelangt.
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Zur Aufnahme der Speicherzellen muss das Anordnungsgehäuse ein gewisses Anordnungsvolumen bereitstellen. Dieses kann dadurch sichergestellt sein, dass das Anordnungsgehäuse eine Wanne aufweist mit einem Boden und mit Seitenwänden. Der Boden ist im fertigmontierten betriebsbereiten Zustand der Speicherzellenanordnung vorzugsweise überwiegend oder vollständig horizontal angeordnet, sodass die eine oder mehreren Speicherzellen mit ihrem einen Längsende zur Abstützung des Zellengewichtes bevorzugt der Innenwand des Bodens der Wanne zugewandt sind.
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Um einen Verlust von Kühlflüssigkeit zu vermeiden, ist es bevorzugt, dass das Anordnungsgehäuse weiter einen die Wanne verschließenden Deckel aufweist. Der Deckel kann – wie die Wanne – wiederum einen Teil des Anordnungsvolumens definieren, also selbst wannenartig ausgebildet sein. Bevorzugt ist das gesamte Anordnungsvolumen des Anordnungsgehäuses zur Erleichterung der Montage der Speicherzellenanordnung durch die Wanne bereitgestellt, sodass die lichte Höhe des von der Wanne umgebenen Wanneninnenvolumens die Abmessung der in der Wanne angeordneten Speicherzellen in Höhenrichtung der Wanne übersteigt. Dann kann der Deckel bevorzugt flach ausgebildet sein.
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Der Deckel kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen eben sein, wobei die Beurteilung der Ebenheit des Deckels im Sinne der vorliegenden Anmeldung nicht durch am Deckel ausgebildete Versteifungs- oder Befestigungsrippen oder/und Befestigungsnuten beeinträchtigt werden soll. Derartige, im Vergleich zur Gesamtabmessung des Deckels in seinen zwei Hauptabmessungsrichtungen kleine Formationen sollen bei der Beurteilung der Ebenheit des Deckels außer Betracht bleiben.
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Zur besonders effektiven Positionssicherung der wenigstens einen Speicherzelle bzw. der Mehrzahl von Speicherzellen in der Wanne ist es vorteilhaft, wenn die Rahmenstruktur an der Wanne befestigt ist. Zur Erleichterung von Reparaturmaßnahmen ist die Rahmenstruktur bevorzugt lösbar an der Wanne befestigt, etwa durch Schrauben. Es soll jedoch auch eine einfache dauerhafte Befestigung, wie etwa eine Verclipsung, nicht ausgeschlossen sein, wenngleich deren Lösbarkeit verglichen mit einer Verschraubung zumindest erschwert ist.
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Eine einfache Verschließbarkeit des Anordnungsgehäuses mit guter Möglichkeit zur Abdichtung des entstehenden Fügespalts ist dann gegeben, wenn der Deckel mit einem die Rahmenstruktur umgebenden Randbereich der Wanne verbunden ist. Auch hier ist zur Erleichterung von Reparaturmaßnahmen die Verbindung zwischen Deckel und Randbereich bevorzugt lösbar.
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Die Befestigung der Rahmenstruktur an der Wanne kann dabei radial innerhalb des mit dem Deckel verbundenen Randbereichs der Wanne gelegen sein, sodass jede Verbindung Deckel-Wanne und Rahmenstruktur-Wanne ihre eigenen Verbindungsstellen und eigenen Verbindungsmittel aufweist. Jedoch soll nicht ausgeschlossen sein, dass Deckel-Rahmenstruktur und Wanne über gemeinsame Verbindungsmittel miteinander verbunden sind, etwa durch sandwichartige Anordnung eines Verbindungsbereichs der Rahmenstruktur zwischen einem Verbindungsbereich des Deckels und dem Randbereich der Wanne.
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Zur möglichst dichten Packung mehrerer Speicherzellenanordnungen nebeneinander kann vorgesehen sein, dass auf unterschiedlichen, vorzugsweise gegenüberliegenden, Seiten des vom Anordnungsgehäuse umschlossenen Volumens je ein Randbereich des Anordnungsgehäuses vom übrigen Gehäusekörper absteht, wobei die Randbereiche – bezogen auf eine bestimmungsgemäße Stellfläche des Anordnungsgehäuses – derart auf unterschiedlichen Höhenniveaus angeordnet sind, dass sich die Erstreckungsbereiche der auf unterschiedlichen Seiten des vom Anordnungsgehäuse umschlossenen Volumens gelegenen Randbereiche in Höhenrichtung über der Stellfläche nicht überlappen. In diesem Falle kann der Randbereich auf einer Seite des Anordnungsgehäuses über oder unter einem Randbereich einer benachbarten Speicherzellenanordnung angeordnet werden.
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Die vorliegende Anmeldung betrifft weiter eine Speicherzellenbetriebsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Speicherzellenanordnung, wie sie oben beschrieben und weitergebildet wurde, welche weiter einen mit der Fluidzuleitung zur Fluiddurchleitung verbundenen Kühlfluidvorrat und eine Kühlfluidförderpumpe umfasst, wobei die Kühlfluidförderpumpe dazu ausgebildet ist, zwischen Kühlfluidvorrat und Speicherzellenanordnung einen Druckunterschied zu erzeugen, um eine Kühlfluidströmung längs des Druckgefälles zu erzeugen. Um die Umspülung der vollständigen Speicherzelle bzw. Speicherzellen im Anordnungsgehäuse zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kühlfluid elektrisch nicht leitend ist. Ein Kühlfluid soll dabei im Sinne der vorliegenden Anmeldung als elektrisch nicht leitend gelten, wenn seine elektrische Leitfähigkeit weniger als 10–8 S/cm beträgt.
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Als besonders effektives Kühlfluid kann eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit eingesetzt werden. Mögliche Kühlfluide in diesem Sinne sind Silikonöl, entionisiertes Wasser und dgl.
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Das Anordnungsgehäuse, insbesondere die Wanne desselben, kann eine von elektrischen Leitern durchbrochenen Wandabschnitt aufweisen, um die eine oder mehreren Speicherzellen im Inneren des Anordnungsgehäuses außerhalb desselben mit einem elektrischen Verbraucher oder mit einer elektrischen Energiequelle elektrisch leitend verbinden zu können.
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Um eine möglichst gute Durchströmung des Anordnungsgehäuses mit Kühlfluid bewirken zu können, sind vorzugsweise die Fluidzuleitung und die Fluidableitung mit Abstand voneinander am Anordnungsgehäuse vorgesehen. Beispielsweise kann die Fluidableitung auf der bezüglich des vom Anordnungsgehäuse umschlossenen Volumens der Fluidzuleitung gegenüberliegenden Seite angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können die Fluidzuleitung und die Fluidableitung auch in Höhenrichtung des Anordnungsgehäuses mit Abstand voneinander vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Fluidzuleitung auf dem Höhenniveau eines Längsendes der wenigstens einen Speicherzelle vorgesehen sein und kann die Fluidableitung auf dem Höhenniveau des dem vorgenannten Längsende entgegengesetzten Längsendes vorgesehen sein.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:
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1 eine perspektivische teilgeschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Speicherzellenbetriebsanordnung mit einer ebenfalls erfindungsgemäßen Speicherzellenanordnung.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Speicherzellenbetriebsanordnung allgemein mit 10 bezeichnet. Diese umfasst einen Kühlfluidvorrat 12, in welchem bevorzugt ein flüssiges Kühlmittel enthalten ist, ein Leitungssystem 14, eine Kühlfluidpumpe 16 und eine ebenfalls erfindungsgemäße Speicherzellenanordnung 18.
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Die Speicherzellenanordnung 18 umfasst ein Anordnungsgehäuse 20, welches vorzugsweise eine Wanne 22 und einen mit der Wanne verbundenen, vorzugsweise lösbar verbundenen Deckel 24 aufweist.
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Wanne 22 und Deckel 24 umschließen gemeinsam ein Anordnungsvolumen 26 im Inneren des Anordnungsgehäuses 20, in welchem eine Mehrzahl von Speicherzellen 28 aufgenommen sind. Die Speicherzellen 28 sind vollständig von dem Anordnungsgehäuse 20 umgeben.
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Jede Speicherzelle 28, welche eine Speicherzelle zur Speicherung elektrischer Energie ist, weist eine für das jeweils verwendete Kühlfluid fluiddichte Zellenschale 30 und außerhalb der Zellenschale 30 kontaktierbare Zellenkontakte 32 auf.
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Die Zellenkontakte 32 können durch Zellenverbinder 34 verbunden sein, um die Speicherzellen 28 zur gemeinsamen Leistungsabgabe zu koppeln.
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Die Wanne 22 ist vorzugsweise als spritzgusstechnisches Bauteil ausgestaltet und weist vorzugsweise beim Spritzgießvorgang zur Erzeugung der Wanne 22 angespritzte bzw. eingespritzte Kontakte 36 und 38 auf, welche aus elektrisch leitendem Material gebildet sind und die Wandung des Anordnungsgehäuses 20 durchsetzen, sodass über einen End-Zellenverbinder 40 ein aus mehreren über Zellenverbinder 34 gekoppelten Speicherzellen 28 gebildeter Speicherzellenblock im Inneren des Anordnungsgehäuses 20 mit einem Abschnitt eines Kontakts, hier: Kontakt 36, elektrisch leitend verbunden sein kann, sodass die von den Speicherzellen 28 abgebbare oder die an sie zuführbare elektrische Energie über die Kontakte 36 und 38 von außen abgegriffen oder den Speicherzellen 28 zugeführt werden kann.
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Die Wanne 22 kann an Innenwandungsbereichen 42 Abstandshalter 44 aufweisen, welche als von den Innenwandungsbereichen 42 ins Innere des Anordnungsvolumens 26 hinein vorstehende Rippen ausgestaltet sein können. Bevorzugt sind die Rippen 44 als Abstandshalter einstückig mit der Wanne 22 oder zumindest mit den Innenwandungsbereichen 42 der Wanne 22 ausgebildet.
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Durch die Abstandshalter 44 (Rippen 44) kann ein Spaltraum 46 als Fluidströmungsraum für das Kühlfluid zwischen den Speicherzellen 28 und der Wanne 22 oder genauer zwischen der Zellenschale 30 und dem Innenwandbereich 42 definiert sein.
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Die Speicherzellen 28 weisen vorzugsweise eine einheitliche prismatische Gestalt auf. Im dargestellten Beispiel sind die Zellenschalen 30 der Speicherzellen 28 im Wesentlichen quaderförmig.
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Mit einer in 1 nicht dargestellten Standfläche, welche als Stirnfläche der die Zellenkontakte 32 tragenden Stirnfläche der Speicherzellen 28 gegenüber liegt, stehen die Speicherzellen 28 auf einer Abstandshalterstruktur der in 1 nicht dargestellten Standfläche der Wanne 22 auf. Auch durch diese nicht dargestellte Abstandshalterstruktur wird somit ein Fluidströmungsraum in Form eines Spaltraums zwischen dem Speicherzellen 28 und dem Innenwandbereich des Aufstandsbodens (in 1 nicht dargestellt) der Wanne 22 gebildet. Mit dem Pfeil g ist die Schwerkraftwirkungsrichtung dargestellt, wie sie an der fertig montierten Speicherzellenanordnung orientiert ist.
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Die Längsausrichtung der Speicherzellen 28, d.h. die Ausrichtung der Speicherzellen 28 längs ihrer größten Abmessung, erfolgt im dargestellten Beispiel somit in Schwerkraftwirkungsrichtung.
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Zur Temperierung der Speicherzellen 28 ist der Kühlfluidvorrat 12 über das Leitungssystem 14 mit einer Fluidzuleitung 48 und mit einer Fluidableitung 50 verbunden. Durch die Fluidzuleitung 48 ist Kühlfluid durch das Anordnungsgehäuse 20, insbesondere durch die Wanne 22 hindurch, in das Anordnungsvolumen 26 im Inneren des Anordnungsgehäuses 20 einleitbar. Durch die Fluidableitung 50 ist das Kühlfluid wieder aus dem Anordnungsvolumen 26 ausleitbar. Die Speicherzellenanordnung 18 ist somit bei bestimmungsgemäßem Betrieb Teil eines Kühlfluidkreislaufs.
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Die Abstandshalter-Rippen 44 können nicht nur der Bildung eines Fluidströmungsraums 46 zwischen den Speicherzellen 28 und dem Anordnungsgehäuse 20 dienen, sondern können auch zur Strömungsführung des Kühlfluids längs des Fluidströmungsraums 46 durch das mit Speicherzellen 28 gefüllte Anordnungsvolumen 26 hindurch dienen. Insbesondere können Rippen an den Innenwandbereichen des Anordnungsgehäuses 20 auch dazu verwendet werden, Kurzschlüsse zwischen Fluidzuleitung 48 und Fluidzuleitung 50 zu verhindern. Hierzu kann beispielsweise eine parallel zum Standboden der Wanne 22 umlaufende Sperrrippe 52 ausgebildet sein, welche zwischen den bevorzugt in unterschiedlichen Höhenbereichen gelegenen Anschlussstellen: Fluidzuleitung 48 und Fluidableitung 50, umlaufend angeordnet sein kann.
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Bevorzugt ist die Fluidzuleitung in Bodennähe der Wanne 22 oder zumindest in Nähe des Aufstands-Längsendes der Speicherzellen 28 angeordnet, während die Fluidableitung 50 bevorzugt im Höhenbereich des die Zellenkontakte tragenden Längsendes der Speicherzellen 28 vorgesehen ist.
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Da die Speicherzellen 28 vollständig im Inneren des Anordnungsgehäuses 20 vorgesehen sind, können mit dem durch den Fluidströmungsraum 46 hindurchgeleiteten Kühlfluid auch die Zellenkontakte 32 gekühlt bzw. temperiert werden, die im Betrieb thermisch besonders beansprucht sind bzw. die zwischen Betriebsphasen unterschiedlicher Leistungsabgabe oder -einspeisung einer besonders hohen thermischen Wechselbeanspruchung unterliegen. Da das Kühlfluid somit die Zellenkontakte 32 unmittelbar benetzt, ist es für die vorliegende Erfindung wesentlich, dass elektrisch nicht-leitendes Kühlfluid verwendet wird. Hierzu kann beispielsweise Silikonöl oder entionisiertes Wasser oder auch andere Öle verwendet werden, die durch Entionisierung nicht leitend gemacht wurden.
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Nicht leitend im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Fluid, wenn es eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10–8 S/cm aufweist.
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Das für den Durchströmungsquerschnitt wesentliche Spaltmaß kann sich zum Ausgleich von reibungsbedingten Druckverlusten längs des Strömungsweges von Fluidzuleitung 48 zur Fluidableitung 50 verändern, insbesondere sich verringern.
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Da die Zellenkontakte 32 in der Regel im Betrieb der Speicherzellenanordnung 18 der am stärksten thermisch beanspruchte Abschnitt der Speicherzellen 28 sind, kann vorgesehen sein, dass der Fluidströmungsraum an dem die Zellenkontakte 32 tragenden Längsende einen größeren Strömungsquerschnitt aufweist als am entgegengesetzten Längsende der Speicherzellen 28 oder längs ihrer Mantelflächen.
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Für eine besonders effektive Kühlung bzw. Temperierung der Speicherzellen 28 sind diese bevorzugt auch untereinander mit Abstand voneinander angeordnet, sodass Kühlfluid auch zwischen den einzelnen Speicherzellen 28 strömen kann. Die Positionierung der Speicherzellen 28 in dem Anordnungsvolumen 26 kann durch eine Rahmenstruktur 54 verbessert sein, welche bevorzugt an dem dem Aufstandslängsende der Speicherzellen 28 entgegengesetzten, Zellenkontakte 32 tragenden Längsende der Speicherzellen 28 angreift. Die Rahmenstruktur 54 kann zwischen benachbarte Speicherzellen 28 oder zwischen Speicherzellen 28 und Innenwandung 42 der Wanne 22 einragende Abstandsnasen aufweisen, welche einen definierten Abstand der an den Abstandsnasen 56 anliegenden Bauteile gewährleistet. Die Abstandsnasen 56 sind vorzugsweise in Anlageeingriff mit den Bauteilen, zwischen die sie einragen.
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Die Rahmenstruktur 54 ist vorzugsweise mit dem Anordnungsgehäuse 20, vor allen Dingen bevorzugt mit der Wanne 22 verbunden, insbesondere lösbar verbunden, etwa durch Schrauben 58. Zur Verbindung der Rahmenstruktur 44 mit der Wanne 22 und ebenso zur Verbindung des Deckels 24 mit der Wanne 22 kann die Wanne einen über den üblichen Wannenkörper 22a hinausragenden Randbereich 22b aufweisen.
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Die Rahmenstruktur 54 kann außerdem durch den Deckel 24 weiter positionsgesichert sein, etwa mittels Befestigungsrippen 60, die in entsprechende Nuten 62 an der Rahmenstruktur 54 eingreifen können.
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Der Deckel 24 kann im Wesentlichen eben ausgebildet sein, wobei er durch Verrippung 64 mit geringer Wandstärke ohne Steifigkeitsverlust ausgebildet sein kann.
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Die Fügestelle zwischen Wanne 22 und Deckel 24 kann durch eine umlaufende Elastomerdichtung 66 gegen Austritt von Kühlfluid aus dem Anordnungsvolumen 26 abgedichtet sein.
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Durch die Verwendung von Spaltmaßen des Fluidströmungsraums im Millimeterbereich, von etwa 2 bis 4 mm zwischen Zellenschale 30 und Innenwandung 42 der Wanne 22 und von etwa 10 mm im Bereich zwischen den Zellenkontakten 32 tragenden Längsenden und dem Innenwandungsbereich des Deckels 24 sowie von etwa 1,5 bis 3 mm zwischen benachbarten Speicherzellen, kann die bei Umlauf von Kühlfluid sich im Fluidströmungsraum befindliche Kühlfluidmenge gering gehalten werden.
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Mit der vorliegend vorgeschlagenen Konstruktion kann insbesondere bei Verwendung eines flüssigen Kühlfluids pro Zeiteinheit eine verglichen mit dem Stand der Technik überdurchschnittlich große Menge an thermischer Energie aus dem Anordnungsvolumen 26 abgeführt werden. Zudem sind die Speicherzellen 28 durch das sie vollständig umschließende Anordnungsgehäuse 20 vor äußeren Einflüssen gut geschützt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012218102 A1 [0002]
