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Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung mit mehreren Elektrodenanschlüsse aufweisenden Energiespeichern, welche an Kontaktierungsstellen ihrer Elektrodenanschlüsse in Reihe verschaltet sind.
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Solche Energiespeicheranordnungen sind ein wesentlicher Ausgangspunkt für die Realisierung moderner Hochvoltbatterien für Elektro- und Hybridfahrzeuge, stellen aber auch die technologische Basis für nahezu alle komplexeren Energiespeicheranwendungen dar. Sie bestehen aus wenigstens zwei einzelnen Energiespeichern, welche jeweils Elektrodenanschlüsse zur Kontaktierung ihrer positiven und negativen Elektroden aufweisen. Durch eine Reihenschaltung einzelner Energiespeicher addieren sich ihre Spannungen und es entstehen Kontaktierungsstellen zwischen den Energiespeichern an ihren jeweiligen Elektrodenanschlüssen. Ein einzelner Energiespeicher kann dabei sowohl aus einer einzelnen, insbesondere wiederaufladbaren, galvanischen Zelle bestehen oder aber wiederum eine Vielzahl, insbesondere parallel verschalteter, galvanischer Zellen aufweisen.
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Bei der Montage von Energiespeicheranordnungen zu größeren Einheiten von Energiespeicheranordnungen ist stets die Gefahr gegeben, dass durch eine fehlerhafte Verschaltung eine unerwünschte Abgabe elektrischer Energie erfolgt, wodurch die Energiespeicheranordnungen beschädigt werden können. Vor allem bei der Montage mehrerer Energiespeicheranordnungen in Reihe können Spannungslagen entstehen, welche bei manueller Montage die Gefahr gesundheitsschädlicher Körperdurchströmungen für den Monteur mit sich bringen.
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Es ist bekannt die Montagereihenfolge entsprechender Energiespeicheranordnungen so zu wählen, dass gefährliche Gleichspannungslagen, normgemäß beispielsweise von mehr als 120 V, nicht oder erst möglichst spät während der Montage auftreten. Konstruktionsbedingt kann dies jedoch nicht immer gewährleistet werden. Insbesondere bei der Anbringung von Leistungsschaltern, wie beispielsweise Schütze, liegen berührbare Stellen mehrerer zusammengeschalteter Energiespeicheranordnungen, an denen derartige Spannungsgrenzwerte überschritten werden, oftmals räumlich nah beieinander. In solchen Fällen wird typischerweise das Tragen von Schutzkleidung vorgesehen.
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Das Tragen von Schutzkleidung hat jedoch den Nachteil, dass dadurch die Bewegungsfreiheit des Monteurs erheblich eingeschränkt wird, insbesondere da die Schutzkleidung bei der Durchführung feinmotorischer Tätigkeiten eine erhebliche Behinderung darstellt. Darüber hinaus kann derartige Schutzkleidung immer nur einen beschränkten Schutz für den Monteur bieten, da bewusstes oder unbewusstes Fehlverhalten beim Anlegen der Schutzkleidung nicht ausgeschlossen werden kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Energiespeicheranordnung anzugeben, welche sicherer im Rahmen ihrer Montage gehandhabt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Energiespeicheranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass an einer Kontaktierungsstelle zwischen den Elektrodenanschlüssen zweier Energiespeicher eine reaktive Fügeeinrichtung angeordnet ist, welche in einem Ausgangszustand elektrisch isolierend ist und dazu ausgebildet ist, bei einer Beaufschlagung mit wenigstens einem Energieimpuls im Ausgangszustand durch eine exotherme Reaktion eine elektrisch leitfähige Fügeverbindung zwischen den Elektrodenanschlüssen zu erzeugen.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Verschaltung der Energiespeicher an einer Kontaktierungsstelle durch die reaktive Fügeeinrichtung zu realisieren, welche vor der Einleitung der exothermen Reaktion elektrisch isolierend ist. Die Energiespeicheranordnung wird so in zwei Teilenergiespeicheranordnungen aufgetrennt, so dass bezüglich der äußeren Elektrodenanschlüsse der Energiespeicheranordnung, welche einen positiven und einen negativen Anschluss der Energiespeicheranordnung bilden, keine elektrisch leitende Verbindung gegeben ist. Bei der Montage mehrerer solcher Energiespeicheranordnungen, wobei sich die reaktiven Fügeeinrichtungen in ihrem Ausgangszustand befinden, können so keine Spannungslagen entstehen, welche über die Spannung einer einzelnen Energiespeicheranordnung hinausgehen. Die Montage kann daher nahezu ohne Gefährdung durchgeführt werden.
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Nach Abschluss der Montageschritte kann dann ein Energieimpuls, beispielsweise durch eine externe Zuleitung zu den Fügeeinrichtungen, erzeugt werden und die exotherme Reaktion in Gang gesetzt werden. Dabei wird ein in der reaktiven Fügeeinrichtung vorgesehenes Fügemittel, beispielsweise ein Lot, derart erwärmt, dass es an der Kontaktierungsstelle die Elektrodenanschlüsse elektrisch leitend verbindet. Erst in diesem Zustand besteht eine vollständige elektrisch leitende Reihenschaltung der einzelnen Energiespeicher.
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Durch geeignete Wahl des Zeitpunkts des Auslösens der exothermen Reaktion, beispielsweise zu einem Zeitpunkt, während spannungsführende Teile der Energiespeicheranordnung nicht mehr berührbar sind, kann eine Gefährdung des Monteurs weitestgehend ausgeschlossen werden und so vorteilhafterweise auf Schutzkleidung verzichtet werden. Auf diese Weise wird ein deutlich erhöhtes Sicherheitsniveau im Rahmen der Montage von Energiespeicheranordnungen erreicht. Es kann somit auf aufwendige Schutzkleidung verzichtet werden und die sichere Montage auch bei filigranen Tätigkeiten, bei denen eine Schutzkleidung hinderlich wäre, ermöglicht werden.
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Eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung sieht vor, dass die reaktive Fügeeinrichtung einen Schichtstapel, umfassend mehrere metallische Nanofolien, aufweist. Derartige reaktive Fügeeinrichtungen sind beispielsweise aus der
WO 01/83182 A1 bekannt und werden mittlerweile im Rahmen von Lötverfahren eingesetzt, bei denen die Lötstelle nur schwer zugänglich ist oder eine hohe Temperaturempfindlichkeit der zu lötenden Bauteile ein konventionelles Löten erschwert. Solche Schichtstapel können insbesondere so ausgeführt werden, dass sie im Ausgangszustand elektrisch isolieren. Dazu werden zwischen den typischerweise 20 bis 100 nm dicken Metallschichten elektrisch isolierende Folienschichten angeordnet, welche sich im Rahmen der exothermen Reaktion zersetzen. Als Material für die Metallschichten wird üblicherweise Aluminium oder Nickel verwendet. Die Kontaktierungsstellen der Elektrodenanschlüsse, in deren Bereich eine solche reaktive Fügeeinrichtung angeordnet ist, werden dazu zweckmäßigerweise entsprechend präpariert, beispielsweise wird auf den Elektrodenanschlüssen bereits eine Lotschicht aufgebracht.
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Es ist bei der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung des Weiteren besonders bevorzugt, wenn der reaktiven Fügeeinrichtung ein Mittel zum Erzeugen eines Drucks auf die sie umgebenden Elektrodenanschlüsse zugeordnet ist. Es wird mithin vorgeschlagen, die reaktive Fügeeinrichtung zwischen den Elektrodenanschlüssen an der Kontaktierungsstelle zu befestigen und einen, bevorzugt beidseitig, in Richtung der reaktiven Fügeeinrichtung wirkenden Druck auf die Elektrodenanschlüsse auszuüben. So wird vorteilhafterweise eine besonders zuverlässige Fügeverbindung nach der exothermen Reaktion hergestellt, da ein ausreichender Materialkontakt während der Reaktion durch den Druck sichergestellt ist.
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Daneben kann es bei einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung vorgesehen sein, dass die Energiespeicher jeweils eine galvanische Zelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, umfassen. Es ist damit möglich, die Energiespeicheranordnung bereits aus den elementaren Bauelementen für eine Energiespeicheranordnung, nämlich galvanischen Zellen, auszubilden. Eine solche Energiespeicheranordnung besteht mithin aus einer Reihenschaltung einzelner galvanischer Zellen, Wodurch der durch die Erfindung erzielte Sicherheitseffekt bereits auf einer sehr niedrigen konstruktiven Ebene realisiert wird. Da insbesondere im Bereich automobiler Anwendungen der Einsatz moderner Lithium-Ionen-Zellen als Grundlage für Energiespeicheranwendungen das bevorzugte technische Mittel ist, ist es besonders vorteilhaft, erfindungsgemäße Energiespeicheranordnungen aus solchen Energiespeichern aufzubauen.
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Es wird im Rahmen der Erfindung besonders bevorzugt, wenn die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung ein Mittel zum Erzeugen eines Energieimpulses aufweist, mittels welchem eine exotherme Reaktion der reaktiven Fügeeinrichtung auslösbar ist. Derartige Mittel zum Erzeugen eines Energieimpulses können je nach Ausführung der reaktiven Fügeeinrichtung gewählt werden. Dabei ist es möglich, die exotherme Reaktion durch einen Spannungs-, Wärme- und/oder Lichtimpuls auszulösen, was letztlich von der jeweiligen Ausgestaltung der reaktiven Fügeeinrichtung abhängt.
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Es wird bei der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung mit dem Mittel zum Erzeugen eines Energieimpulses besonders bevorzugt, dass dieses als eine zu der reaktiven Fügeeinrichtung und mehreren sie umgebenden Energiespeichern parallel geschaltete Schalteinrichtung ausgebildet ist, mittels welcher wenigstens ein auf die reaktive Fügeeinrichtung wirkender elektrischer Energieimpuls erzeugbar ist. Es wird mithin vorgeschlagen, eine durch die Schalteinrichtung schließbare Masche auszubilden, die die reaktive Fügeeinrichtung und mehrere sie umgehende Energiespeicher umfasst. Durch Schließen der Schalteinrichtung wird ein elektrischer Energieimpuls in Form eines durch die Summe der Spannungen der einzelnen Energiespeicher definierten Spannungsanstiegs erzeugt. Es lässt sich damit auf besonders einfache Weise ein Auslösen der exothermen Reaktion aus dem Ausgangszustand der reaktiven Fügeeinrichtung realisieren. Die Schalteinrichtung kann dabei beispielsweise durch ein steuerbares Halbleiterbauelement, wie ein Transistor, ausgebildet werden. Die Anzahl der Energiespeicher, welche in der Masche mit der Schalteinrichtung verschaltet sind, wird zweckmäßigerweise unter Berücksichtigung der für das Auslösen der exothermen Reaktion erforderlichen Spannung bestimmt.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Energiespeichermodul, welches wenigstens eine Energiespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst. Solche Energiespeichermodule sind ein typisches Aufbauelement für komplexere Energiespeicheranwendungen und umfassen eine Vielzahl einzelner, miteinander verschalteter Energiespeicher in einer Gehäuseeinheit. Es ist beispielsweise üblich, acht in Reihe geschaltete Lithium-Ionen-Zellen in einem Energiespeichermodul anzuordnen, so dass bei der Verwendung von Lithium-Manganoxid-Zellen mit einer Zellspannung 3,7 V eine Spannung des Energiespeichermoduls von 29,6 V bereitgestellt wird. Bei einem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul können diese acht Energiespeicherzellen beispielsweise durch eine Energiespeicheranordnung, bei der ein reaktives Fügeelement zwischen der vierten und der fünften in Reihe geschalteten Zelle angeordnet ist, realisiert werden.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls sieht vor, dass es wenigstens zwei erfindungsgemäße Energiespeicheranordnungen umfasst. Dadurch wird erreicht, dass wenigstens zwei reaktive Fügeeinrichtungen innerhalb des Energiespeichermoduls vorgesehen sind. Das Energiespeichermodul wird folglich in wenigstens drei Teilenergiespeichermodule aufgeteilt, welche bei einem isolierenden Gehäuse des Energiespeichermoduls ein IT-System (Isolé Terre) bildet. Dadurch wird neben einem Schutz vor gefährlichen Körperdurchströmungen bei einem Körperschluss zwischen zwei Punkten unterschiedlichen Potentials im Rahmen einer Montage mehrerer Energiespeichermodule auch ein Kurzschlussschutz ermöglicht. Da bei einer geeigneten Ausgestaltung der reaktiven Fügeeinrichtung bei einem Energiespeichermodul mit einer einzelnen Energiespeicheranordnung ein Auslösen der exothermen Reaktion durch ein Kurzschließen des positiven und des negativen Anschlusses des Energiespeichermoduls möglich ist, wird durch das Verwenden zweier Energiespeicheranordnungen der Vorteil erzielt, dass im Falle eines externen Kurzschlusses kein elektrischer Energieimpuls erzeugt wird. Dadurch können vorteilhafterweise auch gesundheitsgefährdende oder das Energiespeichermodul beschädigende unbeabsichtigte Kurzschlüsse während des Montagevorgangs verhindert werden. Da vor allem moderne Lithium-Ionen-Zellen kurzfristig sehr hohe Kurzschlussströme abgeben können, wird dadurch ein zusätzlicher Sicherheitseffekt bei der Montage von Energiespeichermodulen erzielt.
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Es ist bei dem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul von besonderem Vorteil, wenn wenigstens eine Energiespeicheranordnung ein Mittel zum Erzeugen eines Energieimpulses aufweist und das Energiespeichermodul eine Steuerungseinrichtung umfasst, mittels welcher wenigstens ein Mittel zum Erzeugen des Energieimpulses ansteuerbar ist. Eine solche Steuerungseinrichtung ermöglicht das gezielte Erzeugen des Energieimpulses. Die Steuerungseinrichtung kann beispielsweise als Mikrocontroller oder als anwendungsspezifisch integrierter Schaltkreis (ASIC) ausgebildet sein und mit Einrichtungen außerhalb des Energiespeichermoduls kommunizieren. Insbesondere ist es damit möglich, dass bei einer Montage mehrerer Energiespeichermodule zu einem geeigneten Zeitpunkt ein Steuerungsbefehl an die Steuerungseinrichtungen der Energiespeichermodule gesendet wird, wodurch das Mittel zum Erzeugen eines Energieimpulses angesteuert wird.
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Es wird bei einem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul mit einer Steuerungseinrichtung besonders bevorzugt, wenn wenigstens ein Mittel zum Erzeugen eines Energieimpulses eine Schalteinrichtung aufweist und die Steuerungseinrichtung eine zum Erfassen einer Spannung innerhalb der die Schalteinrichtung und die reaktive Fügeeinrichtung aufweisenden Masche ausgebildete Messeinrichtung umfasst, wobei die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Schalteinrichtung so lange anzusteuern, bis die erfasste Spannung einen ein erfolgreiches Erzeugen einer Fügeverbindung anzeigenden Schwellwert erreicht. Ist als Mittel zum Erzeugen des Energieimpulses eine wie oben beschriebene Schalteinrichtung vorgesehen, kann vorteilhafterweise mittels der Steuerungseinrichtung auch die Dauer des Energieimpulses oder die Dauer einer Reihe von Energieimpulsen gesteuert werden. Dazu wird vorgeschlagen, dass eine Spannung innerhalb der die reaktive Fügeeinrichtung, die Schalteinrichtung und die die aktive Fügeeinrichtung umgebenden Energiespeicher umfassenden Masche erfasst wird. Bevorzugt wird eine über der reaktiven Fügeeinrichtung und wenigstens einem benachbarten Energiespeicher abfallende Spannung erfasst. Dabei kann aus einer Erhöhung dieser Spannung geschlossen werden, dass die Fügeverbindung durch die reaktive Fügeeinrichtung erfolgreich erzeugt wurde. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da bei leitender Schalteinrichtung und einer erzeugten elektrisch leitenden Verbindung in der reaktiven Fügeeinrichtung ein Kurzschluss der in der Masche angeordneten Energiespeicher entsteht, welcher so kurz wie möglich gehalten werden soll. Zum Auslösen der exothermen Reaktion kann die Steuerungseinrichtung die Schalteinrichtung derart ansteuern, dass eine Folge sehr kurzer Impulse von steigender Dauer erzeugt wird, bis ein erfolgreiches Erzeugen der Fügeverbindung durch die Messeinrichtung signalisiert wird. Alternativ kann der Schalter auch so lange geschlossen werden, bis die Messeinrichtung das erfolgreiche Erzeugen der Fügeverbindung anzeigt.
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Es ist darüber hinaus besonders zweckmäßig, wenn das erfindungsgemäße Energiespeichermodul zwei Mittel zum Erzeugen eines Energieimpulses aufweisende Energiespeicheranordnung umfasst, welche mittels der Steuerungseinrichtung ansteuerbar sind. In diesem Fall kann wie bereits oben beschrieben ein Kurzschlussschutz für das Energiespeichermodul realisiert werden, wobei eine einzelne Steuerungseinrichtung beide Mittel zum Erzeugen eines Energieimpulses, also insbesondere zwei Schalteinrichtungen, ansteuern kann. So wird eine besonders kompakte Ausführung eines kurzschlussgeschützten erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ermöglicht.
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Es ist schließlich bei dem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul von besonderem Vorteil, wenn die Steuerungseinrichtung zusätzlich zur Regulierung der Spannungen einzelner Energiespeicher, insbesondere einzelner galvanischer Zellen, der wenigstens einen Energiespeicheranordnung und/oder zur Überwachung wenigstens einer Betriebstemperatur im Energiespeichermodul und/oder zur Kommunikation mit einem Bussystem ausgebildet ist. Die Steuerungseinrichtung kann also neben der Ansteuerung eines oder mehrerer Mittel zum Erzeugen eines Energieimpulses auch weitere Aufgaben des Batteriemanagements übernehmen. Insbesondere ist es möglich, dass durch die Steuerungseinrichtung ein Zellbalancing ausgeführt wird, wobei die positive Elektrode und die negative Elektrode eines jeden Energiespeichers mit der Steuerungseinrichtung verbunden sind. Diese Verbindungen können dann vorteilhafterweise auch für die Verbindung der Energiespeicher mit der Schalteinrichtung vorgesehen werden. Darüber hinaus kann die Steuerungseinrichtung auch die Betriebstemperatur des Energiespeichermoduls überwachen, um einen zusätzlichen Schutz vor Überhitzen des Energiespeichermoduls zu erzielen. Schließlich ist es besonders bevorzugt, wenn die Steuerungseinrichtung zur Kommunikation mit einem Bussystem in welchem das Energiespeichermodul verbaut ist, ausgebildet ist. In diesem Fall ist es letztlich möglich das Auslösen der exothermen Reaktion durch geeignete Befehle auf dem Bussystem auszulösen.
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Im Übrigen lassen sich sämtliche Ausführungen zur erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung analog auf das erfindungsgemäße Energiespeichermodul übertragen, so dass auch mit diesem die bereits genannten Vorteile erzielt werden können.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Energiespeicheranordnung, welche wenigstens ein erfindungsgemäßes Energiespeichermodul umfasst.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Fügeverbindung innerhalb einer Energiespeicheranordnung mit mehreren Elektrodenanschlüsse aufweisenden Energiespeichern, welche an Kontaktierungsstellen ihrer Elektrodenanschlüsse in Reihe verschaltet sind oder innerhalb eines wenigstens eine Energiespeicheranordnung aufweisenden Energiespeichermoduls, wobei an einer Kontaktierungsstelle zwischen den Elektrodenanschlüssen zweier Energiespeicher eine reaktive Fügeeinrichtung angeordnet ist, welche in einem Ausgangszustand elektrisch isolierend ist, wobei durch Beaufschlagen der reaktiven Fügeeinrichtung mit wenigstens einem Energieimpuls im Ausgangszustand durch eine exotherme Reaktion eine elektrisch leitende Fügeverbindung zwischen den Elektroanschlüssen erzeugt wird.
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Sämtliche Ausführungen zur erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung und zum erfindungsgemäßen Energiespeichermodul lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und das erfindungsgemäße Verfahren übertragen, so dass auch mit diesen die bereits genannten Vorteile erzielt werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung;
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2 eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen, Energiespeicheranordnung;
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3 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls;
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4 eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls; und
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5 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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Die 1 und 2 sind Prinzipskizzen von Ausführungsbeispielen einer Energiespeicheranordnung 1, umfassend vier Energiespeicher 2, 3, 4, 5, welche an drei Kontaktierungsstellen 6, 7, 8 in Reihe verschaltet sind. Dabei ist an der Kontaktierungsstelle 7 eine reaktive Fügeeinrichtung 9 angeordnet, welcher ein Mittel zum Erzeugen eines Drucks 10 zugeordnet ist. Daneben umfasst die Energiespeicheranordnung 1 ein Mittel zum Erzeugen eines Energieimpulses 11.
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Die Energiespeicher 6, 7, 8 sind Lithium-Mangandioxid-Zellen und weisen jeweils eine Zellspannung von 3,7 V auf. An ihrer positiven und ihrer negativen Elektrode umfassen sie jeweils Elektrodenanschlüsse 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19. Dabei sind die Elektrodenanschlüsse 13, 14 an der Kontaktierungsstelle 6 und die Elektrodenanschlüsse 17, 18 an der Kontaktierungsstelle 8 durch eine Lötverbindung miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Elektrodenanschlüssen 15, 16 sind durch die reaktive Fügeeinrichtung 9 an der Kontaktierungsstelle 7 miteinander verbunden. Die äußeren Energiespeicher 2, 5 weisen freie Elektrodenanschlüsse 12, 19 auf, welche als äußere Anschlüsse der Energiespeicheranordnung 1 dienen, wobei der Elektrodenanschluss 12 den positiven Anschluss und der Elektrodenanschluss 19 den negativen Anschluss der Energiespeicheranordnung 1 bilden.
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Die reaktive Fügeeinrichtung 9 ist in ihrem Ausgangszustand gezeigt, also vor einer exothermen Reaktion, und ist elektrisch isolierend, so dass keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Energiespeichern 2, 3 und 4, 5 gegeben ist. Die Energiespeicheranordnung 1 ist mithin in zwei Teilenergiespeicheranordnungen aufgetrennt. Bei einer herkömmlichen Energiespeicheranordnung, welche keine reaktive Fügeeinrichtung 9 aufweist, sondern eine elektrisch leitende Verbindung an der Kontaktierungsstelle 7, würde bezüglich der Elektrodenanschlüsse 12, 19 die addierte Spannung der einzelnen Energiespeicher 2, 3, 4, 5 anliegen, mithin 14,8 V. Wäre beispielsweise im Rahmen eines Montageprozesses der Elektrodenanschluss 19 bereits an einen externen Gegenstand angeschlossen, so könnte bei einem versehentlichen Kontakt des Elektrodenanschlusses 12 mit diesem externen Gegenstand ein elektrischer Strom fließen. Würden mehrere Energiespeicheranordnungen 1 in Reihe geschaltet werden, wovon eine mit ihrem Elektrodenanschluss 19 mit dem externen Gegenstand verbunden ist, so könnten Spannungslagen entstehen, welche bei einem ungewollten Schluss des Stromkreises durch einen menschlichen Körper im Extremfall lebensgefährliche Körperdurchströmungen erzeugen. Da die Energiespeichereinrichtung 1 jedoch durch die reaktive Fügeeinrichtung 9 im gezeigten Ausgangszustand keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektrodenanschlüssen 12 und 19 aufweist, werden gefährliche Spannungslagen vermieden und das Sicherheitsniveau bei der Montage mehrerer Energiespeicheranordnungen 1 verbessert.
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Die reaktive Fügeeinrichtung 9 umfasst einen Schichtstapel 20 aus einer Vielzahl 40 nm dicker Aluminium-Nanofolien, welche jedoch zumindest teilweise gegeneinander isoliert sind. Dadurch besteht keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektrodenanschlüssen 15 und 16. Durch das Erzeugen eines Energieimpulses im gezeigten Ausgangszustand wird eine exotherme Reaktion der Aluminium-Nanofolien ausgelöst, welche das Aluminium kurzzeitig derart erwärmt, dass eine elektrisch leitende Verbindung entsteht. Gleichzeitig wird die Isolierung des Schichtstapels 20 zerstört, so dass das aufgeschmolzene Aluminium nach seinem Erstarren eine elektrische leitende Verbindung zwischen den Elektrodenanschlüssen 15 und 16 erzeugt. Dies wird dadurch unterstützt, dass das Mittel zum Erzeugen des Drucks 10 einen Druck auf die Elektrodenanschlüsse 15 und 16 in Richtung der reaktiven Fügeeinrichtung 9 ausübt und diese während der exothermen Reaktion so gegen das geschmolzene Aluminium gepresst werden. Daneben wird das Erzeugen einer sicheren Fügeverbindung zwischen Elektrodenanschlüssen 15, 16 dadurch verbessert, dass diese im Berührungsbereich mit dem aufgeschmolzenen Aluminium eine mit Lot belegte Oberflächenschicht aufweisen (nicht gezeigt). Es ist sodann eine elektrisch leitende Verbindung zwischen allen in Reihe verschalteten Energiespeicher 2, 3, 4, 5 hergestellt und die Gesamtspannung von 14,8 V liegt an den Elektrodenanschlüssen 12, 19 an. Zweckmäßigerweise wird der Zeitpunkt zum Auslösen der exothermen Reaktion so gewählt, dass keine Berührungen mit Teilen der Energiespeicheranordnung 1 oder mehrerer in Reihe verschalteter Energiespeicheranordnungen 1 zu erwarten sind, insbesondere nach Abschluss sämtlicher Montagetätigkeiten, idealerweise kurz vor der Inbetriebnahme.
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1 ist eine Prinzipskizze des ersten Ausführungsbeispiels der Energiespeicheranordnung 1, wobei das Mittel zum Erzeugen des Energieimpulses 11 als eine zu den Energiespeichern 2, 3, 4 und der reaktiven Fügeeinrichtung 9 parallel geschaltete Schalteinrichtung 21 ausgebildet ist. Durch das Schließen der Schalteinrichtung 21 entsteht eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Energiespeichern 2, 3, 4 und die reaktive Fügeeinrichtung 9 wird mit einem elektrischen Energieimpuls beaufschlagt. Dieser löst dabei die exotherme Reaktion des Schichtstapels 20 aus und erzeugt die elektrisch leitende Verbindung. Sobald dies geschehen ist, ist die Schalteinrichtung 21 wieder zu öffnen, um einen infolge der erzeugten elektrisch leitfähigen Fügeverbindung zwischen Elektrodenanschlüssen 15, 16 erzeugten Kurzschlussstrom möglichst schnell wieder zu unterbinden. Alternativ zu einem durchgängigen Schließen der Schalteinrichtung 21 kann auch eine Folge von sehr kurzen, bevorzugt in ihrer Dauer ansteigenden, Impulsen erzeugt werden.
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2 ist eine Prinzipskizze des zweiten Ausführungsbeispiels der Energiespeicheranordnung 1, wobei das Mittel zum Erzeugen des Energieimpulses 11 unmittelbar an einer Seite des Schichtstapels angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, einen elektrischen Energieimpuls, einen Wärmeimpuls oder einen Lichtimpuls auf den Schichtstapel 20 auszuüben. Dadurch wird die exotherme Reaktion ausgelöst und die elektrisch leitfähige Fügeverbindung zwischen den Elektrodenanschlüssen 15 und 16 erzeugt.
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3 ist eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls 22, umfassend eine innerhalb eines Gehäuses 23 angeordnete Energiespeicheranordnung 1 mit einer Schalteinrichtung 21 sowie eine die Schalteinrichtung 21 ansteuernde Steuerungseinrichtung 24. Diese ist mit einem externen Bussystem 25, beispielsweise eines Fahrzeugs verbunden.
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Die Energiespeicheranordnung 1 umfasst acht Energiespeicher 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, welche in Reihe verschaltet sind und zwischen den Energiespeichern 29 und 30 eine reaktive Fügeeinrichtung 9 aufweisen. Ferner ist die positive Elektrode des äußeren Energiespeichers 26 mit einem positiven Anschluss 34 des Energiespeichermoduls und die negative Elektrode des äußeren Energiespeichers 33 mit einem positiven Anschluss des Energiespeichermoduls 22 verbunden, wodurch das ansonsten durch das Gehäuse 23 nach außen abgeschlossene Energiespeichermodul 22 kontaktierbar ist und beispielsweise mit weiteren Energiespeichermodulen verschaltet werden kann.
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Die Steuerungseinrichtung 24 ist mit jedem einzelnen Energiespeicher 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 der Energiespeicheranordnung 1 verbunden, wovon lediglich zwei Verbindungen 36, 37 aus Gründen der Übersichtlichkeit gezeigt sind. Durch diese Verbindungen 36, 37 und sämtliche weiteren führt die Steuerungseinrichtung 24 Maßnahmen zum Batteriemanagement aus, insbesondere reguliert sie die Spannungen der einzelnen Energiespeicher 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 durch Zellbalancing. Daneben weist die Steuerungseinrichtung 24 eine Messeinrichtung 38 auf, welche die über den Energiespeichern 29, 30, 31 und die reaktive Fügeeinrichtung 9 abfallende Spannung erfasst.
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Zur Auslösung der exothermen Reaktion der reaktiven Fügeeinrichtung 9 steuert die Steuerungseinrichtung 24 in Abhängigkeit eines entsprechenden durch das Bussystem 25 übermittelten Befehls die Schalteinrichtung 21 derart an, dass eine Folge von stetig länger werdenden elektrischen Energieimpulsen durch das Schließen des Stromkreises in der die. Energiespeicher 29, 30, 31, die reaktive Fügeeinrichtung 9 und die Schalteinrichtung 21 umfassenden Masche an. Nach jedem dieser Energieimpulse wird durch die Messeinrichtung 38 die über den Energiespeicher 29, 30, 31 und die reaktive Fügeeinrichtung 9 abfallende Spannung erfasst. Das Ausgeben weiterer Energieimpulse wird dabei beendet, wenn die mit der Messeinrichtung 38 erfasste Spannung anzeigt, dass durch die reaktive Fügeeinrichtung 9 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Energiespeichern 29 und 30 gegeben ist. Dazu wird ein Schwellwert für die mit der Messeinrichtung 38 erfasste Spannung festgelegt. Vorliegend ist dieser Wert zu 11,1 V gewählt. Ist dieser Schwellwert noch nicht überschritten, so werden durch das Schließen der Schalteinrichtung 21 weitere Energieimpulse erzeugt.
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Mit dem Energiespeichermodul 22 können so die auch zu den 1 und 2 genannten Vorteile erzielt werden, nämlich das Verhindern hoher Spannungslagen bei einer Reihenschaltung mehrerer Energiespeichermodule 22 über ihre Anschlüsse 34, 35.
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4 ist eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls 22, umfassend zwei Energiespeicheranordnungen 1, 40, welche in einem Gehäuse 23 des Energiespeichermoduls 22 angeordnet sind, und eine Steuerungseinrichtung 24. Mit der Steuerungseinrichtung 24 ist ein externer Fahrzeugbus 25 verbunden.
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Der Aufbau der Energiespeicheranordnung 1 entspricht derjenigen, die in 1 beschrieben ist. Dabei ist die Steuerungseinrichtung 24 mittels einer Verbindung 36 mit dem positiven Elektrodenanschluss des Energiespeichers 2 sowie mittels einer Verbindung 37 mit dem negativen Elektrodenanschluss des Energiespeichers 4 verbunden. Die Energiespeicheranordnung 40, umfassend vier Energiespeicher 41, 42, 43, 44, eine reaktive Fügeeinrichtung 45, eine Schalteinrichtung 46 sowie zwei Verbindungen 47, 48 mit der Steuerungseinrichtung 24 ist symmetrisch zur Energiespeicheranordnung 1 aufgebaut.
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Die Steuerungseinrichtung 24 umfasst eine Messeinrichtung 38, welche die Spannung, die über die Energiespeicher 2, 3, 4 und die reaktive Fügeeinrichtung 9 abfällt, misst, sowie eine Messeinrichtung 49, welche die Spannung, die über den Energiespeichern 42, 43, 44 und der reaktiven Fügeeinrichtung 45 der Energiespeicheranordnung 40 abfällt, misst. Ferner steuert die Steuerungseinrichtung 24 die Schalteinrichtung 21 der Energiespeicheranordnung 1 und die Schalteinrichtung 46 der Energiespeicheranordnung 40 an. Diese Ansteuerung erfolgt analog zum ersten Ausführungsbeispiel in 3.
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Das Energiespeichermodul 22 ist vor einem Kurzschluss bezüglich seiner Anschlüsse 34, 35 geschützt, da durch die zwei vorgesehenen reaktiven Fügeeinrichtungen 9, 45 eine doppelte Trennung sämtlicher in Reihe geschalteter Energiespeicher 2, 3, 4, 5, 41, 42, 43, 44 gegeben ist. Das heißt auch bei einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Anschlüssen 34, 35 kann keine exotherme Reaktion der reaktiven Fügeeinrichtung 9, 45 ausgelöst werden. Mithin besteht so im Rahmen der Montage mehrerer Energiespeichermodule 23 auch ein Schutz vor kurzschlussbedingten Lichtbögen, die ein zusätzliches Gefahrenpotential für einen Monteur bilden würden.
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Im Übrigen sind die Ausführungen zum Energiespeichermodul 22 in 3 auf das in 4 gezeigte Energiespeichermodul 22 übertragbar.
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Es ist darüber hinaus möglich, dass sowohl die reaktive Fügeeinrichtung 9 in 3 als auch die reaktive Fügeeinrichtungen 9, 45 in 4 nicht mittels Schalteinrichtungen 21, 46 zu einer exothermen Reaktion gebracht werden, sondern dass ein wie in 2 gezeigtes Mittel zum Erzeugen eines Energieimpulses 11 vorgesehen ist.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 50, umfassend vier Räder 51, 52, 53, 54, wobei die Räder 51, 52 mittels einer Antriebseinrichtung 55 angetrieben werden, welche von einer Energiespeichereinrichtung 56 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Energiespeichereinrichtung 56 kommuniziert dabei mit einem Bussystem 25 des Kraftfahrzeugs 50.
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Die Energiespeichereinrichtung 56 umfasst mehrere gleichartige, miteinander verschaltete Energiespeichermodule 22, welche jeweils mit dem Bussystem 25 kommunizieren. Es ist mithin möglich, die Energiespeichereinrichtung 56 in einem Zustand in das Kraftfahrzeug 50 zu verbauen, in dem sich reaktive Fügeeinrichtungen (in 5 nicht gezeigt) der Energiespeichermodule 22 in ihrem Ausgangszustand befinden und dementsprechend noch keine Spannung an die Antriebseinrichtung 55 abgeben können. Erst zu einem Zeitpunkt, ab dem dies gewünscht ist, kann mittels des Bussystems 25 ein Steuerbefehl an die Energiespeichermodule 22 abgegeben werden, durch den exotherme Reaktionen in den reaktiven Fügeeinrichtungen ausgelöst werden, wodurch die Energiespeichereinrichtung 56 in Betriebsbereitschaft versetzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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