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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher für ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Herstellung dieses Energiespeichers.
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Die Verwendung von Energiespeichern in Fahrzeugen ist hinlänglich bekannt. Insbesondere die Nutzung des Energiespeichers, beispielsweise in Form einer Traktionsbatterie, zum Antrieb des Fahrzeugs steht inzwischen regelmäßig im Fokus der Fahrzeugentwicklung. Eine der technischen Herausforderungen ist im Umgang mit einer Wärmeentwicklung, die von den typischerweise miteinander zu einem Energiespeicher modular zusammengesetzten Energiespeicherzellen ausgeht, zu sehen. Aus der Druckschrift
DE 10 2013 015 208 B3 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Temperaturregulierung in einem Energiespeicher bekannt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Energiespeicher bereitstellen, der insbesondere in Hinblick auf Maßnahmen gegen eine unerwünschte Wärmeentwicklungen im Energiespeicher gegenüber dem Stand der Technik weiter verbessert ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch einen Energiespeicher für ein Fahrzeug, wobei der Energiespeicher mehrere Energiespeicherzellen aufweist, wobei der Energiespeicher zur Bildung eines Grundkörpers ein elektrisch isolierendes und wärmeleitendes Kühlbauteil umfasst, wobei mindestens eine der mehreren Energiespeicherzellen in einer vom Grundkörper vorgegebenen Aufnahme eingelassen ist, wobei in der Aufnahme zwischen der Energiespeicherzelle und dem Kühlbauteil zumindest teilweise ein wärmeleitendes Füllelement angeordnet ist.
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Gegenüber dem Stand der Technik hat der erfindungsgemäße Energiespeicher den Vorteil, dass über das wärmeleitende Füllmaterial Wärme von der Energiespeicherzelle direkt auf das Kühlbauteil geleitet wird, wodurch ein gewünschter Wärmeabtransport von der jeweiligen Energiespeicherzelle unterstützt wird.
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Vorzugsweise liegt das Füllelement unmittelbar an der Energiespeicherzelle an, d. h. es wird bei der Energiespeicherzelle auf eine Mantelung, beispielsweise in Form eines Lacks oder Schrumpfschlauchs, verzichtet, wodurch der Wärmeabtransport weiter positiv unterstützt wird, da so ein thermischer Kontakt zwischen der Energiespeicherzelle und dem Füllelement verbessert ist. Beispielsweise handelt es sich bei den Energiespeicherzellen um Supercaps, Pouchzellen, Rundzellen oder prismatische Zellen. Weiterhin ist es vorstellbar, dass der Grundkörper einstückig oder aus mehreren Bauteilen, insbesondere Kühlbauteilen, gebildet wird. Dabei ist es zur Bildung eines Grundkörpers beispielsweise auch denkbar, dass die einzelnen den Grundkörper bildenden Kühlbauteile nicht unmittelbar miteinander verbunden sind, sondern über Nicht-Kühlbauteile miteinander zum Grundkörper zusammengefügt sind. Als Kühlbauteil kommen beispielsweise blockartige, querstrebenartige oder wellenartige Elemente in Frage. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Aufnahme angepasst ist an die geometrische Form der vorgesehenen Energiespeicherzelle. Beispielsweise weist die Energiespeicherzelle eine zylindrische Form auf und die Aufnahme ist vorzugsweise eine Sackbohrung. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Energiespeicherzellen über einen elektrischen Kontakt, beispielsweise mittels einer Verschweißung und/oder einer Schweißfahne elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das wärmeleitende Füllelement eine Paste oder eine ausgehärtete Flüssigkeit ist. Dabei ist es vorstellbar, dass die Paste bzw. die ausgehärtete Flüssigkeit so elastisch ist, dass das wärmeleitende Füllelement bei einer thermisch induzierten Ausdehnung der Energiespeicherzelle nachgibt bzw. die Ausdehnung der Energiespeicherzelle zulässt. So können in vorteilhafter Weise andernfalls bei der thermisch induzierten Ausdehnung der Energiespeicherzelle auftretende eventuelle Schäden vermieden werden. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass sich das Füllelement innerhalb der gesamten Aufnahme zwischen der Energiespeicherzelle und dem Kühlbauteil erstreckt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Kühlbauteil Keramik aufweist. Vorzugsweise ist der Grundkörper ein Keramik-Grundkörper bzw. ein Keramikkühlbauteil. Mittels der elektrisch isolierenden Eigenschaften der Keramik sind die einzelnen Energiespeicherzellen elektrisch isoliert und lassen sich beliebig verschalten. In einer anderen, besonders aus Kostengründen vorteilhaften Ausführungsform weist das Kühlbauteil wärmeleitfähigen Kunststoff auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Energiespeicher ein Kühlsystem, insbesondere ein Kühlsystem zur gemeinsamen Kühlung mehrerer Kühlbauteile, umfasst. Vorzugsweise umfasst das Kühlsystem Kühlkanäle, die insbesondere entlang einer Seitenfläche des Grundkörpers, beispielsweise an dessen Unterseite, angeordnet sind. Zur Bildung der Kühlkanäle sind bevorzugt Kühlrippen am Grundkörper vorgesehen, die beispielsweise zusammen mit einem thermisch isolierenden Abschlusselement, beispielsweise einer Kunststoffplatte, ein System aus Hohlräumen bildet, die die Kühlkanäle bilden, durch die wiederum ein Kühlflüssigkeit geleitet werden kann. Auf diese Weise wird in vorteilhafter Weise an einer Seite des Grundkörpers eine Kältequelle bereitgestellt, mit der sich ein Wärmeabtransport weg vom Grundkörper realisieren lässt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass Energiespeicherzellen mittels einer Zellhalterplatte fixiert sind, wobei die Zellhalterplatte vorzugsweise eine Bohrung zur Entgasung aufweist. Vorzugsweise ist die Zellhalterplatte an der dem Kühlsystem gegenüberliegenden Seite am Grundkörper angeordnet und/oder stoffschlüssig, reibschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Grundkörper verbunden.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers für ein Fahrzeug, insbesondere eines erfindungsgemäßen Energiespeichers, umfassend die Verfahrensschritte
- – Bereitstellen eines Grundkörpers bestehend aus einem oder mehreren elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Kühlbauteilen, insbesondere Keramikkühlbauteilen,
- – Einfüllen eines wärmeleitenden Füllelements in eine durch den Grundkörper vorgegebene Aufnahme,
- – Einführen einer Energiespeicherzelle in die Aufnahme im Grundkörper.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass als wärmeleitendes Füllelement eine Paste und/oder eine Flüssigkeit in die Aufnahme eingefüllt wird, wobei vorzugsweise die Paste und/oder Flüssigkeit zeitlich nach dem Einführen der Energiespeicherzelle ausgehärtet wird. Es ist dabei vorstellbar, dass zum Aushärten Energie, beispielsweise in Form von Wärme oder Licht, aufgewendet wird.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Die 1 zeigt in einer perspektivischen und schematischen Ansicht einen Energiespeicher für ein Fahrzeug gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 2 zeigt in einer Schnittansicht einen Energiespeicher für ein Fahrzeug gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 3 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Energiespeicher für ein Fahrzeug gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 4 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Energiespeicher für ein Fahrzeug gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist ein Energiespeicher 1 für ein Fahrzeug gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere handelt es sich bei dem Energiespeicher 1 um eine Traktionsbatterie, die zum Antrieb des Fahrzeugs vorgesehen ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Energiespeicher 1 mehrere, insbesondere miteinander verschaltete Energiespeicherzellen 20, aufweist. Vorstellbar sind beispielsweise als Energiespeicherzellen 20 Supercaps, Pouchzellen, Rundzellen oder prismatische Zellen.
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Dabei umfasst der Energiespeicher 1 vorzugsweise einen Grundkörper 10 aus einem elektrisch nicht-leitenden und zudem wärmeleitenden Kühlbauteil 12, das vorzugsweise Keramik aufweist oder aus Keramik oder wärmeleitfähigem Kunststoff gefertigt ist. Durch die elektrisch isolierenden Eigenschaften des z.B. Keramik aufweisenden Kühlbauteils 12 ist vorzugsweise jede einzelne Energiespeicherzelle 20 elektrisch isoliert und lässt sich mit jeder anderen im Grundkörper 10 angeordneten Energiespeicherzelle 20 verbinden. In der vorliegenden Ausführungsform in 1 ist der Grundkörper 10 aus einem einzelnen rechteckigen Blockelement gefertigt und umfasst in Form von, insbesondere runden, Sackbohrungen Aufnahmen 11, in die einzelne Energiespeicherzellen 20 eingelassen werden. Dazu sind die Sackbohrungen derart ausgestaltet, dass ihr Durchmesser vorzugsweise bis zu 5%, besonders bevorzugt bis zu 2,5 % und besonders bevorzugt bis zu 1% größer ist als ein Durchmesser der im Querschnitt runden Energiespeicherzellen 20. Es ist auch vorstellbar, dass die Sackbohrungen und die Energiespeicherzellen 20 einen von einem Kreis abweichenden Querschnitt aufweisen, wobei vorzugsweise der Querschnitt der Sackbohrung komplementär zum Querschnitt der Energiespeicherzelle und entsprechend größer ausgestaltet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist es weiterhin vorgesehen, dass sich die Aufnahmen 11 in zueinander versetzten Reihen über den gesamten Grundkörper verteilen. Es ist auch vorstellbar, dass sich die Aufnahmen 11 in konzentrischen Kreisen zueinander, schachbrettartig oder in einer anderen geometrischen Ordnung zueinander anordnen. Sogar eine ungeordnete Anordnung der Aufnahmen ist vorstellbar. Weiterhin ist es vorstellbar, dass der Grundkörper 10 durch einen Gieß- oder Fräsprozess realisiert wird.
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An einer Unterseite des Energiespeichers 1, d. h. einer Seite des Energiespeicher 1, die einer Öffnung der Sackbohrung gegenüberliegt, ist vorzugsweise ein Kühlsystem 15, insbesondere in Form eines eine Kühlrippe 16 umfassenden Kanalsystems, zur Abfuhr einer Wärmeenergie vorgesehen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich das Kühlsystem 15 im Wesentlichen über die gesamte angrenzende Seite des Grundkörpers 10 oder darüber hinaus erstreckt. Vorzugsweise bildet die Kühlrippe 16 einen Teil eines Kanalsystems, dessen einzelne Kanäle im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und miteinander verbunden sind. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass im Betrieb durch das Kanalsystem eine Kühlflüssigkeit 17, mit der eine gewünschte Wärmeabfuhr gewährleistet werden kann, geleitet wird. Das Kühlbauteil 12 des Grundköpers 10 dient dabei dazu, eine Wärmeentwicklung von den einzelnen Energiespeicherzellen 20 zum Kühlsystem abzuleiten.
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Um einen Wirkungsgrad der gewünschten Wärmeabfuhr weiter zu erhöhen, ist es vorgesehen, dass zeitlich vor Einsetzen der Energiespeicherzellen 20 ein wärmeleitendes Füllelement 3, beispielsweise in Form einer Paste oder Flüssigkeit, in die Aufnahme 11 eingefüllt wird. Insbesondere ist es dazu vorgesehen, dass die Energiespeicherzellen 20 hüllenlos, d. h. ohne einen Schrumpfschlauch oder einen Lack aufzuweisen, in die mit dem Füllelement 3 zumindest teilweise gefüllte Aufnahme 11 eingeführt werden. Bei einem solchen Einführen wird das wärmeleitende Füllelement 3 gleichmäßig durch die Energiespeicherzelle 20 verdrängt und ordnet sich zwischen Energiespeicherzelle 20 und Kühlbauteil 12 bzw. Grundkörper 10 an. Vorzugsweise wird die Energiespeicherzelle 20 derart in der Aufnahme 11 platziert, dass sich im Wesentlichen eine homogene, d. h. gleichbleibende Verteilung des Füllelements 3 zwischen der Energiespeicherzelle 20 und dem Kühlbauteil 12 einstellt. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Paste und/oder Flüssigkeit selbstständig aushärtet und/oder durch Energiezufuhr, beispielsweise Licht oder Wärme, ausgehärtet wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die ausgehärtete Paste und/oder die ausgehärtete Flüssigkeit eine Elastizität aufweist, die eine Bewegung innerhalb vorgegebener Grenzen, insbesondere innerhalb der durch eine zu erwartende thermische Ausdehnung der Energiespeicherzelle 20 vorgegebenen Grenzen, gestattet.
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In 2 ist in einer Schnittansicht ein Energiespeicher 1 für ein Fahrzeug gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie er in 1 illustriert ist, dargestellt. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die in der Aufnahme 11 angeordnete Energiespeicherzelle 20 aus einer Öffnung der Sackbohrung herausragt. Dabei ist es weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass die Energiespeicherzellen 20 über eine an dem aus der Sackbohrung ragenden Ende der Energiespeicherzelle platzierte Verschweißung elektrisch kontaktiert sind. Insbesondere umfasst die Energiespeicherzelle 20 dazu eine Schweißfahne 21, die an einer Stirnseite der Energiespeicherzelle 20 und/oder an einer Seitenfläche der Energiespeicherzelle 20 angeordnet ist. Weiter ist es vorgesehen, dass Entgasungsöffnungen der Energiespeicherzellen 20 auf der dem Kühlsystem 15 abgewandten Seite angeordnet sind, wodurch in vorteilhafter Weise eine Gasentweichung beim Entgasen der Energiespeicherzellen ermöglicht wird. Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Energiespeicher 1, insbesondere auf der dem Kühlsystem 15 abgewandten Seite des Grundkörpers 10 anliegend, eine Zellhalterplatte 13 zur Fixierung der Energiespeicherzellen 20 aufweist. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Zellhalterplatte 13 eine oder mehrere Bohrungen bzw. Aussparungen zur Entgasung aufweist. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Zellhalterplatte 13 im Bereich der Bohrung, insbesondere an einer Innenseite der Bohrung, einen Absatz zur Bildung eines der Fixierung der Energiespeicherzelle 20 dienenden Formschlusses aufweist. Dabei liegt die Energiespeicherzelle 20 im montierten Zustand vorzugsweise am Absatz an. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Zellhalterplatte 11 weitere Aussparungen bzw. Bohrungen aufweist, durch die Fixiermittel 14, wie beispielsweise Schrauben, hindurchgreifen, um die Zellhalterplatte 13 am Grundkörper 10 zu montieren. Des Weiteren ist an der Kühlrippe 16, insbesondere an der dem Grundkörper 10 abgewandten Seite, ein thermisch isolierendes Abschlusselement 18, beispielsweise in Form einer Kunststoffplatte, angeordnet. Dabei ist es vorstellbar, dass das Abschlusselement 18 Teil des Kanalsystems ist und entsprechend abdichtend mit der Kühlrippe 16 verbunden ist. Um das Gewicht des Energiespeichers 1 zu reduzieren, ist es weiterhin vorgesehen, dass Bereiche im Grundkörper 10, die zwischen mehreren, insbesondere drei, Energiespeicherzellen 20 angeordnet sind, ausgespart werden, wodurch in vorteilhafter Weise Anschraubpunkte für die Zellhalterplatte 13 oder ein Terminalblech bereitgestellt werden.
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In der 3 ist in einer schematischen Ansicht ein Energiespeicher 1 für ein Fahrzeug gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Energiespeicher 1 aus der 3 unterscheidet sich dabei im Wesentlichen vom Energiespeicher 1 aus den 1 und 2 durch die geometrische Form des Grundkörpers 10. Statt eines blockförmigen Grundkörpers 10 wird der Grundkörper 10 in der 3 durch mehrere parallel verlaufende Querstreben realisiert. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Querstreben so angeordnet sind, dass die Energiespeicherzellen 20 untereinander auf Abstand gehalten und so die jeweiligen Aufnahmen 11 für die Energiespeicherzellen gebildet werden. Wie auch der Energiespeicher 1 aus den 1 und 2 umfasst der Energiespeicher 1 ein zwischen dem Grundkörper 10 und den Energiespeicherzellen 20 angeordnetes wärmeleitendes Füllmaterial 3.
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In der 4 ist in einer schematischen Ansicht ein Energiespeicher 1 für ein Fahrzeug gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Energiespeicher 1 aus der 4 unterscheidet sich dabei im Wesentlichen vom Energiespeicher 1 aus den 1 und 2 durch die geometrische Form des Grundkörpers 10. Statt eines blockförmigen Grundkörpers 10, wird der Grundkörper 10 in der 4 durch wellenförmige Platten realisiert. Dabei sind die wellenartigen Platten vorzugsweise derart ausgestaltet und angeordnet, dass gegenüberliegende Täler die Aufnahme 11 für die Energiespeicherzelle bilden. Dabei ist es weiterhin vorzugsweise vorgesehen, dass die wellenartigen Platten mit einer Wölbung bzw. dem Durchmesser der Energiespeicherzellen abgestimmt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013015208 B3 [0002]
