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Die Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeichervorrichtung, die eine Vielzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen zur Aufnahme, Abgabe und Speicherung elektrischer Energie aufweist. Die elektrochemischen Energiespeicherzellen weisen jeweils einen ersten elektrischen Anschluss und einen zweiten elektrischen Anschluss auf. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, umfassend einen elektromotorischen Antrieb und wenigstens eine elektrische Energiespeichervorrichtung.
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In derartigen Energiespeichervorrichtungen verwendete elektrochemische Energiespeicherzellen können eine längliche Form aufweisen. Derartige längliche Energiespeicherzellen werden üblicherweise ungleich ausgerichtet seriell verschaltet, um den Zellkopf (Pluspol) einer Zelle mit dem Zellboden (Minuspol) der folgenden Zelle zu kontaktieren. Dabei sind Richtungsänderungen der Zellorientierung in einer seriell verschalteten Untermenge Zellen nicht zu vermeiden, was erhöhten räumlichen und elektrischen Aufwand bedeutet. Dies erfordert Repositionierungen oder Unterteilung und Nacharbeit des Werkstücks in der Fertigung sowie einen erhöhten Konstruktionsaufwand, um alle Zellen im Betrieb homogen zu temperieren.
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Die Erfindung geht auf die Aufgabe zurück, eine elektrische Energiespeichervorrichtung der eingangs genannten Art derart fortzubilden, dass ihre Herstellung vereinfacht und ihre Zuverlässigkeit, insbesondere zur Verbesserung der Tauglichkeit zum Einsatz in Fahrzeugen, verbessert wird. Des Weiteren geht die Erfindung auf die Aufgabe zurück, ein Fahrzeug der eingangs genannten Art mit einer verbesserten elektrischen Energiespeichervorrichtung auszustatten.
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Zur Lösung wird eine elektrische Energiespeichervorrichtung gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen, die eine Vielzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen zur Aufnahme, Abgabe und Speicherung elektrischer Energie, die jeweils einen ersten elektrischen Anschluss und einen zweiten elektrischen Anschluss aufweisen, und eine Kontaktierungseinrichtung zur Kontaktierung der ersten und zweiten elektrischen Anschlüsse der Energiespeicherzellen aufweist, wobei die Kontaktierungseinrichtung mehrlagig aufgebaut ist und wenigstens eine Isolationslage und eine Leiterlage aufweist.
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Eine derartige elektrische Energiespeichervorrichtung hat insbesondere den Vorteil, dass die Zellen mit nur einem Verfahrensschritt zu einem Modul zusammengefügt werden können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 12.
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Die Energiespeicherzellen können eine Bodenseite zur Wärmeabführung und eine Kopfseite aufweisen, wobei der erste und der zweite Anschluss im Bereich der Kopfseite kontaktierbar sind. Dadurch ist es möglich, die Kontaktierungseinrichtung verhältnismäßig einfach auszugestalten. Darüber hinaus können die Kühlung und die Kontaktierung der Zellen räumlich voneinander getrennt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Energiespeicherzellen derart angeordnet, dass die Bodenseiten jeweils zu Bodenseiten anderer Energiespeicherzellen und die Kopfseiten jeweils zu Kopfseiten anderer Energiespeicherzellen benachbart angeordnet sind. Dadurch können die Kontaktierungseinrichtung, die Wärmeabführung und der Zusammenbau weiter vereinfacht werden.
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Die Energiespeicherzellen können eine Oberflächenvergrößerungseinrichtung zur Vergrößerung einer Kontaktoberfläche zwischen der Energiespeicherzelle und einem Temperierungsfluid aufweisen. Durch die vergrößerte Kontaktoberfläche wird die Wärmeübertragung zwischen der Energiespeicherzelle und dem Temperierungsfluid verbessert, so dass die Energiespeicherzelle einfacher gekühlt und/oder erwärmt werden kann.
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Die Oberflächenvergrößerungseinrichtung kann vorteilhaft mit der Bodenseite verbunden sein. Die Oberflächenvergrößerungseinrichtung ist in diesem Fall entfernt von der Kontaktierungseinrichtung angeordnet und kann dieser daher nicht im Weg stehen.
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Darüber hinaus kann ein Körper zur Aufnahme und Positionierung der Energiespeicherzellen vorgesehen sein, der Öffnungen zur Aufnahme von Energiespeicherzellen aufweist. Mittels eines derartigen Körpers lassen sich die Energiespeicherzellen ausrichten, beabstanden und/oder zum Zusammenbau der Energiespeichervorrichtung vorbereiten. Der Körper gibt der Energiespeichervorrichtung darüber hinaus zusätzliche Stabilität. Sofern der Körper aus einem flammenhemmenden Material gebildet ist, kann durch seine Verwendung auch die Sicherheit der Energiespeichervorrichtung verbessert werden.
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Im Bereich der Bodenseiten der Energiespeicherzellen kann ein Temperierungskanal zur Aufnahme eines Temperierungsfluids zur Wärmeab- oder zufuhr angeordnet sein. Dadurch ist eine Trennung der elektrischen und der thermischen Anbindung mittels Anordnung auf je einer Seite der Zellen möglich. Darüber hinaus kann die Sicherheit der Energiespeichervorrichtung durch Vorsehen eines Entlüftungskanals für eventuelle Ausgasung im Falle des Versagens von Energiespeicherzellen verbessert werden. Der Temperierungskanal kann gleichzeitig diesen Entlüftungskanal bilden.
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Die Kontaktierungseinrichtung kann eine Leiterplatte zur einseitigen Kontaktierung der Energiespeicherzellen aufweisen. Dies vereinfacht die Konstruktion und den Zusammenbau der Energiespeichervorrichtung, da die Leiterplatte zur Kontaktierung lediglich auf die Energiespeicherzellen aufgesetzt werden muss. Darüber hinaus ist eine derartige Leiterplatte ein industrielles Standardprodukt und somit einfach erhältlich.
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Die Leiterplatte kann eine erste Leiterlage zum Anschließen von ersten Anschlüssen mehrerer Energiespeicherzellen und eine zweite Leiterlage zum Anschließen zweiter Anschlüsse der mehreren Energiespeicherzellen sowie eine Isolationslage zwischen der ersten und der zweiten Leiterlage aufweisen. Dadurch ist eine sichere elektrische Trennung der Anschlüsse der Energiespeicherzellen gegeben.
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Die Isolationslage der Leiterplatte kann je wenigstens eine Durchgangsöffnung für wenigstens einen der Anschlüsse jeder anzuschließenden Energiespeicherzelle aufweisen.
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Eine Vielzahl von Energiespeicherzellen kann in einem Array mit mehreren Reihen und mehreren Spalten angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung können mehrere Energiespeicherzellen mittels der Kontaktierungseinrichtung in Serie geschaltet sein, um eine Energiespeicherzellengruppe zu bilden. Mehrere Energiespeicherzellengruppen können darüber hinaus mittels der Kontaktierungseinrichtung parallel zueinander geschaltet sein. Dadurch können Energiespeichervorrichtungen mit unterschiedlichen, insbesondere höheren, Nennspannungen und Kapazitäten gebildet werden. Die Verbindung mittels der Kontaktierungseinrichtung vereinfacht die Konstruktion der Energiespeichervorrichtung.
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Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, umfassend einen elektromotorischen Antrieb und wenigstens eine elektrische Energiespeichervorrichtung, wobei die elektrische Energiespeichervorrichtung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 12 ausgestaltet ist, gelöst.
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Ein derartiges Fahrzeug weist eine verbesserte Zuverlässigkeit und einen vereinfachten Aufbau auf.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht der Struktur einer Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung;
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2 eine schematische Seitenansicht der Struktur einer Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung beim Zusammenbau;
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3 eine dreidimensionale Ansicht eines Körpers für eine Energiespeichervorrichtung;
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4 eine Schnittansicht durch eine Energiespeicherzelle;
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5 Entladekurven einer Energiespeichervorrichtung;
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6 eine schematische Schnittansicht durch eine elektrische Energiespeichervorrichtung;
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7 eine schematische Draufsicht auf die elektrische Energiespeichervorrichtung von 6;
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8 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Energiespeichereinrichtung wie in 7;
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9 eine Fotografie eines Abschnitts einer Ausführungsform einer Kontaktierungseinrichtung;
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10 eine Fotografie eines Abschnitts einer weiteren Ausführungsform einer Kontaktierungseinrichtung;
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11 Entladekurven einer Energiespeichervorrichtung und
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12 eine Schnittansicht durch ein Luftfahrzeug mit einer Ausführungsform der elektrischen Energiespeichervorrichtung.
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1 zeigt eine elektrische Energiespeichervorrichtung 10, die eine Vielzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen 12 zur Aufnahme, Abgabe und Speicherung elektrischer Energie aufweist. Die Energiespeicherzellen 12 weisen jeweils einen ersten elektrischen Anschluss 14 und einen zweiten elektrischen Anschluss 16 auf. Die Anschlüsse 14, 16 sind im Bereich einer Kopfseite 20 kontaktierbar.
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Zur Kontaktierung der Anschlüsse 14,16 ist eine Kontaktierungseinrichtung in Form beispielsweise einer Leiterplatte 18 vorgesehen, die auf die Kopfseiten 20 der Energiespeicherzellen 12 aufgesetzt ist.
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Im Bereich von Bodenseiten 22 der Energiespeicherzellen 12 sind Oberflächenvergrößerungseinrichtungen, in der vorliegenden Ausführungsform Finnen 24, die beispielsweise jeweils mit einer Bodenseite 22 verschweißt sind, angeordnet. Die Finnen 24 können beispielsweise als einfache Metallfähnchen ausgeführt sein und ragen in ein Temperierungsfluid 26 ein, das in einem Temperierungskanal 28 an den Finnen 24 vorbeigeführt wird. Durch die von den Finnen 24 bereitgestellte zusätzliche Oberfläche wird der Wärmeübergang zwischen der Bodenseite 22 und dem Temperierungsfluid 26 verbessert.
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Die Energiespeicherzellen 12 sind beispielsweise in einen Körper 30 eingebettet. In dem Körper 30 können zu diesem Zweck Öffnungen vorgesehen sein, in welche die Energiespeicherzellen 12 einsetzbar sind. Der Körper 30 kann beispielsweise aus Isolationsschaum bestehen.
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In 2 ist beispielhaft ein Verfahren zum Aufbau der Energiespeichervorrichtung 10 gezeigt. In einem ersten Schritt werden die Energiespeicherzellen 12 in den Körper 30 eingesetzt. In einem weiteren Schritt wird die Leiterplatte 18 im Bereich der Kopfseiten 20 auf die Energiespeicherzellen 12 aufgesetzt. In noch einem weiteren Schritt wird der Temperierungskanal 28 im Bereich der Bodenseiten 22 auf angeordnet. Zusätzliche Schritte des Verfahrens sind ebenso denkbar. Beispielsweise könnte ein weiterer Schritt darin bestehen, den Körper 30 mit Öffnungen zu versehen, in welche die Energiespeicherzellen 12 einsetzbar sind. Darüber hinaus könnte ein weiterer Schritt beispielsweise darin bestehen, Finnen 24 mit Bodenseiten 22 zu verbinden, beispielsweise durch Verschweißen.
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Der in 3 beispielhaft gezeigte Körper 30 weist Öffnungen 32 zur Aufnahme von Energiespeicherzellen 12 auf. Die Öffnungen 32 können beispielsweise in einem Verfahrensschritt durch Bohren in den Körper 30 eingearbeitet werden.
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Die Energiespeicherzellen 12 können beispielsweise durch Rundzellen gebildet sein, wie sie in 4 gezeigt sind.
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Eine beispielhafte Ausgestaltung einer Leiterplatte 18 ist in 6 gezeigt. Die Leiterplatte 18 weist eine erste Leiterlage 34 und eine zweite Leiterlage 36 auf. Die Leiterlage 34, 36 sind an einander gegenüberliegenden Seiten einer Isolationslage 38 angeordnet. Die Leiterlage 34, 36 können sowohl in die Isolationslage 38 eingebettet sein, wie dies in 6 gezeigt ist, als auch an der Isolationslage 38 außen anliegend ausgebildet sein.
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Um die Energiespeicherzellen 12 miteinander in Serie zu schalten und dadurch eine Energiespeicherzellengruppe zu bilden, sind die ersten Leiterlagen 34 jeweils mit einem ersten elektrischen Anschluss 14 der Energiespeicherzellen 12 in Kontakt. Die zweiten Leiterlagen 36 sind jeweils mit einem zweiten elektrischen Anschluss 16 der Energiespeicherzellen 12 in Kontakt. Die ersten Leiterlagen 34 und die zweiten Leiterlagen 36 sind mittels eines Via 40 verbunden, das die Isolationslage 38 durchdringt.
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In der 7 ist eine Draufsicht auf eine erste derart gebildete Energiespeicherzellengruppe 42 und eine zweite Energiespeicherzellengruppe 44 gezeigt. Innerhalb jeder der Energiespeicherzellengruppe 42, 44 sind die Energiespeicherzellen 12 in Serie geschaltet. Die Energiespeicherzellengruppe 42, 44 sind hingegen mittels Ableitungen 46, 48 parallel geschaltet.
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Die Energiespeicherzellengruppen 42, 44 können jede beliebige Anzahl von in Serie geschalteten Energiespeicherzellen 12 aufweisen. Die Anzahl der Energiespeicherzellen 12, die in jeder der Energiespeicherzellengruppen 42, 44 in Serie geschaltet sind ist von dem Anwendungsfall der Energiespeichervorrichtung 10 abhängig. Häufig werden 12 Energiespeicherzellen 12 in Serie geschaltet.
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Die Zahl der verwendeten Energiespeicherzellengruppen 42, 44 ist ebenfalls von dem konkreten Anwendungsfall abhängig. Insbesondere kann die Zahl der Energiespeicherzellengruppen 42, 44 zwischen 1 und 50, beispielsweise 22 betragen.
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Wie in 8 gezeigt, kann vorgesehen sein, dass jeweils eine Vielzahl von Energiespeicherzellen unmittelbar zueinander parallel geschaltet wird und dadurch Energiespeicherzellengruppen 56, 58, 60 gebildet werden. Die Energiespeicherzellengruppen 56, 58, 60 sind in diesem Fall in Serie geschaltet.
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Die Energiespeichervorrichtung 10 kann beispielsweise in einem Luftfahrzeug wie in 12 gezeigt, eingesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 bietet eine elektrische Verbindung und thermische Anbindung von Energiespeicherzellen 12, insbesondere Batterierundzellen zu einem Batteriemodul mit geringem Gewichtsaufschlag, hoher Sicherheit und einfacher Fertigbarkeit. Die thermische Integration betrifft sowohl die Temperierung als auch die Isolation eines Fehlers (thermal run away) einer Einzelzelle und den Übergriff auf weitere Zellen. Der Kühlaufwand ist gering und erfolgt lediglich über eine Seite einer Lage von Zellen 12. Deshalb sind die Böden der zylindrischen Zellen 12 auf ein und derselben Seite angeordnet.
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Die verwendete Leiterplatte 18 als zentrales Element ist industrielles Standardprodukt und als solches problemlos erhältlich. Die elektrische und thermische Anbindung auf je eine Seite der Zellen ist getrennt und ein Entlüftungskanal für eventuelle Zellgasung (bei Versagen) integriert.
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Die thermische Anbindung nur einer Seite der Energiespeicherzellen 12 erlaubt flexiblere Kühlergeometrien.
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Die Sandwich- und Kühlerbauweise ist bei derartigen Energiespeichervorrichtungen 10 stabiler, leichter und sicherer als übliche Konstruktionen.
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Alle Zellen eine Energiespeichervorrichtung 10, die auch als Modul bezeichnet wird sollen, seriell sowie parallel verschaltet, die gleiche Ausrichtung haben. Die Kontaktierung des Minuspols (zweiter elektrischer Anschluss 16) erfolgt nicht über den Becherboden 50 (4, an der Bodenseite 22), sondern den Becherrand 52 am Zellkopf (an der Kopfseite 20). Die elektrische Verbindung der Zellen erfolgt über den Zellkopf an eine mehrlagige Leiterplatte 18 (PCB). Das Modul wird in Schichtbauweise mit einem Schaummaterial um die Zellmantel und einem doppelten Boden als Kühlkanal oder Temperierungskanal 28 sehr leicht aufgebaut. In einer Ausführungsform werden an alle Zellböden Finnen 24 montiert.
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Auf Grund der Rahmenbedingungen für die Verwendung der Energiespeichervorrichtung 10, wie z. B. maximale Spannungslage, Redundanzen und Leitungsbelastungen, können eine oder mehrere mögliche Varianten ausgewählt werden. Im nächsten Schritt kann mittels eines Simulationsprogramms eine numerische Simulation der gewählten Variante beziehungsweise Konfiguration durchgeführt werden, um diese zu überprüfen und gegebenenfalls noch anzupassen.
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Energiespeichervorrichtungen 10 werden aus Sicherheitsgründen bevorzugt aus Einzelmodulen aufgebaut, deren Spannungslage eine sichere Berührspannung nicht überschreitet. Unabhängig davon, ob die Batteriemodule dann direkt hochspannig in einer Serienkonfiguration oder mit aktiven Buskonvertermodulen verwendet werden, kann deren Spannungslage aus 12 seriellen Zellen aufgebaut werden. Bei aktuellen Li-Ionen-Zellen ergibt sich damit eine Maximalspannung von 12 × 4,2 Volt = 50,4 Volt. Die 12er-Einteilung ist daher auch bei den Battery Management Systems (BMS) bevorzugt.
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Auf Grund der Leistungsdaten der ausgesuchten Batteriezelle und den Anforderungen aus der Anwendung kann beispielsweise eine Zellenzusammenstellung von 12 seriellen Einheiten (Energiespeicherzellengruppen 42, 44), aus 22 parallel geschalteten Zellen, günstig sein. Die Module werden in diesem Fall auf eine Konfiguration von 12s22p ausgelegt. Für die Gesamtleistung und Energie werden dann in dem vorliegenden Fall 14 Module benötigt. Dabei ist die Anzahl unabhängig davon, ob die Module in Serie oder mit Hilfe der Buskonverter parallel verschaltet werden. Rechnerisch liegt die Ladeschlussspannung bei 706 Volt für die Serienverschaltung der Module (mit oder ohne Mittelabgriff als Referenz) oder bei +/–400 Volt bei Einsatz der Buskonvertermodule.
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Insgesamt werden 12 × 22 × 14 = 3696 Zellen benötigt. Bei einem Zellgewicht von 44,5 g (Messung) liegt die Gesamtmasse der Zellen bei 3696 × 0,0445 kg = 164,5 kg.
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Beispielsweise können Batteriezellen 12 des Herstellers Samsung SDI vom Typ INR18650-25R verwendet werden. Für diese Konfiguration werden 3696 Zellen benötigt. Deren Gesamtgewicht beträgt ~165 kg. Für die nominelle Entladungsleistung von 55 kW konnte die Missionsdauer von 30 Minuten, bei einer Temperaturerhöhung von 12 K ohne Kühlung, durch Messung bestätigt werden, wie in 5 gezeigt. Eine Überlastung bis zum Dreifachen der Nennlast ist möglich.
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Um ein elektrisches System mit Leitungen, Motoren, Energiespeichern und Elektronik auf die benötigten Strome auslegen zu können muss zunächst die Spannungslage und auch der Aufbau des Netzwerks festgelegt werden. Sowohl ein bipolares als auch ein unipolares Flugzeugnetzwerk sind denkbar, wobei bipolare Netzwerke zunächst bevorzugt sind. Insbesondere sind folgende Konfigurationen denkbar:
Unipolar: 0 V/700 V (Batteriemodulen in Serienverschaltung)
Bipolar: +350 V/0 V/–350 V (Batteriemodule in Serie mit Mittelabgriff)
Bipolar: +400 V/0 V/–400 V (Batteriemodule mit Buskonvertermodulen)
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Buskonvertermodule können die Spannungen von einzelnen Energiespeicherzellengruppen oder auch der gesamten Energiespeichervorrichtung auf eine Systemspannung wandeln, die von dem System, in dem die Energiespeichervorrichtung eingesetzt werden soll, benötigt wird. Die Buskonvertermodule können beispielsweise auf der Leiterplatte 18 aufgebaut sein, um eine kompakte Bauweise zu erreichen.
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In der gewählten Bauform ist die Verwendung der Energiespeichervorrichtung 10 bis zur kompletten Entladung der Zellen 12 ohne zusätzliche Kühlung der Zellen 12 möglich. Die thermische Verlustleistung wird von der Wärmekapazität der Zellen 12 aufgenommen, die Temperatur der Zellen 12 erhöht sich entsprechend. Es ist eine vollständige Entladung bei Nennlast in dieser Anwendung möglich, um bei einer gegebenen maximalen Starttemperatur von 38°C ohne Kühlung, vollisoliert, bis zum Ende der Entladung unter der maximal zulässigen Zelltemperatur zu bleiben. Die Erwärmung der Zellen ist bis zu einem bestimmten Grad von Vorteil, da sich der Gleichstrominnenwiderstand und damit die Verluste bei höheren Temperaturen verringern. Der Wirkungsgrad und damit die Energieausbeute und Flugzeit erhöhen sich damit merklich. Um möglichst schnell in den optimalen Betriebstemperaturbereich der Zellen zu kommen, ist es von Vorteil, wenn diese ihre Verlustenergie möglichst lange halten und sich selbst erwärmen. Eine thermische Isolation der Zellen unterstützt diesen Prozess.
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Im schlimmsten anzunehmenden Fehlerfall einer Zelle, dem sogenannten thermischen Durchgehen (thermal runaway), werden hohe Wärmemengen und mechanische Energien frei. Das Auslösen dieses Vorgangs wird normalerweise durch Sicherheitsmaßnahmen unterbunden. Hierzu gehören zellinterne Schutzmechanismen des Herstellers sowie das Sicherstellen der Einhaltung der zulässigen Betriebsparameter der Zellen durch das Batterie Management System und zusätzliche Überstromschutzeinrichtungen zum Schutz vor Überlast. Trotzdem sollte die Möglichkeit des Durchgehens einer Zelle in der Konstruktion berücksichtigt werden. Zunächst tritt der Fehler immer erst in einer Einzelzelle 12 auf. Durch die exotherme Reaktion und die damit freiwerdende Warme können weitere Zellen 12 so beeinflusst werden, dass sie ebenfalls abbrennen. Ein Brand vieler Zellen 12 setzt sehr viel thermische Energie und Rauchgas frei. Ein großflächiger exothermer Vorgang könnte nur noch durch sehr massive Gehäuse beherrschbar sein und sollte durch konstruktive Maßnahmen zur Verhinderung der Ausbreitung vermieden werden. Gelingt es, die Warmeübertragung von der heizenden Zelle 12 zu den umliegenden Zellen 12 zu unterbinden, bleibt die Energie und das Rauchgas auf die Menge einer Zelle 12 begrenzt. Die so entstehenden Folgen sollten in einem Leichtbaukonzept beherrschbar sein.
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Die Batteriezellen können in einem Körper 30 aus einem temperaturfesten, porösen Isolationsmaterial eingebettet sein. In Betracht kommen hier anorganische als auch organische, aufgeschäumte Materialien. Der Isolierschaum dient dabei gleichermaßen als tragendes Element wie auch zur thermischen Isolation der Zellen. Maßgebende Kriterien für das Material sind hierbei die Rohdichte, die den Leichtbau beeinflusst, die Brandfestigkeit und auch das Brandverhalten wie zum Beispiel selbstverlöschende Eigenschaften. Zur Auswahl stehen beispielsweise Glasschaum, Hochtemperatur-Polyurethanschaum, Faserplatten auf Basis von Calcium-Magnesium-Silicat und Keramikfasem. Das Basismaterial soll in Blöcken der Modulgröße zugeschnitten und mit einem entsprechenden Lochmuster zu einem Körper 30 ausgebohrt werden.
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Üblicherweise werden in der Elektronik Aluminiumkühlkörper verwendet. Diese sollen die Wärme in der Ebene verteilen und sie dann über eine große Oberfläche an die Luft abgeben. Die Wärmeverteilung ist im vorliegenden Fall nicht nötig, da die Zellen selbst schon über die gesamte Fläche, entsprechend dem Bohrmuster, verteilt sind. Es wird also lediglich eine Oberflächenvergrößerung der Zellenböden benötigt, auf den durchaus wesentlichen Materialanteil eines Kühlkörpers zur Wärmeverteilung kann verzichtet werden. Es ist geplant am Zellboden Metallableiter als Finnen 24 anzuschweißen, wie sie normalerweise für die elektrische Kontaktierung verwendet werden. Das Metallband kann zu einem „U” gebogen sein und soll lediglich zur thermischen Anbindung der Zelle an einen Luftstrom oder ein sonstiges Temperierungsfluid 26 dienen. Der direkte metallische Kontakt zwischen Zellenboden und Metallfinnen 24, ohne weitere Schnittstellenmaterialien wie Wärmeleitpaste oder Silikonmatten, sorgt für einen niedrigen Wärmetransportwiderstand. Da zur Realisierung lediglich ein kleiner Metallstreifen für die Finnen 24 benötigt wird, ist eine sehr leichte Konstruktion möglich. Der thermische Pfad zwischen dem Temperierungsfluid 26 (beispielsweise Luftstrom) und Batteriezelle 12 kann außer zum Kühlen auch zum Vorwärmen der Zellen 12 verwendet werden, insofern ein wärmerer Luftstrom als die Zelltemperatur zur Verfügung steht. Diese Möglichkeit sollte bei der Integration der Batterie ins Flugzeug ebenfalls berücksichtigt werden.
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Um die Tauglichkeit des Kühlkonzepts nachzuweisen, wurden für eine entsprechende Versuchsreihe Metallbänder 24 auf Zellen 12 aufgeschweißt. Die Zelle 12 wurde thermisch isoliert, um der geplanten Anwendung zu entsprechen. Der Zusammenhang zwischen Luftströmungsgeschwindigkeit, Kühlfläche und Kühlleistung wurde bestimmt. Hierzu wurden Finnen 24 verschiedener Längen bei verschiedenen definierten Strömungsgeschwindigkeiten am Becherboden 50 verwendet, während die Abklingkurve der Zelltemperatur ausgehend von 55°C aufgezeichnet wurde. Hieraus kann der Wärmeübergangskoeffizient bestimmt werden. Es zeigte sich, dass im untersuchten Bereich ausreichend hohe Kühlleistungen erreicht werden, um in beinahe allen Bedingungen die Zellen 12 auch während des Normbetriebs auf eine gewünschte Temperatur einstellen zu können.
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Die elektrische Kontaktierung der Zellen 12 stellt derzeit einen erheblichen Fertigungsaufwand dar. Üblicherweise werden die Zellen über Metallbänder oder Metallbleche wechsel- und beidseitig zu entsprechenden Modulkonfigurationen verschweißt. Verbindungen von den Zellen zum BMS für Spannungsmessung oder die Integration und Anbindung von Temperatursensoren müssen in einem zweiten Schritt, mit zusätzlichen Kabeln, realisiert werden. Auch schränkt die beidseitige Verbindung der Zellen die Anbindung einer Kühlung wesentlich ein. Bei der vorliegenden Erfindung wird hingegen auf etablierte Fertigungsverfahren der Elektronik zurückgegriffen. Es wird eine Leiterplatte 18 realisiert werden, die eine einseitige Zellenkontaktierung zulässt. Diese Leiterplatte 18 greift zugleich das positive und das negative Potential der Zellen ab und ist über dem Zellkopf 52 (mit positivem Pol) angebracht. Bohrungen in der Platte sind entsprechend der Zellen 12 positioniert. In diesen sollen entsprechend stromtragfähige Laschen jeweils den mittigen Pluspol und den oberen Rand des Zellbechers kontaktieren. Die Stromführung vom Zellenboden über den Becher verursacht im Betrieb zusätzliche Verluste. Dieser Übertragungsweg stellt allerdings nur einen kleinen zusätzlichen Widerstand von ca. 1 mOhm zusätzlich zum Gleichstrominnenwiderstand der Zelle von ca. 25 mOhm dar. Die Vorteile der Massenfertigung derartiger Leiterplatten 18 mit der Möglichkeit, weitere Elemente wie BMS-Kontaktierung und Integration von elektronischen Bauteilen einzubinden, überwiegen hier deutlich. Die Bilanz des zusätzlichen äußeren Widerstands gegenüber dem geringeren Innenwiderstand bei höherer Temperatur kann möglicherweise sogar positiv sein.
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Die Batteriemodule beziehungsweise Energiespeichervorrichtungen 10 sollen in einer Art Stapelbauweise zusammengesetzt werden. Dabei bildet die Leiterplatte 18 mit der gesamten elektrischen Kontaktierung den Deckel des Moduls. Der Isolierschaumblock mit den Zellen bildet den Modulkern beziehungsweise Körper 30, ein Luftkanal oder Temperierungskanal 28 aus Verbundmaterial das Bodenelement. Alle drei Elemente lassen sich günstig fertigen und weisen ein geringes Gewicht auf. Die Kühlung ist separiert ausgeführt von der elektrischen Zellenkontaktierung. Das BMS könnte ebenfalls auf der Verbindungsleiterplatte 18 realisiert werden.
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Zellen können nur in einem engen Temperaturbereich von ca. 20°C bis 40°C ökonomisch und einem etwas weiteren Bereich von ca. –10°C bis 60°C sicher betrieben werden, zudem sind die Verluste über den Innenwiderstand direkt von der Zelltemperatur abhängig. Eine detaillierte Kenntnis des thermischen Verhaltens zur Modellierung, zur Modell- und Kühlungskonstruktion sowie für BMS-Prognosen ist hilfreich.
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Zur Ermittlung der Temperaturentwicklung abhängig von den Verlusten wird die spezifische und absolute mittlere Wärmekapazität der Zelle bestimmt. Das Messergebnis liegt bei denen beispielhaft verwendeten Zellen 12 bei 1179 J/kgK, dies liegt mehrere 100 J/kgK über üblichen Literaturangaben. Weiterführende Messungen bestätigen diesen Wert. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass moderne Zellen mit hoher Kapazität, wie die verwendete, andere Materialien und eine höhere mittlere Materialdichte aufweisen, als zur Zeit der Entstehung der Literatur bekannt.
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Für die Modulkonstruktion wird die Wärmeleitfähigkeit des Becherbodens (Anode) sowie des Pluspols (Kathode) durch Erwärmung in eine ideale Senke bestimmt. Erwartungsgemäß ist die Wärmeleitfähigkeit über die Anode größer als über die Kathode, in diesem Fall doppelt so hoch. Eine Temperierung über den Becherboden ist bevorzugt.
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Werden mehrere Energiespeichervorrichtungen 10 aufeinandergestapelt, dann können diese an einen gemeinsamen Temperierungskanal 28 anliegend angeordnet sein. In diesem Fall können die Energiespeichervorrichtungen 10 so ausgerichtet werden, dass die Bodenseiten 22 der Zellen 12 einer ersten Energiespeichervorrichtung 10 und die Kopfseiten 20 der Zellen 12 einer zweiten Energiespeichervorrichtung an dem gemeinsamen Temperierungskanal angeordnet sind. Sofern die Zellen 12 derart aufgebaut sind, dass sie im Fehlerfall über ihre Kopfseite 20 ausgasen, können die Ausgasungen vorteilhaft über den Temperierungskanal 28 abgeführt werden. Zusätzliche Luftführungen, welche den Konstruktionsaufwand erhöhen und das Gewicht der Energiespeichervorrichtung 10 möglicherweise erhöhen würden, sind dadurch entbehrlich.
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Es ist ebenso möglich, Energiespeicherzellengruppen 42, 44 innerhalb der Energiespeichereinrichtung 10 derart anzuordnen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Energiespeichervorrichtung
- 12
- Energiespeicherzelle (Zelle)
- 14
- erster elektrischer Anschluss
- 16
- zweiter elektrischer Anschluss
- 18
- Leiterplatte (Kontaktierungseinrichtung)
- 20
- Kopfseite
- 22
- Bodenseite
- 24
- Finne (Oberflächenvergrößerungseinrichtung)
- 26
- Temperierungsfluid
- 28
- Temperierungskanal
- 30
- Körper
- 32
- Öffnung
- 34
- erste Leiterlage
- 36
- zweite Leiterlage
- 38
- Isolationslage
- 40
- Via
- 42
- erste Energiespeicherzellengruppe
- 44
- zweite Energiespeicherzellengruppe
- 46
- Ableitung
- 48
- Ableitung
- 50
- Becherboden
- 52
- Zellkopf
- 56
- erste Energiespeicherzellengruppe
- 58
- zweite Energiespeicherzellengruppe
- 60
- dritte Energiespeicherzellengruppe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013015422 A1 [0002]
- DE 102013214617 A1 [0002]
- DE 102012217590 A1 [0002]
