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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zellanordnung mit einer Speicherzelle und einem die Speicherzelle aufnehmenden Gehäuse gemäß Patentanspruch 1.
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Bei bekannten Zellanordnungen wird eine Speicherzelle in einem Gehäuse untergebracht, wobei an der Oberseite des Gehäuses Anschlüsse zum Kontaktieren der Elektroden der Speicherzelle vorgesehen sind. Bei Abweichungen vom Normalbetrieb, beispielsweise im Fall eines inneren Kurzschlusses der Speicherzelle oder im Fall von fehlerhaft auftretenden hohen Strömen beim Nachladen einer Speicherzelle, kann es zu einer Erwärmung der Speicherzelle kommen. Diese Erwärmung der Zelle kann dazu führen, dass zumindest ein Teil der Elektrolyten der Zelle in einen gasförmigen Zustand übergeht.
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Eine Gasbildung durch die Speicherzelle innerhalb des Gehäuses führt dabei dazu, dass im Inneren des Gehäuses ein Überdruck entsteht. Um diesen Überdruck auszugleichen, kann ein Entgasungs- oder Entlüftungselement vorgesehen sein. Durch ein solches Entgasungselement, beispielsweise ein Ventil, kann das entstandene Gas entweichen.
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Bekannte Entgasungs- oder Entlüftungselemente sind an einer Seite des Gehäuses, beispielsweise der Oberseite des Gehäuses, an der auch die Anschlüsse angebracht sind, vorgesehen. Die Entgasung bzw. Entlüftung erfolgt dabei nach oben. Hierbei muss jedoch die Oberseite des Gehäuses, die als Deckel ausgestaltet sein kann, ausreichend Raum für das Entgasungselement bereitstellen. Das bedeutet, dass die Höhe der Speicherzelle, und damit das Volumen der Speicherzelle, in dem Gehäuse begrenzt ist, da zwischen dem Deckel und der Speicherzelle ein gewisser Abstand für das Entgasungselement bestehen muss. Des Weiteren sollte auch im Innenaufbau der Zelle Platz für die Entgasung vorgesehen werden.
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Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Zellanordnung bereitzustellen, bei der ein Volumen einer Speicherzelle in der Zellanordnung auf einfache Weise vergrößert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Zellanordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Die Zellanordnung weist eine Speicherzelle und ein die Speicherzelle aufnehmendes Gehäuse auf. An dem Gehäuse sind Anschlusselemente vorgesehen, die jeweils mit einer Elektrode der Speicherzelle elektrisch leitend verbunden sind. Die Anschlusselemente (auch Anschlussterminals genannt) sind dabei von außerhalb des Gehäuses zugänglich, um die Speicherzelle kontaktieren zu können.
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Das Gehäuse kann beispielsweise aus Kunststoff bestehen. Je nach Form der verwendeten Speicherzelle kann das Gehäuse unterschiedliche Formen haben, beispielsweise zylindrisch oder quaderförmig. In einem Gehäuse kann auch mehr als eine Speicherzelle angeordnet werden.
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Erwärmt sich die Speicherzelle beispielsweise aufgrund eines inneren Kurzschlusses der Speicherzelle oder im Fall von fehlerhaft auftretenden hohen Strömen beim Nachladen der Speicherzelle, kann zumindest ein Teil der Elektrolyten der Zelle in einen gasförmigen Zustand übergehen. Hierdurch kommt es zu einer Gasentwicklung innerhalb des Gehäuses und damit zu einem Überdruck.
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Das Gehäuse der vorgeschlagenen Zellanordnung weist Entlüftungsöffnungen auf, die an zwei sich gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnet sind. Durch die Entlüftungsöffnungen kann das entstandene Gas entweichen und der Überdruck ausgeglichen werden. Durch die Anordnung der Entlüftungsöffnungen an den zwei Seitenflächen kann die Speicherzelle bzw. das Gehäuse besonders effektiv entlüftet werden, da auf zwei Seiten entlüftet wird und nicht nur an einer Seite, beispielsweise der Oberseite, des Gehäuses.
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Gleichzeitig kann das Volumen der Speicherzelle im Vergleich zu einer Anordnung einer Entlüftungsöffnung an einer Oberseite des Gehäuses, beispielsweise einer Deckenfläche, erhöht werden. Zwar muss an den Seitenflächen Raum für die Entlüftungsöffnungen vorgesehen werden, da diese jedoch im Vergleich zur Deckenfläche kleiner sind, wird hierdurch insgesamt weniger Volumen des Gehäuses für die Entlüftung beansprucht, welches dann der Speicherzelle zur Verfügung steht.
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Bei der Speicherzelle kann es sich um einen Hochvoltspeicher handeln, der beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann.
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Die Entlüftungsöffnungen können jeweils ein Öffnungselement aufweisen, welches dazu eingerichtet ist, sich bei einem vorbestimmten Innendruck der Zellanordnung zu öffnen. Der vorbestimmte Innendruck ist dabei größer als der Umgebungsdruck der Zellanordnung. Beispielsweise kann der vorbestimmte Innendruck größer als 3 Bar sein.
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Bei dem Öffnungselement kann es sich um ein Ventil, beispielsweise ein Überdruckventil, handeln, welches sich bei dem vorbestimmten Innendruck nach außen öffnet, um die Zellanordnung zu entlüften. Ist das Gas aus dem Inneren der Zellanordnung entwichen und der vorhandene Innendruck unterhalb des vorbestimmten Innendrucks, schließt sich das Ventil wieder.
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In einer anderen Ausführungsform kann das Öffnungselement aus einem Material bestehen, welches bei Überdruck nachgibt. Dieses Material kann sich reversibel oder irreversibel öffnen. Das Öffnungselement kann dabei entweder die gesamte Seitenfläche darstellen oder als eine Art Fenster in der Seitenfläche vorgesehen sein.
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Beispielsweise kann das Material Poren aufweisen, die sich, wenn der vorbestimmte Innendruck erreicht wird, öffnen. Das Material kann elastisch sein, wobei es sich bei dem vorbestimmten Innendruck ausdehnt. Durch die Ausdehnung weiten sich die Poren, d.h. öffnen sich, und das Gas kann entweichen. Sinkt der Innendruck unter den vorbestimmten Innendruck ab, zieht sich das Material wieder zusammen und die Poren schließen sich wieder.
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Alternativ kann das Öffnungselement Sollbruchstellen oder Bereiche dünnerer Materialdicke aufweisen, die aufplatzen, wenn der vorbestimmte Innendruck erreicht wird. Ein solches Öffnungselement öffnet sich somit irreversibel. Um einen erneuten luftdichten Abschluss des Gehäuses zu erreichen, muss das Öffnungselement ausgetauscht werden.
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Die Speicherzelle kann gemäß einer Ausführungsform eine prismatische Zelle sein. In diesem Fall kann das Gehäuse aus einer Bodenfläche, einer Deckenfläche und Seitenflächen bestehen, wobei an der Deckenfläche zwei Anschlusselemente angeordnet sind, die jeweils mit einer Elektrode der Speicherzelle elektrisch leitend verbunden sind. Das Gehäuse kann beispielsweise quaderförmig sein und vier Seitenflächen aufweisen.
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Die prismatische Zelle kann dabei eine Wickelzelle sein, die aus streifen- oder bandförmigen Elektroden in gewickelter Form besteht. Die Wickelzelle kann entweder senkrecht oder waagerecht in dem Gehäuse angeordnet werden. Bei einer waagerechten Anordnung, d.h. mit den Öffnungen der Wicklung zu den Seitenflächen, kann die Speicherzelle in ihrer Länge optimiert werden. Da die Entlüftungsöffnungen an den Seitenflächen angeordnet sind, ist es möglich die Länge der Speicherzelle zu vergrößern. Durch diese Anordnung ist eine bessere Entlüftung möglich als mit einer einzigen Entlüftungsöffnung an der Deckenfläche
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Um die Anschlüsse mit den Elektroden der Speicherzelle zu verbinden, können Kontaktierungselemente in den Seitenflächen des Gehäuses angeordnet sein. Bei diesen Kontaktierungselementen kann es sich beispielsweise um Kontaktierungsdrähte handeln. Durch die Anordnung der Kontaktierungselemente in den Seitenflächen des Gehäuses, in denen auch die Entlüftungsöffnungen vorgesehen sind, kann der bereits durch diesen verbrauchte Raum gleichzeitig für die Kontaktierungselemente genutzt werden. Auf diese Weise wird kein zusätzlicher Anteil des Volumens des Gehäuses benötigt und die Speicherzelle kann größer ausgestaltet werden.
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Bevorzugt liegt das Verhältnis von Länge zu Breite der Speicherzelle zwischen 12 und 30. Bei bisherigen Speicherzellen liegt üblicherweise ein Längenbreitenverhältnis von 4 bis 8 vor. Für eine höhere Kapazität müssen bei den bisherigen Speicherzellen mehrere Speicherzellen hintereinander angeordnet werden. Durch diese Anordnung wird jedoch mehr Bauraum benötigt, da zwischen den einzelnen Speicherzellen Raum für die Kontaktierung der Elektroden erforderlich ist. Durch das höhere Längenbreitenverhältnis einer Speicherzelle, wie es durch die hierin vorgeschlagene Zellanordnung erreicht wird, wird kein Bauraum verschwendet, da die Speicherzelle an sich länger ausgestaltet sein kann. Somit kann durch eine einzelne Speicherzelle eine höhere Kapazität bereitgestellt werden als es mit den bisherigen Anordnungen möglich ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Zellanordnung ein Zellenstapel bzw. -stack sein. Es können also mehrere Speicherzellen in Reihe angeordnet werden.
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In der Speicherzelle können Entlüftungsleitungen oder -kanäle vorgesehen sein. Die Entlüftungsleitungen können derart angeordnet sein, dass sie Gas aus dem Inneren der Speicherzelle zu den Seitenflächen mit den Entlüftungsöffnungen hinleiten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug mit einer wie oben beschriebenen Zellanordnung vorgeschlagen. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere ein Personenkraftwagen sein.
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Bei bisherigen Zellanordnungen erfolgt die Entgasung bzw. Entlüftung nach oben, d.h. in Richtung des Fahrraums, durch die Deckenfläche. Diese Deckenfläche muss daher besonders wärmebeständig ausgeführt sein. Durch die Anordnung der Entlüftungsöffnungen in den Seitenflächen kann die Deckenfläche einfacher ausgestaltet werden und muss keine besondere Wärmebeständigkeit zeigen, da die warmen Gase an den Seitenflächen und nicht an der Deckenfläche austreten. Die Seitenflächen können Verstärkungen aufweisen, beispielsweise in der Form von stabilen mechanischen Strukturen wie Streben, um bei einem Unfall den auftretenden Kräften entgegenzuwirken. Durch diese Verstärkungen können die Seitenflächen bereits eine ausreichende Wärmebeständigkeit aufweisen.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Zellanordnung mit Entlüftungsöffnungen, und
- 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Zellanordnung mit Entlüftungsöffnungen.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
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1 zeigt eine Zellanordnung 1. Die Zellanordnung weist eine Speicherzelle 2 auf, die in einem Gehäuse 4 untergebracht ist.
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In der hier gezeigten Ausführungsform ist das Gehäuse 4 quaderförmig und besteht aus einer Deckenfläche 6 und einer Bodenfläche 8 sowie zwischen diesen angeordneten Seitenflächen 10. Alternativ kann das Gehäuse 4 irgendeine prismatische Form haben oder zylindrisch ausgebildet sein.
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An der Deckenfläche 6 sind Anschlusselemente 12 vorgesehen, über die die Speicherzelle 2 von außen kontaktiert werden kann. Alternativ können die Anschlusselemente 12 auch an den Seitenflächen angeordnet werden.
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Bei der Speicherzelle 2 kann es sich um eine Wickelzelle handeln, die aus streifen- oder bandförmigen Elektroden in gewickelter Form besteht. Die Wickelzelle kann entweder senkrecht oder waagerecht in dem Gehäuse angeordnet werden. In den in den Figuren gezeigten Ausführungsformen ist die Wickelzelle waagerecht angeordnet und die Öffnungen des Wickels sind zu zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 10 ausgerichtet. An diesen Öffnungen können Elektroden der Speicherzelle 2 kontaktiert werden.
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Hierzu sind in den Seitenflächen 10 Kontaktierungselemente 16 vorgesehen. Diese Kontaktierungselemente 16 verbinden die Anschlusselemente 12 mit den Elektroden der Speicherzelle 2.
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Die Speicherzelle 2 enthält Elektrolyte. Bei einem Kurzschluss der Speicherzelle 2 oder anderen Abweichungen vom Normalbetrieb kann sich die Speicherzelle 2 übermäßig erwärmen. Eine solche Erwärmung kann dazu führen, dass die Elektrolyte in einen gasförmigen Zustand übergehen.
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Um das so entstandene Gas aus dem Gehäuse 4 abzuleiten, sind in den Seitenflächen 10 Entlüftungsöffnungen 14 vorgesehen. Beispielsweise können die Entlüftungsöffnungen 14 als Ventile (nicht gezeigt) ausgebildet sein. Alternativ können die Entlüftungsöffnungen als Öffnungselemente, wie in 1 gezeigt, ausgebildet sein, die einen Teil der Seitenflächen 10 darstellen. Diese Öffnungselemente können aus einem Material bestehen, welches sich bei einem vorbestimmten Innendruck öffnet. Beispielsweise kann das Material eine Sollbruchstelle darstellen und bei dem vorbestimmten Innendruck nachgeben. Das Gas kann entsprechend durch die geöffneten Öffnungselemente entweichen.
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Da die Entlüftungsöffnungen 14 in den Seitenflächen 10 angeordnet sind, kann die Speicherzelle 2 nach oben zur Deckenfläche 6 den vorhandenen Raum ausnutzen. Lediglich zu den beiden Seitenflächen 10, in denen die Entlüftungsöffnungen vorgesehen sind, ist ein Abstand von der Speicherzelle 2 zu den Seitenflächen 10 erforderlich. Um den ohnehin erforderlichen Abstand zwischen Seitenflächen 10 und Speicherzelle 2 optimal auszunutzen, sind die Kontaktierungselemente 16 ebenfalls in diesen Seitenflächen 10 angeordnet und können bei einer waagerechten Anordnung der Wickelzelle die Elektroden der Speicherzelle 2 kontaktieren.
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Wie oben beschrieben, ist die Wickelzelle bevorzugt waagerecht in dem Gehäuse 4 angeordnet. Die Wickel- bzw. Speicherzelle 2 kann durch die Anordnung der Entlüftungsöffnungen 14 in den Seitenflächen 10 in ihrer Länge im Vergleich zu einer Anordnung der Entlüftung in der Deckenfläche 6 vergrößert werden. Da auf zwei Seiten des Gehäuses 4 eine Entlüftung vorgesehen ist, kann auch bei einer Speicherzelle 2 mit einem Längenbreitenverhältnis von 12 bis 30 noch eine gute Entlüftung gewährleistet werden.
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In einer zweiten Ausführungsform der Zellanordnung 1, wie sie in 2 gezeigt ist, werden die Entlüftungsöffnungen 14 durch das Material der gesamten Seitenflächen 14 ausgebildet. Das verwendete Material kann beispielsweise Sollbruchstellen oder dünne Bereiche aufweisen, die bei einem vorbestimmten Innendruck aufplatzen.
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Alternativ kann das Material der Seitenflächen 14 elastisch sein und Poren aufweisen. Bei dem vorbestimmten Innendruck dehnt sich das Material aus, wodurch sich die Poren aufweiten und somit öffnen. Durch die vergrößerten, offenen Poren kann das Gas entweichen. Sinkt der Innendruck wieder ab, zieht sich das Material, und damit die Poren, wieder zusammen.
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Durch die vorgeschlagene Zellanordnung ist es möglich, das Volumen der Speicherzelle zu vergrößern, da der in dem Gehäuse der Zellanordnung vorhandene Platz optimal ausgenutzt werden kann. Gleichzeitig kann eine optimale Entlüftung der Zellanordnung gewährleistet werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellanordnung
- 2
- Speicherzelle
- 4
- Gehäuse
- 6
- Deckenfläche
- 8
- Bodenfläche
- 10
- Seitenflächen
- 12
- Anschlusselemente
- 14
- Entlüftungsöffnungen
- 16
- Kontaktierungselemente
