DE102018133006A1

DE102018133006A1 - Elektrospeicher und fahrzeug mit einem elektrospeicher

Info

Publication number: DE102018133006A1
Application number: DE102018133006.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Friedrich
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Es wird ein Elektrospeicher (2) angegeben, welcher mehrere Zellen (6) aufweist sowie ein Gehäuse (10), in welchem die Zellen (6) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (10) mehrere Strukturelemente (12) aufweist, wenigstens nämlich eine obere Deckschicht (14), eine untere Deckschicht (16) und mehrere Querstreben (18), wobei das Gehäuse (10) in Sandwichbauweise konstruiert ist und hierzu drei Schichten aufweist, nämlich die obere Deckschicht (14), welche einen Deckel des Gehäuses (10) bildet, die untere Deckschicht (16), welche einen Boden des Gehäuses (10) bildet und eine Kernschicht (20), welche zwischen den Deckschichten (14, 16) angeordnet ist, wobei die mehreren Querstreben (18) in der Kernschicht (20) angeordnet sind und jeweils steif mit beiden Deckschichten (14, 16) verbunden sind, wobei die Querstreben (18) in der Kernschicht (20) ein oder mehrere Gefache (22) bilden, in welchen die Zellen (6) angeordnet und fixiert sind. Weiter wird ein Fahrzeug (4) mit einem solchen Elektrospeicher (2) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrospeicher sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Elektrospeicher.
Ein Elektrospeicher wird auch als Batterie bezeichnet und dient der Speicherung elektrischer Energie zwecks späterer Abgabe an einen Verbraucher. Zur Speicherung von Energie weist ein Elektrospeicher ein oder mehrere Zellen auf, welche jeweils zwei Pole aufweisen, über welche die Zellen untereinander und mit einem Verbraucher elektrisch verbunden werden können. Um eine bestimmte Spannung, Stromstärke oder Leistungskapazität zu realisieren, ist es möglich, mehrere Zellen in einem gemeinsamen Gehäuse zusammenzufassen.
Allgemein sind Elektrospeicher von besonderer Bedeutung für mobile Anwendungen, d.h. solche Anwendungen, bei welchen eine bewegliche Energiequelle gefordert ist. Beispielsweise finden Elektrospeicher eine Anwendung im automotiven Bereich, nämlich als Energiequelle für Fahrzeuge mit einem elektrischen Antrieb, z.B. Elektro- oder Hybridfahrzeuge.
Vorliegend ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Elektrospeicher anzugeben, welcher wenigstens in konstruktiver Hinsicht verbessert ist. Der Elektrospeicher soll insbesondere für eine automotive Verwendung geeignet sein und speziell insbesondere zur Verwendung in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug dienen. Der Elektrospeicher soll eine möglichst hohe Speicherdichte aufweisen, d.h. eine möglichst hohe Energie- und Leistungskapazität pro Volumeneinheit oder pro Masseneinheit, dabei aber mechanisch möglichst robust sein. Weiterhin soll ein verbessertes Fahrzeug angegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Elektrospeicher mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 18. Vorteilhafte Ausgestaltung, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Elektrospeicher gelten sinngemäß auch für das Fahrzeug und umgekehrt.
Der Elektrospeicher dient vorzugsweise der elektrischen Versorgung eines Fahrzeugs, insbesondere zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebs eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Der Elektrospeicher weist mehrere Zellen auf, zur Energiespeicherung. Die Zellen sind jeweils z.B. Li-Ionen-Zellen. Zellen mit einer anderen Zellchemie sind grundsätzlich ebenfalls geeignet. Um eine bestimmte Spannung oder Stromstärke des Elektrospeichers zu realisieren, sind die Zellen mittels elektrischer Verbinder miteinander elektrisch verschaltet, z.B. mittels geeigneter Stecker oder dergleichen und z.B. parallel oder seriell verschaltet oder eine Kombination hiervon.
Der Elektrospeicher weist weiter ein Gehäuse auf, in welchem die Zellen angeordnet sind. Das Gehäuse weist mehrere Strukturelemente auf, wenigstens nämlich eine obere Deckschicht, eine untere Deckschicht und mehrere Querstreben. Das Gehäuse ist in Sandwichbauweise konstruiert und weist hierzu drei Schichten auf, nämlich die obere Deckschicht, welche einen Deckel des Gehäuses bildet, die untere Deckschicht, welche einen Boden des Gehäuses bildet und eine Kernschicht, welche zwischen den Deckschichten angeordnet ist. Die mehreren Querstreben sind in der Kernschicht angeordnet und jeweils steif mit den beiden Deckschichten verbunden, sodass die drei Schichten insgesamt fest miteinander verbunden sind. Unter „steif“ wird insbesondere auch „unbeweglich relativ zueinander“ verstanden. Weiter wird unter „steif“ insbesondere auch „biege-, schub-, und drehfest“ verstanden. Die Querstreben bilden in der Kernschicht ein oder mehrere Gefache, in welchen die Zellen angeordnet und fixiert sind.
Ein Ausgangspunkt für die Erfindung ist insbesondere die Überlegung, dass es grundsätzlich möglich ist, mehrere Zellen in einer Tragstruktur zu befestigen und dann eine oder mehrere solcher Tragstrukturen mit darin montierten Zellen in einem Gehäuse zusammenzufassen. Das Gehäuse umschließt die Zellen in ihren Tragstrukturen und bildet mit diesen zusammen dann einen Elektrospeicher. Diese Ausgestaltung entspricht somit einem einfachen Zusammensetzen von mehreren Teilkomponenten, nämlich einer ersten Teilkomponente „Gehäuse“, einer zweiten Teilkomponente „Tragstruktur“ und einer dritten Teilkomponente „Zellen“. Die Konstruktion führt zu einem entsprechend erhöhten Strukturgewicht des Elektrospeichers insgesamt und umgekehrt zu einer entsprechend verringerten Speicherdichte, d.h. Energie- und Leistungskapazität pro Volumen oder pro Masse. Weiter ergeben sich erhöhte Herstellungs- und Montagekosten, besonders dann, wenn die Zellen zusätzlich noch gekühlt werden sollen, in welchem Fall entsprechende Anschlüsse und Komponenten zur Kühlung notwendig sind. Insgesamt ergibt sich auch eine erhöhte Teileanzahl, welche die Montage des Elektrospeichers verkompliziert und welche auch zu einer erhöhten Fehleranfälligkeit führt.
Ein Kerngedanke der Erfindung besteht nun insbesondere darin, einen Elektrospeicher insgesamt nach Art einer Leichtbaustruktur auszugestalten und hierzu den Elektrospeicher in Sandwichbauweise auszubilden. Eine Sandwichstruktur zeichnet sich allgemein dadurch aus, dass zwei Deckschichten durch eine gefachartige, auch wabenartige, Kernschicht miteinander verbunden sind und dadurch eine mechanisch besonders robuste, jedoch zugleich besonders leichte Schichtstruktur bilden. Die Zellen des Elektrospeichers werden vorliegend gerade nicht aufwendig in einer separaten Tragstruktur befestigt und diese dann in einem Gehäuse eingehaust, sondern es erfolgt eine Integration derart, dass das Gehäuse und die Tragstruktur in einer einzelnen Teilkomponente zusammengefasst sind, d.h. auf eine separate Tragstruktur wird verzichtet und das Gehäuse selbst dient gleichzeitig als Tragstruktur. Dies wird vorliegend durch die Sandwichstruktur realisiert. Dabei ist das Gehäuse des Elektrospeichers als Leichtbau-Sandwichstruktur ausgebildet. Bei dieser Sandwichstruktur dienen die Deckschichten und die Querstreben einerseits als Gehäuse für die Zellen und andererseits vorteilhaft aber auch als Tragstruktur, bezüglich welcher die Zellen fixiert sind. Die Querstreben bilden eine gefachartige Kernschicht, in welcher die Zellen untergebracht sind. Zugleich sind die Querstreben an den Deckschichten befestigt, sodass sich insgesamt eine besonders steife und hochfeste Speicherstruktur ergibt. Ein solcher Elektrospeicher in Sandwichbauweise zeichnet sich durch ein erhöhtes Maß an Integration aus, woraus sich ein geringeres Strukturgewicht, eine höhere Speicherdichte und eine insgesamt einfachere und weniger fehleranfällige Konstruktion ergeben.
Die beiden Deckschichten verlaufen in einer horizontalen Richtung und insbesondere zueinander parallel. In einer vertikalen Richtung sind die Deckschichten zueinander in einem Abstand beabstandet, welcher einer Höhe der Kernschicht entspricht. Zwischen den Deckschichten verlaufen die Querstreben in der vertikalen Richtung und insbesondere senkrecht zu den Deckschichten. Die Querstreben weisen jeweils eine Höhe auf, welche einer Höhe der Kernschicht sowie einer Gefachhöhe eines jeweiligen Gefachs entspricht. Die Querstreben dienen auch als Verbindungsstreben, zur Verbindung der Deckschichten, und als Abstandshalter, zur Beabstandung der Deckschichten voneinander. Zwischen den Deckschichten erstrecken sich die Querstreben jeweils in einer Längsrichtung, welche insbesondere senkrecht sowohl zur horizontalen wie auch zur vertikalen Richtung verläuft. In Längsrichtung gemessen weisen die Querstreben eine Länge auf, welche einer Gefachlänge eines jeweiligen Gefachs entspricht. Die vertikale Richtung, die horizontale Richtung und die Längsrichtung werden jeweils allgemein auch als Richtung bezeichnet.
Die Querstreben sind zueinander insbesondere parallel angeordnet. Die Querstreben sind somit in horizontaler Richtung nebeneinander in einem Abstand beabstandet, welcher einer Gefachbreite eines einzelnen Gefachs entspricht. Bei einer Ausgestaltung mit mehreren Gefachen sind diese dann in horizontaler Richtung insbesondere nebeneinander in einer Reihe angeordnet. Diejenigen Querstreben, welche in horizontaler Richtung betrachtet außen liegen, bilden zweckmäßigerweise jeweils eine Seitenwand des Gehäuses und schließen dieses in horizontaler Richtung ab. Solche Querstreben, welche keine Seitenwände sind, werden auch als Mittelstreben oder Mittelstege bezeichnet.
In Längsrichtung sind an den Querstreben endseitig zweckmäßigerweise weitere Seitenwände angeordnet, welche das Gehäuse in Längsrichtung abschließen und welche auch als Frontwände bezeichnet werden. Diese Frontwände erstrecken sich in vertikaler und horizontaler Richtung. Die Deckschichten schließen das Gehäuse in vertikaler Richtung ab. Die Seitenwände und die Deckschichten umschließen somit einen Gehäuseinnenraum, in welchem wenigstens ein Gefach ausgebildet ist, in welchem die Zellen angeordnet sind. Zweckmäßigerweise weist der Elektrospeicher mehr als zwei Querstreben auf, sodass zumindest eine Querstrebe in dem Gehäuseinnenraum angeordnet ist und diesen entsprechend in zwei Gefache unterteilt. Ein jeweiliges Gefach ist also seitlich, d.h. in horizontaler Richtung, von zwei Querstreben begrenzt, in Längsrichtung von zwei Seitenwänden und nach oben und unten, d.h. in vertikaler Richtung, von den Deckschichten.
Die einzelnen Strukturelemente sind miteinander jeweils entweder permanent oder lösbar befestigt. Auch eine Kombination ist möglich, bei welcher einige Strukturelement permanent miteinander verbunden sind und andere Strukturelemente lösbar. Eine permanente Befestigung wird beispielsweise durch Verschweißen, Verkleben oder Vernieten mehrerer Strukturelemente miteinander erzielt. Eine lösbare Verbindung mehrerer Strukturelemente miteinander wird beispielsweise erzielt durch Zusammenstecken z.B. mittels eines Steck- oder Rastmechanismus oder durch Verschrauben. Bevorzugterweise sind sämtliche Strukturelemente des Energiespeichers steif miteinander verbunden, d.h. unbeweglich relativ zueinander, sodass insgesamt eine besonders steife und robuste Konstruktion realisiert ist.
In einer beispielhaften Ausgestaltung weist der Energiespeicher 1 bis 20 Gefache auf und einem jeweiligen Gefache sind 5 bis 50 Zellen angeordnet. Bei einer Ausgestaltung mit mehreren Gefachen sind diese insbesondere in einer oder in mehreren Reihen angeordnet, wobei in einer jeweiligen Reihe die Gefache nebeneinander angeordnet sind und wobei mehrere Reihen dann senkrecht hierzu hintereinander angeordnet sind. Vorliegend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von lediglich einer Reihe ausgegangen, die Ausführungen gelten aber sinngemäß auch für Energiespeicher mit mehreren Reihen von Gefachen. Geeignet ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher in vertikaler Richtung mehrere Gefachebenen übereinander gestapelt sind. Vorliegend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von lediglich einer Gefachebene ausgegangen, die Ausführungen gelten aber sinngemäß auch für Energiespeicher mit mehreren Gefachebenen.
Insgesamt zeichnet sich der Energiespeicher durch ein hohes Maß an Modularität und Skalierbarkeit aus und ist vorteilhaft in seinen Gesamtabmessungen sowie den Abmessungen der Gefache je nach Anwendungszweck und Zellanzahl entsprechend dimensioniert. Die Gesamtabmessungen sind zweckmäßigerweise hinsichtlich der bestimmungsgemäßen Verwendung z.B. in einem PKW oder einem LKW ausgewählt. Die Zellanzahl ist insbesondere durch die gewählte Speicherkapazität, d.h. insbesondere Energie- oder Leistungskapazität bestimmt, bei einem PKW z.B. im Bereich von 20 kWh bis 150 kWh und bei einem LKW im Bereich von 60 kWh bis 400 kWh.
Die Deckschichten, die Querstreben, die Frontwände und die Seitenwände werden allgemein auch als Strukturelemente bezeichnet. Die Querstreben, die Frontwände und die Seitenwände werden auch als Holme, Stege oder Leisten bezeichnet. Die Strukturelemente sind zweckmäßigerweise aus dem gleichen Werkstoff gefertigt. Als Werkstoff ist besonders ein Leichtmetall bevorzugt, insbesondere Aluminium, andere Werkstoffe sind jedoch auch geeignet, insbesondere Stahl, kohlefaserverstärkter Kunststoff (kurz: CFK) oder ähnliche Werkstoffe. Auch eine Kombination verschiedener Werkstoffe ist denkbar und geeignet. Die Strukturelemente sind jeweils geeigneterweise blechartig ausgebildet und weisen vorzugsweise eine Materialstärke im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm auf.
Grundsätzlich geeignet ist eine blechartige Ausgestaltung derart, dass das entsprechende Strukturelement als einfaches Blech ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Variante, bei welcher zumindest eines der Strukturelemente hohl ausgebildet ist, nämlich als ein Hohlprofil, mit mehreren Wänden, welche wenigstens eine Kammer einschließen, welche auch als Hohlraum bezeichnet wird. Die Wände weisen dann jeweils insbesondere die oben genannte Materialstärke auf. Das Strukturelement erstreckt sich über eine bestimmte Länge in einer Erstreckungsrichtung, welche geeigneterweise der Längsrichtung entspricht. Die Kammer erstreckt sich in der Erstreckungsrichtung insbesondere gerade und insbesondere entlang des gesamten Strukturelements. Senkrecht zur Erstreckungsrichtung betrachtet weist das Strukturelement in einer geeigneten Ausgestaltung einen konstanten Querschnitt auf, insbesondere entlang der gesamten Länge. Solch ein hohles Strukturelement wird z.B. mittels Extrusion als ein Strangprofil hergestellt oder als ein Stranggussprofil. Ein hohles Strukturelement zeichnet sich durch ein besonders geringes Gewicht bei zugleich besonders hoher Steifigkeit aus. Zudem lassen sich mit der Kammer diverse weitere vorteilhafte Ausgestaltungen realisieren.
Die Zellen sind vorzugsweise rechteckig-prismatische Zellen. Solche Zellen zeichnen sich generell durch eine Quaderform aus, mit einer Zellenhöhe, einer Zellenbreite und einer Zellendicke. Die Zellenhöhe entspricht üblicherweise der 2- bis 10-fachen Zellendicke. Die Zellenbreite entspricht üblicherweise der 1- bis 4-fachen Zellenhöhe. Geeignet sind aber auch andere Abmessungen sowie andere Bauformen, z.B. sogenannte Pouch-Zellen oder zylinderförmige, rund-prismatische Zellen oder frei formatierte ASSB-Zellen. Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von rechteckig-prismatischen Zellen ausgegangen, die Ausführungen gelten jedoch analog auch für Zellen mit anderer Bauform.
Die Zellen sind untereinander mit geeigneten elektrischen Verbindern elektrisch verbunden. Insbesondere weist jede Zelle ein Terminal mit zwei Polen auf, an welche die Verbinder angeschlossen sind, sodass die Pole der Zellen miteinander geeignet verbunden sind. In einer geeigneten Ausgestaltung sind sämtliche Zellen innerhalb eines jeweiligen Gefachs elektrisch seriell miteinander verschaltet. Mehrere Gefache sind zweckmäßigerweise parallel miteinander verschaltet. Andere Verschaltungen und speziell auch die Kombination einer seriellen mit einer parallelen Verschaltung innerhalb eines Gefachs sind jedoch ebenfalls zweckmäßig und grundsätzlich auch geeignet. Zur Verschaltung der Zellen in zwei unterschiedlichen und insbesondere benachbarten Gefachen ist in der Querstrebe zwischen den beiden Gefachen zweckmäßigerweise eine Durchführung ausgebildet, durch welche ein elektrischer Verbinder geführt ist, zur gefachübergreifenden Kontaktierung der Zellen miteinander. Die Durchführung wird auch allgemein als eine Aussparung in der Querstrebe bezeichnet. Die Durchführung ist insbesondere nicht druckdicht abgedichtet, sodass ein Druckausgleich zwischen den Gefachen möglich ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein elektrischer Verbinder zur elektrischen Kontaktierung der Zellen in eines der Strukturelemente integriert. Der elektrische Verbinder ist als eine Leiterbahn ausgebildet, welche aus einem leitenden Werkstoff gefertigt ist. Hierzu ist beispielsweise der leitende Werkstoff bereichsweise auf das Strukturelement aufgebracht oder das Strukturelement ist bereichsweise aus dem leitenden Werkstoff gefertigt. Die Leiterbahn ist somit in das Strukturelement integriert. Dadurch ist die Leiterbahn vorteilhaft selbst ein mechanischer Bestandteil des Strukturelements. Beispielsweise ist die Leiterbahn eine Folie oder ein Streifen aus Aluminium oder Kupfer und das Strukturelement ist im Übrigen aus CFK gefertigt, in welches die Folie oder der Streifen eingebettet ist oder auf welches die Folie oder der Streifen aufgeklebt ist. Auf separate elektrische Leitungen oder Verbinder wird insbesondere verzichtet. Zweckmäßigerweise sind zwei Leiterbahnen ausgebildet, nämlich je eine für die unterschiedlichen Pole der Zellen. Die Terminals der Zellen sind dann insbesondere direkt und unmittelbar an die Leiterbahn angeschlossen, z.B. an diese angedrückt. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Ausgestaltung sowie eine verbesserte thermische Anbindung der Zellen an das Gehäuse. Die Leiterbahn ist beispielsweise als eine Schiene ausgebildet, welche sich insbesondere gerade erstreckt. Alternativ folgt die Leiterbahn einem abknickenden oder gebogenen Verlauf oder ist als eine verzweigte Leitstruktur ausgebildet. Auch Kombinationen hiervon sind geeignet. In einer beispielhaften Ausgestaltung sind zwei Leiterbahnen in die obere Deckschicht integriert und erstrecken sich parallel zueinander und in einer Stapelrichtung eines Stapels an Zellen sowie an einer Oberseite eines Gefachs, in welchem die Zellen angeordnet sind. Je ein Pol einer jeweiligen Zelle ist an eine entsprechende Leiterbahn angesetzt und mit dieser verbunden, sodass die Zellen parallel geschaltet sind. Grundsätzlich sind durch entsprechende Ausgestaltung der Leiterbahn oder mehrerer Leiterbahnen beliebige Verschaltungen und speziell auch serielle Verschaltungen der Zellen innerhalb eines Gefachs sowie auch gefachübergreifend möglich und in entsprechend vorteilhaften Ausgestaltungen realisiert. Zweckmäßig ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher eine Leiterbahn in ein hohles Strukturelement mit einer Kammer zur Führung eines Wärmemediums integriert ist, sodass die Leiterbahn automatisch gekühlt wird.
Ein Strukturelement, welches aus einem leitenden Werkstoff gefertigt ist, dient in einer geeigneten Ausgestaltung als Nullpotential für die Zellen und ist hierzu entsprechend mit den Zellen elektrisch verbunden.
Die Zellen sind in den Gefachen fixiert, indem die Zellen an einem oder mehreren der Strukturelemente befestigt sind. Dabei wird insbesondere auf einen sogenannten Zuganker zur Fixierung der Zellen in einem jeweiligen Gefache verzichtet, vielmehr dient das Gehäuse selbst als Zuganker oder Spannelement, indem eine Zelle oder mehrere Zellen gemeinsam zwischen zwei Strukturelementen formschlüssig eingesetzt oder eingeklemmt sind oder beides. In einer geeigneten Ausgestaltung sind die Zellen in einem Gefache zwischen zwei Querstreben dadurch fixiert, dass die Zellen zwischen den beiden Querstreben formschlüssig eingesetzt sind, d.h. die Gefachbreite entspricht einer Zellbreite der einzelnen Zellen. Alternativ oder zusätzlich sind die Zellen analog zwischen den beiden Deckschichten fixiert oder zwischen den Frontwänden oder eine Kombination hiervon.
Die Zellen sind vorzugsweise fixiert, indem die Zellen in einer ersten Richtung zwischen zwei Strukturelementen eingeklemmt sind, in einer zweiten Richtung formschlüssig zwischen zwei Strukturelementen eingesetzt sind und in einer dritten Richtung über einen Spalt zu wenigstens einem der Strukturelemente beabstandet sind. Die Richtungen sind die zuvor bereits beschriebenen drei Richtungen. Das Einklemmen, das formschlüssige Einsetzen und die Beabstandung über einen Spalt sind auch unabhängig voneinander sowie jeweils auch gar nicht oder in mehreren Richtungen zugleich realisierbar und führen zu entsprechend vorteilhaften Ausgestaltungen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher in einem Gefache mehrere Zellen in Längsrichtung in einem Stapel hintereinander angeordnet sind und zwischen den Frontwänden, d.h. in Längsrichtung eingeklemmt sind. Der Stapel wird auch als Zellenstapel bezeichnet. Die Gefachlänge entspricht dann der Zellendicke multipliziert mit der Anzahl der Zellen. Weiter sind die Zellen in horizontaler Richtung vorzugsweise formschlüssig zwischen zwei Querstreben eingesetzt, sodass die Gefachbreite dann der Zellbreite entspricht. Oberhalb oder unterhalb der Zellen oder beides verbleibt hierbei vorzugsweise ein Spalt, d.h. die Zellen sind in vertikaler Richtung von den Deckschichten in einem Spaltabstand beabstandet. Die Gefachhöhe ist somit größer als die Zellhöhe. In dem Spalt sind insbesondere elektrische Verbinder zur Verschaltung der Zellen miteinander angeordnet.
Sofern eine Zelle mit einem Strukturelement in direktem Kontakt steht, d.h. an dieses angesetzt oder gegen dieses gedrückt ist, ist zur Verbesserung der thermischen Anbindung zweckmäßigerweise zwischen der Zelle und dem Strukturelement zusätzlich eine Wärmeleitpaste aufgetragen.
In einer geeigneten Ausgestaltung sind mehrere Zellen gemeinsam zwischen zwei Strukturelementen eingeklemmt, indem die Zellen in einem Stapel angeordnet sind, welcher sich in einer Stapelrichtung erstreckt und zwischen je zwei benachbarten Zellen ist ein Distanzstück angeordnet, sodass die Zellen gerade nicht unmittelbar aneinander anliegen, sondern durch das Distanzstück voneinander beabstandet sind, über ebenjenes Distanzstück aber mechanisch miteinander gekoppelt sind. Der Stapel wird also von abwechselnd angeordneten Zellen und Distanzstücken gebildet. Das Distanzstück wird auch als Spacer bezeichnet. Ein jeweiliges Distanzstück schafft einen Freiraum zwischen zwei benachbarten Zellen, sodass diese in Stapelrichtung anschwellen und sich zu einem gewissen Maß ausdehnen können, ohne dabei eine übermäßige Kraft in Stapelrichtung zu erzeugen. Dadurch wird eine Beschädigung durch ein Anschwellen der Zellen vermieden.
Vorzugsweise fixiert das Distanzstück die Zellen relativ zueinander, d.h. je zwei benachbarte Zellen werden relativ zueinander durch das Distanzstück in einer festen räumlichen Beziehung gehalten. Das Distanzstück ist hierzu zweckmäßigerweise formschlüssig mit den Zellen verbunden. Besonders geeignet ist eine Ausgestaltung, bei welcher das Distanzstück klammerartig ausgebildet ist und die beiden zueinander benachbarten Zellen jeweils oben und unten oder beidseitig wenigstens teilweise umgreift oder beides, sodass eine Scherbewegung der Zellen relativ zueinander verhindert ist. Alternativ oder zusätzlich ist das Distanzstück mit den Zellen verklebt.
In einer geeigneten Ausgestaltung sind mehrere Zellen formschlüssig zwischen zwei Strukturelementen eingesetzt, indem die Abmessung des Gefachs in der entsprechenden Richtung an die zugehörige Abmessung der Zellen angepasst ist. Die Zellen sind demnach bezüglich der entsprechenden Richtung passend in das Gefach eingesetzt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Zellen nicht lediglich formschlüssig zwischen zwei Strukturelementen eingesetzt, sondern an diesen befestigt und dadurch auch kraftschlüssig eingesetzt. Die Zellen sind hierzu beispielsweise mit den Strukturelementen verklebt.
In einer geeigneten Ausgestaltung sind die Zellen über einen Spalt zu wenigstens einem der Strukturelemente beabstandet, indem zwischen den Zellen und dem Strukturelement ein Auflagestück angeordnet ist, welches einerseits an dem Strukturelement anliegt und andererseits an einer oder mehreren der Zellen anliegt. Das Auflagestück verhindert eine weitere Annäherung dieser beiden Elemente. Ein einzelnes Auflagestück dient entweder zur Beabstandung lediglich einer einzelnen Zelle oder mehrerer Zellen zugleich. Das Auflagestück besteht vorzugsweise aus einem isolierenden Werkstoff, sodass eine elektrische Kontaktierung der Zelle mit dem Strukturelement vermieden wird. Vorzugsweise ist das Auflagestück derart ausgebildet, dass dieses eine Verschiebbarkeit einer oder mehrerer Zellen lediglich in einer oder zwei Richtungen ermöglicht und entsprechend in zwei bzw. einer Richtung beschränkt oder gänzlich verhindert. Beispielsweise beschränkt das Auflagestück eine Verschiebbarkeit einer Zelle in vertikaler Richtung und die Verschiebbarkeit derselben Zelle ist in horizontaler Richtung durch die Querstreben beschränkt, zwischen welchen die Zelle formschlüssig eingesetzt ist. Dann verbleibt zunächst eine Verschiebbarkeit in Längsrichtung, welche bei der Montage des Energiespeichers vorteilhaft ist, um eine geeignete Verspannung, d.h. Verklemmung der Zelle insbesondere mit anderen Zellen in einem Stapel in Längsrichtung zu ermöglichen. Im montierten Zustand ist dann logischerweise die Verschiebbarkeit in Längsrichtung aufgrund der Verspannung ebenfalls beschränkt.
Besonders zweckmäßig ist eine Ausgestaltung, bei welcher das Auflagestück eine Feder- oder Dämpferauflage ist, welche ausgebildet ist, mechanische Belastungen aufzufangen und zu dämpfen. Die Feder- oder Dämpferauflage besteht aus einem elastischen Werkstoff. Die Feder- oder Dämpferauflage wird vereinfachend und ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch lediglich als Dämpferauflage bezeichnet.
Das Auflagestück und speziell die Feder- oder Dämpferauflage führen vorteilhaft auch zu einer formschlüssigen Halterung der jeweiligen Zelle in der entsprechenden Richtung. Besonders vorteilhaft ist dann eine Kombination eines formschlüssigen Einsetzens bezüglich einer ersten Richtung und einer formschlüssigen Halterung mittels eines Auflagestücks in einer zweiten Richtung, sodass dann die Zelle in diesen beiden Richtungen optimal fixiert ist. Durch die formschlüssige Fixierung in der zweiten Richtung mittels des Auflagestücks kann auf einen zusätzlichen Kraftschluss in der ersten Richtung verzichtet werden und vorzugsweise wird auf einen solchen auch verzichtet. Dadurch werden Stoßlasten optimal abgefedert und die mechanische Belastung des Energiespeichers durch Stöße insgesamt verringert. Weiterhin vorteilhaft ist ein zusätzliches Einklemmen der Zellen in einer dritten Richtung, sodass die Zellen im Gefache dann insgesamt in einer Richtung kraftschlüssig festgeklemmt sind und in den verbleibenden zwei anderen Richtungen jeweils formschlüssig fixiert sind.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher der Energiespeicher ein Temperierungssystem aufweist. Das Temperierungssystem dient allgemein zur Temperierung der Zellen, d.h. vorrangig zu deren Kühlung, alternativ oder zusätzlich zu deren Beheizung. Der Energiespeicher ist somit ausgebildet, mittels eines Temperierungssystems gekühlt oder beheizt zu werden oder beides, d.h. allgemein temperiert zu werden. Das Temperierungssystem weist hierzu entsprechende Komponenten zur Förderung eines Wärmemediums auf und zum Wärmetausch mit der Umgebung des Energiespeichers. Das Wärmemedium ist insbesondere ein Kühlmittel und das Temperierungssystem wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit speziell auch als Kühlsystem bezeichnet. Vorliegend ist das Temperierungssystem zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig in den Energiespeicher integriert. Dadurch ergeben sich diverse Vorteile, unter Anderem eine effizientere Temperierung der Zellen, ein reduzierter Bauraumbedarf, ein verbesserter Wärmeaustausch zwischen den Zellen und dem Wärmemedium sowie eine homogenere Temperaturverteilung sowohl innerhalb einer jeweiligen Zelle als auch über den gesamten Energiespeicher. Die Integration wird insbesondere dadurch erreicht, dass zumindest eines der Strukturelemente des Energiespeichers zumindest eine Funktion einer Komponente des Temperierungssystems übernimmt und dadurch die entsprechende Komponente nicht separat bereitgestellt werden muss.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Energiespeicher zur Immersionstemperierung der Zellen mittels eines dielektrischen Wärmemediums ausgebildet, indem die Zellen von wenigstens einem der Strukturelemente beabstandet sind, sodass das Gehäuse in Kombination mit den Zellen einen Strömungspfad für das Wärmemedium ausbildet. Mit anderen Worten: das Gehäuse selbst dient bei der Immersionstemperierung als ein fluidisches Leitungssystem für das Wärmemedium, indem ein oder mehrere der Strukturelemente des Gehäuses gemeinsam mit den Zellen durch eine geeignete Beabstandung voneinander entsprechende Strömungspfade ausbilden.
Eine Immersionstemperierung zeichnet sich dadurch aus, dass das zur Temperierung im Betrieb verwendete Wärmemedium in unmittelbarem und direktem Kontakt mit den Zellen steht, speziell deren jeweiliger Zellwandung. Dies steht im Gegensatz zu einer indirekten Kühlung z.B. mittels eines Wärmetauschers, welcher mit den Zellen zum Wärmeaustauch verbunden ist und in welchem ein Wärmemedium zirkuliert. Denkbar wäre z.B. ein Bodenplattenkühler, welcher außenseitig am Gehäuse des Energiespeichers angebracht ist, wobei in dem Gehäuse dann mehrere Zellen untergebracht sind. In dieser Konfiguration wird Wärme zunächst von den Zellen über deren Zellwände an die umliegend Luft und das Gehäuse weitergegeben, von dort an den Wärmetauscher und erst dann an das Wärmemedium oder umgekehrt. Bei der Immersionstemperierung tauschen dagegen das Wärmemedium und die Zellen direkt Wärme aus.
Der direkte Kontakt des Wärmemediums und der Zellen wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass das Wärmemedium ein dielektrisches Wärmemedium ist, also elektrisch nicht-leitend oder isolierend ist. Geeignete dielektrische Wärmemedien sind Hydrofluorether, kurz HFE. Im Rahmen der Immersionstemperierung wird dann das Wärmemedium direkt in die Gefache geleitet und dort über geeignete Strömungspfade zu den Zellen geführt, um dort Wärme auszutauschen. Dabei steht das Wärmemedium vorteilhaft insbesondere auch in Kontakt mit den Terminals der Zellen.
Ein spezieller Vorteil der Immersionstemperierung besteht insbesondere in einer verbesserten thermischen Anbindung, also darin, dass durch den verbesserten Kontakt zwischen dem Wärmemedium und den Zellen ein verbesserter, effektiverer Wärmeaustausch gewährleistet ist, sodass speziell bei einer Kühlung auch eine verbesserte Wärmeabfuhr erfolgt. Zur Temperierung der Zellen auf eine bestimmte Temperatur muss das Wärmemedium eine bestimmte Vorlauftemperatur aufweisen, welche auch abhängig von der thermischen Anbindung ist. Eine indirekte Kühlung erfordert oftmals eine besonders niedrige Vorlauftemperatur, welche je nach Umgebungsbedingungen nur mit erhöhtem Aufwand realisierbar ist. Speziell im automotiven Bereich und bei einem hierfür ausgebildeten Energiespeicher ergeben sich ganz spezielle Herausforderungen. Der Energiespeicher wird vorzugsweise auf eine sogenannte Wohlfühltemperatur im Bereich von 35°C bis 45°C temperiert, um eine optimale Leistungsfähigkeit zu gewährleisten. Bei einer unzureichenden thermischen Anbindung z.B. mittels eines Wärmetauschers, liegt die benötigte Vorlauftemperatur zur Kühlung regelmäßig unter der Umgebungstemperatur, sodass mittels eine zusätzlichen Kältekreises eine künstliche Wärmesenke geschaffen werden muss, um Wärme von den Zellen abzuführen. Eine Immersionstemperierung weist nun eine verbesserte thermische Anbindung auf, wodurch die zur Kühlung noch ausreichende Vorlauftemperatur erhöht wird und auf einen zusätzlichen Kältekreis verzichtet werden kann. Das vorliegende Temperierungssystem ist daher vorzugsweise frei von einem Kältekreis. Der Wärmeaustausch erfolgt vorteilhaft ohne eine zusätzlich künstliche Wärmesenke, d.h. direkt vom Temperaturniveau der Zellen, d.h. der Zelltemperatur, zum Temperaturniveau der Umgebung, d.h. der Umgebungstemperatur.
Das spezielle Gehäuse des Energiespeichers eignet sich besonders zur Immersionstemperierung und zur Integration eines Temperierungssystems. In einer geeigneten Ausgestaltung sind in einem jeweiligen Gefache die Zellen derart angeordnet, dass zumindest in einer Richtung zwischen den Zellen und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist, welcher als Strömungspfad zur Führung eines Wärmemediums dient. Die obigen Ausführungen zu Spalten zwischen Zellen und Gehäuse im Zusammenhang mit der Fixierung der Zellen im Gefache gelten entsprechend. Tatsächlich ist die oben beschriebene Beabstandung der Zellen von zumindest einem der Strukturelemente besonders geeignet, um ein hochgradig integriertes Leitungssystem für das Kühlmittel auszubilden. In der oben explizit beschriebenen Ausgestaltung, bei welcher zwischen den Deckschichten und den Zellen insbesondere mittels eines Auflagestücks ein Spalt ausgebildet ist, dient ebendieser Spalt dann zur Führung des Wärmemediums.
Besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit der Immersionstemperierung ist auch die Ausgestaltung, bei welcher zwischen benachbarten Zellen ein Distanzstück angeordnet ist, da auf diese Weise automatisch der dadurch gebildete Freiraum einen Spalt schafft, welcher bei entsprechender Auslegung als Strömungspfad für ein Wärmemedium geeignet ist und zweckmäßigerweise auch hierzu verwendet wird.
In einer geeigneten Ausgestaltung sind die Zellen in zumindest einem Gefache sowohl von der oberen Deckschicht als auch von der unteren Deckschicht jeweils beabstandet und bilden dadurch einen oberen Spalt und einen unteren Spalt, jeweils zur Führung eines Wärmemediums wie oben beschrieben. Die Strukturelemente, welche das Gefache begrenzen, bilden hierbei eine Strömungsaußenkontur, an welcher das Wärmemedium entlang geführt wird. Das Gehäuse ist insgesamt ein Strömungsgehäuse. Weiter ist zwischen je zwei benachbarten Zellen in dem Gefache zweckmäßigerweise ein Distanzstück angeordnet, welches zwischen diesen beiden Zellen einen Freiraum ausbildet, welcher in fluidischer Verbindung mit den beiden Spalten steht. Hierzu weist das Distanzstück beispielsweise zwei Balken auf, welche sich in horizontaler Richtung von oben nach unten erstrecken und in vertikaler Richtung zwischen sich und in Kombination mit den Zellwänden der beiden Zellen den Freiraum aufspannen. Dadurch ist der Energiespeicher zur Führung des Wärmemediums von dem einen der Spalte durch die Freiräume in den anderen Spalt ausgebildet. Im Betrieb wird das Wärmemedium dann über den einen der beiden Spalte zu den Zellen geführt, von dort durch die Freiräume zwischen den Zellen in den anderen Spalt und schließlich von den Zellen fort. Der eine der beiden Spalte dient insgesamt als Vorlauf und der andere Spalt dient insgesamt als Rücklauf. Auf diese Weise ist eine besonders große Kontaktfläche zwischen den Zellen und dem Wärmemedium realisiert, mit den entsprechenden Vorteilen. Insbesondere erfolgt in dieser Ausgestaltung eine besonders homogene Temperierung, da sich die beiden Spalten gleichmäßig über sämtliche Zellen im Gefache verteilen und dadurch in fluidtechnischer Hinsicht eine Parallelschaltung der Freiräume ausgebildet ist. Die einzelnen Zellen werden also nicht nacheinander von dem Wärmemedium umströmt, sondern parallel.
Vorzugsweise dient der obere Spalt als Rücklauf und der untere Spalt dient dann als Vorlauf, sodass der obere Spalt zugleich vorteilhaft auch als ein Ausgleichsbehälter ausgebildet ist, d.h. Gas, welches durch Verdampfung des Wärmemediums möglicherweise entsteht, entweicht vorteilhaft in Strömungsrichtung nach oben.
Denkbar und ebenfalls geeignet sind jedoch auch Ausgestaltungen, bei welchen ein oder mehrere Spalte zwischen den Zellen und anderen Strukturelementen des Gehäuses ausgebildet sind, sowie Ausgestaltungen, bei welchen der Strömungspfad entsprechend anders verläuft. Insbesondere ist auch das Konzept der Parallelschaltung nicht notwendig an die explizit beschriebene Ausgestaltung gebunden, sondern wird zweckmäßigerweise auch bei abweichender Ausbildung und Anordnung von Spalten realisiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind in einem Gefache die Zellen von einem Strukturelement wie beschrieben durch einen Spalt beabstandet und das Strukturelement weist eine Oberfläche auf, welche den Zellen zugewandt ist und welche zusätzlich zur Volumenreduktion profiliert. Die Oberfläche weist demnach ein Profil auf, d.h. ein oder mehrere Erhebungen, welche den Abstand zwischen den Zellen und dem Strukturelement lokal verringern und somit einen Strömungsquerschnitt, welcher sich durch den Spalt ergibt, lokal reduzieren. Auf vorteilhafte Weise wird dadurch eine Unregelmäßigkeit, welche sich durch die Zellen ergibt, ausgeglichen, sodass sich entlang des gesamten Spalts ein besonders homogener Strömungsquerschnitt ergibt. Solche Unregelmäßigkeiten ergeben sich z.B. aufgrund der Beabstandung der Zellen zueinander oder aufgrund der Terminal der Zellen. Bei einer Ausgestaltung des Strukturelements als Blech ergeben sich durch die Erhebungen auf der Oberfläche insbesondere komplementäre Vertiefungen auf der gegenüberliegenden und von den Zellen fort weisenden Seite.
Die Immersionstemperierung weist zusätzlich den Vorteil auf, dass durch das zusätzliche Wärmemedium im Gefache auch eine entsprechende Flüssigkeitsdämpfung realisiert ist, welche weiter die Beständigkeit des Energiespeichers gegenüber mechanischen Belastungen, speziell Stößen oder Vibrationen, verbessert.
In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung ist zudem das Auflagestück derart quellfähig ausgebildet, dass das Auflagestück bei einem Kontakt mit dem Wärmemedium dieses wenigstens teilweise aufnimmt und dadurch aufquillt, also seine Abmessung vergrößert. Dadurch werden die Zellen in dem Gefache zusätzlich auf vorteilhafte Weise verspannt und fixiert.
Zur Temperierung der Zellen im Allgemeinen und zur Immersionstemperierung im Speziellen ist auch die Ausgestaltung eines, mehrerer oder aller der Strukturelemente des Energiespeichers als hohle Strukturelemente vorteilhaft. In einer geeigneten Ausgestaltung ist wenigstens eines der Strukturelemente hohl und weist dadurch eine Kammer auf, zur Führung eines Wärmemediums. Das Strukturelement dient also als Leitung für das Wärmemedium.
In einer ersten Variante dient das hohle Strukturelement als Wärmetauscher, d.h. das Wärmemedium wird innerhalb einer Kammer des Strukturelements geführt und steht dabei nicht in direktem Kontakt mit den Zellen. In einer geeigneten Ausgestaltung ist das Wärmemedium hierbei kein dielektrisches Wärmemedium, sondern ein nicht-dielektrisches Wärmemedium, z.B. ein Wasser/Glykol-Gemisch. Geeigneterweise ist das Strukturelement nach Art eines Lamellen- oder Plattenwärmetauschers ausgebildet. Nachfolgend wird der Einfachheit halber von einem Strukturelement nach Art eines Plattenwärmetauschers ausgegangen, die Ausführungen gelten jedoch entsprechend auch für eine Ausgestaltung nach Art eines Lamellenwärmetauschers. Der Energiespeicher weist somit eine erweiterte Plattentemperierung derart auf, dass die Zellen mittels eines Plattenwärmetauschers temperiert werden, welcher in das Gehäuse integriert ist und gerade nicht als separates Bauteil ausgebildet ist. Die Zellen tauschen dann Wärme über ihre jeweilige Zellwandung zunächst mit dem Strukturelement als Plattenwärmetauscher und schließlich mit dem Wärmemedium aus. Diese Ausgestaltung ist deutlich effektiver, als lediglich einen separaten Plattenwärmetauscher oder Bodenplattenwärmetauscher mit dem Gehäuse thermisch zu verbinden, zudem werden in dieser Ausgestaltung auch deutlich Bauraum und Gewicht eingespart. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist das Strukturelement senkrecht zu dessen Erstreckungsrichtung gemessen eine Dicke im Bereich von 1 mm bis 10 mm auf. Zweckmäßigerweise sind mehrere Strukturelemente jeweils als Plattenwärmetauscher ausgebildet. Vorzugsweise sind diese mehreren Plattenwärmetauscher fluidisch miteinander verbunden, d.h. mehrere Strukturelemente sind hohl und als Plattenwärmetauscher ausgebildet und weisen jeweils wenigstens eine Kammer zur Führung einer Wärmemediums auf und die Kammern verschiedener Strukturelemente sind miteinander verbunden, zum Austausch von Wärmemedium. Hierzu sind in die Strukturelemente entsprechende Öffnungen eingebracht, sodass das Wärmemedium von dem einen Strukturelement in das andere Strukturelement geführt wird. Auf diese Weise ist eine vollumfängliche und besonders homogene Temperierung der Zellen realisiert. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind sämtliche Strukturelemente als Plattenwärmetauscher ausgebildet. In einer Ausgestaltung, bei welcher ein Strukturelement als ein Plattenwärmetauscher ausgebildet ist und von den Zellen durch einen Spalt beabstandet ist, ist zur verbesserten thermischen Anbindung der Spalt zweckmäßigerweise mit einer Vergussmasse aufgefüllt. Die Vergussmasse weist insbesondere eine höhere thermische Leitfähigkeit auf als Luft.
In einer zweiten Variante ist das hohle Strukturelement zur Immersionstemperierung ausgebildet, indem das Strukturelement zur Zufuhr oder zur Abfuhr des Wärmemediums oder zur Zufuhr und zur Abfuhr des Wärmemediums in zumindest ein Gefache ausgebildet ist, speziell insbesondere in die entsprechenden Spalten oder Freiräume oder eine Kombination hiervon. Dadurch werden weitere Leitungen eingespart und eine verbesserte Temperierung erzielt. In einer geeigneten Ausgestaltung wird das Wärmemedium über eine z.B. endseitige Zufuhröffnung in einem hohlen Strukturelement zugeführt, dann über ein oder mehrere Auslassöffnungen aus dem Strukturelement in das Gefach gefördert, tauscht dort Wärme mit den Zellen aus und wird über Einlassöffnungen wieder in das Strukturelement oder in ein anderes, ebenfalls hohles Strukturelement aufgenommen und über eine Abfuhröffnung z.B. endseitig aus dem entsprechenden Strukturelement abgeführt. Falls dasselbe Strukturelement sowohl zur Zufuhr als auch zur Abfuhr des Wärmemediums in und aus dem Gefache verwendet wird, weist das Strukturmedium zweckmäßigerweise wenigstens zwei Kammern zur Führung des Wärmemediums auf, wobei dann die eine Kammer eine Vorlaufkammer ist, zur Zufuhr in das Gefach, und die andere Kammer eine Rücklaufkammer, zur Abfuhr aus dem Gefach.
Die erste Variante ist an sich bereits auch gänzlich ohne Immersionstemperierung vorteilhaft, d.h. die Zellen bleiben trocken und werden lediglich mittels einem oder mehreren Strukturelementen temperiert, welche als Wärmetauscher ausgebildet sind. Die erste Variante ist aber auch vorteilhaft mit der zweiten Variante kombinierbar und zwar sowohl mit einer zusätzlichen, aber separaten Immersionstemperierung als auch mit einer Immersionstemperierung, bei welcher ein hohles Strukturelement wenigstens zwei Kammern besitzt, wobei die eine der Kammern nicht in fluidischer Verbindung mit dem Gefache steht, zum indirekten Wärmeaustausch, und die andere Kammer dagegen sehr wohl in fluidischer Verbindung mit dem Gefache steht, zur Realisierung einer Immersionstemperierung. Das Strukturelement ist dann teilweise als Wärmetauscher ausgebildet und teilweise als Leitung zur Zufuhr, zur Abfuhr oder beides von Wärmemedium.
In denjenigen Fällen, in welchen ein hohles Strukturelement ganz oder teilweise als Wärmetauscher ausgebildet ist, muss das darin geführte Wärmemedium nicht zwingend ein dielektrisches Wärmemedium sein. Vielmehr ist in einer solchen Ausgestaltung auch Wasser oder ein Wasser/Glykol-Gemisch oder ähnliches als Wärmemedium geeignet.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Immersionstemperierung oder einer Temperierung mit einem Strukturelement als Wärmetauscher ist der Energiespeicher grundsätzlich auch für andere Temperierungskonzepte geeignet, speziell solche, bei welchen das Wärmemedium direkt in Kontakt mit den Zellen steht. Geeignet sind z.B. auch eine Sprüh- oder Strahltemperierung, bei welcher die Zellen im Gegensatz zur Immersionstemperierung nicht überwiegend von einem flüssigem Wärmemedium umströmt werden, sondern bei welcher das Wärmemedium tropfenweise oder als Strahl in ein jeweiliges Gefache eingesprüht oder eingestrahlt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eines der Strukturelemente, bevorzugterweise eine Seitenwand und speziell bevorzugt eine Frontwand, hohl und als eine Zentralleitung zur Führung des Wärmemediums ausgebildet und weist wenigstens zwei Kammern auf, nämlich eine Vorlaufkammer, zur Zufuhr des Wärmemediums zu sämtlichen Gefachen, und eine Rücklaufkammer, zur Abfuhr des Wärmemediums aus sämtlichen Gefachen. Die Zufuhr zu und die Abfuhr aus den Gefachen erfolgt dabei insbesondere mittelbar über weitere hohle Strukturelemente, insbesondere Querstreben, welche entsprechend mit der Vorlaufkammer und der Rücklaufkammer fluidisch verbunden sind. Alternativ erfolgen die Zufuhr und die Abfuhr direkt in bzw. aus dem Gefach. Auch eine Kombination hiervon ist geeignet. Zweckmäßigerweise ist zur thermischen Isolierung zwischen der Vorlaufkammer und der Rücklaufkammer eine dritte Kammer ausgebildet, welche auch als Isolationsraum oder allgemein als Trockenkammer bezeichnet wird. Die Vorlaufkammer und die Rücklaufkammer weisen zweckmäßigerweise jeweils einen Strömungsquerschnitt auf, welcher um einen Faktor 2 bis 30 größer ist als ein Strömungsquerschnitt eines Spalts zwischen den Zellen und den Strukturelementen innerhalb eines jeweiligen Gefachs. Ein geeigneter Strömungsquerschnitt einer Kammer eines Strukturelements als Zentralleitung liegt im Bereich von 3 cm² bis 50 cm².
Der Strömungsquerschnitt in einer Kammer eines hohlen Strukturelements oder in einem Spalt zwischen den Zellen und einem Strukturelement ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung entlang des Strukturelements nicht konstant sondern in Strömungsrichtung des Wärmemediums verringert oder vergrößert ausgebildet. Dem liegt insbesondere die Überlegung zugrunde, dass bei einem Strukturelement, dessen Kammer fluidisch mit einem oder mehreren Gefachen verbunden ist oder welches selbst als Strömungskontur innerhalb eines Gefachs dient, entlang des Strukturelements Wärmemedium entnommen oder zugeführt wird. Durch den verringerten oder vergrößerten Strömungsquerschnitt wird dem vorteilhaft Rechnung getragen und trotz variierendem Volumen an Wärmemedium entsprechend eine konstante Strömungsgeschwindigkeit entlang der Kammer gewährleistet.
Die obigen Ausführungen gelten sinngemäß auch für eine an sich äquivalente Ausgestaltung, bei welcher die Vorlaufkammer und die Rücklaufkammer in unterschiedlichen Strukturelementen ausgebildet sind. Die Anordnung der Vorlaufkammer und der Rücklaufkammer in demselben Strukturelement ist besonders kompakt, bei der getrennten Anordnung in unterschiedlichen Strukturelementen sind die Vorlaufkammer und die Rücklaufkammer jedoch prinzipbedingt thermisch getrennt und ein zusätzlicher Isolationsraum ist entbehrlich, sodass ein größerer Strömungsquerschnitt realisierbar ist.
Geeigneterweise ist das Wärmemedium eine Flüssigkeit, d.h. bei Normalbedingungen flüssig. Geeignet ist aber alternativ oder zusätzlich auch ein Wärmemedium, welches ein Gas ist und entsprechend bei Normalbedingungen gasförmig ist, z.B. Luft, vorzugsweise Umgebungsluft. Während bei einem flüssigen Wärmemedium ein Kreislauf zur Führung des Wärmemediums vorzugsweise geschlossen ausgebildet ist, ist ein entsprechender Kreislauf für ein gasförmiges Medium vorzugsweise offen ausgebildet. Durch die offene Ausgestaltung wird dann das Wärmemedium permanent ausgetauscht und nachteilige Effekte durch eine Alterung und mögliche Degradation des Wärmemediums werden vermieden. Sämtliche Ausführungen zum Wärmemedium gelten jeweils sinngemäß sowohl für eine Flüssigkeit wie auch für ein Gas. Speziell bei einem gasförmigen Wärmemedium jedoch, weist der Energiespeicher zweckmäßigerweise zur Förderung des Wärmemediums einen Lüfter auf. Der Lüfter ist z.B. ein Axiallüfter, ein Walzenlüfter oder ein elektrostatischer Lüfter. Der Lüfter ist entweder saugend oder drückend ausgebildet. Zur Steuerung der Strömung des gasförmigen Wärmemediums sind geeigneterweise entsprechende Eintrittsklappe, Austrittsklappen, Staudruckklappen oder ähnliches angeordnet und vorzugsweise in die Strukturelemente integriert. Zweckmäßig ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher der Energiespeicher einen Filter aufweist, insbesondere zur Sammlung oder Abscheidung von Staub, Partikeln oder ähnlichem aus dem Wärmemedium. Ein Filter ist sinngemäß auch bei einem flüssigen Wärmemedium anwendbar und vorteilhaft.
Eine offene Ausgestaltung des Energiespeichers hinsichtlich der Führung des Wärmemediums wie oben beschrieben ist speziell in Kombination mit Umgebungsluft als Wärmemedium vorzugsweise mit einer Innenraumtemperierung in einem Fahrzeug kombiniert. Dabei wird dann im Betrieb dieselbe Luft zur Temperierung des Innenraums und des Elektrospeichers verwendet, sodass z.B. die Zellen mit Luft aus dem Innenraum gekühlt oder beheizt werden oder umgekehrt der Innenraum mit Luft aus dem Energiespeicher beheizt wird. Zweckmäßig ist auch eine Vorwärmung von Umgebungsluft mittels des Energiespeichers und eine anschließende Einleitung in den Innenraum als vorgewärmte Luft.
Eine Kombination von einem flüssigen und einem gasförmigen Wärmemedium ist in einer geeigneten Ausgestaltung dadurch realisiert, dass der Energiespeicher zumindest eine Zerstäuberdüse oder eine Sprühdüse aufweist, zur Vermischung der beiden Wärmemedien. Insbesondere wird hierdurch im Betrieb ein Aerosol gebildet, mit dessen flüssigem Anteil eine vorteilhafte Verdampfungskühlung realisiert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist zumindest eines der Strukturelemente außenseitig eine Anzahl von Kühlrippen auf, zur Luftkühlung des Elektrospeichers. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher einer oder beide Deckschichten außenseitig eine Anzahl von Kühlrippen aufweisen, da die Deckschichten regelmäßig die Strukturelemente mit der größten Oberfläche sind.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist zumindest eine der Deckschichten, insbesondere die untere Deckschicht, als ein Unterflurwärmetauscher für ein Fahrzeug ausgebildet, speziell als ein Unterflurkühler. Die Kühlrippen sind vorzugsweise derart ausgerichtet, dass diese im Betrieb längsangeströmt werden. Bei der Verwendung in einem Fahrzeug sind die Kühlrippen hierzu vorzugsweise derart ausgerichtet, dass sich diese in Fahrtrichtung des Fahrzeugs erstrecken und dadurch im Betrieb optimal von Umgebungsluft umströmt werden. Alternativ oder zusätzlich weist das Fahrzeug einen Luftkanal auf, in welchen die Kühlrippen zur Umströmung mit Luft hineinragen.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist zumindest eine der Deckschichten, insbesondere die obere Deckschicht, als ein Innenraumwärmetauscher für ein Fahrzeug ausgebildet und bei der Verwendung in einem Fahrzeug thermisch mit einem Innenraum des Fahrzeugs verbunden, zum Wärmeaustausch mit dem Innenraum. Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher der Energiespeicher als eine Fußbodenheizung im Innenraum eines Fahrzeugs dient. Im Betrieb wird dann insbesondere über die obere Deckschicht Wärme an den Innenraum abgegeben. Umgekehrt ist alternativ oder zusätzlich entsprechend auch eine Kühlung des Energiespeichers über den Innenraum denkbar und geeignet. In der Ausgestaltung als Fußbodenheizung ist die obere Deckschicht insbesondere trittfest ausgebildet, beispielsweise ist hierzu die obere Deckschicht selbst als eine Sandwichstruktur ausgebildet oder geeignet geformt um eine möglichst hohe Steifigkeit zu erzielen.
In einer geeigneten Ausgestaltung weist der Energiespeicher ein Temperierungssystem wie weiter oben bereits beschrieben auf und dieses Temperierungssystem weist zumindest eine Komponente auf, durch welche das Wärmemedium hindurchführbar ist und im Betrieb auch hindurchgeführt wird. Zumindest eines der Strukturelemente des Gehäuses ist hohl, mit einer Kammer, welche als ein Komponentengehäuse der Komponente dient, sodass die Komponente in das Strukturelement integriert ist. Mit anderen Worten: das Gehäuse weist ein hohles Strukturelement auf, mit einer Kammer, welche als ein Komponentengehäuse der Komponente dient. Die Komponente ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Menge von Komponenten, umfassend: einen Heizer, einen Durchlauferhitzer, einen Kondensator, einen Verdampfer oder eine Förderpumpe. Allgemein dient zumindest ein Teilbereich des Strukturelements als ein Komponentengehäuse der Komponente, sodass auf ein separates Komponentengehäuse vorteilhaft verzichtet wird. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass bei einer zusätzlichen Komponente zur Führung des Wärmemediums ein entsprechendes Komponentengehäuse nötig ist, innerhalb welchem das Wärmemedium geführt wird. Hierzu wird nun das Strukturelement selbst verwendet, sodass insgesamt Bauraum und Gewicht gespart werden.
Bei einem Heizer oder Durchlauferhitzer ist beispielsweise ein Heizelement innerhalb der Kammer angeordnet und wird im Betrieb von dem Wärmemedium umströmt, zur Beheizung des Wärmemediums, insbesondere Zwecks Beheizung der Zellen. Das Heizelement ist beispielsweise ein Heizdraht oder ein Kondensator. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Heizelement eine Abgasleitung, durch welche ein Abgas eines Fahrzeugs führbar ist, in welchem der Energiespeicher verwendet wird. Auf diese Weise wird Abgaswärme des Fahrzeugs zur Beheizung der Zellen des Energiespeichers verwendet.
Bei einem Kondensator oder einem Verdampfer ist beispielsweise ein Wärmetauscher des Verdampfers oder des Kondensators innerhalb der Kammer angeordnet und wird im Betrieb von dem Wärmemedium umströmt, zum Wärmetausch mit einem weiteren Wärmemedium, insbesondere einem Kältemedium, welches innerhalb des Wärmetauschers geführt wird. Der Kondensator oder der Verdampfer sind beispielsweise in einen zusätzlichen Kältekreis angeschlossen, sodass im Betrieb zwischen dem Kältekreis und dem Energiespeicher ein Wärmetausch möglich ist, z.B. zur lediglich bedarfsweisen Wärmeabfuhr aus dem Energiespeicher, insbesondere bei einer sehr hohen Wärmeentwicklung während eines Schnellladebetriebs des Energiespeichers.
Bei einer Förderpumpe ist beispielsweise ein Flügelrad zur Förderung des Wärmemediums innerhalb der Kammer angeordnet. Die Ausführungen zur Förderpumpe gelten sinngemäß für einen Lüfter, falls ein gasförmiges Wärmemedium verwendet wird.
Alternativ ist die Komponente ein Ventil, zur Steuerung der Zufuhr oder Abfuhr des Wärmemediums aus bestimmten Bereichen des Energiespeichers.
Alternativ ist die Komponente ein Zustandssensor, zur Messung einer Eigenschaft des Wärmemediums. Beispielsweise ist der Zustandssensor ein Drucksensor, welcher einen Druck des Wärmemediums in dem Strukturelement misst, ein Temperatursensor, welcher eine Temperatur des Wärmemediums misst, ein Durchflusssensor, welche eine Strömungsgeschwindigkeit des Wärmemediums durch das Strukturelement misst oder ein Sensor, welcher die chemische Zusammensetzung des Wärmemediums misst.
In einer geeigneten Ausgestaltung weist der Energiespeicher eine elektronische Baugruppe auf, insbesondere ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung oder zur Ansteuerung des Energiespeichers. Beispielsweise überwacht das Batteriemanagementsystem einen Ladezustand des Energiespeichers oder steuert die Entladung des Energiespeichers oder steuert in einem Ladebetrieb das Aufladen des Energiespeichers oder eine Kombination hiervon. Das Batteriemanagementsystem weist beispielsweise einen Umrichter auf oder eine Ladeelektronik. Zweckmäßigerweise ist die elektronische Baugruppe analog zu den oben beschriebenen Komponenten in den Elektrospeicher integriert. Die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit einer Komponente gelten entsprechend. Durch die Integration des Batteriemanagementsystems in den Energiespeicher wird speziell in Kombination mit einer Immersionstemperierung auch vorteilhaft eine Temperierung des Batteriemanagementsystems realisiert.
In einer geeigneten Ausgestaltung sind mehrere der oben genannten Komponenten in den Energiespeicher, genauer gesagt in ein oder mehrere Strukturelemente des Energiespeichers integriert.
Zweckmäßigerweise weist der Energiespeicher wenigstens eine Halterung auf, zur Anbringung, insbesondere Befestigung an einer Fahrzeugstruktur eines Fahrzeugs, beispielsweise an einer Karosserie. Vorzugsweise ist die Halterung in einem Randbereich des Gehäuses und als Teil des Gehäuses ausgebildet, nämlich als eine Randstruktur, welche sich seitlich entlang des Gehäuses erstreckt, insbesondere entlang einer der Seitenwände erstreckt. Die Randstruktur erstreckt sich dabei insbesondere wenigstens über 90 % einer Länge der Seitenwand. Zweckmäßigerweise sind an sämtlichen Seitenwänden entsprechende Randstrukturen ausgebildet, sodass der Energiespeicher vollumfänglich an der Fahrzeugstruktur befestigbar ist. Die Randstruktur ist vorzugsweise ein blechartiger Fortsatz der entsprechenden Seitenwand, wobei sich der Fortsatz in horizontaler Richtung erstreckt. Eine solche Randstruktur wird auch als Seitenlasche bezeichnet. Die Randstruktur weist insbesondere eine Anzahl von Anbindungspunkten auf, z.B. Löcher für Befestigungsmittel, zur Befestigung an der Fahrzeugstruktur. Durch die Integration der Halterung als Randstruktur des Gehäuses ist der Energiespeicher insgesamt vorteilhaft als eine selbsttragende Struktureinheit ausgebildet, und mechanische Belastungen, z.B. Stöße, werden optimal zwischen dem Energiespeicher und der Fahrzeugstruktur übertragen. Alternativ oder zusätzlich ist die Randstruktur zur Aufnahme einer lokalen mechanischen Belastung ausgebildet, welche z.B. während eines Pfahlcrashs wirkt.
Alternativ oder zusätzlich zur oben beschriebenen Halterung ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung wenigstens eines der Strukturelemente hohl ausgebildet und weist eine Kammer auf, welche im Betrieb frei ist von einem Wärmemedium und daher auch als Trockenkammer bezeichnet wird. Eine solche Trockenkammer eignet sich auch als Montagekammer zur Anbringung eines Befestigungsmittels, z.B. einer Schraube, zwecks Befestigung des Energiespeichers z.B. an einer Fahrzeugstruktur. Bei der Montage des Energiespeichers wird dann ein Befestigungsmittels in die Montagekammer eingesetzt. Dies ist in einer geeigneten Ausgestaltung mit der oben beschriebenen Zentralleitung kombiniert, sodass das entsprechende Strukturelement, dann eine Vorlaufkammer, eine Rücklaufkammer sowie wenigstens eine Montagekammer und ggf. zusätzlich einen Isolationsraum aufweist.
Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher der Energiespeicher selbst ein Fahrzeugstrukturelement ist, zur Verwendung in einem Fahrzeug. Der Energiespeicher ist dann insbesondere ausgebildet zur Gesamtstrukturfestigkeit des Fahrzeugs beizutragen. Der Energiespeicher ist dann fest in eine Fahrzeugstruktur des Fahrzeugs integriert.
Beispielsweise sind Radaufhängungen oder Radlager des Fahrzeugs direkt am Energiespeicher angebracht. Alternativ oder zusätzlich ist der Energiespeicher mit einzelnen Elementen oder Baugruppen des Fahrzeugs verbunden und ausgebildet, lokale mechanische Belastungen aufgrund dieser Elemente oder Baugruppen aufzunehmen. Beispielsweise ist dann eine Sitzgruppe, ein Querträger, eine Kraftstoffversorgungsanlage, ein Kraftstofftank oder ähnliches direkt und unmittelbar mit dem Energiespeicher, genauer mit dessen Gehäuse, verbunden.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist der Energiespeicher modular ausgebildet, nämlich als ein Modul, welches mit weiteren gleichartigen Modulen verbindbar ist. Durch die modulare Ausgestaltung kann ein Energiespeicher mit beliebiger Leistungskapazität hergestellt werden, indem einfach entsprechend viele Module miteinander verbunden werden.
Zweckmäßigerweise weist der Energiespeicher in der Ausgestaltung als ein Modul eine fluidische Kupplung auf, zum Austausch eines Wärmemediums mit einem anderen Modul, sodass mehrere miteinander verbundene Module gemeinsam einen einzelnen Kreislauf für ein Wärmemedium bilden. In einer geeigneten Ausgestaltung weist die Kupplung zwei vorzugsweise verschließbare Durchführungen auf, wobei die eine der Durchführungen der Zufuhr von Wärmemedium in das Modul dient und die andere entsprechend der Abfuhr.
Alternativ oder zusätzlich weist der Energiespeicher in der zweckmäßigen Ausgestaltung als ein Modul eine elektrische Kupplung auf, zur elektrischen Verbindung der Zellen in den unterschiedlichen Modulen. Die Kupplung weist hierzu beispielsweise entsprechende Steckverbinder oder Kontakte oder dergleichen auf.
In einer Anordnung, in welcher mehrere Module miteinander verbunden sind, ist in einer geeigneten Ausgestaltung zusätzlich ein elektrischer Zentralkontakt ausgebildet, an welchen sämtliche Module angeschlossen sind. Der Zentralkontakt ist beispielsweise als Kabelbaum oder als Stromschiene ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist in der Anordnung mit mehreren miteinander verbundenen Modulen eine Zentralleitung für das Wärmemedium ausgebildet, an welche sämtliche Module angeschlossen sind, zum Austausch des Wärmemediums. Zur mechanischen Zusammenfassung mehrerer Module ist zweckmäßigerweise eine zentrale Tragwerkstruktur ausgebildet, welche bei einem Fahrzeug vorzugsweise einer Fahrzeugstruktur des Fahrzeugs entspricht, insbesondere wie bereits oben beschrieben. Die Module sind dann insgesamt in die Fahrzeugstruktur integriert und mit dieser verbunden. Alternativ ist Tragwerkstruktur als ein separates Skelett ausgebildet, an welchem die Module montiert sind. Vorzugsweise dient das Skelett zugleich auch als Zentralkontakt oder als Zentralleitung oder beides.
Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrospeichers wie beschrieben sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs wie beschrieben. Merkmale der beiden Verfahren sowie vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten ergeben sich sinngemäß aus den obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem Elektrospeicher und dem Fahrzeug.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch und teilweise nur ausschnittsweise:

1 einen Elektrospeicher in einer perspektivischen Ansicht,
2 den Elektrospeicher aus 1 in einer Explosionsdarstellung,
3 mehrere Zellen des Elektrospeichers aus 1,
4 eine Variante der Ausgestaltung aus 3,
5 den Elektrospeicher aus 1 in einer Längsschnittansicht,
6 eine Variante der Ausgestaltung aus 5,
7 den Elektrospeicher aus 1 in einer Schnittansicht,
8 eine Variante der Ausgestaltung aus 7,
9 eine weitere Variante des Elektrospeichers,
10 den Elektrospeicher aus 9 in einer anderen Ansicht,
11 eine weitere Variante des Elektrospeichers,
12 ein Strukturelement des Elektrospeichers aus 11,
13 eine weitere Variante des Elektrospeichers ohne Zellen,
14 eine weitere Variante des Elektrospeichers ohne Zellen,
15 eine weitere Variante des Elektrospeichers,
16 die Ausgestaltung aus 15 in einer Längsschnittansicht,
17 eine weitere Variante des Elektrospeichers,
18 ein Fahrzeug mit einem Elektrospeicher,
19 eine Fahrzeugstruktur des Fahrzeugs aus 18,
20 eine weitere Variante des Elektrospeichers,
21 eine weitere Variante des Elektrospeichers,
22 eine weitere Variante des Elektrospeichers.

Die nachfolgend jeweils im Zusammenhang mit einer jeweiligen Figur erläuterten Konzepte sind auch unabhängig voneinander realisierbar und auch einzelweise oder insgesamt mit den Konzepten aus anderen Figuren kombinierbar.
In den Figuren sind diverse Varianten eines Elektrospeichers 2 gezeigt. Der Elektrospeicher 2 dient vorliegend der elektrischen Versorgung eines elektrischen Antriebs eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, allgemein eines Fahrzeugs 4, wie beispielsweise in 18 gezeigt. 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des Elektrospeichers 2 in einer perspektivischen Ansicht. Der Elektrospeicher 2 aus 1 ist in 2 in einer Explosionsdarstellung gezeigt.
Der Elektrospeicher 2 weist mehrere Zellen 6 auf, zur Energiespeicherung. Um eine bestimmte Spannung oder Stromstärke des Elektrospeichers 2 zu realisieren, sind die Zellen 6 mittels elektrischer Verbinder 8 miteinander elektrisch verschaltet. Der Elektrospeicher 2 weist weiter ein Gehäuse 10 auf, in welchem die Zellen 6 angeordnet sind. Das Gehäuse 10 weist mehrere Strukturelemente 12 auf, wenigstens nämlich eine obere Deckschicht 14, eine untere Deckschicht 16 und mehrere Querstreben 18. Das Gehäuse 10 ist in Sandwichbauweise konstruiert und weist hierzu drei Schichten auf, nämlich die obere Deckschicht 14, welche einen Deckel des Gehäuses 10 bildet, die untere Deckschicht 16, welche einen Boden des Gehäuses 10 bildet und eine Kernschicht 20, welche zwischen den Deckschichten 14, 16 angeordnet ist. Die mehreren Querstreben 18 sind in der Kernschicht 20 angeordnet und jeweils steif mit den beiden Deckschichten 14, 16 verbunden, sodass die drei Schichten insgesamt fest miteinander verbunden sind. Die Querstreben 18 bilden in der Kernschicht 20 ein oder mehrere Gefache 22, in welchen die Zellen 6 angeordnet und fixiert sind. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist lediglich ein Gefach 22 ausgebildet. 13 zeigt eine Variante mit zwei Gefachen 22, 14 zeigt eine Variante mit acht Gefachen 22, 17 zeigt eine Variante mit zweiundzwanzig Gefachen 22 und 19 zeigt eine Variante mit vier Gefachen 22.
Die beiden Deckschichten 14, 16 verlaufen in einer horizontalen Richtung H und zueinander parallel. In einer vertikalen Richtung V sind die Deckschichten 14, 16 zueinander in einem Abstand beabstandet, welcher einer Höhe der Kernschicht 20 entspricht. Zwischen den Deckschichten 14, 16 verlaufen die Querstreben 18 in der vertikalen Richtung V und senkrecht zu den Deckschichten 14, 16. Die Querstreben 18 weisen jeweils eine Höhe auf, welche einer Höhe der Kernschicht 20 sowie einer Gefachhöhe eines jeweiligen Gefachs 22 entspricht. Zwischen den Deckschichten 14, 16 erstrecken sich die Querstreben 18 jeweils in einer Längsrichtung L, welche senkrecht sowohl zur horizontalen Richtung H wie auch zur vertikalen Richtung V verläuft. In Längsrichtung L gemessen weisen die Querstreben 18 eine Länge auf, welche einer Gefachlänge eines jeweiligen Gefachs 22 entspricht. Die Querstreben 18 sind zueinander parallel angeordnet und in horizontaler Richtung H nebeneinander in einem Abstand beabstandet, welcher einer Gefachbreite eines einzelnen Gefachs 22 entspricht. Bei den Ausgestaltungen mit mehreren Gefachen 22 sind diese dann in horizontaler Richtung H nebeneinander in einer Reihe angeordnet.
Die Richtungen H, L, V sind in sämtlichen Figuren jeweils zur Orientierung und Vergleichbarkeit angegeben. Sofern nur zwei der Richtungen H, L, V angegeben sind, handelt es sich um eine entsprechende Schnittansicht.
Diejenigen Querstreben 18, welche in horizontaler Richtung H betrachtet außen liegen, bilden jeweils eine Seitenwand 24 des Gehäuses 10 und schließen dieses in horizontaler Richtung H ab. Solche Querstreben 18, welche keine Seitenwände 24 sind, werden auch als Mittelstreben 26 bezeichnet. In Längsrichtung L sind an den Querstreben 18 endseitig weitere Seitenwände 24 angeordnet, welche das Gehäuse 10 in Längsrichtung L abschließen und auch als Frontwände 28 bezeichnet werden. Diese Frontwände 28 erstrecken sich in vertikaler Richtung V und horizontaler Richtung H. Die Deckschichten 14, 16 schließen das Gehäuse 10 in vertikaler Richtung V ab. Die Seitenwände 24 und die Deckschichten 14, 16 umschließen somit einen Gehäuseinnenraum, in welchem wenigstens ein Gefach 22 ausgebildet ist, in welchem die Zellen 6 angeordnet sind.
Der Elektrospeicher 2 der 1 und 2 weist lediglich ein Gefach 22 auf, in welchem fünfundzwanzig Zellen 6 angeordnet sind. 17 zeigt beispielhaft eine Variante, mit zweiundzwanzig Gefachen 22, in zwei Reihen, wobei die elf Gefache 22 der einen Reihe jeweils zwanzig Zellen 6 aufweisen und die elf Gefache 22 der anderen Reihe jeweils fünfundzwanzig Zellen 6. In einer nicht gezeigten Variante sind in vertikaler Richtung V mehrere Gefachebenen übereinander gestapelt. Die Zellen 6 sind in allen gezeigten Ausführungsbeispielen rechteckig-prismatische Zellen 6. Geeignet sind aber auch andere Bauformen, z.B. sogenannte Pouch-Zellen oder zylinderförmige, rund-prismatische Zellen oder frei formatierte ASSB-Zellen. Die Zellen 6 sind untereinander mit geeigneten elektrischen Verbindern 8 elektrisch verbunden. Jede Zelle 6 weist ein Terminal 32 mit zwei Polen auf, an welche die Verbinder 8 angeschlossen sind, sodass die Pole der Zellen 6 miteinander geeignet verbunden sind.
Die Strukturelemente 12 sind jeweils blechartig ausgebildet. Bei dem Elektrospeicher der 1 und 2 sind die Strukturelemente jeweils als einfaches Blech ausgebildet. In den übrigen Figuren sind jedoch mitunter Varianten gezeigt, bei welchen zumindest eines der Strukturelemente 12 hohl ausgebildet ist, nämlich als ein Hohlprofil, mit mehreren Wänden, welche wenigstens eine Kammer 30 einschließen. Solch ein hohles Strukturelement 12 wird z.B. mittels Extrusion als ein Strangprofil hergestellt oder als ein Stranggussprofil. Die Kammer 30 erstreckt sich dann gerade und entlang des gesamten Strukturelements 12.
Die Zellen 6 sind in den Gefachen 22 fixiert, indem die Zellen 6 an einem oder mehreren der Strukturelemente 12 befestigt sind. Dabei wird auf einen sogenannten Zuganker zur Fixierung der Zellen 6 in einem jeweiligen Gefache 22 verzichtet, vielmehr dient das Gehäuse 10 selbst als Zuganker, indem mehrere Zellen 6 gemeinsam zwischen zwei Strukturelementen 12 formschlüssig eingesetzt oder eingeklemmt sind oder beides. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Zellen 6 in dem Gefache 22 zwischen zwei Querstreben 18 dadurch fixiert, dass die Zellen 6 zwischen den beiden Querstreben 18 formschlüssig eingesetzt oder verspannt sind. Dies ist besonders deutlich erkennbar in den 5 und 6, welche jeweils Schnittansichten quer zur Längsrichtung L zeigen.
Wie aus den 1 und 2 deutlich wird, sind die Zellen 6 dort fixiert, indem diese in einer ersten Richtung, hier der Längsrichtung L, zwischen zwei Strukturelementen 12, hier den Frontwänden 28, eingeklemmt sind, in einer zweiten Richtung, hier der horizontalen Richtung H, formschlüssig zwischen zwei Strukturelementen 12, nämlich den Seitenwänden 24, eingesetzt sind und in einer dritten Richtung, hier der vertikalen Richtung V, über einen Spalt 34 zu wenigstens einem der Strukturelemente 12, hier zu den beiden Deckschichten 14, 16, beabstandet sind. Das Einklemmen, das formschlüssige Einsetzen und die Beabstandung über einen Spalt 34 sind auch unabhängig voneinander sowie jeweils auch gar nicht oder in mehreren Richtungen zugleich realisierbar und ergeben weitere mögliche Ausgestaltungen.
In den 1 und 2 sind die Zellen 6 in Längsrichtung L in einem einzelnen Stapel hintereinander angeordnet. Die Längsrichtung L entspricht hier also einer Stapelrichtung des Stapels. In 19 sind in einem jeweiligen Gefach 22 die Zellen in zwei Stapeln angeordnet und die beiden Stapel sind nebeneinander angeordnet.
Vorliegend ist in dem Stapel in 2 zwischen je zwei benachbarten Zellen 6 ein Distanzstück 36 angeordnet, sodass die Zellen 6 gerade nicht unmittelbar aneinander anliegen, sondern durch das Distanzstück 36 voneinander beabstandet sind, über ebenjenes Distanzstück 36 aber mechanisch miteinander gekoppelt sind. Die Distanzstücke 36 sind besonders gut in den 2, 3 und 4 erkennbar. Ein jeweiliges Distanzstück 36 schafft einen Freiraum 38 zwischen zwei benachbarten Zellen 6, sodass diese sich zu einem gewissen Maß ausdehnen können.
Das Distanzstück 36 fixiert die Zellen 6 relativ zueinander. In 4 ist eine Variante des Distanzstücks 36 gezeigt, bei welcher das Distanzstück 36 formschlüssig mit den Zellen 6 verbunden ist und bei welcher das Distanzstück 36 klammerartig ausgebildet ist und die beiden zueinander benachbarten Zellen 6 jeweils oben und unten umgreift. Eine Variante ist in 3 gezeigt. Hier ist das Distanzstück 36 mit den Zellen 6 verklebt. Der Freiraum 38 ist besonders in 5 erkennbar, welche eine Schnittansicht etwa mittig durch den Stapel zeigt.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist der Energiespeicher 2 ein Temperierungssystem auf, welches allgemein zur Temperierung der Zellen 6 dient. Das Temperierungssystem weist zumindest einige Leitungen auf, welche durch die Strukturelemente 12 ggf. in Kombination mit den Zellen 6 gebildet werden. Vorliegend ist der Energiespeicher 2 zur Immersionstemperierung der Zellen 6 mittels eines dielektrischen Wärmemediums ausgebildet, indem die Zellen 6 von wenigstens einem der Strukturelemente 12 derart beabstandet sind, dass das Gehäuse 10 in Kombination mit den Zellen 6 einen Strömungspfad S für das Wärmemedium ausbildet. Eine Immersionstemperierung zeichnet sich dadurch aus, dass das zur Temperierung im Betrieb verwendete Wärmemedium in unmittelbarem und direktem Kontakt mit den Zellen 6 steht. Dies wird dadurch ermöglicht, dass das Wärmemedium ein dielektrisches Wärmemedium ist, also elektrisch nicht-leitend oder isolierend ist. Im Rahmen der Immersionstemperierung wird das Wärmemedium direkt in die Gefache 22 geleitet und dort über geeignete Strömungspfade S zu den Zellen 6 geführt, um dort Wärme auszutauschen.
Das spezielle Gehäuse 10 der gezeigten Varianten des Energiespeichers 2 eignet sich besonders zur Immersionstemperierung und auch zur Integration eines Temperierungssystems. Wie 5 verdeutlicht, sind dort in dem Gefach 22 die Zellen 6 derart angeordnet, dass in vertikaler Richtung V zwischen den Zellen 6 und dem Gehäuse 10 je ein Spalt 34 ausgebildet ist. Die beiden Spalte 34 werden hier auch individuell einmal als oberer Spalt 34a und als unterer Spalt 34b bezeichnet, wobei auf die zusätzliche allgemeine Kennzeichnung als Spalt 34 ggf. verzichtet wird.
Die Spalte 34a, 34b dienen als Strömungspfad S zur Führung des Wärmemediums. Speziell in 5 sind die Zellen 6 sowohl von der oberen Deckschicht 14 als auch von der unteren Deckschicht 16 jeweils beabstandet und bilden dadurch den oberen Spalt 34a und den unteren Spalt 34b zur Führung eines Wärmemediums. Die Strukturelemente 12, hier die Deckschichten 14, 16, bilden eine Strömungsaußenkontur, an welcher das Wärmemedium entlang geführt wird. Durch die Distanzstücke 36 wird zwischen den Zellen 6 einen Freiraum 38 ausbildet, welcher in fluidischer Verbindung mit den beiden Spalten 34a, 34b steht. Im Betrieb wird das Wärmemedium dann vorliegend über den unteren Spalt 34b zu den Zellen 6 geführt, von dort durch die Freiräume 38 zwischen den Zellen 6 in den oberen Spalt 34a und schließlich von den Zellen 6 fort. In fluidtechnischer Hinsicht ist zudem eine Parallelschaltung der Freiräume 38 ausgebildet. Der untere Spalt 34b dient als Vorlauf und der obere Spalt 34a dient als Rücklauf. In einer nicht gezeigten Variante wird das Wärmemedium in umgekehrter Richtung geführt. In weiteren, nicht gezeigten Varianten sind ein oder mehrere Spalte 34 zwischen den Zellen 6 und anderen Strukturelementen 12 des Gehäuses 10 ausgebildet, sodass der Strömungspfad S entsprechend anders verläuft.
Wie aus 5 erkennbar ist, weist dort zumindest die obere Deckschicht 14 eine Oberfläche 40 auf, welche den Zellen 6 zugewandt ist und welche zusätzlich zur Volumenreduktion profiliert ist. Die Oberfläche 40 weist mehrere Erhebungen 42 auf, welche den Abstand zwischen den Zellen 6 und der oberen Deckschicht 14 lokal verringern und somit einen Strömungsquerschnitt, welcher sich durch den oberen Spalt 34a ergibt, lokal reduzieren. Dadurch werden Unregelmäßigkeiten, welche sich durch die Terminals 32 der Zellen 6 ergeben, ausgeglichen, sodass sich entlang des gesamten oberen Spalts 34a ein homogener Strömungsquerschnitt ergibt.
In 6 ist ausgehend von 5 eine Variante gezeigt, bei welcher eines der Strukturelemente 12, vorliegend eine Frontwand 28, hohl und als eine Zentralleitung zur Führung des Wärmemediums ausgebildet ist. Das Strukturelement 12 weist hierzu zwei Kammern 30 auf, nämlich eine Vorlaufkammer 30a, zur Zufuhr von Wärmemedium zu sämtlichen Gefachen 22, und eine Rücklaufkammer 30b, zur Abfuhr von Wärmemedium aus sämtlichen Gefachen 22. Die Zufuhr zu und die Abfuhr aus dem Gefach 22 erfolgt dabei hier direkt, da das Gefach 22 mit der Vorlaufkammer 30a und der Rücklaufkammer 30b jeweils unmittelbar fluidisch verbunden ist. Zur thermischen Isolierung zwischen der Vorlaufkammer 30a und der Rücklaufkammer 30b ist im Beispiel der 5 eine dritte Kammer 30 ausgebildet, welche auch als Isolationsraum oder allgemein als Trockenkammer 30c bezeichnet wird.
Unterschiedliche Kammern 30 werden je nach Ausgestaltung auch individuell als Vorlaufkammer 30, Rücklaufkammer 30b, Trockenkammer 30c und Montagekammer 30d bezeichnet, wobei auf die zusätzliche allgemeine Kennzeichnung als Kammer 30 ggf. verzichtet wird.
Die 7 zeigt den Energiespeicher 2 der 5 in einer Querschnittansicht senkrecht zur Längsrichtung L, 8 zeigt in derselben Ansicht wie 7 eine Variante. Im Gegensatz zu 7 sind in 8 die Zellen 6 zu den Deckschichten 14, 16 beabstandet, indem zwischen den Zellen 6 und den Deckschichten 14, 16 mehrere Auflagestücke 44 angeordnet sind, welche jeweils einerseits an der jeweiligen Deckschicht 14, 16 oder einer der Mittelstreben 26 formschlüssig anliegen und andererseits an einer oder mehreren der Zellen 6. Ein jeweiliges Auflagestück 44 besteht aus einem isolierenden Werkstoff, sodass eine elektrische Kontaktierung der Zellen 6 mit den Deckschichten 14, 16 und den Mittelstreben 26 vermieden wird. In der gezeigten Variante ist das Auflagestück 44 zugleich eine Feder- oder Dämpferauflage, welche ausgebildet ist, mechanische Belastungen aufzufangen und zu dämpfen. Die Dämpferauflage besteht dazu aus einem elastischen Werkstoff. Die Auflagestücke 44 führen auch zu einer formschlüssigen Halterung der Zellen 6 wenigstens in der vertikalen Richtung V. Weiter sind durch die hier elastischen Auflagestücke 44 die Zellen 6 von den Strukturelementen 12 in vertikaler Richtung V mechanisch derart entkoppelt, dass in dieser Richtung die Zellen 6 mit den Strukturelementen 12 gerade nicht starr verbunden sind. Bei einer Umspülung der Zellen 6 mit dem Wärmemedium sind die Zellen 6 dann zusätzlich flüssigkeitsgedämpft gelagert. Zudem sind die gezeigten Auflagestücke 44 derart quellfähig ausgebildet, dass diese bei einem Kontakt mit dem Wärmemedium dieses wenigstens teilweise aufnehmen und dadurch aufquellen und die Zellen 6 in dem Gefach 22 zusätzlich verspannen und fixieren.
In den 9 und 10 ist eine Variante gezeigt, bei welcher mehrere hohle Strukturelemente 12 als Wärmetauscher ausgebildet sind, d.h. das Wärmemedium wird innerhalb einer Kammer 30 des jeweiligen Strukturelements 12 geführt und steht dabei nicht in direktem Kontakt mit den Zellen 6. Somit ist das jeweilige Strukturelement 12 nach Art eines Plattenwärmetauschers ausgebildet. Die Zellen 6 tauschen Wärme über ihre jeweilige Zellwandung zunächst mit den Strukturelementen 12 als Plattenwärmetauscher und schließlich mit dem Wärmemedium aus. Ein unterer Spalt 34b zur Führung des Wärmemediums wie oben beschrieben entfällt hier, vielmehr ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen den Zellen 6 und dem Strukturelement 12, d.h. der unteren Deckschicht 16, eine nicht näher dargestellt Wärmeleitmasse angeordnet, zur verbesserten thermischen Anbindung der Zellen 6 an die untere Deckschicht 16. 9 zeigt dabei eine Längsschnittansicht des Energiespeichers 2 entlang der Längsrichtung L, 10 zeigt eine Schnittansicht senkrecht hierzu. In 9 ist eine Frontwand 28 erkennbar, welche mit einer trapezförmigen Kammer 30 als Wärmetauscher ausgebildet ist. Zusätzlich ist auch die untere Deckschicht 16 hohl und mit mehreren Kammern 30 als Wärmetauscher ausgebildet. Die Kammern 30 der Frontwand 28 und der unteren Deckschicht 16 sind fluidisch miteinander verbunden. Hierzu sind wie in 9 erkennbar in die Strukturelemente 12 entsprechende Öffnungen 46 eingebracht, sodass vorliegend das Wärmemedium von der Frontwand 28 in die untere Deckschicht 16 und umgekehrt führbar ist.
Aus 10 wird deutlich, dass auch die Mittelstreben 26 jeweils hohl ausgebildet sind. Deren Kammern 30 werden ebenfalls durch nicht gezeigte Öffnungen 46 in der Frontwand 28 mit Wärmemedium versorgt. Auf diese Weise ist eine vollumfängliche Temperierung der Zellen 6 realisiert. In einer nicht gezeigten Variante sind alternativ oder zusätzlich die obere Deckschicht 14 oder eine oder beide Seitenwände 24 oder eine Kombination hiervon ebenfalls als Wärmetauscher ausgebildet. In einer ebenfalls nicht gezeigten Variante sind sämtliche Strukturelemente 12 als Wärmetauscher ausgebildet. Der Spalt 34 in den 9 und 10 ist in einer Variante zur thermischen Anbindung an die obere Deckschicht 14 mit einer Vergussmasse aufgefüllt, speziell - aber nicht notwendigerweise ausschließlich - in einer solchen Variante, bei welcher die obere Deckschicht 14 ebenfalls als ein Wärmetauscher ausgebildet ist.
Ausgehend von der Darstellung in 7 zeigt 11 eine Variante, bei welcher hohle Strukturelemente 12 zur Immersionstemperierung ausgebildet sind, indem die Strukturelemente 12 zur Zufuhr oder zur Abfuhr des Wärmemediums oder zur Zufuhr und zur Abfuhr des Wärmemediums in zumindest ein Gefach 22 ausgebildet sind. Die hohlen Strukturelemente 12 sind hier beispielhaft Querstreben 18 des Energiespeichers 2. Das Wärmemedium wird über eine endseitige Zufuhröffnung 48 in ein jeweiliges Strukturelement 12 geführt, dann über ein oder mehrere Auslassöffnungen 50 aus dem Strukturelement 12 in das Gefach 22 gefördert, tauscht dort Wärme mit den Zellen 6 aus und wird über Einlassöffnungen 52 in ein anderes, ebenfalls hohles Strukturelement 12 aufgenommen und über eine Abfuhröffnung 54 endseitig aus dem entsprechenden Strukturelement 12 abgeführt.
In 12 ist eine Variante der Strukturelemente 12 in einer Seitenansicht senkrecht zur Ansicht der 11 gezeigt. Das Wärmemedium wird hier aus dem Strukturelement 12 wieder in dasselbe Strukturelement 12 zurückgeführt, die Auslassöffnungen 50 oder die Einlassöffnungen 52 sind dann im Vergleich zur 11 entsprechend andersherum orientiert. Die Zufuhröffnung 48 und die Abfuhröffnung 54 sind dagegen wie in 11 ausgebildet, diese Ausgestaltung ist aber nicht zwingend.
In einer nicht gezeigten Variante weist ein Strukturelement 12 Auslassöffnungen 50 oder Einlassöffnungen 52 in mehrere Gefache 22 auf, sodass beispielsweise ausgehend von 11 dann von einer jeweiligen Querstrebe 18 mit den beiden benachbarten Gefachen 22 Wärmemedium ausgetauscht wird.
Wie aus den 11 und 12 erkennbar ist, weist das Strukturelement 12 zweckmäßigerweise wenigstens zwei Kammern 30 zur Führung des Wärmemediums auf, wobei die eine Kammer 30 eine Vorlaufkammer 30a ist, zur Zufuhr in das Gefache 22, und die andere Kammer 30 eine Rücklaufkammer 30b, zur Abfuhr aus dem Gefach 22. Im Ausführungsbeispiel der 12 ist zusätzlich noch zur thermischen Isolation der Vorlaufkammer 30a von der Rücklaufkammer 30b eine Trockenkammer 30c als ein zusätzlicher Isolationsraum ausgebildet.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird von einem flüssigen Wärmemedium und einem geschlossenen Kreislauf für das Wärmemedium ausgegangen. In einer nicht gezeigten Variante ist dagegen das Wärmemedium gasförmig oder der Kreislauf ist offen oder beides.
13 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Variante des Energiespeichers 2, wobei zur besseren Übersichtlichkeit die Zellen 6 und die obere Deckschicht 14 ausgelassen wurden. Der Energiespeicher 2 weist ein Gehäuse 10 mit zwei Gefachen 22 auf, welche durch drei Querstreben 18 ausgebildet sind, nämlich durch zwei Seitenwände 24 und eine Mittelstrebe 26. Weiterhin sind die Gefache 10 endseitig jeweils durch eine Frontwand 28 abgeschlossen. Die Frontwände 28 sind als hohle Strukturelemente 12 ausgebildet. Zwischen den Zellen 6 sind jeweils zu den Deckschichten 14, 16 hin Spalte 30 ausgebildet, sodass ein Strömungspfad S wie in 5 ausgebildet ist. Zusätzlich weist die Mittelstrebe 26 mehrere Ausnehmungen auf, über welche Wärmemedium zwischen den Spalten 30 der benachbarten Gefache 22 austauschbar ist. Die untere Deckschicht 16 ist in einer Variante wie in 9 als Wärmetauscher ausgebildet.
14 zeigt eine Variante der Ausgestaltung nach 13, welche sich vorrangig durch die Anzahl der Gefache 22 unterscheidet.
In den 15, 16 und 17 sind Energiespeicher 2 gezeigt, welche modular ausgebildet sind, nämlich jeweils als ein Modul 56, und dadurch zu einem entsprechend größeren Energiespeicher 2 verbindbar sind. 15 zeigt ausschnittsweise zwei Module 56 in einer perspektivischen Ansicht, 16 zeigt die Module 56 der 15 in einer Schnittansicht in Längsrichtung L und 17 zeigt einen Energiespeicher 2, welcher aus zwei Modulen 56, also zwei kleineren Energiespeichern 2 zusammengesetzt ist. Dabei zeigt 17 eine Draufsicht von oben, wobei die obere Deckschicht 14 zur besseren Übersichtlichkeit weggelassen wurde.
In den 15 und 16 weist ein jeweiliger Energiespeicher 2 in der Ausgestaltung als ein Modul 56 eine fluidische Kupplung 58 auf, zum Austausch des Wärmemediums mit einem anderen Modul 56 oder einem hohlen, durchströmbaren Strukturelement 12, sodass mehrere miteinander verbundene Module 56 gemeinsam einen einzelnen Kreislauf für ein Wärmemedium bilden. Dabei werden die Module 56 hier jeweils parallel vom Wärmemedium durchströmt. In einer nicht gezeigten Variante werden mehrere Module 56 dagegen seriell durchströmt, auch eine Kombination ist möglich. Eine fluidische Kupplung 58 ist auch in 13 gezeigt. Die Kupplung 58 weist zwei Durchführungen 60 auf, wobei die eine der Durchführungen 60 der Zufuhr von Wärmemedium in das Modul 56 dient und die andere entsprechend der Abfuhr. In einer nicht gezeigten Variante weist der Energiespeicher 2 in der Ausgestaltung als ein Modul 56 alternativ oder zusätzlich eine elektrische Kupplung auf, mit entsprechenden Steckverbindern, Kontakten oder dergleichen, zur elektrischen Verbindung der Zellen 6 in den unterschiedlichen Modulen 56.
Im Ausführungsbeispiel der 15 ist zudem eine Zentralleitung 62 für das Wärmemedium ausgebildet, an welche sämtliche Module 56 angeschlossen sind, zum Austausch des Wärmemediums. Die Zentralleitung 62 ist hier sogar ein Teil einer Fahrzeugstruktur 64 eines Fahrzeugs 4, sodass die Module 56 dann insgesamt in die Fahrzeugstruktur 64 integriert und mit dieser verbunden sind. Alternativ oder zusätzlich ist die Zentralleitung 62 ein tragendes Strukturelement 12 des Elektrospeichers 2.
In 18 ist ein Fahrzeug 4 gezeigt, mit einem Energiespeicher 2, welcher selbst ein Fahrzeugstrukturelement des Fahrzeugs 4 ist. Der Energiespeicher 2 trägt somit zur Gesamtstrukturfestigkeit des Fahrzeugs 4 bei und ist fest in Fahrzeugstruktur 64 des Fahrzeugs 4 integriert. Vorliegend sind beispielhaft auch Radaufhängungen 66 des Fahrzeugs 4 direkt am Energiespeicher 2 angebracht. Zusätzlich ist der Energiespeicher 2 hier auch mit einzelnen Baugruppen 68 des Fahrzeugs 4 verbunden und nimmt lokale mechanische Belastungen aufgrund dieser Baugruppen 68 auf. In 18 ist beispielhaft eine Sitzgruppe als eine Baugruppe 68 dargestellt. In einer Variante ist zusätzlich oder alternativ ein Querträger, eine Kraftstoffversorgungsanlage, ein Kraftstofftank oder ähnliches als Baugruppe 68 direkt und unmittelbar mit dem Energiespeicher 4 verbunden.
In 19 sind ausschnittsweise die Fahrzeugstruktur 64 aus 18 und als Teil davon eine weitere Variante des Energiespeichers 2 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Dabei ist die obere Deckschicht 14 nicht gezeigt, sodass die vier Gefache 22 des Energiespeichers 2 sichtbar sind. In jede, Gefache sind nebeneinander zwei Stapel von Zellen 6 angeordnet. Deutlich erkennbar sind auch die Radaufhängungen 66, welche direkt am Energiespeicher 2 angebracht sind, sodass dieser als ein Fahrzeugstrukturelement fest in die Fahrzeugstruktur 64 integriert ist.
Zur Befestigung des Energiespeichers 2 innerhalb der Fahrzeugstruktur 64 weist der Energiespeicher 2 wenigstens eine Halterung 69 auf, beispielsweise wie in 20 dargestellt. In 20 ist in einer perspektivischen Ansicht ein Energiespeicher 2 gezeigt, welcher in einem Randbereich 70 des Gehäuses 10 und als Teil des Gehäuses 10 als Halterung 69 eine Randstruktur aufweist. Die Randstruktur erstreckt sich seitlich entlang des Gehäuses 10, vorliegend entlang einer der Seitenwände 28 und dabei über wenigstens 90 % einer Länge der Seitenwand 28. Die Randstruktur ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein blechartiger Fortsatz der entsprechenden Seitenwand 28, welcher sich in Längsrichtung L erstreckt. Die Randstruktur weist eine Anzahl von Anbindungspunkten 73 auf, zur Befestigung an weiteren Teilen der Fahrzeugstruktur 64.
Zur Anbringung des Elektrospeichers 2 dient in einer Variante alternativ oder zusätzlich eine Montagekammer 30d eines hohlen Strukturelements 12 als Halterung 69. Zwei solche Montagekammern sind beispielsweise in den 6 und 9 erkennbar. Dort sind die Montagekammern 30d weitere Kammern 30 eines Strukturelements 12. Bei der Montage des Energiespeichers 2 wird dann ein Befestigungsmittel, z.B. eine Schraube, in die Montagekammer 30d eingesetzt.
Im Ausführungsbeispiel der 18 weist der Elektrospeicher 2 zudem einen Unterflurwärmetauscher für das Fahrzeug 4 auf, nämlich die untere Deckschicht 16, welche hierzu mit Kühlrippen 71 versehen ist, welcher derart ausgerichtet sind, dass diese im Betrieb des Fahrzeugs 4 von Umgebungsluft längsangeströmt werden. Die obere Deckschicht 14 ist dagegen in 18 als ein Innenraumwärmetauscher für das Fahrzeug 4 ausgebildet und thermisch mit einem Innenraum 72 des Fahrzeugs 4 verbunden, zum Wärmeaustausch mit dem Innenraum 72. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel dient der Energiespeicher 2 als eine Fußbodenheizung im Innenraum 72 eines Fahrzeugs 4.
In 21 ist eine weitere Variante des Elektrospeichers 2 gezeigt, welcher hier ein Temperierungssystem aufweist, welches wiederum zumindest eine Komponente aufweist, durch welche das Wärmemedium hindurchführbar ist und im Betrieb auch hindurchgeführt wird. Eines der Strukturelemente 12 des Gehäuses 10 ist hohl, mit einer Kammer 30, welche zugleich als ein Komponentengehäuse 74 der Komponente dient, sodass die Komponente in das Strukturelement 12 integriert ist. Als Komponenten sind in 21 beispielhaft ein Heizer 76, ein Verdampfer 78 und eine Förderpumpe 80 gezeigt. Bei dem Heizer 76 ist ein Heizelement 82 innerhalb der Kammer 30 angeordnet und wird im Betrieb von dem Wärmemedium umströmt, zur Beheizung des Wärmemediums. Bei dem Verdampfer 78 ist ein Wärmetauscher des Verdampfers 78 innerhalb der Kammer 30 angeordnet und wird im Betrieb von dem Wärmemedium umströmt, zum Wärmetausch mit einem weiteren Wärmemedium, hier einem Kältemedium, welches innerhalb des Wärmetauschers geführt wird. Der Verdampfer 78 ist hier an einen zusätzlichen Kältekreis 84 angeschlossen, sodass im Betrieb zwischen dem Kältekreis 84 und dem Energiespeicher 2 ein Wärmetausch möglich ist, z.B. zur lediglich bedarfsweisen Wärmeabfuhr aus dem Energiespeicher 2. Bei der Förderpumpe 80 ist ein Flügelrad zur Förderung des Wärmemediums innerhalb der Kammer 30 angeordnet. Zusätzlich ist in 21 ein Zustandssensor 86, zur Messung einer Eigenschaft des Wärmemediums innerhalb einer Kammer 30 eines hohlen Strukturelements 12 angeordnet.
Weiter weist der Energiespeicher 2 in 21 eine elektronische Baugruppe 88 auf, welche hier ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung oder zur Ansteuerung des Energiespeichers 2 ist. Das Batteriemanagementsystem überwacht einen Ladezustand des Energiespeichers 2 oder steuert die Entladung des Energiespeichers 2 oder steuert in einem Ladebetrieb das Aufladen des Energiespeichers 2 oder eine Kombination hiervon. Das Batteriemanagementsystem weist beispielsweise einen Umrichter auf oder eine Ladeelektronik. Die elektronische Baugruppe 88 ist analog zu den oben beschriebenen Komponenten in den Elektrospeicher 2 integriert, sodass die elektronische Baugruppe 88 entsprechend mittels des Wärmemediums temperiert wird.
In 22 ist eine Variante gezeigt, bei welcher die elektrischen Verbinder 8 in das Gehäuse 10 integriert sind, hier in die Querstreben 18. Der elektrische Verbinder 8 ist als eine Leiterbahn ausgebildet, welche aus einem leitenden Werkstoff gefertigt ist. Dieser ist auf das Strukturelement 12 aufgebracht oder das Strukturelement 12 ist bereichsweise aus dem leitenden Werkstoff gefertigt, sodass die Leiterbahn hier ebenfalls als ein tragendes Strukturelement wirkt. Vorliegend sind zwei Leiterbahnen ausgebildet, nämlich je eine für die unterschiedlichen Pole des Terminals 32 der jeweiligen Zelle 6. Die Terminals 32 der Zellen 6 sind dann wie gezeigt direkt und unmittelbar an den elektrischen Verbinder 8 angeschlossen. Durch entsprechende Ausgestaltung der elektrischen Verbinder 8 sind Varianten mit beliebigen Verschaltungen der Zellen 6 innerhalb eines Gefachs 22 sowie auch gefachübergreifend möglich. Im Ausführungsbeispiel der 22 sind die elektrischen Verbinder 8 sogar in ein hohles Strukturelement 12 mit einer Kammer 30 zur Führung eines Wärmemediums integriert, sodass die elektrischen Verbinder 8 automatisch auch gekühlt werden.
Bezugszeichenliste

2: Elektrospeicher
4: Fahrzeug
6: Zelle
8: elektrischer Verbinder
10: Gehäuse
12: Strukturelement
14: obere Deckschicht
16: untere Deckschicht
18: Querstrebe
20: Kernschicht
22: Gefach
24: Seitenwand
26: Mittelstrebe
28: Frontwand
30: Kammer
30a: Vorlaufkammer
30b: Rücklaufkammer
30c: Trockenkammer
30d: Montagekammer
32: Terminal
34: Spalt
34a: oberer Spalt
34b: unterer Spalt
36: Distanzstück
38: Freiraum
40: Oberfläche
42: Erhebung
44: Auflagestück
46: Öffnung
48: Zufuhröffnung
50: Auslassöffnung
52: Einlassöffnung
54: Abfuhröffnung
56: Modul
58: fluidische Kupplung
60: Durchführung
62: Zentralleitung
64: Fahrzeugstruktur
66: Radaufhängungen
68: Baugruppe
69: Halterung
70: Randbereich
71: Kühlrippe
72: Innenraum
73: Anbindungspunkt
74: Komponentengehäuse
76: Heizer
78: Verdampfer
80: Förderpumpe
82: Heizelement
84: Kältekreis
86: Zustandssensor
88: elektronische Baugruppe
H: horizontale Richtung
L: Längsrichtung
S: Strömungspfad
V: vertikale Richtung

Claims

Elektrospeicher (2), welcher mehrere Zellen (6) aufweist sowie ein Gehäuse (10), in welchem die Zellen (6) angeordnet sind, - wobei das Gehäuse (10) mehrere Strukturelemente (12) aufweist, wenigstens nämlich eine obere Deckschicht (14), eine untere Deckschicht (16) und mehrere Querstreben (18), - wobei das Gehäuse (10) in Sandwichbauweise konstruiert ist und hierzu drei Schichten aufweist, nämlich die obere Deckschicht (14), welche einen Deckel des Gehäuses (10) bildet, die untere Deckschicht (16), welche einen Boden des Gehäuses (10) bildet und eine Kernschicht (20), welche zwischen den Deckschichten (14, 16) angeordnet ist, - wobei die mehreren Querstreben (18) in der Kernschicht (20) angeordnet sind und jeweils steif mit beiden Deckschichten (14, 16) verbunden sind, - wobei die Querstreben (18) in der Kernschicht (20) ein oder mehrere Gefache (22) bilden, in welchen die Zellen (6) angeordnet und fixiert sind.
Elektrospeicher (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Zellen (6) in einem jeweiligen Gefache (22) fixiert sind, indem die Zellen (6) in einer ersten Richtung (H, L, V) zwischen zwei Strukturelementen (12) eingeklemmt sind, in einer zweiten Richtung (H, L, V) formschlüssig zwischen zwei Strukturelementen (12) eingesetzt sind und in einer dritten Richtung (H, L, V) über einen Spalt (34, 34a, 34b) zu wenigstens einem der Strukturelemente (12) beabstandet sind.
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Zellen (6) gemeinsam zwischen zwei Strukturelementen (12) eingeklemmt sind, indem die Zellen (6) in einem Stapel angeordnet sind, welcher sich in einer Stapelrichtung erstreckt, und indem zwischen je zwei benachbarten Zellen (6) ein Distanzstück (36) angeordnet ist, sodass die Zellen (6) durch das Distanzstück (36) voneinander beabstandet sind.
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zellen (6) über einen Spalt (34, 34a, 34b) zu wenigstens einem der Strukturelemente (12) beabstandet sind, indem zwischen den Zellen (6) und dem Strukturelement (12) ein Auflagestück (44) angeordnet ist, welches einerseits an dem Strukturelement (12) anliegt und andererseits an einer oder an mehreren der Zellen (6) anliegt.
Energiespeicher (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Auflagestück (44) eine Feder- oder Dämpferauflage ist, welche ausgebildet ist, mechanische Belastungen aufzufangen und zu dämpfen, und welche aus einem elastischen Werkstoff besteht.
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieser zur Immersionstemperierung der Zellen (6) mittels eines dielektrischen Wärmemediums ausgebildet ist, indem die Zellen (6) von wenigstens einem der Strukturelemente (12) beabstandet sind, sodass das Gehäuse (10) in Kombination mit den Zellen (6) einen Strömungspfad (S) für das Wärmemedium ausbildet.
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zellen (6) in zumindest einem Gefach (22) sowohl von der oberen Deckschicht (14) als auch von der unteren Deckschicht (16) jeweils beabstandet sind und dadurch einen oberen Spalt (34a) und einen unteren Spalt (34b) bilden, jeweils zur Führung eines Wärmemediums, wobei zwischen je zwei benachbarten Zellen (6) in dem Gefach (22) ein Distanzstück (36) angeordnet ist, welches zwischen diesen beiden Zellen (6) einen Freiraum (38) ausbildet, welcher in fluidischer Verbindung mit den beiden Spalten (34a, 34b) steht, zur Führung des Wärmemediums von dem einen der Spalte (34a, 34b) durch die Freiräume (38) in den anderen Spalt (34a, 34b).
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eines der Strukturelemente (12) hohl ist und dadurch eine Kammer (30, 30a, 30b) aufweist, zur Führung eines Wärmemediums, wobei das Strukturelement (12) nach Art eines Lamellen- oder Plattenwärmetauschers ausgebildet ist.
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eines der Strukturelemente (12) hohl ist und dadurch eine Kammer (30, 30a, 30b) aufweist, zur Führung eines Wärmemediums, wobei das Strukturelement (12) zur Immersionstemperierung ausgebildet ist, indem das Strukturelement (12) zur Zufuhr oder zur Abfuhr des Wärmemediums oder zur Zufuhr und zur Abfuhr des Wärmemediums in zumindest eines der Gefache (22) ausgebildet ist.
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der Strukturelemente (12) hohl und als eine Zentralleitung (62) zur Führung eines Wärmemediums ausgebildet ist und wenigstens zwei Kammern (30, 30a, 30b) aufweist, nämlich eine Vorlaufkammer (30a), zur Zufuhr des Wärmemediums zu sämtlichen Gefachen (22), und eine Rücklaufkammer (30b), zur Abfuhr des Wärmemediums aus sämtlichen Gefachen (22).
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Deckschichten (14, 16), insbesondere die untere Deckschicht (16), als ein Unterflurwärmetauscher für ein Fahrzeug (4) ausgebildet ist.
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Deckschichten (14, 16) , insbesondere die obere Deckschicht (14), als ein Innenraumwärmetauscher für ein Fahrzeug (4) ausgebildet ist, zum Wärmeaustausch mit einem Innenraum (72) des Fahrzeugs (4).
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieser ein Temperierungssystem aufweist, welches zumindest eine Komponente (76, 78, 80, 82) aufweist, durch welche ein Wärmemedium hindurchführbar ist, wobei zumindest eines der Strukturelemente (12) hohl ist, mit einer Kammer (30), welche als ein Komponentengehäuse der Komponente (76, 78, 80, 82) dient, sodass die Komponente (76, 78, 80, 82) in das Strukturelement (12) integriert ist.
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieser wenigstens eine Halterung (69) aufweist, zur Anbringung an einer Fahrzeugstruktur (64) eines Fahrzeugs (4), wobei die Halterung (69) in einem Randbereich (70) des Gehäuses (10) und als Teil des Gehäuses (10) ausgebildet ist, nämlich als eine Randstruktur, welche sich seitlich entlang des Gehäuses (10) erstreckt.
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieser ein Fahrzeugstrukturelement ist, zur Verwendung in einem Fahrzeug (4).
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieser modular ausgebildet ist, nämlich als ein Modul (56), welches mit weiteren gleichartigen Modulen (56) verbindbar ist, wobei dieser weiter eine fluidische Kupplung (58) aufweist oder eine elektrische Kupplung, zur elektrischen Verbindung der Zellen (6) in den unterschiedlichen Modulen (56), oder beides.
Elektrospeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in eines der Strukturelemente (12) ein elektrischer Verbinder (8) integriert ist, zur elektrischen Kontaktierung der Zellen (6), wobei der elektrische Verbinder (8) als eine Leiterbahn ausgebildet ist, welche aus einem leitenden Werkstoff gefertigt ist.
Fahrzeug (4), welches einen Elektrospeicher (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.