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Die Erfindung betrifft Batterie aus einem Stapel von Batterieeinzelzellen, welche einen umlaufenden Dichtrahmen umfassen, und eine Batterieeinheit mit Anode, Separatoren, Elektrolyt und Kathoden.
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Derartige Batterien, welche aus Stapeln hergestellt werden, sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Hinsichtlich des Aufbaus einer Einzelbatterie kann beispielhaft auf die
DE 10 2007 063 181 A1 hingewiesen werden. Ein Beispiel für das Aufstapeln von Batterieeinzelzellen, welche hier als in sich geschlossene Zellen in einem Folienbeutel, sogenannte Pouch-Zellen, ausgebildet sind, ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 012 998 A1 grundlegend bekannt. Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem aus dem Bereich der Festkörperbatterien auf die
DE 10 2014 207 531 A1 hingewiesen werden.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, welche einen effizienten Aufbau bei hoher Lebensdauer und Leistungsdichte der Batterie ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst, Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Batterie sind zwischen den Batterieeinheiten, welche ihrerseits Anoden, Separatoren, Elektrolyt und Kathoden umfassen, und welche innerhalb eines umlaufenden Dichtrahmens angeordnet sind, elektrisch leitende Platten angeordnet. Die Batterieeinheiten liegen also quasi „offen“ in den Dichtrahmen und werden zusammen mit den zwischenliegenden elektrisch leitenden Platten aufgestapelt. Hierdurch kommt es zu einer Kontaktierung der jeweiligen Seiten der Batterieeinheiten, sodass bei gleicher Ausrichtung der Batterieeinheiten automatisch innerhalb der Batterie eine Reihenschaltung der einzelnen Batterieeinheiten entsteht. Ferner ist es dabei so, dass gemäß der Erfindung zumindest einige der Platten in der Fläche zwischen den Batterieeinheiten Kanäle aufweisen, welche von einem Kühlmedium durchströmbar sind.
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Der Aufbau der Batterie erfolgt also im Wesentlichen in der Art wie beispielsweise sogenannte Brennstoffzellenstacks hergestellt und aufgestapelt werden. Jede der Batterieeinheiten wird von einem Dichtrahmen umgeben. Dann werden elektrisch leitende Platten, beispielsweise Metallplatten, zwischengelegt. Diese Metallplatten, welche so dünn sein können. dass man sie auch als Folien bezeichnen könnte, übernehmen dann die elektrische Kontaktierung. Zumindest einige dieser Platten, oder insbesondere auch alle der eingelegten Platten, können dann die Kanäle zur Durchströmung mit dem Kühlmedium aufweisen. Auch hier besteht eine gewisse Analogie zu Brennstoffzellenstacks. Der Vorteil besteht nun darin, dass durch diese unmittelbare Kühlung im Bereich der Batterieeinheiten eine sehr effiziente und sehr homogene Kühlung erfolgt. Die bisherigen Aufbauten nutzen Wärmeleitelemente wie z.B. Platten, um die Wärme in Richtung eines im Boden eines Batteriegehäuses angeordneten Plattenwärmetauscher abzuführen. Dies führt in der Praxis dazu, dass der untere Teil, welcher diesen Boden zugewandt ist, die einzelnen Batterieeinheiten typischerweise sehr viel besser gekühlt wird, als es der gegenüberliegende Teil der Batterieeinheit ist. Diese inhomogene Kühlung innerhalb jeder der einzelnen Batterieeinheiten führt letzten Endes zu einem erhöhten Stress für alle Materialien und einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit. Insbesondere geht eine Verbesserung der Homogenität der Kühlung mit einer deutlichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit und vor allem der Lebensdauer der Batterieeinheiten und damit letztlich der aus ihnen aufgebauten Batterie einher.
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Ferner ist es so, dass dieser offene Aufbau der Batterieeinheiten mit dem Dichtrahmen zwar bei der Montage der Batterie, also dem Stapeln und Verspannen der Batterieeinheiten, der elektrisch leitenden Platten und der Dichtrahmen, zu einem Mehraufwand führt. Betrachtet man jedoch die Herstellung von Brennstoffzellenstacks, so ist diese Technologie durchaus bewältigbar und führt letzten Endes zu einer höheren Leistungsdichte bei verringertem Bauvolumen und dies, durch die verbesserte Kühlung bei zusätzlich verbesserter Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterie.
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Insbesondere können die Platten mit den Kühlkanälen dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie zweiteilig ausgebildet sein, wobei die den Batterieeinheiten zugewandten Seiten jedes Teils eben sind und die einander zugewandten Seiten jedes Teils die Hälfte der Kanäle aufweisen. Prinzipiell wäre es auch denkbar, dass lediglich eines der Teile die Kanäle auf seiner einen Seite aufweist und das andere Teil komplett eben ist. Die Kanäle können beispielsweise durch Prägen, Ätzen, Fräsen oder dergleichen in die Platten bzw. Folien eingebracht werden.
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Die so aufgestapelten Elemente können dann gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der Idee über Spanneinrichtungen zwischen Endplatten verspannt ausgebildet sein, wobei die Spanneinheiten in Stapelrichtung elastisch wirkende Elemente umfassen. Als Spanneinrichtungen sind beispielsweise Spannbänder, Zuganker oder dergleichen denkbar. Sie verbinden vorzugsweise zwei Endplatten miteinander, welche beispielsweise Durchbrüche zur Zufuhr des Kühlmediums zu einem Verteilkanal und gegebenenfalls auch selber Kanäle für das Kühlmedium aufweisen können. Diese Endplatten sind beispielsweise über Zuganker verbunden. Diese haben in Stapelrichtung wirkende elastische Elemente. Dadurch kann eine Größenausdehnung der Batterieeinzelzellen ausgeglichen werden. Eine solche tritt einerseits beim Laden der Batterieeinzelzellen auf, sodass diese sich bei jedem Lade- und Entladezyklus entsprechend aufblähen und zusammenziehen. Darüber hinaus kommt es zu einem Zelldickenwachstum der Batterieeinheiten auch über die Zeit hinweg, da diese mit zunehmender Lebensdauer eine größere Dicke bekommen. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem kalendarischen Zelldickenwachstum, welches über die elastischen Elemente in den Spanneinrichtungen ebenfalls ausgeglichen werden kann.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie sieht es dabei vor, dass im Bereich der Endplatten wenigstens eine elektrische Temperierungseinrichtung angebracht ist. Insbesondere im Bereich der Endplatten kommt es zu einem verstärkten Abkühlen der Batterie, wenn diese nicht in Betrieb ist.
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Erfolgt dann nach einer kürzeren bis mittleren Stillstandszeit der Batterie eine Wiederinbetriebnahme, wie es insbesondere bei Fahrzeuganwendungen sehr häufig der Fall ist. Dann sind die Batterieeinheiten in der Mitte des Stapels der Batterie noch vergleichsweise warm und die im Bereich der Endplatten bereits relativ stark abgekühlt. Diese unterschiedliche Temperierung führt dann wiederum zu einer unterschiedlichen Belastung und unterschiedlichen Alterung der Batterieeinzelzellen. Dem kann entgegengewirkt werden, indem über Heizeinrichtungen im Bereich der Endplatten die Batterieeinzelzellen am Ende des Stapels bei Bedarf geheizt werden können. Hierdurch kommt es zu einer homogeneren Temperaturverteilung innerhalb des Stapels mit den einzelnen Batterieeinheiten, sodass auch hierdurch die Lebensdauer der Batterie verbessert werden kann.
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Dies kann ergänzend auch dadurch unterstützt werden, dass gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie der Stapel von einer thermischen Isolierung umgeben ist, um so eine homogenere Temperaturverteilung in dem Stapel der Batterieeinzelzellen sicherzustellen. Zusammen mit der Möglichkeit, bei Bedarf die Endplatten zu beheizen und der Möglichkeit über die Kühlkanäle in den zwischengelegten Platten die Batterieeinheiten des Stapels außerordentlich homogen zu kühlen, oder bei Bedarf mit einem gegenüber der Temperatur der Batterie wärmeren Kühlmedium auch zu heizen, entsteht so die Möglichkeit, die Batterie außerordentlich effizient und mit einer hohen Lebensdauer betreiben zu können.
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Dies gilt insbesondere auch, wenn die Batterie vergleichsweise häufig für einzelne Phasen unbenutzt bleiben und dann wiederverwendet wird, da in diesen Phasen, je nach Zeitraum Abkühlungseffekte und hohe Belastungen beim Wiederstart der Verwendung auftreten. Da die erfindungsgemäße Batterie mit dieser Problematik außerordentlich gut und ohne nennenswerte Belastung ihrer Lebensdauer umgehen kann, eignet sie sich insbesondere für Fahrzeuganwendungen, in denen genau diese Nutzungsprofile allgemein üblich sind und häufig auftreten. Dementsprechend kann es vorgesehen sein, dass ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie ausgestattet wird, wobei die Batterie in dem Fahrzeug zur Bereitstellung zumindest eines Teils der elektrischen Antriebsleistung genutzt wird. Das Fahrzeug kann also beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein. Als Hybridfahrzeuge kommen dabei sowohl Hybridantriebe mit Verbrennungsmotor und Batterie als Energiequellen als auch Hybridantriebe beispielsweise mit Brennstoffzellen und einer Batterie in Betracht. Auch andere Antriebsvarianten beispielsweise über Gasturbinen als Ergänzung zum elektrischen Antrieb aus der Batterie sind natürlich prinzipiell denkbar. Die Fahrzeuge können dabei vorzugsweise Kraftfahrzeuge umfassen, wie insbesondere Personenkraftwagen und Nutzfahrzeuge. Auch schienengebundene Fahrzeuge wie beispielsweise Züge sind möglich. Unter dem Begriff der Fahrzeuge fallen prinzipiell auch Wasserfahrzeuge und Luftfahrzeuge, für die ein der erfindungsgemäßen Batterie Einsatz grundsätzlich auch möglich ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine prinzipielle Ansicht einer Batterie in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht;
- 2 einen Ausschnitt aus der Batterie in einer schematischen Explosionsdarstellung; und
- 3 einen Ausschnitt aus einer möglichen Platte mit Kühlkanälen.
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In der Darstellung der 1 ist eine Batterie 1 als solche schematisch dargestellt. Sie besteht aus einem Stapel von Batterieeinzelzellen 2, von welchen in der Darstellung der 1 nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Diese Batterieeinzelzellen 2 sind zwischen einer ersten Endplatte 3 und einer zweiten Endplatte 4 aufgestapelt. Sie sind über mit 5 bezeichnete Zuganker miteinander verbunden und halten so die Batterieeinzelzellen 2 zwischen sich. In jedem der Zuganker 5 befindet sich dabei ein mit 6 bezeichnetes elastisches Element, welches dazu dient, das Zelldickenwachstum der Batterieeinzelzellen 2, sei es beim Laden und Entladen oder auch in Form eines kalendarischen Zelldickenwachstums, entsprechend auszugleichen, um so dafür zu sorgen, dass die Kräfte innerhalb des Stapels auf die Batterieeinzelzellen 2 der Batterie 1 auch über die Lebensdauer derselben hinweg in etwa konstant bleiben.
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Zwischen den Batterieeinzelzellen 2, und in der Darstellung der 1 hier zwischen jeden der benachbarten Batterieeinzelzellen 2, ist eine mit 7 bezeichnete elektrisch leitende Platte angeordnet. Diese elektrisch leitenden Platten können beispielsweise aus dünnen Blechen oder Folien bestehen.
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In der Darstellung der 2 ist nun der Aufbau in einer Explosionsdarstellung zu erkennen. Ausgehend von der einen Endplatte 4, welche ebenfalls elektrisch leitend ist und beispielsweise den Pluspol der Batterie 1 ausbildet, folgt in Stapelrichtung eine der Batterieeinzelzellen 2. Diese besteht aus einem Dichtrahmen 8 und einer Batterieeinheit 9, welche ihrerseits in an sich bekannter Art und Weise aus Anoden, Separatoren und Kathoden sowie einem Elektrolyt besteht. Dieser Aufbau ist prinzipiell offen und wird durch den Dichtrahmen 8 nach dem Stapeln einerseits abdichtend verschlossen und andererseits beispielsweise mit seiner Anode mit der elektrisch leitenden Endplatte 4 in Kontakt gebracht. Auf die Batterieeinzelzelle 2 folgt dann eine elektrisch leitende Platte 7, bevor sich dieser Aufbau aus Batterieeinzelzelle 2 und elektrisch leitender Platte 7 immer wieder wiederholt.
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Zumindest einige, vorzugsweise jedoch alle der elektrisch leitenden Platten 7 können dabei in der Darstellung der 2 mäanderförmig angedeutete Kühlkanäle 10 aufweisen. Diese befinden sich im Inneren der elektrisch leitenden Platte 7, sodass den jeweiligen Batterieeinzelzellen 2 bzw. ihren Batterieeinheiten 9 jeweils eine ebene Oberfläche benachbart ist. Diese ebene Oberfläche kontaktiert dann einen der Pole der Batterieeinheit und sorgt bei gleich ausgerichteten Batterieeinheiten so für eine Reihenverschaltung aller Batterieeinheiten 9 innerhalb des Stapels der Batterie 1. Die eine der Endplatten 4 bildet dann beispielsweise den Pluspol, die andere der Endplatten 3 den Minuspol aus.
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Der Aufbau einer der elektrisch leitenden Platten 7 ist nun in der Darstellung der 3 anhand eines Ausschnitts durch eine solche Platte 7 nochmals exemplarisch dargestellt. Die elektrisch leitende Platte 7 kann insbesondere aus einem ersten Teil 7.1 und einem zweiten Teil 7.2 bestehen. Die einander zugewandten Oberflächen tragen dabei Vertiefungen, welche die Kühlkanäle 10 ausbilden. Die einander abgewandten Oberflächen sind entsprechend eben und können mit den jeweiligen Elektroden der Batterieeinheiten, welche offen in den Dichtrahmen 8 liegen, durch das Aufstapeln und spätere Verpressen über die Zuganker 5 kontaktiert werden. Dies ermöglicht einen außerordentlich einfachen und effizienten Aufbau. Die metallischen Platten 7 wirken dabei in der Art von Bipolarplatten, wie sie bei Brennstoffzellenstacks prinzipiell bekannt sind.
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Alternativ zu der Darstellung in 3 wäre es selbstverständlich auch denkbar, dass nur der eine Zeil, beispielsweise der Teil 7.1, die Kanäle 10 trägt und der andere Teil, hier also beispielsweise der Teil 7.2, als vollständig ebene Platte ausgebildet ist.
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Die Medienversorgung der Kanäle 10 mit einem typischerweise flüssigen Kühlmedium oder auch einem Kältemittel aus einer Klimaanlage beim Fahrzeugeinsatz erfolgt dann über den in 1 angedeuteten Verteilkanal 11 zur Zufuhr des Kühlmediums, wie es durch den Pfeil angedeutet ist, und den auf der gegenüberliegenden Seite angeordneten Verteilkanal 12 zur Abfuhr desselben.
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Die Endplatten 4 selbst können dabei ebenfalls Kühlkanäle aufweisen sowie ergänzend hierzu eine elektrische Temperierungseinrichtung, beispielsweise eine Widerstandsheizmatte, um bei Bedarf den Endabschnitt des Stapels beheizen zu können. Prinzipiell wären hier auch elektrische Temperierungselemente wie beispielsweise Peltier-Elemente denkbar, um so bei Bedarf im Bereich der Endplatten 3, 4 sowohl elektrisch Heizen als auch Kühlen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007063181 A1 [0002]
- DE 102010012998 A1 [0002]
- DE 102014207531 A1 [0002]
