DE102020117689A1 - Elektrischer Energiespeicher mit Wabenstruktur sowie Fahrzeug mit einem solchen - Google Patents

Elektrischer Energiespeicher mit Wabenstruktur sowie Fahrzeug mit einem solchen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher (2), mit einer Vielzahl an Speicherzellen (4), die elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbunden sind, und einem Wabengebilde (3) mit einer Vielzahl an Wabenzellen (5), wobei jede Wabenzelle (5) Wandungen für eine der Speicherzellen (4) ausbildet. Darüber hinaus stellt die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Energiespeicher (2) bereit.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit einer Vielzahl an Speicherzellen sowie ein Fahrzeug mit solch einem Energiespeicher.
  • Aus dem Stand der Technik sind elektrische Energiespeicher für Kraftfahrzeuge bekannt, oft auch als Traktionsbatterien bezeichnet, welche elektrische Energie speichern und zum Antrieb des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Solche Energiespeicher weisen eine Vielzahl an Speicherzellen auf, die miteinander elektrisch seriell und/oder parallel verbunden sind. Die einzelnen Speicherzellen sind in der Regel zylinderförmig, sog. Rundzellen, oder quaderförmig und werden aneinander gestapelt, um einen Energiespeicher auszubilden.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen kostengünstigen und platzsparenden elektrischen Energiespeicher bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Energiespeicher gemäß Anspruch 1 sowie ein Fahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein elektrischer Energiespeicher bereitgestellt, mit einer Vielzahl an Speicherzellen, die elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbunden sind, und einem Wabengebilde mit einer Vielzahl an Wabenzellen, wobei jede Wabenzelle Wandungen zumindest einer der Speicherzellen ausbildet. Durch das Wabengebilde kann ein zusammenhängendes, kostengünstig herzustellendes Bauteil bereitgestellt werden, welches für mehrere Speicherzellen als Zellgehäuse fungiert. Ferner verleiht es dem Energiespeicher eine hohe Stabilität und ist bauraumoptimiert.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei den Speicherzellen um Speicherzellen auf elektrochemischer Basis und in den Wabenzellen sind jeweils Zellwickel der Speicherzellen aufgenommen. Dabei ist der Raum zwischen dem jeweiligen Zellwickel und der Wandung des Wabengebildes frei von einem separaten Zellgehäuse, vielmehr bildet das Wabengebilde die Einhausung der jeweiligen Speicherzellen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Wabengebilde an zumindest einer Endfläche, an der die einzelnen Wabenzellen bezogen auf das Wabengebilde offen sind, fluiddicht verschlossen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Wabengebilde an einer Endfläche mit einer Temperierplatte versehen. Mit dieser Temperierplatte können die Speicherzellen beheizt und gekühlt werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Wabengebilde an einer Endfläche mit einer Zellkontaktierplatte versehen, wobei der fluiddichte Verschluss des Wabengebildes durch die Zellkontaktierplatte verwirklicht wird. Mittels einer solchen lassen sich die Speicherzellen je nach gewünschtem Spannungspotential elektrisch seriell und/oder parallel verschalten.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Wabengebilde Fluidkanäle auf, die innerhalb von Wandungen des Wabengebildes verlaufen. Dies sorgt für eine platzsparende und gleichmäßige Temperierung der Speicherzellen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Wabengebilde aus Aluminium, Kupfer, Edelstahl oder Kunststoff ausgebildet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Wabengebilde durch im Wesentlichen sechseckige Wabenzellen ausgebildet. Dies sorgt für ein bauraumoptimiertes und stabiles Wabengebilde.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Wabenzellen eine im Wesentlichen zylinderförmige Innenkontur. Dadurch ist die Innenkontur optimal an die zylinderförmigen Zellwickel angepasst. Außerdem wird dadurch an Kreuzungsstellen der Wandungen des Wabengebildes eine dickere Wandstärke erreicht, in der sich optional Temperierkanäle integrieren lassen.
  • Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit solch einem Energiespeicher bereit.
  • Im Fahrzeug kann ein einziger solcher Energiespeicher vorgesehen sein oder es können mehrere solcher Energiespeicher vorgesehen sein, die dann elektrisch zu einem Gesamtenergiespeicher verbunden werden. In letzterem Fall könnte der Energiespeicher auch als Energiespeichermodul bezeichnet werden.
  • Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
    • 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
    • 2 zeigt schematisch einen Aufbau des elektrischen Energiespeichers gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug 1 mit einem elektrischen Energiespeicher 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Fahrzeug 1 handelt es sich um ein elektrifiziertes Fahrzeug, welches zumindest temporär rein elektrisch antreibbar ist. Insbesondere handelt es sich um einen Personenkraftwagen. Eine elektrische Energie für den Antrieb des Fahrzeugs 1 wird im Energiespeicher 2 gespeichert, wobei der Energiespeicher 2 wiederaufladbar ist. Der Energiespeicher 2 ist mit Elektromotoren (nicht dargestellt) verbunden, denen er die elektrische Energie zur Verfügung stellt. Bei dem elektrischen Energiespeicher 2 handelt es sich insbesondere um einen Energiespeicher auf elektrochemischer Basis.
  • Genauer weist der Energiespeicher 2 eine Vielzahl an Speicherzellen 4 auf, die elektrisch seriell und/oder parallel verschaltet sind. Das heißt es können alle Speicherzellen 4 seriell miteinander verbunden sein oder alle Speicherzellen 4 parallel miteinander verbunden sein. Vorzugsweise sind die Speicherzellen 4 jedoch in mehrere Gruppen unterteilt, innerhalb der die Speicherzellen 4 elektrisch seriell (oder parallel) verbunden sind, wobei die Gruppen untereinander wiederum elektrisch parallel (oder seriell) verbunden sind.
  • 2 zeigt schematisch einen Aufbau des elektrischen Energiespeichers 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieser weist ein Wabengebilde 3 auf, das aus einer Vielzahl von Wabenzellen 5 gebildet wird. Die Wabenzellen 5 sind direkt aneinander angeordnet und in einer Ebene - in 2 einer x-y-Ebene - aneinander gestapelt. Die Wabenzellen 5 werden durch Wandungen gebildet, die sich in einer z-Richtung erstrecken, die normal zur x-y-Ebene ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wabenzellen 5 sechseckig, d.h. die Wandungen der Wabenzellen 5 bilden ein Sechseck aus. Jede Wabenzelle 5 (außer an Rädern des Wabengebildes angeordnete Wabenzellen) wird von sechs anderen Wabenzellen 5 berührend umgeben, so dass sich benachbarte Wabenzellen 5 jeweils eine zwischen ihnen liegende Wandung teilen. Das Wabengebilde 3 ist einstückig ausgebildet, insbesondere monolithisch. Beispielsweise ist das Wabengebilde 3 aus Aluminium, Kupfer, Edelstahl oder Kunststoff hergestellt.
  • Jede der Wabenzellen 5 bildet in ihrem Inneren einen Hohlraum aus, welcher, entlang der z-Richtung gesehen, zumindest an einem Längsende (bezogen auf das Wabengebilde) offen ist, so dass in jeden der Hohlräume ein Zellwickel 6 einfügbar ist. Die Hohlräume können auch an beiden Längsenden (in z-Richtung gesehen), bezogen auf das Wabengebilde 3, offen sein. Die Zellwickel 6 weisen eine Anode sowie eine Kathode aus, die blatt- oder plattenförmig und aneinander gelegt sind. Diese werden dann um eine Achse gewickelt, welche in z-Richtung verläuft. Die Anode und Kathode sind innerhalb des Zellwickels 6 elektrisch voneinander isoliert. Darüber hinaus werden die Hohlräume mit den darin eingefügten Zellwickeln mit einem Elektrolyt gefüllt.
  • Auf diese Weise bildet jede Wabenzelle 5 zusammen mit dem darin eingefügten Zellwickel 6 sowie dem Elektrolyt im Wesentlichen eine Speicherzelle 4 aus. Die einzelnen Speicherzellen 4 sind dabei frei von einem eigenen, ausschließlich dieser Speicherzelle 4 zugeordnetem Gehäuse, sondern die Wandungen der Wabenzellen 5 bilden jeweils die Gehäuse der Speicherzellen 4, dabei teilen sich benachbarte Speicherzellen die zwischen ihnen befindliche Wandung der Wabenzelle 5. Anders ausgedrückt befindet sich zwischen dem Zellwickel 5 und den Wandungen des Wabengebildes 3 ausschließlich Elektrolyt.
  • Auf diese Weise kann ein äußerst platzsparender Energiespeicher, mit hoher Stabilität und verringerten Fertigungskosten bereitgestellt werden.
  • Die einzelnen Hohlräume der Wabenzellen 5 sind an ihrer offenen Seite fluiddicht zu verschließen, wozu eine (nicht dargestellte) mehrere oder alle Wabenzellen 5 überspannende durchgehende Abdeckung verwendet wird. Diese Abdeckung kann beispielsweise eine Platte oder Lage sein, die an die Wandungen des Wabengebildes 3 geklebt wird oder es kann sich um eine aufgebrachte Beschichtung oder Klebebeschichtung handeln.
  • So kann die Abdeckung beispielsweise eine Zellkontaktierplatte (nicht dargestellt) sein, welche zum einen als Abdeckung dient und zum anderen die Speicherzellen 4 untereinander elektrisch seriell und/oder parallel verbindet. Ferner ist an der Zellkontaktierplatte ein Plus- und Minuspol vorgesehen, mit dem die Gesamtspannung des Energiespeichers 2 abgreifbar ist.
  • Ferner kann gegenüberliegend zur Zellkontaktierplatte eine Temperierplatte vorgesehen sein, durch deren Inneres ein Temperierfluid, insbesondere ein Kühlmittel, wie beispielsweise ein mit Additiven versetztes Wasser, führbar ist, um die Speicherzellen 4 zu heizen und/oder zu kühlen. Falls die Hohlräume des Wabengebildes auf der Seite gegenüberliegend zur Zellkontaktierplatte geschlossen sind, dann fungiert die Temperierplatte nur als solche. Sollten diese Hohlräume auch auf der Seite der Temperierplatte offen sein, dann fugiert die Temperierplatte zusätzlich als Abdeckung zum fluiddichten Verschließen der Hohlräume.
  • Es ist jedoch nicht notwendigerweise eine Zellkontaktierplatte vorhanden, sondern die Zellwickel 6 können auch mittels Verbindungsdrähten 7 elektrisch verbunden werden, die sich zwischen benachbarten Zellwickeln 6 erstrecken. Diese Verbindungsdrähte 7 können so ausgelegt werden, dass sie auch als Sicherungen fungieren, indem sie bei Erreichen zu großer Ströme in einem Störungsfall durchbrennen und somit eine elektrische Verbindung unterbrechen.
  • Auch eine Temperierplatte ist nicht notwendigerweise vorhanden. Zusätzlich oder alternativ können Temperierkanäle innerhalb der Wandungen des Wabengebildes 3 ausgebildet sein, durch die das Temperierfluid führbar ist. Beispielsweise könnten die Temperierkanäle in z-Richtung an Kreuzungsstellen 8 verlaufen, an denen sich mehrere Wandungen kreuzen, weil dort das Material des Wabengebildes 3 dicker ausgeführt werden kann.
  • Falls keine Zellkontaktierplatte und/oder Temperierplatte vorgesehen sind, sind die offenen Seiten der Hohlräume in jedem Fall mittels einer Abdeckung wie oben beschrieben abzudichten.
  • Um den Bauraum noch besser auszunutzen, könnten die Wabenzellen 5 so geformt sein, dass ausgehend von ihrer sechseckigen Form die Hohlräume eine zylinderförmige Innenkontur aufweisen. Dadurch weist das Wabengebilde 3 an den Kreuzungsstellen 8 eine größere Wanddicke auf, wodurch mehr Platz zum Einbringen von Temperierkanälen zur Verfügung stehen würde. Außerdem hätte dies den Vorteil, dass die zylinderförmige Innenkontur optimal auf die Form der zylinderförmigen Zellwickel 6 angepasst ist.
  • Darüber hinaus kann der Energiespeicher 2 mit einer Spannungsmesseinrichtung versehen sein, die beispielsweise in die Zellkontaktierplatte integriert sein kann.
  • Ferner können Sicherheitsmaßnahmen in den Energiespeicher integriert sein. Beispielsweise können einige oder alle der Speicherzellen 4 mit einer Berstmembrane versehen sein oder es kann eine zentrale Berstmembrane für mehrere/alle Speicherzellen 4 vorgesehen sein.
  • Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf das offenbarte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.

Claims (10)

  1. Elektrischer Energiespeicher (2), mit einer Vielzahl an Speicherzellen (4), die elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbunden sind, und einem Wabengebilde (3) mit einer Vielzahl an Wabenzellen (5), wobei jede Wabenzelle (5) Wandungen zumindest einer der Speicherzellen (4) ausbildet.
  2. Elektrischer Energiespeicher (2), gemäß Anspruch 1, wobei es sich bei den Speicherzellen (4) um Speicherzellen auf elektrochemischer Basis handelt und in den Wabenzellen (5) jeweils Zellwickel (6) der Speicherzellen (4) aufgenommen sind.
  3. Elektrischer Energiespeicher (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wabengebilde (3) an zumindest einer Endfläche, an der die einzelnen Wabenzellen (5) bezogen auf das Wabengebilde (3) offen sind, fluiddicht verschlossen ist.
  4. Elektrischer Energiespeicher (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wabengebilde (3) an einer Endfläche mit einer Temperierplatte versehen ist.
  5. Elektrischer Energiespeicher (2) gemäß Anspruch 3, wobei das Wabengebilde (3) an einer Endfläche mit einer Zellkontaktierplatte versehen ist, wobei der fluiddichte Verschluss des Wabengebildes durch die Zellkontaktierplatte verwirklicht wird.
  6. Elektrischer Energiespeicher (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wabengebilde (3) Fluidkanäle aufweist, die innerhalb von Wandungen des Wabengebildes (3) verlaufen.
  7. Elektrischer Energiespeicher (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wabengebilde (3) aus Aluminium, Kupfer, Edelstahl oder Kunststoff ausgebildet ist.
  8. Elektrischer Energiespeicher (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wabengebilde (3) durch im Wesentlichen sechseckige Wabenzellen (5) ausgebildet wird.
  9. Elektrischer Energiespeicher (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wabenzellen (5) eine im Wesentlichen zylinderförmige Innenkontur haben.
  10. Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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