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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein Fahrzeug mit zumindest einer Einzelzelle mit einem quaderförmigen Gehäuse, welches zwei rechteckig ausgebildete und miteinander verbundene Gehäuseseiten aufweist und flächig ausgeführte Stromableiter voneinander elektrisch isoliert aus dem Gehäuse herausgeführt sind.
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Aus der
DE 10 2013 213 550 A1 sind eine Batteriezelle mit einem prismatischen oder zylindrischen Gehäuse, ein Batteriemodul sowie ein Kraftfahrzeug bekannt. Bei dem Gehäuse liegt eine Seite von zwei gegenüberliegenden Seiten ganz oder teilweise auf Kathodenpotenzial und die zweite Seite der gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses liegt ganz oder teilweise auf Anodenpotenzial. Zudem besitzt eine der zwei Seiten einen aus der Fläche ganz oder teilweise herausragenden umlaufenden Rand, während die gegenüberliegende Seite einen gegenüber der Fläche ganz oder teilweise eingezogenen umlaufenden Rand aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Energiespeicher für ein Fahrzeug mit zumindest einer Einzelzelle anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Energiespeicher gelöst, welcher die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein elektrischer Energiespeicher für ein Fahrzeug umfasst zumindest eine Einzelzelle mit einem quaderförmigen Gehäuse, welches zwei rechteckig ausgebildete und miteinander verbundene Gehäusewände aufweist und flächig ausgeführte Stromableiter voneinander elektrisch isoliert aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Erfindungsgemäß sind die Stromableiter an einer Längsseite des Gehäuses aus diesem herausgeführt.
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Da die Stromableiter an einer Längsseite des Gehäuses aus diesem herausgeführt sind, können diese mit einer Temperiereinheit des elektrischen Energiespeichers verbunden werden, um Verlustwärme im Betrieb des elektrischen Energiespeichers abzuführen oder um die zumindest eine Einzelzelle auf eine optimale Betriebstemperatur zu erwärmen. Insbesondere sind die Stromableiter hierzu rechtwinklig abgewinkelt, um diese flächig an die Temperiereinheit anzubinden. Aus der Abwinklung der Stromableiter ergeben sich kaum bis gar keine Bauraumverluste, wobei eine temperiertechnische Anbindung an die Temperiereinheit optimiert ist, ohne eine Bauraumhöhe wesentlich zu verändern.
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Durch die Nutzung der Stromableiter, beispielsweise über eine Längsausdehnung der Einzelzelle kann ein chemisch aktives Zellmaterial mit direktem Temperierzugang, beispielsweise Kühlzugang, optimiert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle für einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeuges,
- 2 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Einzelzelle,
- 3 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform einer Einzelzelle,
- 4 schematisch eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform einer Einzelzelle und
- 5 schematisch eine Übersicht einer Einzelzelle gemäß dem Stand der Technik im Vergleich zu der dritten und der vierten Ausführungsform einer Einzelzelle.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Einzelzelle 1 für einen elektrischen Energiespeicher für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen angetriebenes Fahrzeug, wobei der elektrische Energiespeicher im Unterbodenbereich des jeweiligen Fahrzeuges angeordnet ist.
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Bei der Einzelzelle 1 handelt es sich insbesondere um eine Lithium-Ionen-Zelle, bei welcher Anodenfolien A mit einem aus Kupfer ausgebildeten Stromableiter 1.1, welcher auch als Stromkollektor bezeichnet werden kann, verbunden ist, insbesondere verschweißt ist. Dabei bildet der aus Kupfer ausgebildete Stromableiter 1.1 einen Minuspol der Einzelzelle 1.
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Kathodenfolien K der Einzelzelle 1 sind mit einem aus Aluminium ausgebildeten Stromableiter 1.2 verbunden, insbesondere verschweißt, wobei der Stromableiter 1.2 einen Pluspol der Einzelzelle 1 bildet.
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Da die Stromableiter 1.1, 1.2 jeweils aus einem Metall gebildet sind, stellen diese vergleichsweise gute Wärmeleiter dar.
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Bei Einzelzellen 1, die ein, wie in den 3 und 5 gezeigt ist, quaderförmiges Gehäuse 2, umfassen und eine verhältnismäßig große Längsausdehnung aufweisen, besteht das Problem, dass eine im Betrieb der Einzelzelle 1 beim Laden und Entladen entstehende Verlustwärme relativ schlecht abgeleitet werden kann.
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Einzelzellen 1 mit verhältnismäßig großer Längsausdehnung bieten sich für Fahrzeuganwendungen an, da sie im Unterbodenbereich von Fahrzeugen platzoptimiert angeordnet werden können.
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Um eine erforderliche Bauraumhöhe der Einzelzellen 1 zu optimieren, sind die Stromableiter 1.1, 1.2 der Einzelzellen 1 mit quaderförmigen Gehäuse 2 stirnseitig angeordnet. Insbesondere weist eine derart ausgebildete Einzelzelle eine Höhe von weniger als 10 cm +/- 1 cm und eine Längsausdehnung von mindestens 20 cm auf.
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Bei einem Zellstapel mit derartig ausgebildeten Einzelzellen 1 stellt eine mittige Wärmeanfuhr ein Problem dar, so dass insbesondere bei Anforderungen, wie beispielsweise einem Schnellladen, thermische Überlastungen, sogenannte Hot Spots, auftreten können.
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Werden die Stromableiter 1.1, 1.2 an einer Längsseite der Einzelzelle 1 aus dem Gehäuse 2 geführt, kann eine flächige Anbindung der Stromableiter 1.1, 1.2 und somit eines mittels der Anodenfolien und Kathodenfolien gebildetes Zellinneres, an eine Temperiereinheit flächig angebunden werden.
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Die 1 bis 4 zeigen jeweils eine Ausführungsform der Einzelzelle 1 zur flächigen Anbindung an eine Temperiereinheit zur Kühlung und zur Erwärmung der Einzelzelle 1.
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Die in 1 gezeigte Ausführungsform der Einzelzelle 1 zeigt eine Anordnung der Anodenfolien A und Kathodenfolien K als Wickel 3, wobei jeweils zwischen Anodenfolien A und Kathodenfolien K eine nicht näher gezeigte Separatorfolie angeordnet ist, die zur elektrischen Isolation der Folien unterschiedlicher Polarität vorgesehen ist.
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An einer Oberseite des jeweiligen Wickels 3 ragen die Kathodenfolien K aus dem Wickel 3 heraus, wohingegen an einer Unterseite des Wickels 3 die Anodenfolien A aus dem Wickel 3 herausragen.
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Die Kathodenfolien K sind mit einem Deckel 2.1 des Gehäuses 2 elektrisch verbunden, insbesondere verschweißt, so dass der Deckel 2.1 als Stromableiter 1.2 und insbesondere als Pluspol ausgebildet ist. Insbesondere sind die Kathodenfolien K flächig mit dem Deckel 2.1 als Stromableiter 1.2 verbunden.
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Die Anodenfolien A sind mit einem Bodenelement 2.2 des Gehäuses 2 elektrisch verbunden, insbesondere verschweißt, so dass das Bodenelement 2.2 als Stromableiter 1.1 und insbesondere als Minuspol der Einzelzelle 1 ausgebildet ist. Dabei sind die Anodenfolien A ebenfalls flächig mit dem Bodenelement 2.2 als Stromableiter 1.1 verbunden.
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Das Gehäuse 2 mit seinen rechteckig ausgeführten Gehäusewänden 2.3 kann als festes Gehäuse 2 ausgebildet sein, wobei es sich bei der Einzelzelle 1 um eine prismatische Einzelzelle 1 oder eine sogenannte Hardcasezelle handelt.
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Insbesondere sind der Deckel 2.1 und das Bodenelement 2.2 mit den Gehäusewänden 2.3 verklebt und/oder anderweitig gefügt, so dass das Gehäuse 2 abgedichtet ist.
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Bei Einzelzellen 1 der ersten Ausführungsform, die beispielsweise eine Höhe von 10 cm und eine Längsausdehnung von 20 cm aufweisen, kann somit ein optimierter Stromfluss durch die Einzelzelle 1, insbesondere ohne Leitungsverluste, bei gleichzeitig optimierter thermischer Anbindung an die Temperiereinheit weitestgehend sichergestellt werden.
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Durch eine solche Anordnung können elektrische Leitungs- und Leistungsverluste, insbesondere durch einen geringeren elektrischen Widerstand aufgrund einer Parallelschaltung, als auch wärmetechnische Leitungs- und Leistungsverluste minimiert werden.
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Im Vergleich zu zylindrisch ausgebildeten Einzelzellen 1 kann ein zur Verfügung stehender Bauraum mit quaderförmig ausgebildeten Einzelzellen 1 optimiert ausgenutzt werden, wodurch ein Kostenvorteil erzielt werden kann.
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Denkbar ist auch, dass ein Anodenableiter beim Wickeln der Anodenfolien A und Kathodenfolien K direkt bei einer innersten Wickellage z. B. eine Kupferfolie zur entsprechenden Temperierung in den Wickel 3 eingelegt wird und zur Temperierung aus dem Gehäuse 2 herausgeführt und flächig mit der Temperiereinheit verbunden wird. Das gleiche wird für einen Kathodenableiter durchgeführt.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Anodenfolien A und die Kathodenfolien K jeweils mittels Ultraschallschweißung miteinander verbunden werden und beispielsweise über eine sogenannte Siegelnaht an einer Längsseite aus dem Gehäuse 2 herausgeführt werden. Anschließend werden die miteinander verbundenen Anodenfolien A und/oder Kathodenfolien K mittels einer elektrisch isolierenden und klebenden Folie thermisch mit der Temperiereinheit verbunden.
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In einer in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform der Einzelzelle 1 umfasst diese vier Wickel 3, die mit ihrer Wicklung parallel zur Längsachse der Einzelzelle 1 angeordnet sind, so dass jeweils Plus- und Minuspole der Wickel 3 mittels Zellverbindern 4 miteinander verbunden sind, die in oder an einem Deckel 2.1 des Gehäuses 2 angeordnet sind.
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Die Zellverbinder 4 sind elektrisch voneinander isoliert und sind derart ausgebildet, dass diese einen vergleichsweise großen flächigen Anteil in Bezug auf den Deckel 2.1 abdecken und sind an mehreren Stellen mit dem jeweiligen Wickel 3 der Anodenfolien A und Kathodenfolien K verbunden. Insbesondere der Deckel 2.1, also die obere Längsseite, dient dann als Stromableiter 1.1, 1.2 und zur thermischen Anbindung der Einzelzelle 1 an eine Temperiereinheit.
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Insbesondere sind die zwischen Deckel 2.1 und dem jeweiligen Wickel 3 bzw. zwischen Bodenelement 2.2 und dem jeweiligen Wickel 3 angeordneten Zellverbinder 4 zum flächigen Wärmetransport aus der Einzelzelle 1 und in die Einzelzelle 1 ausgebildet.
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Eine Länge des jeweiligen Wickels 3 ist dabei derart vorgegeben, dass diese in Bezug auf Abmessungen nicht mehr beträgt als ein Doppeltes einer Höhe des elektrischen Energiespeichers, um den Wärmetransport des elektrischen Energiespeichers im Unterbodenbereich des entsprechenden Fahrzeuges zu verbessern und elektrische Verluste zu verringern.
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Somit erfolgt ein Temperaturmanagement der Einzelzelle 1 und somit des elektrischen Energiespeichers überwiegend über die Stromableiter 1.1, 1.2 und die Zellverbinder 4, wodurch Kosten und eine Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers sowohl beim Erwärmen bei einem Schnellladevorgang als auch beim Kühlen bei relativ hohen Umgebungstemperaturen optimiert werden können.
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Durch die flächige Ausführung der Stromableiter 1.1, 1.2 und der Zellverbinder 4 über eine der Längsseiten der Einzelzelle 1 können sowohl für die Kühlung, für die Erwärmung als auch für eine Leistungsabgabe der Einzelzelle 1 verbesserte Eigenschaften auf gleichem Bauraum im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Lösung erzielt werden.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Einzelzelle 1, wobei die Anodenfolien A und die Kathodenfolien K gestapelt sind und ein sogenannter Solid-State-Elektrolyt, z. B. auf Oxid- oder Sulfid-Basis zum Einsatz kommen kann.
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Die Kathodenfolien K und die Anodenfolien A sind jeweils mit einem Stromableiter 1.1, 1.2 verschweißt und die Stromableiter 1.1, 1.2 werden flächig über eine Längsseite der Einzelzelle 1 aus dem Gehäuse 2 herausgeführt, wobei sich Plus- und Minuspole in ihrer Anordnung mehrfach abwechseln können, um Widerstandswege im elektrochemisch aktiven Zellmaterial, also im jeweiligen Wickel 3, zu verringern.
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Eine vierte Ausführungsform einer Einzelzelle 1 für einen elektrischen Energiespeicher zur Anordnung in einem Unterbodenbereich eines Fahrzeuges ist in 4 gezeigt.
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In der vierten Ausführungsform sind die Anodenfolien A und Kathodenfolien K gestapelt und mechanisch mit einem jeweiligen Stromableiter 1.1, 1.2 verbunden, wobei die Anodenfolien A und die Kathodenfolien K auch gewickelt sein können.
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In 5 ist eine Übersicht einer Einzelzelle 1 gemäß dem Stand der Technik im Vergleich zu der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform und zu der in 4 gezeigten vierten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 dargestellt.
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Dabei zeigt die Übersicht den Vergleich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen, deren jeweiligen elektrischen Widerstand R und einen Verlauf einer Zellinnentemperatur T in Längsausdehnung der jeweiligen Einzelzelle 1.
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Bei den Einzelzellen 1 zumindest in der dritten und der vierten Ausführungsform ist eine Verlustleistung im Vergleich zu der Einzelzelle 1 aus dem Stand der Technik geringer, wobei die Einzelzellen 1 zumindest in der dritten und der vierten Ausführungsform zudem eine geringere Eigenerwärmung aufweisen. Eine Ausbreitung der Eigenwärme in den Einzelzellen 1 zumindest der dritten und der vierten Ausführungsform wird verbessert, wobei zudem eine Wärmeabführung optimiert ist. Dadurch wird eine Effizienz der Einzelzellen 1 zumindest der dritten und vierten Ausführungsform erhöht und ein Alterungsprozess verlangsamt, da ein auf die Zellchemie wirkender thermischer Stress verringert ist.
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Durch die flächige Anbindung z. B. des oder der Stromableiter 1.1 der Anodenfolien A an eine Unterbodenkühlung kann ein Risiko eines Auftretens thermischer Überlastungen beim Laden und Entladen der Einzelzelle 1 erheblich verringert werden, so dass ein Schnellladevorgang unter Vermeidung von Zellschädigungen möglich ist.
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Alternativ oder zusätzlich zur Herausführung der Stromableiter 1.1, 1.2 an der Längsseite des Gehäuses 2 der Einzelzelle 1 kann auch zumindest eine Wärmeleitfolie zur thermischen Anbindung der Einzelzelle 1 an eine Temperiereinheit aus dem Gehäuse 2 herausgeführt werden. Die aus dem Gehäuse 2 herausgeführte flächigen Stromableiter 1.1, 1.2 können elektrisch isoliert werden, bevor diese an die Temperiereinheit angebunden werden.
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Die Wärmeleitfolie und/oder die Stromableiter 1.1, 1.2 können bzw. kann zur Anbindung an die Temperiereinheit auch mittels einer Klebefolie versehen werden, wodurch ein Verbrauch von Wärmeleitpaste beschränkt werden kann und sich Toleranzen bezüglich der thermischen Anbindung weniger kritisch auf den elektrischen Energiespeicher auswirken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 1.1, 1.2
- Stromableiter
- 2
- Gehäuse
- 2.1
- Deckel
- 2.2
- Bodenelement
- 2.3
- Gehäusewand
- 3
- Wickel
- 4
- Zellverbinder
- A
- Anodenfolien
- K
- Kathodenfolien
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013213550 A1 [0002]
