DE102021100843A1

DE102021100843A1 - Elektrischer Energiespeicher

Info

Publication number: DE102021100843A1
Application number: DE102021100843.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Raubitschek
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2022-07-21

Abstract

Ein elektrischer Energiespeicher (10) umfasst eine oder mehrere in einem Zellstrang (12) angeordnete Speicherzelle (14) bzw. Speicherzellen (14) und wenigstens eine Kühlvorrichtung (36) für diese, wobei der Zellstrang (12) zwei entgegengesetzt gerichtete, längliche Seitenflächen (16), eine Ober- (18) und eine dazu entgegengesetzte Unterseite (20) sowie zwei entgegengesetzte Stirnseiten (22, 24) hat. An zumindest einer der Ober- (18) und Unterseite (20) sind elektrische Kontakte der Speicherzelle (14) bzw. Speicherzellen (14) vorhanden. Die wenigstens eine Kühlvorrichtung (36) weist ein Gehäuse (38) und mehrere innerhalb des Gehäuses (38) verlaufende Kühlmittelkanäle (40, 42) auf und liegt an einer der Seitenflächen (16) des Zellstrangs (12) an. Die Kühlmittelkanäle (40, 42) verlaufen jeweils längs der zugeordneten Seitenfläche (16) des Zellstrangs (12) von einem Kühlmitteleinlass (30) zu einem Kühlmittelauslass (32) der Kühlvorrichtung (36) verlaufen. Die Kühlmittelkanäle (40, 42) verlaufen jeweils in Form eines singulären U vom zugeordneten Kühlmitteleinlass (30) zum zugeordneten Kühlmittelauslass (32), wobei sich die Schenkel (44, 46, 50, 52) des „U“ längs der Seitenfläche (16) erstrecken.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen elektrischen Energiespeicher für den Einsatz in Fahrzeugen.
Ein elektrischer Energiespeicher ist ein Energiespeicher auf elektrochemischer Basis, der wiederaufladbar und angepasst ist, elektrische Energie zu speichern und Verbrauchern bereitzustellen, insbesondere Verbrauchern in einem Fahrzeug.
Während des Betriebs eines elektrischen Energiespeichers kann es aufgrund des auftretenden Stromflusses zu einer Wärmeentwicklung kommen. Insbesondere bei elektrischen Energiespeichern mit hoher Energiedichte und hohen Leistungsanforderungen, wie sie beispielsweise in Hochvoltspeichern für Fahrzeuge eingesetzt werden, ist daher eine möglichst effektive Kühlung der elektrischen Energiespeicher notwendig, um ein übermäßiges Erwärmen zu verhindern. Besonders effektive Kühlvorrichtungen benötigen jedoch meist viel Bauraum, wodurch die erzielbare Energiedichte bei einem vorgegebenen Maximalvolumen reduziert ist, und/oder sind aufwendig in der Herstellung und im Betrieb.
Elektrische Energiespeicher können eine Vielzahl von Speicherzellen umfassen, die beispielsweise in Serie und/oder parallel geschaltet sein können. In derartigen elektrischen Energiespeichern ist es wünschenswert, eine möglichst gleichmäßige Kühlung aller Speicherzellen zur Verfügung zu stellen, insbesondere da die maximale Leistung des elektrischen Energiespeichers durch die am stärksten erwärmte und/oder die kälteste Speicherzelle limitiert sein kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Energiespeicher anzugeben, der kompakt ist, eine hohe Energiedichte aufweist und eine effektive Kühlung des elektrischen Energiespeichers sicherstellt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elektrischen Energiespeicher, umfassend eine oder mehrere in einem Zellstrang angeordnete Speicherzelle bzw. Speicherzellen und wenigstens eine Kühlvorrichtung für diese. Der Zellstrang hat zwei entgegengesetzt gerichtete, längliche Seitenflächen, eine Ober- und eine dazu entgegengesetzte Unterseite sowie zwei entgegengesetzte Stirnseiten, wobei an zumindest einer der Ober- und Unterseite elektrische Kontakte der Speicherzelle bzw. Speicherzellen vorhanden sind. Die wenigstens eine Kühlvorrichtung weist ein Gehäuse und mehrere innerhalb des Gehäuses verlaufende Kühlmittelkanäle auf und liegt an einer der Seitenflächen des Zellstrangs an. Die Kühlmittelkanäle verlaufen jeweils längs der zugeordneten Seitenfläche des Zellstrangs von einem Kühlmitteleinlass zu einem Kühlmittelauslass der Kühlvorrichtung. Die Kühlmittelkanäle verlaufen jeweils in Form eines singulären U vom zugeordneten Kühlmitteleinlass zum zugeordneten Kühlmittelauslass, wobei sich die Schenkel des „U“ längs der Seitenfläche erstrecken.
Mit dem Begriff „länglich“ ist gemeint, dass der Zellstrang länger als hoch und breit ist. Mit anderen Worten ist der Zellstrang entlang einer Längsrichtung länger als die einzelne Speicherzelle hoch und breit ist.
Der Begriff „Speicherzelle“ bezeichnet eine elektrochemische Speicherzelle, die wiederaufladbar und angepasst ist, elektrische Energie zu speichern und Verbrauchern bereitzustellen, insbesondere Verbrauchern in einem Fahrzeug.
Die Speicherzellen können prismatische, zylindrische oder sogenannte „Pouch“-Zellen sein.
Die Speicherzellen sind insbesondere Lithiumionen-Zellen.
Erfindungsgemäß verlaufen die Kühlmittelkanäle jeweils in Form eines singulären U, sodass sich der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass am gleichen Ende des Zellstrangs befinden, wodurch sich eine besonders kompakte Bauweise des elektrischen Energiespeichers ergibt.
Der Bogen des singulären U, im Folgenden auch Umlenkbereich genannt, befindet sich am zum Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass entgegengesetzten Ende des Zellstrangs, sodass das Kühlmittel innerhalb der Kühlmittelkanäle über im Wesentlichen die gesamte Länge der Seitenfläche des Zellstrangs an diesem anliegt und so eine effektive Kühlung der Speicherzellen gewährleistet werden kann.
Der Begriff „singuläres U“ bedeutet, dass nicht mehrere „U“s nacheinander vorhanden sind, um sich zu einem Mäander zu ergänzen, sondern nur ein einziges U die Form von jedem der Kühlmittelkanäle bestimmt.
Durch die Kühlung der Zellstränge über die Seitenflächen ist zudem keine Kühlung über eine Boden- oder Deckplatte notwendig. Dies ermöglicht eine flexiblere Ausgestaltung der elektrischen Kontaktierung der Speicherzelle bzw. Speicherzellen des Zellstrangs. Insbesondere können bei Bedarf die elektrischen Kontakte sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite verschweißt werden, beispielsweise um den elektrischen Energiespeicher besonders stabil gegen mechanische Belastungen auszulegen.
Durch die Verwendung von mehreren Kühlmittelkanälen, die vom zugeordneten Kühlmitteleinlass zum zugeordneten Kühlmittelauslass verlaufen, wird eine gleichmäßigere Kühlung der Speicherzelle bzw. Speicherzellen ermöglicht. Somit werden Temperaturgradienten innerhalb der Speicherzelle bzw. der Speicherzellen sowie bei Vorliegen mehrerer Speicherzellen Temperaturgradienten zwischen den einzelnen Speicherzellen reduziert und auf diese Weise eine zuverlässigere und gleichmäßigere Kühlung erreicht.
Mit anderen Worten sind erfindungsgemäß mehrere jeweils in Form eines singulären U ausgestaltete Kühlmittelkanäle vorgesehen, sodass die Temperaturdifferenzen innerhalb jeder Speicherzelle reduziert werden können.
Insbesondere sind die Speicherzellen an einem oberen Ende und einem zum oberen Ende entgegengesetzten unteren Ende, die der Oberseite beziehungsweise der Unterseite des Zellstrangs zugeordnet sind, durch den Einsatz mehrerer Kühlmittelkanäle in Form eines singulären U im Wesentlichen gleich temperiert.
Dies ermöglicht es ebenfalls, dass bei Vorliegen mehrerer Speicherzellen diese im Wesentlichen gleichmäßige Alterungserscheinungen über die Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers hinweg zeigen. Auf diese Weise kann die Lebensdauer des gesamten elektrischen Energiespeichers verlängert werden, da bereits eine defekte Speicherzelle den gesamten elektrischen Energiespeicher unbrauchbar machen kann.
Es wurde erkannt, dass typische Alterungserscheinungen, wie beispielsweise ein Verlust an Kapazität oder, im Fall von Lithiumionen-Zellen, sogenanntes „Lithium-Plating“, das heißt das Abscheiden von metallischen Lithium auf einer Anode der Lithiumionen-Zelle, verstärkt bei niedrigeren Temperaturen auftreten und somit durch eine gleichmäßigere Kühlung in ihrem Ausmaß eingeschränkt werden können.
Ferner können lokal begrenzte Hotspots innerhalb einzelner Speicherzellen effektiver unterbunden werden.
Um den elektrischen Energiespeicher noch kompakter auszugestalten, können die Kühlmittelkanäle einen gemeinsamen Kühlmitteleinlass und/oder einen gemeinsamen Kühlmittelauslass aufweisen und/oder die Schenkel der Kühlmittelkanäle parallel verlaufen.
In dieser Variante ist der gemeinsame Kühlmitteleinlass und/oder der gemeinsame Kühlmittelauslass somit den mehreren Kühlmittelkanälen zugeordnet.
Ferner können dem Kühlmitteleinlass und/oder dem Kühlmittelauslass ein Zuflussbereich bzw. ein Abflussbereich zugeordnet sein, der den Kühlmitteleinlass bzw. den Kühlmittelauslass mit den Kühlmittelkanälen strömungstechnisch verbindet.
Innerhalb des Zuflussbereichs bzw. des Abflussbereichs muss die Strömungsrichtung nicht längs der Seitenfläche verlaufen. Mit anderen Worten kann sich die Strömungsrichtung innerhalb des Zuflussbereichs bzw. des Abflussbereichs von der Strömungsrichtung innerhalb der U-förmigen Kühlmittelkanäle unterscheiden.
Ferner sind im Zuflussbereich bzw. Abflussbereich insbesondere keine Speicherzellen angeordnet, sodass etwaige Änderungen der Strömungsrichtung die gleichmäßige Kühlwirkung durch die Kühlvorrichtung im Wesentlichen unverändert bereitgestellt werden kann.
Der Zellstrang umfasst insbesondere mehrere seitlich nebeneinander angeordnete Speicherzellen.
Die Speicherzellen können mittels eines thermisch leitfähigen Füllmaterials miteinander verbunden sein. Das thermisch leitfähige Füllmaterial sorgt zusätzlich für eine Verteilung von auftretender Wärme, sodass diese schneller zu den und über die Seitenflächen des Zellstrangs an die Kühlvorrichtung abgegeben werden kann und auf diese Weise eine besonders effektive Kühlung der Speicherzellen des Zellstrangs ermöglicht werden kann.
Gleichzeitig kann das thermisch leitfähige Füllmaterial als Kleber zwischen den einzelnen Speicherzellen des Zellstrangs dienen, sodass der Zellstrang als Ganzes während der Herstellung des elektrischen Energiespeichers gehandhabt werden kann. Mit anderen Worten ist der Zellstrang als Ganzes formstabil. Dies ermöglicht eine flexiblere Handhabung des Zellstrangs.
Beispielsweise kann der Zellstrang als Ganzes kopfüber gestellt werden, um die elektrischen Kontakte der Speicherzellen nacheinander auf einfache Weise sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite zu verschweißen.
Die Speicherzellen sind insbesondere kreiszylindrische Speicherzellen und das thermisch leitfähige Füllmaterial füllt entstehende Hohlräume zwischen den Speicherzellen vorzugsweise aus.
Insbesondere füllt das thermisch leitfähige Füllmaterial in dieser Variante die Hohlräume zwischen den Speicherzellen an der Seitenfläche des Zellstrangs soweit aus, dass die Kühlvorrichtung zusätzlich zu den Speicherzellen auch mit dem thermisch leitfähigen Füllmaterial in Kontakt steht, insbesondere in Flächenkontakt.
Die Speicherzellen sind insbesondere kreiszylindrische Speicherzellen mit einer Größe mindestens des Typs 18650. Beispielsweise sind die Speicherzellen vom Typ 21700 und weisen entsprechend einen Durchmesser von 21 mm und eine Höhe von 70 mm auf.
Sind die Speicherzellen kreiszylindrisch ausgebildete Speicherzellen, umfasst der Zellstrang insbesondere zwei versetzt zueinander angeordnete Reihen von Speicherzellen, die insbesondere um einen halben Durchmesser der kreiszylindrischen ausgebildeten Speicherzellen versetzt sind.
Eine solche Anordnung ermöglicht eine möglichst dichte Packung der kreiszylindrischen Speicherzellen, sodass sich die volumetrische Energiedichte des elektrischen Energiespeichers weiter erhöhen lässt.
In einer Variante ist für beide Seitenflächen des Zellstrangs eine Kühlvorrichtung vorgesehen, wobei jeder Kühlvorrichtung wie zuvor beschrieben ausgestaltet sein kann. Auf diese Weise ist eine noch gleichmäßigere Kühlung des Zellstrangs möglich. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Zellstrang mehrere Reihen von Speicherzellen umfasst.
Der elektrische Energiespeicher kann mehrere Zellstränge umfassen, wobei zwischen je zwei Zellsträngen eine einzige Kühlvorrichtung angeordnet ist zur Kühlung beider Zellstränge.
Mit anderen Worten sind die Zellstränge senkrecht zur Längsrichtung des einzelnen Zellstrangs nebeneinander angeordnet, jeweils getrennt durch eine einzige Kühlvorrichtung.
An den jeweils äußersten Seitenflächen der nebeneinander angeordneten Zellstränge, also den Seitenflächen, die nicht einem weiteren Zellstrang gegenüberliegen, ist insbesondere eine zusätzliche Kühlvorrichtung angeordnet.
Über die Anzahl der Zellstränge des elektrischen Energiespeichers ist eine flexible Auslegung des elektrischen Energiespeichers an die jeweils angedachte Anwendung möglich, insbesondere hinsichtlich der benötigten Energiedichte als auch dem zur Verfügung stehenden Bauraum.
Bevorzugt ist das Gehäuse der Kühlvorrichtung ein flexibles Gehäuse aus zwei miteinander verschweißten oder verklebten Folien, wobei die Folien insbesondere wenigstens eine zusätzliche Verschweißung und/oder Verklebung in Längsrichtung L der zugeordneten Seitenfläche zur fluidischen Abgrenzung der Schenkel der U-förmigen Kühlmittelkanäle aufweisen.
Das flexible Gehäuse kann sich an die Seitenfläche des Zellstrangs anpassen, um eine möglichst große Kontaktfläche und somit eine möglichst gute Kühlwirkung zu erzielen.
Insbesondere kann sich das flexible Gehäuse ausdehnen, sobald der Kühlmittelkanal von Kühlmittel durchströmt wird, und auf diese Weise einen engen Kontakt zur Seitenfläche des Zellstrangs herstellen.
Um die Kühlwirkung weiter zu verbessern, kann das Gehäuse zu der Speicherzelle bzw. zu den Speicherzellen komplementäre Ausformungen aufweisen, die mit die Seitenfläche definierenden Abschnitten der Speicherzelle bzw. Speicherzellen in Flächenkontakt stehen. Im Fall kreiszylindrischer Speicherzellen sind dies insbesondere Mantelflächenabschnitte. Insbesondere weisen Gehäuseabschnitte, in denen der Kühlmittelkanal verläuft, die komplementären Ausformungen auf.
Handelt es sich um kreiszylindrisch ausgebildete Speicherzellen, verlaufen die Ausformungen des Gehäuses beispielsweise wellenförmig entlang der Längsrichtung des Zellstrangs.
Bevorzugt steht das Gehäuse der Kühlvorrichtung über die gesamte Höhe der Seitenfläche, beispielsweise der Mantelfläche, mit der jeweiligen Speicherzelle in Kontakt.
Für flexible Gehäuse ermöglicht bzw. ermöglichen es die Verschweißung und/oder Verklebung, die Kühlmittelkanäle auf besonders einfache Weise herzustellen.
Die Folien sind insbesondere Metallfolien, Kunststofffolien und/oder mit einem Kunststoff beschichtete Metallfolien.
Die Metallfolien sind insbesondere aus Aluminium. Die Kühlvorrichtung kann in diesem Fall aus Aluminiumfolienbeuteln hergestellt sein, wie sie analog für „Pouch“-Zellen in Anwendungen für elektrische Energiespeicher bekannt und daher kostengünstig verfügbar sind.
In diesem Fall kann die Verschweißung zur fluidischen Abgrenzung der Schenkel des Kühlmittelkanals als zusätzliche Verschweißung eines Aluminiumfolienbeutels ausgeführt sein.
Um eine besonders kompakte Bauweise des elektrischen Energiespeichers zu ermöglichen, kann der zumindest eine Kühlmitteleinlass, bei mehreren alle Kühlmitteleinlässe, und zusätzlich der zumindest eine Kühlmittelauslass, bei mehreren alle Kühlmittelauslässe, im Bereich desselben Endes einer Seitenfläche angeordnet sein.
In dieser Variante kann a) ein gemeinsamer Kühlmitteleinlass oder ein gemeinsamer Kühlmittelauslass entweder seitlich versetzt zueinander enden, sodass der Kühlmitteleinlass oder der Kühlmittelauslass zwischen zwei Schenkeln unterschiedlicher U-förmiger Kühlmittelkanäle und dem gemeinsamen Kühlmitteleinlass bzw. Kühlmittelauslass positioniert ist, oder b) zwischen zwei Kühlmittelauslässen ein gemeinsamer Kühlmitteleinlass liegen oder c) zwischen zwei Kühlmitteleinlässen ein gemeinsamer Kühlmittelauslass liegen.
Auch ist es möglich, dass ein gemeinsamer Kühlmitteleinlass und/oder ein gemeinsamer Kühlmittelauslass vorgesehen sind, wobei entweder der gemeinsame Kühlmitteleinlass oder der gemeinsame Kühlmittelauslass außenseitig im Bereich desselben Endes einer Seitenfläche angeordnet sind und dass sich davon ausgehend ein erster Schenkel eines der U-förmigen Kühlmittelkanäle nahe der Oberseite und ein zweiter Schenkel nahe der Unterseite in Richtung des entgegengesetzten Endes der Seitenfläche erstreckt, wobei ein dritter Schenkel in einem Umlenkbereich mit dem ersten Schenkel und ein vierter Schenkel in einem Umlenkbereich mit dem zweiten Schenkel strömungstechnisch verbunden ist und der dritte und der vierte Schenkel zwischen erstem und zweitem Schenkel verlaufen.
Die Schenkel innerhalb wenigstens eines der U-förmigen Kühlmittelkanäle können entlang der Längsrichtung L der zugeordneten Seitenfläche unterschiedlich lang sein.
Die Schenkel der jeweiligen U-förmigen Kühlmittelkanäle, welche in einer zur Längsrichtung senkrechten Höhenrichtung H der zugeordneten Seitenfläche näher an der Ober- bzw. Unterseite sind, sind insbesondere dem Kühlmitteleinlass zugeordnet.
Die elektrische Kontaktierung der Speicherzelle bzw. Speicherzellen erfolgt üblicherweise über Ableiter an der Ober- und/oder Unterseite des Zellstrangs. Durch den durch die Ableiter fließenden Strom ist daher eine verstärkte Wärmeentwicklung der Speicherzelle bzw. Speicherzellen nahe der Ober- und/oder Unterseite des Zellstrangs zu erwarten. Indem die Schenkel der Kühlmittelkanäle, die näher an der Ober- bzw. Unterseite sind, dem Kühlmitteleinlass zugeordnet werden, kann auf diese Weise eine besonders effektive Kühlung der Speicherzelle bzw. Speicherzellen erfolgen.
Die Schenkel der U-förmigen Kühlmittelkanäle können entlang der Höhenrichtung H im Wesentlich gleich groß sein, um ein möglichst homogenes Strömungsprofil zu ermöglichen.
Bevorzugt umfasst der elektrische Energiespeicher eine Verteilerleiste für ein Kühlmittel, wobei der Kühlmitteleinlass bzw. die Kühlmitteleinlässe und der Kühlmittelauslass bzw. die Kühlmittelauslässe der Kühlvorrichtung bzw. Kühlvorrichtungen mit der Verteilerleiste strömungstechnisch verbunden ist bzw. sind.
Eine solche Ausgestaltung sorgt für eine noch kompaktere Bauweise des elektrischen Energiespeichers, da nur ein einzelner Verteilerleisteneinlass und ein einzelner Verteilerleistenauslass vorgesehen sein kann, um die Kühlvorrichtung bzw. Kühlvorrichtungen mit dem Kühlmittel zu versorgen.
Der Verteilerleisteneinlass und/oder der Verteilerleistenauslass können als Krümmer ausgeführt sein, insbesondere wenn der elektrische Energiespeicher in einem Fahrzeugboden eines wenigstens teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs verbaut werden soll.
Die Verteilerleiste hat insbesondere zwei Kammern, um den Zufluss und den Abfluss von Kühlmittel in die Verteilerleiste strömungstechnisch voneinander zu trennen. Es kann auch wenigstens eine Verbindungsleitung in der Verteilerleiste vorgesehen sein, die den Verteilerleisteneinlass mit dem Kühlmitteleinlass bzw. den Kühlmitteleinlässen und den Kühlmittelauslass bzw. die Kühlmittelauslässe mit dem Verteilerleistenauslass strömungstechnisch verbinden.
Die Kühlvorrichtungen sind fluidisch und nach außen flüssigkeitsdicht mit der Verteilerleiste gekoppelt, beispielsweise mittels eines Pressfit-Anschlusses.
In einer Variante sind auf entgegengesetzten Seiten der Verteilerleiste jeweils wenigstens ein Zellstrang und wenigstens eine Kühlvorrichtung angeordnet, die fluidisch mit der Verteilerleiste gekoppelt sind.
Auf diese Weise kann eine höhere Anzahl an Zellsträngen mittels einer einzelnen Verteilerleiste mit Kühlmittel versorgt werden, wodurch der erfindungsgemäße elektrische Energiespeicher bei gleichbleibendem Bauraum eine weiter erhöhte Energiedichte aufweisen kann.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen sowie den Figuren. In diesen zeigen:

- 1 schematisch einen elektrischen Energiespeicher wie aus dem Stand der Technik bekannt;
- 2 schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers;
- 3 schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers;
- 4 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers;
- 5 eine schematische Schnittansicht einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers, und
- 6 eine schematische Schnittansicht einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers.

In 1 ist schematisch ein nicht-erfindungsgemäßer elektrischer Energiespeicher 10 gezeigt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Der elektrische Energiespeicher 10 umfasst einen Zellstrang 12, der mehrere kreiszylindrische Speicherzellen 14 aufweist. Die kreiszylindrischen Speicherzellen 14 sind der Einfachheit halber teiltransparent dargestellt.
Der Zellstrang 12 weist eine längliche Seitenfläche 16 auf, die sich entlang einer Längsrichtung L des Zellstrangs 12 erstreckt.
Wie in 1 deutlich wird, bezeichnet der Begriff „länglich“, dass der Zellstrang 12 in der Längsrichtung L länger ist als die einzelnen Speicherzellen 14 in einer zur Längsrichtung L senkrechten Höhenrichtung H hoch und entlang einer zur Längsrichtung L und Höhenrichtung H senkrechten Breitenrichtung B breit sind.
Der Zellstrang 12 weist zudem eine Oberseite 18 sowie eine zur Oberseite 18 entgegengesetzte Unterseite 20 auf.
Zudem haben die Zellstränge 12 zwei entgegengesetzte Stirnseiten 22 und 24.
Der nicht erfindungsgemäße elektrische Energiespeicher 10 verfügt ferner über eine Kühlvorrichtung 26 mit einem Kühlmittelkanal 28, in welchem ein Kühlmittel von einem Kühlmitteleinlass 30 zu einem Kühlmittelauslass 32 strömt, wie durch den Pfeil P₁ in 1 angedeutet.
Die Kühlvorrichtung 26 steht in Kontakt mit der Seitenfläche 16, um die Speicherzellen 14 des Zellstrangs 12 zu kühlen.
Dadurch erwärmt sich das durch den Kühlmittelkanal 28 strömende Kühlmittel während es vom Kühlmitteleinlass 30 zum Kühlmittelauslass 32 geführt wird. Dies ist in 1 durch die Schattierung schematisch verdeutlicht, wobei eine dunklere Schattierung ein kühles Kühlmittel und eine hellere Schattierung ein wärmeres Kühlmittel angibt.
Mit anderen Worten wird eine Speicherzelle 14, die näher am Kühlmitteleinlass 30 angeordnet ist, auf eine niedrigere Temperatur gekühlt als eine Speicherzelle 14, die näher am Kühlmittelauslass 32 angeordnet ist.
Dies hat zur Folge, dass die einzelnen Speicherzellen 14 des nicht erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 10 mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und/oder in unterschiedlichem Ausmaß Alterungserscheinungen zeigen, beispielsweise unterschiedlich hohen Kapazitätsverlust, wodurch die Lebensdauer des nicht erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 10 reduziert sein kann.
In 2 ist schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 34 gezeigt. Für Bauteile des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 34, die analog zu Bauteilen des nicht erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 10 sind, werden gleiche Bezugszeichen verwendet und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Die Speicherzellen 14 des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 34 sind Lithiumionen-Zellen. Es handelt sich um kreiszylindrische Speicherzellen vom Typ 21700. Grundsätzlich kann jedoch jede Art von Speicherzellen in den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichern 34 zum Einsatz kommen.
Der elektrische Energiespeicher 34 verfügt über eine Kühlvorrichtung 36, die in der gezeigten Ausführungsform über ein Gehäuse 38 verfügt, das aus zwei im Randbereich miteinander verschweißten Metallfolien aus Aluminium aufgebaut ist, wobei die verschweißten Metallfolien das Innere der Kühlvorrichtung 36 flüssigkeitsdicht nach außen abtrennen.
Grundsätzlich könnten statt Metallfolien aus Aluminium auch Kunststofffolien, mit kunststoffbeschichtete Metallfolien oder Kombinationen davon eingesetzt werden. Auch ist alternativ der Einsatz eines starren Gehäuses 38 möglich.
Innerhalb des Gehäuses 38 verlaufen zwei Kühlmittelkanäle 40 und 42, die jeweils vom Kühlmitteleinlass 30 zum Kühlmittelauslass 32 verlaufen.
Mit anderen Worten verwenden die beiden Kühlmittelkanäle 40 und 42 einen gemeinsamen Kühlmitteleinlass 30 und einen gemeinsam Kühlmittelauslass 32.
Grundsätzlich könnte jedoch auch jeder der Kühlmittelkanäle 40 und 42 über einen Kühlmitteleinlass 30 und einen Kühlmittelauslass 32 verfügen oder lediglich der Kühlmitteleinlass 30 oder lediglich der Kühlmittelauslass 32 gemeinsam genutzt sein.
Jeder der Kühlmittelkanäle 40 und 42 weist die Form eines singulären U auf.
Der Kühlmittelkanal 40 umfasst einen ersten Schenkel 44 und einen zweiten Schenkel 46, die über einen ersten Umlenkbereich 48 strömungstechnisch miteinander verbunden sind, wie durch den Pfeil P₂ in 2 angedeutet.
Der Kühlmittelkanal 42 umfasst einen dritten Schenkel 50 und einen vierten Schenkel 52, die über einen zweiten Umlenkbereich 54 strömungstechnisch miteinander verbunden sind, wie durch den Pfeil P₃ in 2 angedeutet.
Die fluidische Abgrenzung zwischen den Schenkeln 44, 46, 50 und 52 erfolgt mittels Verschweißungen 56 und 58, die sich entlang der Längsrichtung L erstrecken, wobei die Verschweißung 56 zusätzlich einen Teilbereich aufweist, in dem sich die Verschweißung 56 entlang der Höhenrichtung H erstreckt, um den Kühlmitteleinlass 30 vom Kühlmitteleinlass 32 abzugrenzen.
Der Kühlmitteleinlass 30 ist einem Zuflussbereich 60 zugeordnet, von dem aus das Kühlmittel in den ersten Schenkel 44 und in den dritten Schenkel 50 strömt.
Als Kühlmittel wird Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung eingesetzt.
Der Kühlmitteleinlass 30 und der Kühlmittelauslass 32 sind beide nahe der Stirnseite 22 des Zellstrangs 12 angeordnet, das heißt im Bereich desselben Endes der Seitenflächen 16 des Zellstrangs 12.
Grundsätzlich könnten der Kühlmitteleinlass 30 und der Kühlmittelauslass 32 vertauscht sein. In diesem Fall würde statt eine Zuflussbereichs 60 ein Abflussbereich den ersten Schenkel 44 und den dritten Schenkel 50 mit dem Kühlmittelauslass 32 verbinden.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des elektrischen Energiespeichers 34 näher erläutert.
Während des Betriebs des elektrischen Energiespeichers 34 erwärmen sich die Speicherzellen 14 des Zellstrangs 12, sodass diese mittels der Kühlvorrichtung 36 gekühlt werden müssen.
Zu diesem Zweck strömt über den Kühlmitteleinlass 30 Kühlmittel vom Zuflussbereich 60 in den ersten Schenkel 44 des Kühlmittelkanals 40 sowie in den dritten Schenkel 50 des Kühlmittelkanals 42.
Innerhalb der Schenkel 44 und 50 fließt das Kühlmittel entlang der Längsrichtung L bis zu den Umlenkbereichen 48 und 50, wobei die Teile der Speicherzellen 14 gekühlt werden, die näher der Oberseite 18 und näher der Unterseite 20 des Zellstrangs 12 angeordnet sind.
Dadurch erwärmt sich das Kühlmittel in Abhängigkeit vom innerhalb des Kühlmittelkanals 40 bzw. 42 zurückgelegten Wegs.
Mit anderen Worten ist das Kühlmittel am Kühlmitteleinlass 30 mit einer Starttemperatur am kühlsten, erreicht am Ende des ersten Schenkels 44 bzw. am Ende des dritten Schenkels 50 eine Zwischentemperatur, die höher ist als die Starttemperatur, und erwärmt sich beim Durchströmen des zweiten Schenkels 46 bzw. des vierten Schenkels 52 von der Zwischentemperatur bis zu einer Endtemperatur am Kühlmittelauslass 32.
Dies ist in 2 durch Schattierungen analog zu 1 verdeutlicht, wobei eine dunklere Schattierung für eine niedrigere Temperatur des Kühlmittels und eine helle Schattierung für eine höhere Temperatur des Kühlmittels steht.
Über die Umlenkbereiche 48 und 54 strömt das Kühlmittel anschließend in den zweiten Schenkel 46 bzw. den vierten Schenkel 52 und fließt erneut parallel zur Längsrichtung L zum Kühlmittelauslass 32.
Auf diese Weise werden die Teile der Speicherzellen 14, die entlang der Höhenrichtung H weiter entfernt von der Oberseite 18 und weiter entfernt der Unterseite 20 des Zellstrangs 12 liegen, mittels des Kühlmittels gekühlt.
Dies hat zur Folge, dass der Kühleffekt, der auf eine Speicherzelle 14, die nahe der Stirnseite 22 angeordnet ist, dem Kühleffekt, die auf eine Speicherzelle 14, die nahe an der entgegengesetzten Stirnseite 24 angeordnet ist, im Wesentlichen entspricht.
Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Kühlung der Speicherzellen 14 erreicht. Zusätzlich weist auch jede einzelne Speicherzelle 14 in sich eine gleichmäßige, das heißt möglichst homogene, Temperaturverteilung auf. Mit anderen Worten weisen die Teile jeder einzelnen Speicherzelle 14 entlang der Höhenrichtung H eine möglichst gleichmäßige Temperatur auf.
Somit können alle der Speicherzellen 14 in gleichem Maße belastet werden, da die Bildung lokaler Hotspots einzelner Speicherzellen 14 effektiver unterbunden werden kann. Zudem können Alterungserscheinungen über die Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers 34 hinweg im Wesentlichen gleichmäßig in allen Speicherzellen 14 auftreten.
In 3 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 34 dargestellt. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In der zweiten Ausführungsform sind die beiden Kühlmittelkanäle 40 und 42 weiterhin einem gemeinsam Kühlmittelauslass 32 zugeordnet, jedoch verfügt jeder der Kühlmittelkanäle 40 und 42 über einen eigenen Kühlmitteleinlass 30.
Diese Anordnung erlaubt es, den elektrische Energiespeicher 34 entlang der Längsrichtung L bei gleicher Anzahl Speicherzellen 14 noch kompakter auszugestalten.
Auch in dieser Ausführungsform könnten Kühlmitteleinlass 30 und Kühlmittelauslass 32 vertauscht sein, also ein gemeinsamer Kühlmitteleinlass 30 und für jeden der Kühlmittelkanäle 40 und 42 ein eigener Kühlmittelauslass 32 vorgesehen sein.
In 4 ist eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 34 dargestellt. Die dritte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den vorherigen Ausführungsformen, sodass im Folgendem lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In der dritten Ausführungsform ist der Zellstrang 12 aus zwei versetzt zueinander angeordneten Reihen an kreiszylindrischen Speicherzellen 14 aufgebaut, wobei die beiden Reihen um einen halben Durchmesser der kreiszylindrischen Speicherzellen 14 versetzt angeordnet sind.
In 4 ist ferner ersichtlich, dass an jeder der Seitenflächen 16 des Zellstrangs 12 eine Kühlvorrichtung 36 angeordnet ist.
Jeder der Kühlvorrichtungen 36 können entsprechend der Kühlvorrichtung 36 der ersten und zweiten Ausführungsform ausgestaltet sein.
Die Kühlvorrichtung 36 weisen zu den Speicherzellen 14 komplementäre Ausformungen 61 auf, die für eine besonders große Kontaktfläche zwischen den Speicherzellen 14 und der jeweiligen Kühlvorrichtung 36 sorgen.
Grundsätzlich könnten statt eines Zellstrangs 12 mit versetzt angeordneten Reihen von Speicherzellen 14 auch mehrere Zellstränge 12 umfassend jeweils eine Reihe von Speicherzellen 14 vorgesehen sein, wobei die mehreren Zellstränge 12 versetzt zueinander angeordnet sind, analog zur in 4 gezeigten Ausführungsform. In diesem Fall könnte auch eine weitere Kühlvorrichtung 36 zwischen den mehreren Zellsträngen 12 angeordnet sein.
In 5 ist eine schematische Schnittansicht einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 34 dargestellt. Die vierte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den vorherigen Ausführungsformen, sodass im Folgendem lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In der vierten Ausführungsform umfasst der Zellstrang 12 lediglich zwei prismatische Speicherzellen 14.
Grundsätzlich könnten anstatt der prismatischen Speicherzellen 14 auch sogenannte „Pouch“-Speicherzellen eingesetzt sein.
Zudem weisen die Kühlvorrichtungen 36 in dieser Ausführungsform ein starres Gehäuse 38 auf, das Kühlmittelkanäle analog zu den Kühlmittelkanälen 40 und 42 der ersten oder zweiten Ausführungsform umfasst.
In 6 ist eine schematische Schnittansicht einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 34 dargestellt. Die fünfte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten bis vierten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In der fünften Ausführungsform umfasst der elektrische Energiespeicher 34 eine Vielzahl von Zellsträngen 12, die seitlich nebeneinander und auf entgegengesetzten Seiten einer Verteilerleiste 62 angeordnet sind, wobei jeweils eine Kühlvorrichtung 36 zwischen nebeneinander angeordneten Zellsträngen 12 zur Kühlung jeweils zweier Zellstränge 12 vorgesehen ist.
Die Verteilerleiste 62 verfügt über eine erste Kammer 64 zur Zufuhr von Kühlmittel und über eine zweite Kammer 66 zum Abfluss von Kühlmittel.
Die Kühlmitteleinlässe 30 der Kühlvorrichtungen 36 sind mit der ersten Kammer 64 der Verteilerleiste 62 und die Kühlmittelauslässe 32 der Kühlvorrichtungen 36 sind mit der zweiten Kammer 66 der Verteilerleiste 62 strömungstechnisch verbunden.
Auf diese Weise lässt sich ein besonders kompakter elektrischer Energiespeicher 34 mit hoher Kapazität erhalten, der eine effektive und gleichmäßige Kühlung der Speicherzellen 14 der Zellstränge 12 ermöglicht.

Claims

Elektrischer Energiespeicher, umfassend eine oder mehrere in einem Zellstrang (12) angeordnete Speicherzelle (14) bzw. Speicherzellen (14) und wenigstens eine Kühlvorrichtung (36) für diese, wobei der Zellstrang (12) zwei entgegengesetzt gerichtete, längliche Seitenflächen (16), eine Ober- (18) und eine dazu entgegengesetzte Unterseite (20) hat, wobei an zumindest einer der Ober- (18) und Unterseite (20) elektrische Kontakte der Speicherzelle (14) bzw. Speicherzellen (14) vorhanden sind, sowie zwei entgegengesetzte Stirnseiten (22, 24), wobei die wenigstens eine Kühlvorrichtung (36) ein Gehäuse (38) und mehrere innerhalb des Gehäuses (38) verlaufende Kühlmittelkanäle (40, 42) aufweist und an einer der Seitenflächen (16) des Zellstrangs (12) anliegt, wobei die Kühlmittelkanäle (40, 42) jeweils längs der zugeordneten Seitenfläche (16) des Zellstrangs (12) von einem Kühlmitteleinlass (30) zu einem Kühlmittelauslass (32) der Kühlvorrichtung (36) verlaufen, und die Kühlmittelkanäle (40, 42) jeweils in Form eines singulären U vom zugeordneten Kühlmitteleinlass (30) zum zugeordneten Kühlmittelauslass (32) verlaufen, wobei sich die Schenkel (44, 46, 50, 52) des „U“ längs der Seitenfläche (16) erstrecken.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelkanäle (40, 42) einen gemeinsamen Kühlmitteleinlass (30) und/oder einen gemeinsamen Kühlmittelauslass (32) aufweisen und/oder dass die Schenkel (44, 46, 50, 52) der Kühlmittelkanäle (40, 42) parallel verlaufen.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühlmitteleinlass (30) und/oder dem Kühlmittelauslass (32) ein Zuflussbereich (60) bzw. ein Abflussbereich zugeordnet ist, der den Kühlmitteleinlass (30) bzw. den Kühlmittelauslass (32) mit den Kühlmittelkanälen (40, 42) strömungstechnisch verbindet.
Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellstrang (12) mehrere seitlich nebeneinander angeordnete Speicherzellen (14) umfasst, insbesondere mehrere kreiszylindrische Speicherzellen (14).
Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (38) der Kühlvorrichtung (36) ein flexibles Gehäuse (38) aus zwei miteinander verschweißten oder verklebten Folien ist, wobei die Folien insbesondere wenigstens eine zusätzliche Verschweißung (56, 58) und/oder Verklebung in Längsrichtung L der zugeordneten Seitenfläche (16) zur fluidischen Abgrenzung der Schenkel (44, 46, 50, 52) der U-förmigen Kühlmittelkanäle (40, 42) aufweisen.
Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühlmitteleinlass (30), bei mehreren alle Kühlmitteleinlässe (30), und zusätzlich der zumindest eine Kühlmittelauslass (32), bei mehreren alle Kühlmittelauslässe (32), im Bereich desselben Endes einer Seitenfläche (16) angeordnet sind.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein gemeinsamer Kühlmitteleinlass (30) oder ein gemeinsamer Kühlmittelauslass (32) entweder seitlich versetzt zueinander enden, so dass der Kühlmitteleinlass (30) oder der Kühlmittelauslass (32) zwischen zwei Schenkeln (44, 46, 50, 52) unterschiedlicher U-förmiger Kühlmittelkanäle (40, 42) und dem gemeinsamen Kühlmittelauslass (32) bzw. Kühlmitteleinlass (30) positioniert ist, oder b) zwischen zwei Kühlmittelauslässen (32) ein gemeinsamer Kühlmitteleinlass (30) liegt oder c) zwischen zwei Kühlmitteleinlässen (30) ein gemeinsamer Kühlmittelauslass (32) liegt.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Kühlmitteleinlass (30) und/oder ein gemeinsamer Kühlmittelauslass (32) vorgesehen ist bzw. sind, wobei entweder der gemeinsame Kühlmitteleinlass (30) oder der gemeinsame Kühlmittelauslass (32) außenseitig im Bereich desselben Endes einer Seitenfläche (16) angeordnet ist, und dass sich davon ausgehend ein erster Schenkel (44) eines der U-förmigen Kühlmittelkanäle (40) nahe der Oberseite (18) und ein dritter Schenkel (50) nahe der Unterseite (20) in Richtung des entgegengesetzten Endes der Seitenfläche (16) erstreckt, wobei ein zweiter Schenkel (46) in einem Umlenkbereich (48) mit dem ersten Schenkel (44) und ein vierter Schenkel (52) in einem weiteren Umlenkbereich (54) mit dem dritten Schenkel (50) strömungstechnisch verbunden ist und der zweite (46) und der vierte Schenkel (52) zwischen erstem (44) und drittem Schenkel (50) verlaufen.
Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (44, 46, 50, 52) innerhalb wenigstens eines der U-förmigen Kühlmittelkanäle (40, 42) entlang der Längsrichtung L der zugeordneten Seitenfläche (16) unterschiedlich lang sind.
Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (44, 46, 50, 52) der jeweiligen U-förmigen Kühlmittelkanäle (40, 42), welche in einer zur Längsrichtung L senkrechten Höhenrichtung H der zugeordneten Seitenfläche (16) näher an der Ober- (18) bzw. Unterseite (20) sind, dem Kühlmitteleinlass (30, 32) zugeordnet sind.