-
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher aufweisend eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen mit jeweils einem Zellgehäuse und jeweils zwei Zellterminals. Außerdem umfasst der elektrische Energiespeicher ein Zellkontaktiersystem zum Verschalten der Energiespeicherzellen, welches einen Träger und mit dem Träger verbundene Leiterbahnen mit Leiterbahnabschnitten aufweist. Die Leiterbahnabschnitte bilden Kontaktbereiche zum Kontaktieren mit den Zellterminals der Energiespeicherzellen aus. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.
-
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher, welche beispielsweise als Traktionsbatterien für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden können. Solche elektrischen Energiespeicher weisen üblicherweise einen Zellverbund aus mehreren Energiespeicherzellen sowie ein Zellkontaktiersystem zum Verschalten der Energiespeicherzellen auf. Das Zellkontaktiersystem ist üblicherweise an einer Seite des Zellverbunds, beispielsweise an einer Oberseite des Zellverbunds angeordnet, an welcher sich Zellterminals der Energiespeicherzellen befinden. Das Zellkontaktiersystem umfasst in der Regel Zellverbinder, welche in Form von Blechteilen einzeln in einen elektrisch isolierenden Träger eingelegt werden. Diese Blechteile werden über Bonddrähte mit Zellterminals der Energiespeicherzellen kontaktiert. Nachteilig an einem solchen Zellkontaktiersystem ist der hohe Fertigungsaufwand für die Herstellung der Bondverbindungen zwischen den Zellverbinden und den Zellterminals.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Lösung bereitzustellen, wie Energiespeicherzellen eines elektrischen Energiespeichers kontaktiert werden können.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
-
Ein erfindungsgemäßer elektrischer Energiespeicher weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen mit jeweils einem Zellgehäuse und jeweils zwei Zellterminals auf. Außerdem weist der elektrische Energiespeicher ein Zellkontaktiersystem zum Verschalten der Energiespeicherzellen auf, welches einen Träger und mit dem Träger verbundene Leiterbahnen mit Leiterbahnabschnitten aufweist. Die Leiterbahnabschnitte bilden Kontaktbereiche zum Kontaktieren mit den Zellterminals der Energiespeicherzellen aus. Die Zellterminals weisen zumindest teilweise seitlich zu kontaktierende Terminalbereiche auf. Die Kontaktbereiche sind zumindest teilweise als laterale Druckkontakte ausgebildet, welche beim Kontaktieren eine laterale Kraft auf die seitlich zu kontaktierenden Terminalbereiche ausüben.
-
Der elektrische Energiespeicher kann beispielsweise ein Hochvoltenergiespeicher sein, welcher als wiederaufladbare Traktionsbatterie bzw. als Traktionsakkumulator für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verwendet wird. Der elektrische Energiespeicher weist zumindest einen Zellverbund auf, welcher mehrere Energiespeicherzellen umfasst. Die Energiespeicherzellen können beispielsweise als prismatische Energiespeicherzellen oder Pouchzellen ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Energiespeicherzellen als Rundzellen ausgebildet. Die Energiespeicherzellen weisen die Zellterminals bzw. Zellpole auf, welche an dem Zellgehäuse der Energiespeicherzellen angeordnet sind. Das Zellgehäuse weist insbesondere einen Zellgehäusedeckel, eine Zellgehäuseseitenwand und einen Zellgehäuseboden auf. Im Falle der Rundzellen sind der Zellgehäusedeckel und der Zellgehäuseboden kreisförmig und die Zellgehäuseseitenwand hohlzylinderförmig ausgebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass ein erstes Zellterminal, beispielsweise ein Pluspol, an dem Zellgehäusedeckel des Zellgehäuses der Energiespeicherzellen angeordnet ist und ein zweites Zellterminal, beispielsweise ein Minuspol, an der Zellgehäuseseitenwand des Zellgehäuses angeordnet ist.
-
Außerdem weist der elektrische Energiespeicher das Zellkontaktiersystem zum elektrischen Verbinden der Energiespeicherzellen nach einem vorbestimmten Verschaltungsmuster auf. Das Zellkontaktiersystem weist die Leiterbahnen auf, welche nach einem vorbestimmten Leiterbahnbild bzw. Leiterbahnlayout angeordnet sind. Die Leiterbahnen weisen Leiterbahnabschnitte auf, welche die Kontaktbereiche zum Kontaktieren mit den Zellterminals ausbilden. Die Kontaktbereiche sind dabei in Aussparungen des Trägers des Zellkontaktiersystems angeordnet, in welchen auch die Energiespeicherzellen angeordnet sind. Die Kontaktbereiche sind dabei zum seitlichen Kontaktieren der Energiespeicherzellen ausgebildet, indem die Kontaktbereiche lateral an die Terminalbereiche der Zellterminals angepresst sind. Die Verbindung zwischen den Kontaktbereichen und den Terminalbereichen wird somit durch Kraftschluss hergestellt. Die Terminalbereiche sind dabei insbesondere derart orientiert, dass sie sich zumindest teilweise entlang einer vertikalen Achse der Energiespeicherzellen erstrecken.
-
Das seitliche Kontaktieren der Energiespeicherzellen weist den Vorteil auf, dass eine Oberseite des Zellverbunds nicht durch das Zellkontaktiersystem belegt ist und somit an einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Energiespeicherzellen angeordnet werden kann. Außerdem weist die elektrische Verbindung zwischen den Zellterminals und den Kontaktbereichen aufgrund der durch den Druckkontakt bereitgestellten Kontaktkraft einen geringen Kontaktwiderstand auf.
-
Besonders bevorzugt weist der elektrische Energiespeicher ein Speichergehäuse mit einem Gehäuseoberteil und einem Gehäuseunterteil auf, wobei das Gehäuseoberteil und das Gehäuseunterteil doppelwandig zur Ausbildung jeweils eines Kühlkanals ausgebildet sind, und wobei zum Kühlen der Energiespeicherzellen das Gehäuseoberteil an den Zellgehäusedeckeln der Zellgehäuse und das Gehäuseunterteil an den Zellgehäuseböden der Zellgehäuse angeordnet sind. Die Energiespeicherzellen werden somit beidseitig gekühlt, indem das Gehäuseoberteil thermisch mit der Oberseite des Zellverbunds und das Gehäuseunterteil thermisch mit der Unterseite des Zellverbunds gekoppelt werden und eine Abwärme der Energiespeicherzellen über das durchströmende Kühlmittel abtransportieren können. Innenseiten der Gehäuseteile können mit einer Isolationsschicht beschichtet sein, sodass die Gehäuseteile anliegend an dem Zellgehäuse der Energiespeicherzellen angeordnet werden können.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Leiterbahnen durch einen Stanzkamm ausgebildet, welcher mit einem den Träger ausbildenden Isolationsmaterial gefügt ist. Das Leiterbahnbild bzw. Leiterbahnlayout wird entsprechend der vorbestimmten, gewünschten Verschaltung der Energiespeicherzellen erstellt, sodass die Kontaktbereiche selektiv mit einzelnen Zellterminals der Energiespeicherzellen und über Leiterbahnabschnitte in Form von Verbindungsbereichen untereinander elektrisch verbunden werden können. Das Zellkontaktiersystem kann dabei in mehreren, abwechselnden Strukturier- und Urformprozessschritten gefertigt werden. Zunächst wird ein Leitermaterial, beispielsweise in Form von einem Blech, bereitgestellt. Aus diesem Leitermaterial werden in einem ersten Schritt Aussparungen, insbesondere durch Stanzen, herausgetrennt, um den Stanzkamm bzw. Leadframe auszubilden. Die Aussparungen werden dabei so gewählt, dass verbleibende Leitermaterialbereiche mechanisch, jedoch auch elektrisch verbunden sind, sodass das Leitermaterial nach wie vor einstückig vorliegt. Diese verbleibenden Leitermaterialbereiche bilden den ersten Teil des Leiterbahnbildes aus.
-
Das strukturierte Leitermaterial wird nun in den Träger integriert. Dazu wird das strukturierte Leitermaterial in einem zweiten Schritt mittels Fügen durch Urformen mit dem Isolationsmaterial verbunden. Das Isolationsmaterial ist ein stabilisierendes, elektrisch isolierendes Material, beispielsweise ein Kunststoff. Beim Urformen wird aus dem formlosen Isolationsmaterial der feste Träger mit einer geometrisch definierten Form hergestellt. Dazu wird das Isolationsmaterial beispielsweise plastifiziert, geformt und ausgehärtet. Während des Urformens wird das strukturierte Leitermaterial dabei in das Isolationsmaterial eingebettet und so mit dem Isolationsmaterial mechanisch verbunden. Eine solche Verbindungstechnik in Form von Fügen durch Umformen kann beispielsweise Umspritzen und/oder Vergießen des strukturierten Leitermaterials mit dem Isolationsmaterial sein. Beim Urformen werden dabei insbesondere die Aussparungen des strukturierten Leitermaterials zumindest bereichsweise mit dem Isolationsmaterial bedeckt. Durch das Isolationsmaterial können die verbleibenden Leitermaterialbereiche mechanisch miteinander verbunden werden. Das Isolationsmaterial kann dabei beidseitig auf dem strukturierten Leitermaterial angebracht werden. Außerdem können Oberflächenprofile bzw. Höhenprofile für den Träger beim Urformen des Isolationsmaterials gebildet werden. Die Oberflächenprofile können dabei an der Unterseite und der Oberseite des Leitermaterials unterschiedlich sein. Dieses Oberflächenprofil umfasst beispielsweise Zugangsöffnungen, über welche die Energiespeicherzellen beim Anordnen des Zellkontaktiersystems am Zellverbund mit denjenigen Leiterbahnabschnitten kontaktiert werden können, welche die Kontaktbereiche ausbilden. Außerdem dienen die Zugangsöffnungen zum weiteren Strukturieren des Leitermaterials in einem dritten Schritt. Das Oberflächenprofil kann außerdem Aufnahmen für die Energiespeicherzellen umfassen.
-
In diesem dritten Schritt werden weitere Aussparungen über die Zugangsöffnungen aus dem Leitermaterial herausgetrennt. Insbesondere werden diejenigen Bereiche zum Ausgestalten bzw. Fertigstellen des Leiterbahnbilds herausgetrennt, welche im ersten Schritt nicht herausgetrennt werden konnten, da sonst ein mehrstückiges, aus Einzelteilen bestehendes Leiterbahnlayout vorgelegen hätte, welche jedoch eine unerwünschte elektrische Verbindung zwischen Leitermaterialbereichen ausbilden würden. Nach dem dritten Schritt kann das Leiterbahnbild vollendet sein. Es kann aber auch sein, dass, ja nach Komplexität des Leiterbahnbildes weitere zweite und dritte Schritte durchgeführt werden.
-
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Zellgehäuse jeweils zumindest eine Einkerbung aufweisen, in welcher der zugehörige Kontaktbereich angeordnet ist und welche den seitlich zu kontaktierenden Terminalbereich des jeweiligen Zellterminals ausbilden. Diese Einkerbungen bzw. Nuten können sich beispielsweise über einen gesamten Umfang oder nur einen Teil des Umfangs der Zellgehäuse erstrecken. Beispielsweise kann sich eine Einkerbung in Umfangsrichtung über die hohlzylinderförmige Seitenwand erstrecken und den Terminalbereich des zweiten Zellterminals auszubilden. Die Kontaktbereiche können in den Einkerbungen angeordnet werden, um die Verbindung zwischen den Terminalbereichen und den Kontaktbereichen zusätzlich zum Kraftschluss über Formschluss herzustellen.
-
Beispielsweise können die Kontaktbereiche einen als Umschlag ausgebildeten Falz aufweisen, welcher durch Abkanten eines Randbereiches der Leiterbahnabschnitte ausgebildet ist, wobei der Falz lateral an den jeweiligen Terminalbereich angepresst ist. Dieser als Umschlag bzw. Doppelung ausgebildete Falz bildet einen federkontaktartigen Druckkontakt aus. Beispielsweise können die Falze durch Abkanten des strukturierten Bleches bzw. Leitermaterials ausgebildet werden.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Zellgehäusedeckel jeweils eine nach oben ragende Ausbuchtung auf, wobei eine Seitenfläche der Ausbuchtung den seitlich zu kontaktierenden Terminalbereich des ersten Zellterminals ausbildet. Das Zellgehäuse ist somit durch die Ausbuchtung nach oben hin entlang der vertikalen Hochachse verlängert, sodass das erste Zellterminal für die seitliche Kontaktierung gut zugänglich ist. Die Ausbuchtung kann beispielsweise kegelstumpfförmig oder zylinderförmig ausgebildet sein.
-
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Seitenflächen der Ausbuchtungen Gewinde aufweisen und der Träger zu den Gewinden korrespondierende Gegengewinde zum Fixieren der Energiespeicherzellen an dem Träger aufweist. Die Energiespeicherzellen können somit an dem Träger befestigt werden, indem die Zellgehäuse in die Aufnahmen des Trägers hineingeschraubt werden.
-
In einer Ausführungsform ist der seitlich zu kontaktierende Terminalbereich des ersten Zellterminals als zumindest ein mit dem Zellgehäusedeckel verbundener, nach oben ragender erster Einpresspin ausgebildet, der seitlich zu kontaktierende Terminalbereich des zweiten Zellterminals ist als zumindest ein mit der Zellgehäuseseitenwand verbundener, nach oben ragender zweiter Einpresspin ausgebildet ist und die zugehörigen Kontaktbereiche sind als Kontaktlöcher in den Leiterbahnen ausgebildet, in welche die Einpresspins eingepresst sind. Eine solche Kontaktierung mittels Einpresspins und Kontaktlöcher weist hohe Kontaktkräfte auf, wodurch ein Kontaktwiderstand verringert wird und eine Leitfähigkeit erhöht wird.
-
Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug und weist den elektrischen Energiespeicher als Traktionsbatterie auf. Insbesondere ist der Rahmen des elektrischen Energiespeichers unter Ausbildung einer Tragstruktur mit einer Karosserie des Kraftfahrzeugs verbunden.
-
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
-
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Energiespeichers;
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers;
- 4 eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers in einer ersten Ebene; und
- 5 eine schematische Schnittdarstellung der dritten Ausführungsform des elektrischen Energiespeichers in einer zweiten Ebene.
-
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher EES, welcher ein Speichergehäuse 1 mit einem ersten Gehäuseteil 2a in Form von einem Gehäuseunterteil und einem zweiten Gehäuseteil 2b in Form von einem Gehäuseoberteil aufweist. Der elektrische Energiespeicher EES kann beispielsweise als Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verwendet werden und als ein Hochvoltenergiespeicher ausgebildet sein. Das Gehäuseunterteil 2a und das Gehäuseoberteil 2b können doppelwandig ausgebildet sein und jeweils einen Kühlkanal 3 für ein strömendes Kühlfluid enthalten. Die Kühlkanäle 3 können über Anschlüsse mit einem äußeren Kühlkreislauf verbunden werden kann. In dem Speichergehäuse 1 zwischen dem Gehäuseunterteil 2a und dem Gehäuseoberteil 2b ist ein Zellverbund 4 aus einer Vielzahl von Energiespeicherzellen 5 angeordnet. Der elektrische Energiespeicher EES weist außerdem ein Zellkontaktiersystem 6 zum Kontaktieren der Energiespeicherzellen 5 auf.
-
Die Energiespeicherzellen 5 weisen, wie in 2, 3 und 4 gezeigt, ein Zellgehäuse 7 mit einem Zellgehäuseboden 7a, einer Zellgehäuseseitenwand 7b sowie einem Zellgehäusedeckel 7c auf. Die Energiespeicherzellen 5 sind hier als Rundzellen ausgebildet, sodass die Zellgehäuse 7 zylindrisch ausgebildet sind. Die Energiespeicherzellen 5 weisen Zellterminals 8a, 8b auf. Ein erstes Zellterminal 8a ist hier an dem Zellgehäusedeckel 7c ausgebildet und ein zweites Zellterminal 8b ist hier an der Zellgehäuseseitenwand 7b ausgebildet. Die Zellgehäuseseitenwand 7b ist hier bereichsweise überlappend mit dem Zellgehäusedeckel 7c angeordnet, jedoch über eine Isolationsschicht 9 elektrisch von dem Zellgehäusedeckel 7c isoliert.
-
Das Zellkontaktiersystem 6 weist einen Träger 10 auf, welcher Leiterbahnen 11 zum Verschalten der Energiespeicherzellen 5 trägt. Außerdem bildet der Träger 10 einen Rahmen zum Halten der Energiespeicherzellen aus. Dazu können in dem Rahmen Aufnahmen für die Energiespeicherzellen 5 vorgesehen sein, welche im Falle von Rundzellen als zylinderförmige Hohlräume ausgebildet sein können. Die Zellgehäuse 7 können mit dem Rahmen und Gehäuseoberteil 2b fixiert bzw. verklebt sein und Entgasungsöffnungen 12 aufweisen. Gemäß 2 sind die Entgasungsöffnungen 12 in den Zellgehäusedeckeln 7c ausgebildet. Gemäß 3 sind die Entgasungsöffnungen 12 in den Zellgehäuseböden 7a ausgebildet. Das zugehörige Gehäuseteil 2a, 2b weist den Entgasungsöffnungen 12 zugeordnete Öffnungen bzw. Berstelemente 13 auf.
-
Die Leiterbahnen 11 weisen Leiterbahnabschnitte auf, welche Kontaktbereiche 14a, 14b für die Zellterminals 8a, 8b ausbilden. Diese Kontaktbereiche 14a, 14b erstrecken sich zumindest teilweise lateral und liegen damit in einer x-y-Ebene. Die Zellterminals 8a, 8b weisen zumindest teilweise seitlich zu kontaktierende Terminalbereiche 15 auf, welche sich in vertikaler Richtung (entlang der z-Richtung) erstrecken. Die Kontaktbereiche 14a, 14b bilden Druckkontakte aus, welche die seitlichen Terminalbereiche 15 durch ausüben einer lateral gerichteten Kraft kontaktieren. Nur gemäß 3 sind der zweite Kontaktbereich 14b und das zweite Zellterminal 8b eben ausgebildet, sodass der zweite Kontaktbereich 14b eine vertikal gerichtete Kraft auf das zweite Zellterminal 8b ausübt. Hier können der zweite Kontaktbereich 14b und das zweite Zellterminal 8b beispielsweise metallurgisch verbunden werden.
-
Gemäß 2 und 3 weist der Zellgehäusedeckel 7c außerdem eine nach oben ragende Ausbuchtung 16 auf, wobei der Terminalbereich 15 des ersten Zellterminals 8a durch eine Seitenfläche 17 der Ausbuchtung 16 ausgebildet ist. Das Zellgehäuse 7 kann außerdem Einkerbungen 18 aufweisen, welche die seitlich zu kontaktierenden Terminalbereiche 15 ausbilden und in welchen die Kontaktbereiche 14a, 14b angeordnet sind. Gemäß 2 weist die Zellgehäuseseitenwand 7b die Einkerbung 18 auf und gemäß 3 weist die Ausbuchtung 16 die Einkerbung 18 auf. Die Kontaktbereiche 14a, 14b weisen einen als Umschlag ausgebildeten Falz 19 auf, welcher den federkontaktartigen Druckkontakt ausbildet. Die Seitenfläche 17 der Ausbuchtung 16 kann außerdem ein Gewinde 20 zum Fixieren der Energiespeicherzellen 5 an dem Träger 10 aufweisen. Durch das seitliche Kontaktieren der Zellterminals 8a, 8b können die Gehäuseteile 2a, 2b beidseitig an den Zellgehäusen 7 angeordnet werden. Da sowohl die Gehäuseteile 2a, 2b als auch die Zellgehäuse 7 metallisch ausgebildet sein können, weisen die Gehäuseteile 2a, 2b an einer Innenseite eine Isolationsschicht 21 auf. Mittels der Kühlkanäle 3 der Gehäuseteile 2a, 2b können die Energiespeicherzellen 5 somit beidseitig gekühlt werden.
-
In der Ausführungsform des elektrischen Energiespeichers EES gemäß 4 sind die seitlich zu kontaktierenden Terminalbereiche 15 des ersten Zellterminals 8a als erste Einpresspins 22a ausgebildet, welche sind in Hochrichtung z erstrecken. Die seitlich zu kontaktierenden Terminalbereiche 15 des zweiten Zellterminals 8b sind als zweite Einpresspins 22b ausgebildet, welche sind in Hochrichtung z erstrecken. Die Kontaktbereiche 14a, 14b sind als Kontaktlöcher 23a, 23b ausgebildet, in welche die Einpresspins 22 eingepresst sind. Dabei sind, wie in der Schnittdarstellung gemäß 5, welche einen Schnitt entlang der Schnittlinie A zeigt, mehrere erste Einpresspins 22a mit dem Zellgehäusedeckel 7c und mehrere zweite Einpresspins 22b mit der Zellgehäuseseitenwand 7b verbunden und die zugehörigen Kontaktbereiche 14a, 14b weisen mehrere Kontaktlöcher 23a, 23b auf.
