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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fortbewegungsmittel, ein Herstellungsverfahren sowie eine Anordnung für einen elektrochemischen Energiespeicher. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Baugruppe zur Herstellung eines Traktionsenergiespeichers für elektrisch antreibbare Fortbewegungsmittel.
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Derzeit werden elektrochemische Energiespeicher für die Elektrifizierung des Personenindividualverkehrs favorisiert. Die Traktionsenergiespeicher sind hierbei als Akkupacks konzipiert, welche eine Vielzahl elektrochemischer Zellen aufweisen. Die elektrochemischen Zellen sind können beispielsweise eine zylindrische Gestalt aufweisen. Die Performance der üblicherweise in Lithiumionen-Technologie aufgebauten elektrochemischen Zellen ist temperaturabhängig. Besonders bei Zellen mit hohen Energiedichten, manganreicher Zellchemie oder bei Verwendung von Festelektrolyten (All solid state) ist diese Temperaturabhängigkeit der Leistung sehr ausgeprägt. Je tiefer die Zelltemperatur ist, desto geringer ist die abrufbare Leistung. Kühlkonzepte für zylindrische Zellen sind meist sehr komplex gestaltet, wobei schlangen- oder mäanderförmige Kühlplatten zwischen den Zellen vorgesehen werden. Dieses Konzept führt zu asymmetrischer Kühlung der Zellen, wobei meist von nur einer Seite Wärme abgeführt wird, was bei Zellen mit größeren Durchmessern zu Nachteilen im Betrieb führt. Vor allem kann beim Laden als „Plating“ bezeichneter Vorgang auf der kalten Seite stattfinden. Mit steigender Energiedichte ist die Zellpropagation im Fehlerfall immer schwieriger zu kontrollieren. Geht eine Zelle thermisch durch (englisch „thermal runaway“), können die Nachbarzellen durch die Wärmeentwicklung ebenfalls thermisch durchgehen. Dieser Vorgang setzt sich mitunter durch den gesamten Traktionsenergiespeicher fort. Durch diese Kettenreaktion kann der gesamte Energiespeicher (mitunter bestehend aus mehreren 100 Zellen) geschädigt werden. Zudem ist die Handhabung der einzelnen Zellen und deren Platzierung in Fortbewegungsmitteln mitunter aufwändig, da sie viel Handarbeit erfordert. Für die Positionierung der elektrochemischen Zellen, ihre elektrische und thermische Verknüpfung sind geeignete Hilfsmittel und Verfahren erforderlich.
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Zudem wird derzeit favorisiert, die Traktionsenergiespeicher auch zur mechanischen Versteifung von Fahrzeugbaugruppen, insbesondere von Bodengruppen, einzusetzen.
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Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einsatz elektrochemischer Energiezellen in Traktionsenergiespeichern zu vereinfachen und das thermische Management zu verbessern.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung für einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere einen Traktionsenergiespeicher, gelöst. Der elektrochemische Energiespeicher kann insbesondere auf Lithium-Ionen-Technologie oder Lithium-Ionen-Polymer-Technologie basieren. Die Anordnung umfasst eine Wabenform, welche eine Vielzahl elektrischer Zellen (auch: Elementarzellen) aufnehmen kann. Hierzu weist die Wabenform hohlzylindrische Rohrformen auf, welche zueinander parallel liegende Kavitäten aufweisen. Die Rohrformen haben konvexe Mantelflächen, so dass zwischen mehreren benachbarten hohlzylindrischen Rohrformen Sekundärkavitäten entstehen. Diese weisen ihrerseits konkave Mantelflächen auf und sind insbesondere annähernd dreiecksförmig ausgestaltet. Die Sekundärkavitäten verlaufen somit ebenfalls parallel zu den hohlzylindrischen Rohrformen. In den Rohrformen sind elektrische Zellen angeordnet, welche der Speicherung elektrischer Energie dienen. Ihre elektrischen Anschlüsse können auf einer Seite zusammengefasst oder jeweils an einer der einander gegenüberliegenden Stirnflächen angeordnet sein. Zumindest ein Teil der Sekundärkavitäten ist zu jeweils drei der Rohrformen benachbart bzw. unmittelbar umgeben angeordnet. Diese Anordnung ergibt sich insbesondere dann, wenn zwei Reihen geradlinig nebeneinander angeordneter Rohrformen um einen halben Rohrformdurchmesser versetzt zueinander angeordnet und somit in einer „dichtesten Zylinderpackung“ angeordnet werden. Zwei hohlzylindrische Rohrformen einer ersten Reihe ergeben mit einer weiteren hohlzylindrischen Rohrform der benachbarten Reihe die Sekundärkavität. Anders ausgedrückt bilden die Mantelflächen der hohlzylindrischen Rohrformen die Mantelflächen der zwischen ihnen angeordneten Sekundärkavitäten. Die Sekundärkavitäten weisen vorzugsweise jeweils räumlich zueinander abwechselnd einen Kühlmittelkanal oder eine aktive Heizeinrichtung auf. Im Falle der dichtesten Zylinderpackung bedeutet dies, dass sich um eine hohlzylindrische Rohrform beispielsweise bei 0° eine Heizeinrichtung, bei 60° ein Kühlmittelkanal, bei 120° eine weitere Heizeinrichtung, bei 180° ein weiterer Kühlmittelkanal, bei 240° eine weitere Heizeinrichtung, und bei 300° ein weiterer Kühlmittelkanal befinden. Entsprechendes kann für sämtliche hohlzylindrische Rohrformen der Wabenform (unter Vernachlässigung von Randbereichen) gelten. Auf diese Weise ist eine einfache Zufuhr und Abfuhr von Wärme in der Anordnung gewährleistet, eine gleichmäßige Kühlung und Heizung der elektrischen Zellen möglich und der Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers übersichtlich, thermisch sowie elektrisch sicher und einfach.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der Kühlmittelkanal kann an eine aktive Kühleinrichtung angeschlossen sein. Der Kühlmittelkanal kann in der Sekundärkavität bereitgestellt werden, welche insbesondere einen dreiecksförmigen Querschnitt aufweist. Wie oben beschrieben kann der dreiecksförmige Querschnitt konkave, an die zylindermantelförmig ausgestalteten hohlzylindrischen Rohrformen angepasst sein. Die Sekundärkavitäten können somit selbst als Kühlmittelkanäle ausgestaltet oder mit einem Kühlmittelkanal durchzogen werden. Der Kühlmittelkanal kann insbesondere beiderseitige Anschlüsse (z.B. Schlauchstutzen o.ä.) aufweisen, um eine Kühlmittelführung an einen Wärmetauscher und/oder eine Wärmepumpe und/oder ein Kühlaggregat mit der Peripherie (übergeordnete Struktur) der erfindungsgemäßen Anordnung fluidisch zu verbinden. Dies schließt nicht aus, dass der Kühlmittelkanal fluidisch auch unmittelbar mit einem weiteren Kühlmittelkanal (z.B. ein benachbarter Kühlmittelkanal) verbunden sein kann, um Zufuhr und Abfuhr des Kühlmittels zu und von der übergeordneten Struktur lediglich auf einer Stirnseite der Anordnung vornehmen zu können.
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Weiter bevorzugt kann die Heizeinrichtung eine elektrische Hezeinrichtung sein, beispielsweise in Form von Heizdrähten in der Sekundärkavität, aufweisen. Somit ergibt sich eine bestmögliche Regelbarkeit und Fluidführungen sind nicht erforderlich. Die Heizeinrichtung kann einen Heizstab aufweisen, welcher eine Heizwendel in einem inerten Isolator aufweist, welcher seinerseits innerhalb eines an die Wandung der Sekundärkavitäten angepassten Mantelrohres enthalten ist. Die elektrischen Anschlüsse der elektrischen Heizeinrichtung können einseitig zusammengefasst oder auf einander gegenüberliegenden Stirnflächen der jeweiligen Heizeinrichtung angeordnet sein. Die elektrischen Heizeinrichtungen können in die Sekundärkavitäten eingesteckt und/oder eingegossen und/oder eingeklebt sein. Insbesondere kann eine wärmeleitende Paste den Wärmeübergang zwischen der elektrischen Heizeinrichtung und den hohlzylindrischen Rohrformen bzw. elektrischen Zellen vermitteln.
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Der Anschluss der übergeordneten Peripherie bzw. der Kühlmittelleitungen an die Kühlmittelkanäle vereinfacht sich beispielsweise dadurch, dass die Kühlmittelkanäle gegenüber den Rohrformen stirnseitig hervorstehen oder gegenüber diesen zurückgesetzt sein können. Beispielsweise kann über hervorstehende Kühlmittelkanalenden als Stutzen eine Kühlmittelleitung gesteckt werden, während bei zurückgesetzten Kühlmittelkanalenden die Kühlmittelleitungen in die so geformten Schlauchbuchsen gesteckt werden können. Alternativ kann auch eine ebene (z.B. blechartige) Struktur stirnflächenseitig aufgebracht werden, um die Kühlmittelkanäle einseitig zusammenzufassen. Hierbei können Bohrungen an denjenigen Stellen der ebenen Struktur angeordnet sein, an welchen die elektrischen Anschlüsse der elektrischen Zellen angeordnet sind. Eine Dichtung oder ein Rohrabschnitt, welche bzw. welcher die einzelnen Bohrungen umgibt, kann die fluidische Dichtheit der Kühlmittelkanäle gegenüber den elektrischen Anschlüssen sicherstellen.
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Die Wabenform kann einen elektrischen Isolator zwischen den einzelnen elektrischen Zellen darstellen. Sie kann hierzu beispielsweise aus Kunststoff gefertigt sein oder Kunststoff umfassen. Durch die Materialwahl und Fertigung kann auch eine Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Kühlmittel sichergestellt werden.
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Insbesondere ist jede der Rohrformen von sechs Sekundärkavitäten umgeben, wobei drei der Sekundärkavitäten als Heizeinrichtung und die anderen drei als Kühleinrichtung ausgestaltet sind. Auch hierbei ist von einer Einbeziehung der Randbereiche abzusehen, an welchen sich - je nach Einsatzzweck und Einsatzumgebung - andere Erfordernisse als innerhalb der regelmäßigen Struktur der Anordnung ergeben können. Beispielsweise können die Randbereiche entsprechend einer Kavität in einer Karosserie eines Fortbewegungsmittels ausgestaltet werden, um eine sichere und nachhaltige Positionierung der Wabenform in der Kavität zu gewährleisten.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung vorgeschlagen, wie sie oben im Detail vorgestellt worden ist. In einem ersten Schritt wird eine Wabenform bereitgestellt. Die Wabenform kann beispielsweise als 3D-Druck-Teil und/oder als Spritzgussteil hergestellt werden. Ebenso kann sie als Strangpressprofil gefertigt sein. In einem zweiten Schritt werden elektrische Zellen in die Rohrformen der Wabenform eingeführt bzw. eingesetzt. Die elektrischen Zellen können nun oder zu einem späteren Zeitpunkt elektrisch miteinander und/oder mit einer übergeordneten elektrischen Peripherie verbunden werden. In einem weiteren Schritt werden elektrische Heizeinrichtungen in eine erste Vielzahl von Sekundärkavitäten eingeführt. Die elektrischen Heizeinrichtungen können als Heizstäbe ausgestaltet sein. Zwischen den elektrischen Heizeinrichtungen und den elektrischen Zellen können Schalter und/oder Widerstände und/oder elektrische Schaltungen angeordnet werden, mittels welcher Energie aus den elektrischen Zellen zum Heizen der elektrischen Zellen mittels der elektrischen Heizeinrichtungen übertragen werden kann. Hierzu können Temperatursensoren in der Anordnung enthalten sein, mittels welcher ein Wärmebedarf für die elektrischen Zellen ermittelt und eine entsprechende Energie mittels der elektrischen Heizeinrichtungen eingebracht wird. Anschließend werden Kühlmittelführungen an die verbliebenen Sekundärkavitäten angeschlossen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Sekundärkavitäten, welche zur Kühlung der elektrischen Zellen vorgesehen sind, mit einem Kühlfluid (z.B. Wasser und/oder Glykol) gespült werden können. Die vorgenannten Verfahrensschritte können in der genannten Reihenfolge oder in einer von dieser abweichenden Reihenfolge ausgeführt werden. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ergeben sich derart ersichtlich in entsprechender Weise aus dem erstgenannten Erfindungsaspekt, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Sofern die erfindungsgemäße Anordnung in einem Fortbewegungsmittel als Traktionsenergiespeicher verwendet werden soll, kann in einem weiteren Verfahrensschritt das Bordnetz des Fortbewegungsmittels mit den Heizeinrichtungen und/oder mit den elektrischen Zellen verbunden oder wahlweise (schaltbar) verbindbar gemacht werden. Auf diese Weise kann das Fortbewegungsmittel durch in der erfindungsgemäßen Anordnung bereitgehaltene elektrochemische Energie angetrieben werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird entsprechend ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Anordnung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise als PKW, Transporter, LKW, Motorrad, Luft- und/oder Wasserfahrzeug ausgestaltet sein. Auch die Merkmale, Merkmalskombination und die sich aus diesen ergebenden Vorteile des erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels ergeben sich derart ersichtlich in entsprechender Weise, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung von elektrischen Zellen in einem Wabengitter;
- 2 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäß verwendbare Wabenform, in deren Sekundärkavitäten anteilig Heizeinrichtungen eingeführt sind;
- 3 die in 2 dargestellte Anordnung, in welcher die verbliebenen Sekundärkavitäten mit einem Kühlfluid gefüllt sind;
- 4 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnittes einer erfindungsgemäßen Anordnung, wobei eine Sekundärkavität fluidisch mit einer übergeordneten Struktur verbunden ist; und
- 5 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung für einen elektrochemischen Energiespeicher.
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1 zeigt eine Draufsicht auf eine Vielzahl elektrischer Zellen 6, welche in einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 enthalten sein können. Die elektrischen Zellen 6 sind in einer Wabenstruktur 2a angeordnet, welche lediglich zur Veranschaulichung der geometrischen Anordnung der elektrischen Zellen 6 zueinander dargestellt ist. Eine einzelne elektrische Zelle 6 ist hierzu perspektivisch dargestellt. Zudem ist eine Gehäusewandung 7 durchgezogen dargestellt, welche an die übergeordnete Struktur (z.B. eine Bodenbaugruppe eines Fortbewegungsmittels) angepasst ist. Über die Gehäusewandung 7 kann die Anordnung 1 spielfrei an die Kavität/den Bauraum in einem (nicht dargestellten) Fortbewegungsmittel angepasst sein. Somit kann ein thermischer Austausch mit der Umgebung (z.B. zum Zwecke der Wärmeabfuhr) erfolgen und die erfindungsgemäße Anordnung 1 kann zur Stabilität der umgebenden Struktur beitragen. Überdies werden Knarz- und Klappergeräusche vermieden.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß verwendbare Wabenform 2, welche in einer dichtesten Zylinderpackung angeordnete hohlzylindrische Rohrformen 3 aufweist. Zwischen den hohlzylindrischen Rohrformen 3 sind Sekundärkavitäten vorgesehen, von denen die Hälfte bereits mit aktiven Heizeinrichtungen 5a gefüllt ist. Die andere Hälfte der Sekundärkavitäten 4 ist noch leer und für die Wärmeabfuhr vorgesehen.
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3 zeigt die in 2 dargestellte Anordnung nach dem Befüllen der Sekundärkavitäten 4 mit einem Kühlmittel, welches beispielsweise aus Wasser und Glykol besteht. Ein Pfeil P gibt die bevorzugte Crash-Richtung für die dargestellte Anordnung an. Aufgrund der relativen Anordnung der hohlzylindrischen Rohrformen 3 und der (noch nicht eingeführten elektrischen Zellen) zueinander können in Richtung des Pfeils P wirkende Kräfte eine Aufweitung der Anordnung in Querrichtung bewirken und somit ein Maximum an Verformungsenergie an die umgebende Struktur abführen.
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4 zeigt eine perspektivische Darstellung in Form einer Detailansicht, in welcher eine Sekundärkavität 4 stirnseitig gegenüber Rohrformen 3 hervorstehend ausgestaltet ist. Dieser Teil der Sekundärkavität 4 dient als Anschluss für einen Schlauch 9 als Kühlmittelkanal, über welchen kaltes Fluid zugeführt oder erwärmtes Fluid überschüssige Wärme abführen kann.
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5 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für die vorbeschriebene Anordnung. In einem ersten Schritt 100 wird die Wabenform bereitgestellt, welche die Struktur für die Anordnung vorgibt. Die Wabenform kann aus einem Kunststoff gefertigt, gefräst, gegossen oder gespritzt sein. In Schritt 200 werden elektrische Zellen in die Rohrformen der Wabenform eingeführt. In Schritt 300 werden elektrische Heizeinrichtungen in eine erste Hälfte der Vielzahl Sekundärkavitäten eingeführt. Hierbei werden keine zueinander unmittelbar benachbarten Sekundärkavitäten mit Heizeinrichtungen befüllt, um eine wechselweise Anordnung zwischen Heizeinrichtungen und Kühlkanälen vorsehen zu können. In Schritt 400 werden Kühlmittelführungen an die übrigen Sekundärkavitäten angeschlossen. Diese können gekühltes Kühlmittel aus der übergeordneten Struktur herbeiführen oder für die Abfuhr von Prozesswärme mittels erwärmten Kühlmittelfluids sorgen. In Schritt 500 wird anschließend die elektrische Kontaktierung der Heizeinrichtungen vorgenommen. Diese können in Schritt 500 mit den elektrischen Zellen verbunden werden. Insbesondere kann eine jede elektrische Heizeinrichtung mit einer zu ihr benachbarten elektrischen Zelle verbunden werden. Hierbei kann ein Schalter oder eine elektrische Schaltung zwischen der jeweiligen Heizeinrichtung und der jeweiligen elektrischen Zelle vorgesehen sein. Auf diese Weise kann eine jede elektrische Zelle die von ihr benötigte Wärme für einen geeigneten Arbeitspunkt selbst erzeugen. Hierbei kann die elektrische Schaltung einen Temperatursensor aufweisen, welcher lediglich für die betrachtete Heizeinrichtung und die ihr zugeordnete elektrische Zelle vorgesehen ist. Auf diese Weise kann eine dezentrale elektrische Beheizung im Bedarfsfall vorgesehen werden, ohne dass übergeordnete Steuergeräte hierzu involviert werden müssen. In Schritt 600 werden die elektrischen Zellen mit einem Bordnetz des Fortbewegungsmittels elektrisch verbunden. Hierbei können wie vorstehend beschrieben auch die elektrischen Heizeinrichtungen und/oder deren Schalteinrichtungen/Schaltkreise mit dem Bordnetz (Energiebordnetz und/oder Informationsbordnetz) des Fortbewegungsmittels verbunden werden.
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Anschließend kann die somit hergestellte Anordnung in ein Fortbewegungsmittel eingesetzt werden, sofern dies nicht bereits zu einem früheren Zeitpunkt erfolgt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Wabenform
- 3
- hohlzylindrische Rohrform
- 4, 5
- Sekundärkavitäten
- 5a
- elektrische Heizeinrichtung
- 6
- elektrische Zelle
- 7
- Gehäusewandung der Wabenform 2
- 8
- Stutzen
- 9
- Schlauch
- 100-600
- Verfahrensschritte
- P
- Pfeil
