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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit einem eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel verschalteter Einzelzellen umfassenden Einzelzellenstapel und einer den Einzelzellenstapel zumindest abschnittsweise umgebenden Rahmenanordnung.
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Aus der
EP 3 389 111 A1 ist ein Batteriemodul mit einem spanngurtartigen Rahmen und einer Rahmenanordnung bekannt. Die Rahmenanordnung umfasst eine untere Platte, die so ausgebildet ist, dass auf dieser eine Einzelzelle mit ihrer Bodenfläche anordbar ist, eine Seitenplatte, die sich senkrecht zu der unteren Platte erstreckt und benachbart zu einer äußersten Seite der Einzelzelle platziert ist, und eine obere Platte, die mit einem oberen Ende der Seitenplatte gekoppelt ist und derart ausgebildet ist, dass diese einen oberen Teil der Einzelzelle abdeckt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen elektrischen Energiespeicher mit einer Rahmenanordnung 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 umfasst einen Einzelzellenstapel mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel verschalteter Einzelzellen und eine den Einzelzellenstapel zumindest abschnittsweise umgebende Rahmenanordnung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Rahmenanordnung zwei in Stapelrichtung der Einzelzellen endseitig an dem Einzelzellenstapel angeordnete Endplatten und zwei in einer parallel zur Stapelrichtung der Einzelzellen verlaufenden Längsachse des Einzelzellenstapels an sich gegenüberliegenden Seiten an dem Einzelzellenstapel angeordnete Längsverbindungsbauteile aufweist. Dabei sind die Längsverbindungsbauteile jeweils an ihren beiden Enden abgewinkelt und parallel zu einer Querachse des Einzelzellenstapels abgewinkelte Abschnitte der Längsverbindungsbauteile überlappen die Endplatten um ein vorgegebenes Maß und die abgewinkelten Abschnitte sind jeweils mittels zumindest einer mit ihrer Längsausprägung parallel zur Querachse des Einzelzellenstapels verlaufenden Schweißnaht stoffschlüssig mit den Endplatten verbunden.
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Eine solche Rahmenanordnung ist eine an eine Belastung optimiert angepasste Einhausung mit angepassten Schweißnähten, wobei die Rahmenanordnung und die Schweißnähte in Bezug auf eine hohe Festigkeit ausgelegt sind. Dabei sind keine nicht erforderlichen Materialdopplungen vorhanden, so dass die Rahmenanordnung eine Einhausung in Leichtbauweise darstellt.
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Die Längsverbindungsbauteile und die Endplatten sind aus Blechwerkstoffen, Strangpress- und/oder Gussprofilen gebildet, wobei ein jeweiliger Werkstoff in Abhängigkeit von einer Größe der Einhausung und einer gegebenenfalls aufkommenden Belastung gewählt wird. Insbesondere ist die Rahmenanordnung aus Aluminium, beispielsweise Aluminiumlegierungen gebildet.
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Eine Anordnung der Schweißnähte zur stoffschlüssigen Verbindung zwischen Endplatten und Längsverbindungsbauteilen ist hinsichtlich einer Anzahl und Geometrie frei wählbar, wobei deren jeweilige Längsausprägung quer zur Hauptbelastungsrichtung des Einzelzellenstapels angeordnet ist.
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Die Schweißnähte können bei Bedarf mit einer weiteren unter Umständen defokussierten Überfahrt eines Laserstrahles geglättet werden, so dass ein weiterer Verbau einer solchen kompakten Einheit mit dem Einzelzellenstapel und der Rahmenanordnung erleichtert werden kann.
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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 eines elektrischen Energiespeichers mit einer Rahmenanordnung in einer Explosionsdarstellung,
- 2 schematisch eine Draufsicht des elektrischen Energiespeichers im zusammengesetzten Zustand der Rahmenanordnung,
- 3 schematisch eine Vorderansicht des elektrischen Energiespeichers mit Schweißnähten in einer ersten Ausführungsform,
- 4 schematisch eine Vorderansicht des elektrischen Energiespeichers mit Schweißnähten in einer zweiten Ausführungsform,
- 5 schematisch eine Vorderansicht des elektrischen Energiespeichers mit Schweißnähten in einer dritten Ausführungsform,
- 6 schematisch eine Vorderansicht des elektrischen Energiespeichers mit Schweißnähten in einer vierten Ausführungsform,
- 7 schematisch eine Vorderansicht des elektrischen Energiespeichers mit Schweißnähten in einer fünften Ausführungsform und
- 8 schematisch eine Schnittdarstellung eines mit einer Endplatte stoffschlüssig verbundenen Längsverbindungsbauteiles.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Energiespeichers 1 mit einer Rahmenanordnung R in einer Explosionsdarstellung. Zudem ist ein Koordinatensystem dargestellt, wobei x eine Querachse, y eine Längsachse und z eine Hochachse des elektrischen Energiespeichers 1 bezeichnet.
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Eine Einhausung, beispielsweise in Form einer Rahmenanordnung R, für einen elektrischen Energiespeicher 1, insbesondere mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen 2, ist oftmals vergleichsweise hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt.
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Bereits bei einem Verbau kann ein Einzelzellenstapel E als Zellenverbund aus einzelnen elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen 2 und nicht gezeigten Spannmatten etc. für eine optimierte Leistungsfähigkeit gestaucht und somit in einen vorgespannten Zustand versetzt werden. Weisen die Einzelzellen 2 aufgrund ihres Betriebes über eine Lebensdauer ein Zelldickenwachstum auf, erhöht sich ein Innendruck, je nach Anordnung, in Richtung der Längsachse y, also in einer in 2 gezeigten Hauptbelastungsrichtung F des Einzelzellenstapels E, wobei sich das Zelldickenwachstum auf die Rahmenanordnung R als Einhausung auswirkt.
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Um die Rahmenanordnung R in Bezug auf diese wirkenden mechanischen Belastungen optimiert anzupassen und eine kompakte Baueinheit zu bilden, beispielsweise zur Anordnung in einem Gehäuse des elektrischen Energiespeichers 1, ist die Rahmenanordnung R, wie im Folgenden beschrieben, ausgebildet.
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Die Rahmenanordnung R weist zwei viereckige, insbesondere rechteckige, Endplatten 3 auf, wobei eine jeweilige Endplatte 3 in Bezug auf eine Längsausdehnung des Einzelzellenstapels E endseitig angeordnet ist. Weiterhin weist die Rahmenanordnung R zwei Längsverbindungsbauteile 4 auf. Sowohl die Endplatten 3 als auch die Längsverbindungsbauteile 4 der Rahmenanordnung R sind aus Aluminium und/oder einem anderen geeigneten Material gebildet. Insbesondere sind die Endplatten 3 und Längsverbindungsbauteile 4 aus verschiedenen Aluminiumlegierungen gebildet, beispielsweise Aluminiumknetlegierungen, wobei für die Längsverbindungsbauteile 4 eine Aluminium-Magnesium-Legierung und für die Endplatten 3 eine Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierung oder umgekehrt verwendet werden kann.
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Die Endplatten 3 sind in Längsausdehnung des elektrischen Energiespeichers 1, insbesondere des Einzelzellenstapels E, endseitig an diesem angeordnet und weisen derartige Abmessungen auf, dass eine der jeweiligen Endplatte 3 zugewandte Oberflächenseite der jeweils endseitig angeordneten Einzelzelle 2 zumindest partiell überdeckt ist. Die Endplatten 3 erstrecken sich flächig in Richtung der Querachse x und Hochachse z des elektrischen Energiespeichers 1.
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Die Längsverbindungsbauteile 4 der Rahmenanordnung R erstrecken sich jeweils seitlich entlang des Einzelzellenstapels E, insbesondere entlang der Längsachse y. Jedes der Längsverbindungsbauteile 4 weist an seinen Enden abgewinkelte Abschnitte 4.1 auf, so dass der Einzelzellenstapel E umfangsseitig von den Längsverbindungsbauteilen 4 eingefasst ist. Dabei überlappen die abgewinkelten Abschnitte 4.1 die jeweilige Endplatte 3 um ein vorgegebenes Maß. Insbesondere überlappt der jeweilige abgewinkelte Abschnitt 4.1 die Endplatte 3 wenigstens jeweils ein Viertel einer Fläche der jeweiligen Endplatte 3, wie beispielhaft unter anderem in 2 gezeigt ist. Ein die beiden abgewinkelten Abschnitte 4.1 verbindender Abschnitt 4.2 des jeweiligen Längsverbindungsbauteiles 4 weist eine Länge auf, die einer Länge der hintereinander gestapelten Einzelzellen 2 entspricht.
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2 zeigt eine Draufsicht des elektrischen Energiespeichers 1 mit einer von der Rahmenanordnung R gebildeten Einhausung. Zudem ist eine Hauptbelastungsrichtung F, einer auf die Rahmenanordnung R wirkenden Kraft, die beispielweise aus dem Zelldickenwachstum etc. resultieren kann, dargestellt.
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Sind sowohl die Endplatten 3 als auch die Längsverbindungsbauteile 4 an dem Einzelzellenstapel E angeordnet, werden die Längsverbindungsbauteile 4 mit den Endplatten 3 stoffschlüssig verbunden, insbesondere mittels Laserschweißens.
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Dabei werden unter anderem in 3 gezeigte Schweißnähte S, mittels welcher die stoffschlüssige Verbindung realisiert ist, derart in einen vom jeweiligen abgewinkelten Abschnitt 4.1 und Endplatte 3 gebildeten Überlappungsbereich eingebracht, dass die Schweißnähte S quer zur Hauptbelastungsrichtung F, das heißt parallel zur Querachse x des elektrischen Energiespeichers 1, verlaufen.
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3 zeigt eine Vorderansicht des elektrischen Energiespeichers 1 mit eingebrachten Schweißnähten S in einer ersten Ausführungsform. Gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Schweißnähte S eine gerade Linienform auf, wobei jeweils zwei Schweißnähte S in einen abgewinkelten Abschnitt 4.1 und einem darunter angeordneten Bereich einer Endplatte 3 eingebracht sind. Insbesondere sind die Schweißnähte S mit ihrer Längsausprägung quer zur Hauptbelastungsrichtung F des elektrischen Energiespeichers 1 in den jeweiligen Überlappungsbereich eingebracht.
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Dabei ist eine in
2 gezeigte Breite B
E des elektrischen Energiespeichers 1 mit der Rahmenanordnung R abzüglich einer jeweiligen Dicke t
L der Längsverbindungsbauteile 4 größer/gleich einer zweifachen Länge Ls der jeweiligen Schweißnaht S, welche größer, das heißt länger ist, als die zweifache Dicke t
L der Längsverbindungsbauteile 4 gemäß:
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In den 4 bis 7 ist jeweils eine Ausführungsform von in den jeweiligen Überlappungsbereich eingebrachten Schweißnähten S gezeigt.
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In einer in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform weisen die Schweißnähte S jeweils die Form einer offenen Klammer und in einer in 5 gezeigten dritten Ausführungsform die Form einer geschlossenen Klammer auf.
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In einer in 6 gezeigten vierten Ausführungsform weisen die Schweißnähte S jeweils eine ovale Form auf und in einer in 7 gezeigten fünften Ausführungsform sind mehrere, jeweils die Form einer geschlossenen Klammer aufweisende Schweißnähte S in den jeweiligen Überlappungsbereich eingebracht.
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In der in 7 gezeigten fünften Ausführungsform sind die Abmessungen der abgewinkelten Abschnitte 4.1 der Längsverbindungsbauteile 4, insbesondere deren Länge, geringer gewählt, so dass die beiden abgewinkelten Abschnitte 4.1 die jeweilige Endplatte 3 nicht vollständig überlappen. Zwischen den beiden abgewinkelten Abschnitten 4.1 ist somit ein freier Bereich der jeweiligen Endplatte 3 sichtbar, welcher hervorstehenden kann, d.h. mit einer gegenüber den Überlappungsbereichen vergrößerten Materialstärke ausgeführt sein kann.
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8 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Querschnittes eines von einem abgewinkelten Abschnitt 4.1 eines Längsverbindungsbauteiles 4 und einer Endplatte 3 gebildeten Überlappungsbereiches mit eingebrachter Schweißnaht S oder eingebrachten Schweißnähten S zur stoffschlüssigen Verbindung.
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Mittels des vergleichsweise großflächig ausgebildeten Überlappungsbereiches von Endplatten 3 und Längsverbindungsbauteilen 4 und der gezielten Längsausprägung der Schweißnähte S quer zur Hauptbelastungsrichtung F des elektrischen Energiespeichers 1 kann eine auf diesen wirkende Belastung optimiert aufgenommen werden.
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Insbesondere können die Schweißnähte S unabhängig von ihrer Ausführungsform mit einer herkömmlichen Anlagentechnik, beispielsweise über ein Remoteschweißen mit Scanneroptik, in die Rahmenanordnung R eingebracht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrischer Energiespeicher
- 2
- Einzelzelle
- 3
- Endplatte
- 4
- Längsverbindungsbauteil
- 4.1
- abgewinkelter Abschnitt
- 4.2
- verbindender Abschnitt
- BE
- Breite
- E
- Einzelzellenstapel
- F
- Hauptbelastungsrichtung
- Ls
- Länge
- R
- Rahmenanordnung
- S
- Schweißnaht
- tL
- Dicke
- x
- Querachse
- y
- Längsachse
- z
- Hochachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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