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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, einen elektrochemischen Energiespeicher, ein Fortbewegungsmittel sowie ein Herstellungsverfahren für eine Vorrichtung zur Halterung einer Vielzahl elektrochemischer Zellen an einer übergeordneten Trägerstruktur.
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Die Elektrifizierung des Personenindividualverkehrs schreitet derzeit rasch voran. Hierbei werden derzeit üblicherweise runde Zellen zur Speicherung der elektrochemischen Energie verwendet, welche in einem Verbund gehaltert werden, welcher auch als Traktionsbatterie oder Akkumulator bezeichnet wird. Der Verbund wird im Stand der Technik beispielsweise durch Klemmung der Zellen bzw. Klebung der Zellen aneinander sowie an eine übergeordnete Struktur hergestellt. Dies hat jedoch mehrere Nachteile: Einerseits ist die mechanische sowie thermische Beanspruchung des Klebstoffs durch Temperaturwechsel und Vibrationen ganz erheblich. Andererseits ist die Verklebung für Nacharbeiten, Wartung und beim Recycling der Zellen hinderlich. Überdies sind die elektrochemischen Zellen üblicherweise an zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen zu haltern, um die Rotationsmomente und mechanische Lasten aufzunehmen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehenden Nachteile des Standes der Technik zu lindern und insbesondere die Wartung und das Recycling von elektrochemischen Zellen zu erleichtern.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Halterung einer Vielzahl elektrochemischer Zellen an einer übergeordneten Trägerstruktur gelöst. Die im Stand der Technik bekannten elektrochemischen Zellen werden überwiegend in einem Verfahren hergestellt, welches fertigungsbedingt eine umlaufende Nut am Umfang der elektrochemischen Zelle hinterlässt. Diese Nut trägt einen Deckel, welcher auch als Zelldeckel bezeichnet werden kann. Oberhalb des Zelldeckels umfasst den Deckel eine Bördelung, der Deckel wird somit zwischen der Nut und der Bördelung gehaltert und die Zelle auf diese Weise abgedichtet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst nun eine Haltestruktur, welche mit einem Befestigungsmittel zur Festlegung an der übergeordneten Trägerstruktur und einer Vielzahl von Kragenstrukturen ausgestattet ist. Die Kragenstrukturen sind eingerichtet, in jeweils eine umlaufende Nut der elektrochemischen Zellen einzugreifen. Hierzu können die Kragenstrukturen eine abschnittsweise dem Nutgrund folgende, hervorstehende Struktur aufweisen, so dass sie formschlüssig in die Nut eingreifen. Zumindest in Längsrichtung der Zelle sind die Kragenstrukturen der Haltestruktur und die Nut der elektrochemischen Zelle ineinandergreifend eingeordnet und eine mechanische Festlegung der elektrochemischen Zelle in einem elektrochemischen Energiespeicher und/oder an einem elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittel ist möglich. Das Befestigungsmittel ist eingerichtet, die Haltestruktur gegenüber der übergeordneten Trägerstruktur derart vorzuspannen, dass die Vielzahl von Kragenstrukturen in Richtung einer ihnen zugewandten jeweiligen Nut der elektrochemischen Zellen streben. Die Kragenstrukturen werden somit in die Nuten der elektrochemischen Zellen hineingedrückt und die Lage der jeweiligen elektrochemischen Zelle durch die Kragenstrukturen fixiert. Bei an drei unterschiedlichen Positionen eingreifenden Kragenstrukturen kann die Lage der Nut der elektrochemischen Zelle eindeutig und exakt vordefiniert und fixiert werden. Zur Verteilung des Drucks und zur Verhinderung einer Beschädigung der elektrochemischen Zelle können annähernd einem halben Umfang der Nut folgende Kragenstrukturen vorgesehen werden, so dass zwischen zwei einander bezüglich der Zelle gegenüberliegend angeordneten Kragenstrukturen eine elektrochemische Zelle verpresst werden kann und in der Endlage der Haltestrukturen die Nut der jeweiligen elektrochemischen Zelle zumindest annähernd vollständig von den Kragenstrukturen eingefasst ist. Somit erfolgt eine Befestigung der elektrochemischen Zellen durch Eingriff in die Nut durch die Haltestruktur und die Haltestruktur wird gegenüber der übergeordneten Trägerstruktur (z.B. verschließende Deckelbaugruppe) vorgespannt.
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Bevorzugt weist die Haltestruktur an einer Vorder- und Hinterseite bzw. an einer Vorder- und Rückseite eine entsprechend in eine Nut eingreifende, komplementäre Geometrie zum in der elektrochemischen Zelle vorhandenen Hinterschnitt bzw. zur in der Zelle vorhandenen Nut auf. Die Haltestrukturen sind vorgefertigt und weisen eine von der individuellen Zelle unabhängige Geometrie auf. Sie sind insbesondere nicht als in der Nut ausgehärtetes Harz o.ä. zu verstehen. Das Befestigungsmittel kann ein Spannelement (z.B. eine Schraube) aufweisen, welche die Haltestruktur an der übergeordneten Trägerstruktur befestigt. Je nach Ausrichtung der Schraube kann die Haltestruktur beim Anziehen der Schraube in eine vordefinierte Richtung streben. Hierbei kann beispielsweise eine Flanke in einem Langloch und/oder eine kegelförmige Geometrie am Schraubenkopf (z.B. Senkkopf) vorgesehen sein. In der übergeordneten Trägerstruktur kann die Schraube entweder selbstständig ein Gewinde schneiden oder in ein vorgefertigtes Gewinde eingedreht werden. Während das selbstschneidende Verfahren eine flexible Positionierung der einzelnen elektrochemischen Zelle ermöglicht, ist ein vorgeschnittenes Gewinde im Zuge einer Wartung und beim erneuten Festziehen der Haltestruktur hilfreich.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Kragenstrukturen können eine zylinderabschnittsförmige Kavität und/oder eine dem Nutverlauf folgende Bogenform aufweisen. Mit anderen Worten kann eine sichelförmige Ausnehmung in der Haltestruktur die Kragenstruktur ausbilden. Hierzu können die Kragenstrukturen einen Ausschnitt bzw. eine Ausnehmung aufweisen, welche dem Radius der Zelle bzw. dem Radius des Nutengrunds angepasst ist. Beispielsweise können mindestens 18 mm, mindestens 21 mm, mindestens 40 mm oder mindestens 75 mm Durchmesser aufweisende Zellen zur Halterung durch die erfindungsgemäße Haltestruktur vorgesehen sein. Die Kante der Kragenstrukturen selbst kann einen Radius aufweisen, welcher der Geometrie eines Querschnitts der Nut angepasst ist. Diese kann beispielsweise einen Radius von 0,5 mm bis 3 mm, insbesondere im Bereich 0,5 mm bis 1,5 mm, aufweisen. Die Höhe der Kragenstruktur kann daher dem Abstand zwischen einem Rand der Nut und einem gegenüberliegenden Rand der Nut entsprechen, so dass eine bestmögliche Verteilung der Oberflächenkräfte gegeben ist und eine Beschädigung der elektrochemischen Zellen im Bereich der Nut vermieden werden kann.
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Die Haltestruktur kann beispielsweise eine Längserstreckung aufweisen, um eine Vielzahl elektrochemischer Zellen auf der einen langen Seite und versetzt hierzu eine Vielzahl elektrochemischer Zellen auf der gegenüberliegenden langen Seite aufzunehmen. Hierzu können die Kragenstrukturen ebenfalls in Längsrichtung zueinander versetzt angeordnet sein, so dass eine dichte Packung der elektrochemischen Zellen möglich ist. Insbesondere ist der Versatz identisch mit einem halben Rastermaß der elektrochemischen Zellen. Mit anderen Worten ist die Hälfte der Summe aus dem Durchmesser einer elektrochemischen Zelle und einem Abstand zwischen der betrachteten elektrochemischen Zelle und einer nächstliegenden elektrochemischen Zelle auf derselben Seite der Haltestruktur identisch dem Versatz, welcher sich zu den elektrochemischen Zellen auf der anderen Seite der Haltestruktur ergibt. Somit kann eine dichte Packung der elektrochemischen Zellen und ein geringer Materialaufwand bei der Fertigung der Haltestrukturen erzielt werden.
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Die Haltestruktur kann beispielsweise Kunststoff aufweisen oder aus einem Kunststoff bestehen. Auf diese Weise kann eine elektrische Isolierung der elektrochemischen Zellen zueinander auch durch die Haltestruktur erzielt werden und ein Kurzschluss ist selbst bei Beschädigung der elektrochemischen Zellen nicht zu befürchten.
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Als Befestigungsmittel kann beispielsweise eine Schraube verwendet werden, welche in eine elastische Manschette eingeschraubt wird. Die Manschette kann durch die Schraube geweitet werden und/oder gequetscht werden. Auf diese Weise kann durch stärkeres Eindrehen der Schraube und/oder stärkere Quetschung der Manschette die Haltestruktur in Richtung der zu befestigenden elektrochemischen Zellen streben. Hierzu kann die Haltestruktur insbesondere einen Schlitz oder ein Langloch aufweisen, in welchem die Manschette angeordnet wird. Der Schlitz oder das Langloch können auch eine Flanke aufweisen, an welcher der Schraubenkopf (z.B. ein Senkkopf) im Zuge des Eindrehens der Schraube hinabgeleitet und hierbei die Haltestruktur aus ihrer Ursprungslage in Richtung der zu befestigenden elektrochemischen Zellen streben lässt. Auf diese Weise kann ein Toleranzausgleich und eine geeignete Vorspannung hergestellt werden. Insbesondere kann hierbei ein Drehmoment beim Eindrehen der Schraube überwacht werden und als Indikator für eine hinreichende Vorspannung der Haltestruktur gegenüber der elektrochemischen Zelle verwendet werden.
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Um die elektrochemischen Zellen zusätzlich zu sichern, kann eine weitere Haltestruktur auch an einem der umlaufenden Nut gegenüberliegenden Ende der elektrochemischen Zelle angeordnet werden. Sofern dort ebenfalls eine Nut die elektrochemische Zelle umläuft, kann das oben beschriebene erfindungsgemäße Befestigungsverfahren auch hier identisch angewendet werden. Alternativ kann die Kragenstruktur an einem beliebigen Mantelabschnitt der elektrochemischen Zelle anliegen und diesen gegenüber einer weiteren Haltestruktur oder einer übergeordneten Struktur vorspannen. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch ein Klebstoff und/oder ein Schaum (z.B. Montageschaum) verwendet werden, um die elektrochemischen Zellen zu fixieren. Schaum und/oder Klebstoff eignen sich insbesondere für eine gleichmäßige flächige Anbindung der elektrochemischen Zellen und können zur Versteifung der elektrochemischen Energiespeicher beitragen.
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Die übergeordnete Trägerstruktur kann insbesondere eine (Blech-)Baugruppe eines Fortbewegungsmittels darstellen. Insbesondere kann eine Bodenbaugruppe des Fortbewegungsmittels als übergeordnete Trägerstruktur verwendet werden, um die hohen Dichten des elektrochemischen Energiespeichers möglichst bodennah anordnen zu können. Insbesondere können die elektrochemischen Energiespeicher unterhalb einer Bodenbaugruppe des Fortbewegungsmittels angeordnet werden, so dass sich ein besonders tiefer Schwerpunkt für das Fortbewegungsmittel ergibt. Mit anderen Worten wird die Haltestruktur quasi von unten an die Bodenbaugruppe des Fortbewegungsmittels angeschraubt oder anderweitig an dieser befestigt, um die zylindrischen elektrochemischen Zellen senkrecht stehend am Fahrzeugboden anzubinden. Dies kann der Entwärmung förderlich sein bzw. den Einfluss direkter Sonneneinstrahlung auf den elektrochemischen Energiespeicher verhindern. Die übergeordnete Trägerstruktur kann insbesondere durch Gewinde und/oder glatte Bohrungen dazu eingerichtet sein, Befestigungsmittel zur Festlegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufzunehmen. Die Bohrungen können beispielsweise auch durch Kunststoffeinsätze, welche sich beim Eindrehen von Schrauben verspreizen, eingegriffen werden. Auf diese Weise ergibt sich eine kostengünstige und haltbare sowie reversible Montagebaugruppe.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe für einen elektrochemischen Energiespeicher vorgeschlagen, welcher insbesondere entsprechend den obigen Ausführungen ausgestaltet sein kann. Zunächst wird eine Vielzahl elektrochemischer Zellen an einer übergeordneten Trägerstruktur angeordnet. Insbesondere kann bereits eine Haltestruktur, wie sie oben im Detail beschrieben worden ist, die elektrochemischen Zellen einerseits umschließen. Anschließend wird eine zweite Haltestruktur derart angeordnet, dass die Vielzahl von Kragenstrukturen andererseits in die Nuten der elektrochemischen Zellen eingreifen und mittels Befestigungsmitteln in Richtung der elektrochemischen Zellen gezwungen werden. Hierdurch werden die Haltestrukturen in Richtung der bereits zuvor montierten Haltestruktur vorgespannt, so dass die elektrochemischen Zellen jeweils zwischen den Haltestrukturen eingespannt sind.
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Optional kann nun eine zweite Vielzahl elektrochemischer Zellen an der übergeordneten Trägerstruktur und an der unmittelbar zuvor befestigten Haltestruktur angeordnet werden und mittels einer weiteren Haltestruktur in Richtung der bereits befestigten elektrochemischen Zellen vorgespannt werden. Auch die zuletzt eingelegten elektrochemischen Zellen werden hierbei im Zuge der Befestigung der zweiten Befestigungsmittel vorgespannt und die vorgenannten Schritte werden wiederholt, bis der elektrochemische Energiespeicher vollständig zusammengesetzt ist.
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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 Draufsicht auf eine in der Fertigung befindliche erfindungsgemäße Vorrichtung;
- 2 eine perspektivische Seitenansicht in einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 3 Schritte eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Halterung einer Vielzahl elektrochemischer Zellen; und
- 4 eine schematische Darstellung eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels umfassend ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers.
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1 zeigt eine Draufsicht auf eine Vorrichtung 10 zur Halterung einer Vielzahl elektrochemischer Zellen 1. Zunächst ist die untere Reihe der elektrochemischen Zellen 1 in eine Wanne als Gehäuse 7 eingesetzt worden. Anschließend wurde die Haltestruktur 3 in die Nuten der elektrochemischen Zellen 1 eingelegt und Manschetten 42 in die Langlöcher 41 eingesetzt. Durch Anziehen der Schrauben 43 verpressen sich die Manschetten 42 derart, dass die Haltestruktur 3 in Richtung der im Bild unten dargestellten elektrochemischen Zellen 1 strebt und diese im Gehäuse 7 befestigt. Anschließend wird die darüber liegende (weiter oben im Bild) dargestellte Reihe von elektrochemischen Zellen 1 eingelegt, so dass deren Nuten mit den Kragenstrukturen 5 der Haltestruktur 3 korrespondieren. Als nächstes wird eine weitere Haltestruktur 3 in Richtung eines Pfeils P derart mit den Nuten der elektrochemischen Zellen 1 in Eingriff gebracht, dass die Nuten annähernd vollständig von zwei unmittelbar benachbart zueinander angeordneten Haltestrukturen 3 eingefasst sind. Anschließend werden (nicht dargestellte) Manschetten und Schrauben in die Langlöcher 41 der Haltestruktur 3 eingesetzt und durch Anziehen der Schrauben erneut verspannt.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines elektrochemischen Energiespeichers 9, welcher eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 umfasst. Die elektrochemischen Zellen 1 sind an einer den Haltestrukturen 3 gegenüberliegenden Stirnseite durch einen Montageschaum 8 in einem Gehäuse 7 festgeklebt, so dass nicht sämtliche Momente durch die in die Nuten 6 eingreifenden Kragenstrukturen 5 aufzunehmen sind. Die Schrauben 43 sind in das Bodenblech als übergeordnete Trägerstruktur 2 eingeschraubt. Dieser Vorgang ist in Verbindung mit 1 bereits beschrieben worden. Nach Anordnung der elektrochemischen Zellen 1 an der Bodenbaugruppe kann das Gehäuse 7 mit Montageschaum versehen und von unten in vertikaler Richtung auf die montierten Zellen 1 gestülpt worden sein.
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3 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Halterung einer Vielzahl elektrochemischer Zellen an einer übergeordneten Struktur. In Schritt 100 wird eine Vielzahl elektrochemischer Zellen an einer übergeordneten Trägerstruktur angeordnet. Hierbei kann die übergeordnete Struktur beispielsweise eine Bodenbaugruppe darstellen, welche zum Zwecke des Montagevorgangs kopfüber angeordnet wird. In Schritt 200 wird anschließend eine Haltestruktur, welche eine Vielzahl Kragenstrukturen 5 aufweist, welche mit den Nuten der elektrochemischen Zellen korrespondieren, derart in Eingriff mit den Nuten gebracht, dass über Befestigungsmittel eine Verspannung der Haltestruktur gegenüber den elektrochemischen Zellen bzw. gegenüber der übergeordneten Trägerstruktur erzielt wird. In Schritt 300 wird anschließend die Haltestruktur durch Anziehen der Befestigungsmittel (z.B. Schrauben) weiter gegenüber der Trägerstruktur vorgespannt, bis ein vordefiniertes Drehmoment erreicht ist. Dies steht für eine vordefinierte Vorspannungskraft zwischen den Kragenstrukturen 5 und den Nuten der zu befestigenden elektrochemischen Zellen. Anschließend wird eine zweite Vielzahl elektrochemischer Zellen in Schritt 400 an der übergeordneten Trägerstruktur und an den zuvor befestigten Befestigungsmitteln angeordnet. Die zuvor befestigten Befestigungsmittel liegen nun zwischen den zuvor befestigten elektrochemischen Zellen und den neu hinzugekommenen elektrochemischen Zellen. Das Verfahren erinnert an das Verlegen von Parkett bzw. an das Verschrauben von Holzlatten auf einer Terrasse. In Schritt 500 wird auch die zweite Haltestruktur gegenüber der übergeordneten Struktur in Richtung der zweiten elektrochemischen Zellen mittels zweiter Befestigungsmittel vorgespannt, so dass die Nuten der zuletzt befestigten elektrochemischen Zellen annähernd vollständig durch die Kragenstrukturen 5 unmittelbar zueinander benachbarter Haltestrukturen eingefasst sind.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Fortbewegungsmittels 10 in Form eines PKWs, in dessen Bodenbaugruppe ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten elektrochemischen Energiespeichers 9 verbaut ist. Eine übergeordnete Trägerstruktur 2 in Form eines Bodenbleches ist eingerichtet, die in Verbindung mit 2 dargestellte Speicheranordnung zu haltern. Durch die Anordnung in der Bodenbaugruppe ergibt sich für das Fortbewegungsmittel ein besonders niedriger Schwerpunkt und die elektrochemische Speicheranordnung 9 ist gegenüber Sonneneinstrahlung geschützt.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- elektrochemische Zelle
- 2
- übergeordnete Trägerstruktur
- 3
- Haltestruktur
- 5
- Kragenstruktur
- 6
- Nut
- 7
- Gehäuse
- 8
- Montageschaum
- 9
- elektrochemischer Energiespeicher
- 10
- Vorrichtung
- 11
- Fortbewegungsmittel
- 41
- Langloch
- 42
- Manschette
- 43
- Schraube
- 100 bis 500
- Verfahrensschritte
