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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fortbewegungsmittel, einen elektrischen Energiespeicher und ein Herstellungsverfahren für einen solchen elektrischen Energiespeicher. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen vereinfachten Aufbau eines mehrere Zellen umfassenden elektrischen Energiespeichers.
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Elektrische Energiespeicher, insbesondere solche für Traktionsenergiespeicher, bestehen meist aus Zellmodulen. In Zellmodulen werden mehrere Zellen zusammengefasst. Dabei kommen unterschiedliche Zellformate, z. B. Pouch-Zellen, prismatische Zellen oder Rundzellen zum Einsatz. Typischerweise sind eine Elektrodeneinheit (Jelly-Roll) und ein Elektrolyt in einem Zellgehäuse angeordnet. Diese Zelle wird in einem Modul verbaut. Das Modul wird dann in einem Gesamtspeicher (Gehäuse) verbaut. Die mehrfachen Gehäuse-Hierarchien führen zu erhöhtem Bauraum- und Massebedarf. Auch die Kosten und die Fertigungskomplexität können sich hierdurch erhöhen.
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Gemäß einem Ansatz werden die Zellen nicht mehr zu Modulen zusammengefasst, sondern direkt in den Speicher gebaut.
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Noch immer bedingen die Architekturen aktueller Traktionsenergiespeicher mehrere Nachteile:
- • Hohe Aufwände für Transport der Zellen, Gehäuse usw.
- • viel Logistikfläche für aufwendige Zwischenlagerungen
- • hoher Platzbedarf durch z. B. Zellkontaktiersystem (ZKS) und mehrfache Wandungen (Doppelwandungen der Zellen)
- • Das Zellkontaktiersystem ist teilweise offenliegend und schwierig bezüglich elektrischer Isolation und Luft- und Kriechstrecken.
- • Offene Leitungen (wie ZKS) im Hochvoltspeicher sind bei thermischer Überbelastung mit hoher Partikelbelastung durch den Zellauswurf anfällig für Kurzschlüsse und damit propagationsverstärkend (thermal runaway),
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Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten, insbesondere vereinfachten Aufbau eines Energiespeichers sowie ein entsprechend vereinfachtes Fertigungsverfahren bereitzustellen.
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Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Energiespeicher, ein Fortbewegungsmittel sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen elektrischen Energiespeichers gelöst. Der elektrische Energiespeicher kann beispielsweise als Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel (Pkw, Transporter, Lkw, Wasserfahrzeug oder Luftfahrzeug) ausgestaltet sein. Er kann eine Spannungslage von 48 V, 400 V, 800 V oder höher aufweisen. Er umfasst eine Gehäuseanordnung mit einer Vielzahl Kavitäten, die jeweils zur Aufnahme eines Elektrolyten und zweier Elektroden. Hierbei ist es unerheblich, welche Art Zellchemie zum Einsatz gelangt und ob es sich um tatsächliche „Jelly“-Rolls oder einen Festkörperspeicher (Solid State) handelt. Die Gehäuseanordnung kann insbesondere einstückig und beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem Keramikmaterial gefertigt sein. Dies ermöglicht einen leichten Aufbau, eine einfache Fertigung und eine hohe Säureresistenz. Zudem kann die Gehäuseanordnung auf diese Weise selbstständig elektrisch isolierend ausgestaltet sein. Die Kavitäten sind durch zueinander fluiddichte, insbesondere einstückige, Wandungen voneinander getrennt. Mit anderen Worten befindet sich zwischen zwei Kavitäten jeweils genau eine Wandung und nicht etwa eine doppelte Wandung, wie sie durch den Einsatz von Zellbechern in einer übergeordneten Struktur entstünde. In die Wandung können jedoch Maßnahmen zur Verbesserung der elektrischen oder thermischen Isolation eingebracht werden, beispielsweise durch einen zusätzlichen Stoff, Hohlräume oder Luftöffnungen. Durch die fluiddichte Separierung zueinander benachbarter Kavitäten kann eine über dem Elektrolyt anliegende maximale Spannung stets auf diejenige Spannung begrenzt werden, welche durch die in der jeweiligen Kavität angeordnete Zellchemie entstehen kann. Gemäß einer Ausführungsform weisen Wandungen der Gehäuseanordnung eine elektrische Verbindung von einer Kavität zu einer unmittelbar benachbartem Kavität der Vielzahl von Kavitäten auf. Diese elektrische Verbindung kann beispielsweise durch ein Fenster in der Wandung ragen, sodass die elektrische Verbindung das Fenster fluiddicht verschließt. Insbesondere ist die elektrische Verbindung stets zwischen genau zwei Kavitäten angeordnet, ohne eine dritte Kavität mit der ersten oder der zweiten Kavität zu verbinden. Insbesondere kann die elektrische Verbindung einen Festkörper umfassen, welche die Elektrolyten in der ersten und der zweiten Kavität voneinander trennt, jedoch elektrisch miteinander verknüpft. Der erfindungsgemäße elektrische Energiespeicher weist einen einfachen mechanischen Aufbau auf und gleichzeitig eine hohe Energiedichte. Zudem können Volumina, welche im Stand der Technik für Anschlüsse bzw. elektrische Verbindungen mit einer Peripherie der jeweiligen Zelle beansprucht werden, erübrigt werden. So kann die Reichweite mit einem solchen elektrischen Energiespeicher als Traktionsenergiespeicher ausgestatteter Fahrzeuge vergrößert werden.
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Die elektrische Verbindung kann insbesondere gegenüber weiteren Kavitäten der Vielzahl Kavitäten elektrisch isoliert sein, bis ein Elektrolyt bzw. Elektroden in die Gehäuseanordnung eingebracht werden. Erst durch die Einbringung des Elektrolyten bzw. durch den Anschluss der Elektroden werden die elektrischen Verbindungen (mittelbar) elektrisch mit weiteren elektrischen Verbindungen des elektrischen Energiespeichers verbunden. Dies senkt die über dem jeweiligen Elektrolyt anliegende elektrische Gesamtspannung und trägt somit zur elektrischen Festigkeit des elektrischen Energiespeichers bei.
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Die elektrische Verbindung kann als Einsetzteil in der Wand realisiert sein. Beispielsweise kann nach einer Fertigung des Kunststoffbestandteils der Gehäuseanordnung die elektrische Verbindung eingesetzt und beispielsweise umspritzt und/oder eingeklebt und/oder eingeschweißt werden. Je nach Fertigungsverfahren könnten die elektrischen Verbindungen auch in einen Träger bzw. eine Form eingesetzt werden und erst im Zuge des Spritzverfahrens als Bestandteil der jeweiligen Wandung der Gehäuseanordnung eingebunden werden. Ein solcher Vorgang ist gut automatisierbar und führt zu einer geringen Komplexität sowie kurzen elektrischen Verbindungen mit geringen ohmschen Widerständen.
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Die elektrische Verbindung kann insbesondere metallisch ausgestaltet sein und beispielsweise Aluminium und/oder Kupfer und/oder Stahl und/oder Silber aufweisen. Insbesondere kann die elektrische Verbindung auch aus einem der vorgenannten Metalle bestehen. Die vorgenannten Metalle lassen sich gut verarbeiten und ermöglichen eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen zwei Kavitäten.
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Die elektrischen Verbindungen in der Gehäuseanordnung können unterschiedliche Querschnitte und/oder Längen aufweisen. Hierbei können die Querschnitte und Stärken der elektrischen Verbindungen von den Volumina und/oder von der Gestalt der jeweiligen verbundenen Kapazität abhängen. Große Kavitäten können höhere Ströme erzeugen, da sie mehr Elektrolyt und größerflächige Jelly-Rolls beherbergen können. Entsprechend größer kann der Querschnitt einer elektrischen Verbindung in der Wandung einer solchen Kavität sein. Die Dimensionierung dieser hängt von der Verwendung des HV-Speichers ab. Es gibt eher Leistungsspeicher für den Motorsport oder eher Energiespeicher für längere Reichweiten und geringere Ströme. Das gleiche gilt für den Einsatz als Stationärspeicher (Langzeitspeicher und Peakstromkompensation). Unterschiedliche Kavitäten können beispielsweise den Vorteil mit sich bringen, bestimmte verfügbare Bauräume in einem Fortbewegungsmittel (noch) nutzen zu können, während eine anderswo vorgesehene Standardgröße in dem besagten Bauraum nicht mehr untergebracht werden könnte.
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Eine elektrische Verbindung zwischen zwei Kavitäten kann beispielsweise eine in einer ersten Kavität angeordnete erste Elektrode und eine in einer zweiten Kavität angeordnete zweite Elektrode miteinander elektrisch verbinden. Diese Verbindung kann eine Reihenschaltung (ungleichnamiger Pole) oder eine Parallelschaltung (Verbindung gleichnamiger Pole) der benachbarten Kavitäten umfassen. Dies schließt nicht aus, dass eine in einer ersten Kavität angeordnete Elektrode sowohl in Reihe mit einer weiteren Jelly-Roll als auch parallel zu einer weiteren Jelly-Roll angeordnet ist.
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Die Gehäuseanordnung kann die Kavitäten in einem gleichmäßigen, insbesondere ebenen Raster nebeneinander beherbergen. Die Kavitäten sind sozusagen in einer einzelnen Ebene oder einem einzelnen „Stockwerk“ nebeneinander angeordnet. Die Jelly-Roll kann aufrechtstehend (mit aufrechtstehender Wickelachse) oder liegend (mit horizontaler Wickelachse) darin vorgesehen sein.
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Die elektrischen Verbindungen können in Bohrungen oder Wandungsdurchbrüche zwischen zwei unmittelbar aneinander grenzenden Kavitäten eingesetzt sein. Jedoch kann auch im Randbereich einer Wandung, insbesondere im Bereich eines Deckels, eine Ausnehmung oder Nut zur (späteren) Einbringung einer elektrischen Verbindung vorgesehen werden. Beispielsweise kann die Nut oder Ausnehmung durch ein konkaves Blech nach Art einer Klammer genutzt werden, um eine erste Kavität mit einer zweiten Kavität elektrisch zu verbinden.
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Die Gehäuseanordnung kann selbstverständlich mehr als zwei Kavitäten aufweisen. Insbesondere kann sie zwei, drei, vier oder mehr Kavitäten aufweisen, für welche paarweise das in Verbindung mit der ersten und der zweiten Kavität Gesagte entsprechend gilt. Somit können die Kavitäten durch die jeweiligen, sie paarweise elektrisch miteinander verbindenden elektrischen Verbindungen elektrisch miteinander verbunden sein. Auch können zu den miteinander in Reihe verbundenen Kavitäten weitere, parallel mit einer jeweiligen anderen Kavität verbundene Kavitäten vorhanden sein. Beispielsweise können zur Realisierung eines 400-V-Traktionsenergiespeichers 90 in Reihe geschaltete Kavitäten/Jelly-Rolls und zur Realisierung eines 800-V-Traktionsenergiespeichers ca. 180 in Reihe geschaltete Kavitäten bzw. Jelly-Rolls vorgesehen sein. Auch können die Kavitäten nicht nur in zwei Dimensionen angeordnet sein. Es ist vorstellbar, neben flächig nebeneinanderliegenden Kavitäten auch darüber- oder darunterliegende anzuordnen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Fertigung eines elektrischen Energiespeichers nach einem der vorstehenden Ansprüche vorgeschlagen. In einem ersten Schritt wird die Gehäuseanordnung mit einer Vielzahl Kavitäten bereitgestellt. Hierbei kann die jeweils zwei Kavitäten elektrisch verbindende elektrische Verbindung als Bestandteil der Gehäuseanordnung verstanden oder als zusätzlich in die Gehäuseanordnung einzubringendes Bauteil/Merkmal verstanden werden. Anschließend werden zumindest zwei erste Elektroden in eine erste Kavität der Vielzahl Kavitäten und zwei zweite Elektroden in eine zweite Kavität der Vielzahl Kavitäten eingebracht. Zwischen den beiden Elektroden innerhalb einer jeweiligen Kavität ergibt sich eine Zellspannung, welche durch Reihenschaltung erhöht werden kann. In einem dritten Schritt wird die elektrische Verbindung von der ersten zu der zweiten Kavität der Vielzahl Kavitäten hergestellt. Mit anderen Worten wird die elektrische Verbindung eingesetzt und die Elektroden mit einem jeweiligen Ende der elektrischen Verbindung galvanisch verbunden. Sofern erforderlich, kann auch ein Elektrolyt oder ein Festkörper-Füllstoff in die jeweiligen Kavitäten eingebracht werden, um die Zellaktivität zu starten. Die Bereitstellung des Gehäuses kann einen Spritzgussvorgang umfassen. Insbesondere kann in die (noch leere) Spritzgussform eine Vielzahl elektrischer Verbindungen eingebracht werden, welche nach erfolgtem Spritzguss eine elektrische Verbindung zwischen zwei unmittelbar zueinander benachbarten Kavitäten herstellt.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel (Pkw, Transporter, Lkw, Wasser- und/oder Luftfahrzeug) vorgeschlagen, welches einen elektrischen Energiespeicher gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Die Kavitäten können auch direkt in eine Rohkarosserie eingesetzt werden. Auf diese Weise können auch die weiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile des ersten Erfindungsaspektes derart ersichtlich und in entsprechender Weise verwirklichen, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, dass keine doppelwandigen Strukturen zwischen zwei Kavitäten erforderlich sind, wie sie bei im Stand der Technik bekannten elektrochemischen Energiespeichern üblich sind, da vorgefertigte Zellen (gefertigt als Massenware) in mitunter mehreren Stufen zusammengesetzten Modulen als Traktionsenergiespeicherverbund Verwendung finden. Die Verwendung von Blechen als elektrische Verbindung zwischen zwei Kavitäten der Gehäuseanordnung kann eine größere Anbindungsfläche für die galvanische Verknüpfung zweier Jelly-Rolls bereitstellen. Dies unterstützt eine automatische elektrische Verbindung. Durch die erfindungsgemäße Parzellierung der Elektrolyt-Volumina (Kavitäten) wird eine maximale Spannung durch den Elektrolyt von z.B. 5 V niemals überschritten, sofern z.B. Lithium-Ionen und/oder Lithium-Polymer-Zellen verwendet werden.
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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 eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Fortbewegungsmittels;
- 2 eine geschnittene Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten elektrischen Energiespeichers mit serieller und paralleler elektrischer Verbindung zueinander benachbarter Kavitäten;
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten elektrischen Energiespeichers mit Varianten bezüglich der Füllung mit Jelly-Rolls; und
- 4 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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1 zeigt einen elektrisch antreibbaren Pkw als Fortbewegungsmittel 10, welcher über eine elektrische Traktionsmaschine 13 verfügt. Die elektrische Traktionsmaschine 13 wird über eine Leistungselektronik 12 aus einem elektrischen Traktionsenergiespeicher als elektrischer Energiespeicher 1 versorgt. Der Aufbau und die Vorteile des erfindungsgemäß ausgestalteten elektrischen Energiespeichers 1 werden in Verbindung mit den 2 und 3 im Detail erläutert.
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2 zeigt eine geschnittene Draufsicht auf einen elektrischen Energiespeicher 1, welcher in den zwei obersten Zeilen einer Gehäuseanordnung Kavitäten 3 identischer Abmessungen aufweist, wobei jeweils zwei Kavitäten 3 über eingeschweißte Kupferbleche als elektrische Verbindungen 7 elektrisch verbunden sind. Die Kavitäten sind mit einem Elektrolyt 4 und zumindest jeweils zwei Elektroden 5a, 5b gefüllt, wobei jede Elektrode 5a, 5b innerhalb einer Kavität mit zueinander zunächst elektrisch isolierten elektrischen Verbindungen 7 galvanisch verbunden ist. In der untersten Zeile weist die Gehäuseanordnung 2 zwei unterschiedlich große Kavitäten 3 auf. Diese können zwei unterschiedlich große Jelly-Rolls und/oder unterschiedliche Anzahlen von Jelly-Rolls beherbergen. Die Wandung 6 der Gehäuseanordnung 2 besteht aus einem Spritzgusskunststoff. Durch die Anzahl der Jelly-Rolls und die Zellchemie ist die über den äußeren Anschlüssen 8, 9 anliegende elektrische Spannung des elektrischen Energiespeichers 1 definiert.
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3 zeigt unterschiedliche Ausgestaltungen innerhalb eines elektrischen Energiespeichers 1, in dessen oberster Zeile zwei Kavitäten 3 jeweils zwei Jelly-Rolls umfassen, welche zueinander parallel geschaltet sind und somit eine erhöhte Stromstärke bereitstellen können. In der obersten Zeile rechts ist eine vergrößerte Kavität 3 angeordnet, welche eine größere Anzahl Jelly-Rolls bzw. Elektroden 5a, 5b beherbergen könnte, sofern diese hinreichend gegen mechanische Einflüsse gesichert werden. In der mittleren Zeile sind entsprechend 2 fünf in Reihe geschaltete Jelly-Rolls angeordnet. Diese sind über Kupfereinlagen in Fenstern der Wandungen 6 elektrisch miteinander verbunden. In der untersten Zeile sind zwei Jelly-Rolls in zwei unmittelbar zueinander benachbarten Kavitäten 3 angeordnet. Die elektrische Verbindung zwischen den Jelly-Rolls ist einstückig, indem eine zweite Elektrode 5b in eine durchgehende Nut 11 in der Wandung 6 zwischen den beiden Kavitäten 3 eingelegt ist. Durch Klebstoff oder Verschweißen ist anschließend eine fluiddichte Trennung der zueinander unmittelbar benachbarten Kavitäten 3 sichergestellt worden. Diese Fertigungsweise verzichtet auf separate elektrische Verbindungen in Form von Blechen oder anderweitigen Einlagen, erfordert jedoch ggf. einen erhöhten Aufwand beim Erstellen der Zellwickel (Jelly-Rolls), da diese mehrteilig einstückig gefertigt werden müssen.
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4 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines elektrischen Energiespeichers gemäß dem ersten Erfindungsaspekt. Der elektrische Energiespeicher kann als Traktionsbatterie ausgestaltet sein und mindestens 400 V oder mindestens 800 V oder eine noch höhere Spannungslage aufweisen. In Schritt 100 wird die Gehäuseanordnung mit einer Vielzahl Kavitäten bereitgestellt, die zueinander getrennte Kavitäten für die Aufnahme von Elektroden aufweist. In Schritt 200 werden erste und zweite Elektroden in eine erste Kavität und in eine zweite Kavität der Gehäuseanordnung eingesetzt. In Schritt 300 wird die elektrische Verbindung zwischen der ersten Kavität und der zweiten Kavität bzw. zwischen einer in der ersten Kavität angeordneten ersten Elektrode und einer zweiten, in der zweiten Kavität angeordneten Elektrode hergestellt. Hierzu können die Elektroden mit einem Einlageblech, welches Bestandteil einer Wandung der Gehäuseanordnung ist, verschweißt oder verlötet werden. Anschließend wird in Schritt 400 die Vielzahl Kavitäten mit einem Elektrolyt befüllt, um die jeweiligen Zellen elektrochemisch zu aktivieren. Nun ergibt sich über außenliegende elektrische Anschlüsse des elektrochemischen Energiespeichers eine durch die Zellchemie und die Anzahl der Jelly-Rolls definierte elektrische Nennspannung, welche zum Antrieb elektrischer Fahrzeuge dient.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- elektrischer Energiespeicher
- 2
- Gehäuseanordnung
- 3
- Kavität
- 4
- Elektrolyt
- 5a, 5b
- Elektroden
- 6
- Wandung
- 7
- elektrische Verbindung
- 8, 9
- elektrischer Anschluss
- 10
- Fortbewegungsmittel
- 11
- Nut
- 12
- Leistungselektronik
- 13
- Traktionsmaschine
- 100 - 400
- Verfahrensschritte
