DE102022124042A1 - Elektrischer Energiespeicher mit Druckbehälter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher (1) für ein Kraftfahrzeug aufweisend:- zumindest einen Zellstapel (3) aus aneinander gestapelten, miteinander verschalteten prismatischen Speicherzellen (4);- eine Verspanneinrichtung (8) zum Verspannen des zumindest einen Zellstapels (3) durch Aufbringen eines vorbestimmten Mindestdrucks (pmin) auf eine Mantelfläche (9) von Zellgehäusen (10) der Speicherzellen (4), wobei die Verspanneinrichtung (8) einen Druckbehälter (11) aufweist, in welchem der zumindest eine Zellstapel (3) angeordnet ist und welcher mit einem, zumindest dem vorbestimmten Mindestdruck (pmin) entsprechenden Innendruck (pInnen) zum Verspannen des zumindest einen Zellstapels (3) beaufschlagt ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug aufweisend zumindest einen Zellstapel aus aneinander gestapelten, miteinander verschalteten prismatischen Speicherzellen und eine Verspanneinrichtung zum Verspannen des zumindest einen Zellstapels durch Aufbringen eines vorbestimmten Mindestdrucks auf eine Mantelfläche von Zellgehäusen der Speicherzellen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.
- Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher für Kraftfahrzeuge. Solche elektrischen Energiespeicher werden insbesondere als Traktionsbatterien für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt. Elektrische Energiespeicher weisen üblicherweise eine Vielzahl von Speicherzellen auf, welche im Falle von prismatischen Zellen zu Zellstapeln gestapelt und miteinander verschaltet sind. Insbesondere bei Speicherzellen in Form von Festkörperzellen ist es notwendig, den Zellstapel so zu verspannen, dass ein Mindestdruck auf eine Mantelfläche der Speicherzellen wirkt, um eine gleichmäßige Abscheidung von beispielsweise Lithium oder Silizium auf der Anode der Speicherzellen zu gewährleisten. Dieser Mindestdruck soll möglichst gleichmäßig bzw. homogen auf die Mantelfläche der Speicherzellen verteilt werden. Bei Speicherzellen in Form von Flüssigelektrolytzellen sind hierzu üblicherweise Verspanneinrichtungen vorgesehen, welche beispielsweise als Zellmodulrahmen mit zwei Druckplatten und zwei Zugankern ausgebildet sein können. Dazu sind die Druckplatten an zwei einander gegenüberliegenden Stirnseiten eines Zellstapels angeordnet und mittels der Zuganker auf Zug verbunden. Solche herkömmlichen Verspanneinrichtungen können jedoch die Anforderungen von Festkörperzellen nicht oder nur unzureichend erfüllen.
- Außerdem erfahren die Speicherzellen eine betriebsbedingte Volumenänderung, welche einen hohen Druckaufbau im Zellstapel verursacht. Ferner sind Festkörperzellen bei höheren Betriebstemperaturen betreibbar. Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der
DE 10 2016 212 732 A1 ist hierzu ein Batteriemodul mit einem Festkörperzellenstapel bekannt. Der Festkörperzellenstapel umfasst entlang einer Stapelrichtung gestapelte elektrochemische Festkörperzellen, von welchen jede Festkörperzelle ein elastisch verformbares Ausgleichselement umfasst, welches eine Volumenänderung des Festkörperzellenstapels entlang der Stapelrichtung zumindest teilweise ausgleicht. Das Ausgleichselement ist aus einem wärmeleitfähigen Material hergestellt. - Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Verspanneinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welche insbesondere für Festkörperzellen geeignet ist.
- 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 Figur.
- Ein erfindungsgemäßer elektrischer Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug umfasst zumindest einen Zellstapel aus aneinander gestapelten, miteinander verschalteten prismatischen Speicherzellen, welche vorzugsweise als Festkörperzellen bzw. Feststoffzellen ausgebildet sind. Außerdem umfasst der elektrische Energiespeicher eine Verspanneinrichtung zum Verspannen des zumindest einen Zellstapels durch Aufbringen eines vorbestimmten Mindestdrucks auf eine Mantelfläche von Zellgehäusen der Speicherzellen. Die Verspanneinrichtung weist einen Druckbehälter auf, in welchem der zumindest eine Zellstapel angeordnet ist und welcher mit einem, zumindest dem vorbestimmten Mindestdruck entsprechenden Innendruck zum Verspannen des zumindest einen Zellstapels beaufschlagt ist.
- Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere ein Hochvoltenergiespeicher und weist eine Vielzahl von miteinander verschalteten Zellmodulen mit jeweils zumindest einem Zellstapel auf. Jeder Zellstapel weist mehrere Speicherzellen bzw. Batteriezellen auf, welche entlang einer Stapelrichtung zu dem Zellstapel gestapelt sind. Die Stapelrichtung entspricht dabei insbesondere einer Längsrichtung des Zellstapels. Die Speicherzellen sind dabei insbesondere als Feststoffzellen ausgebildet, bei welchen Elektroden sowie der Elektrolyt aus festen Materialien bestehen. Die Speicherzellen sind prismatische Zellen und weisen jeweils ein flachquaderförmiges, insbesondere metallisches, Zellgehäuse auf. Zum Verschalten der Speicherzellen kann beispielsweise ein Zellkontaktiersystem an dem Zellstapel angeordnet sein.
- Zum Verpressen bzw. Verspannen des Zellstapels ist die Verspanneinrichtung vorgesehen. Diese bringt den vorbestimmten Mindestdruck auf die Mantelfläche der Zellgehäuse auf. Der Mindestdruck wird aufgebracht, indem eine erste, in Stapelrichtung orientierte Anpresskraft auf eine erste Stirnfläche des Zellstapels und eine zweite, entgegen der Stapelrichtung orientierte Anpresskraft auf eine gegenüberliegende zweite Stirnfläche des Zellstapels aufgebracht wird. Die Verspanneinrichtung weist zum Aufbringen der Anpresskräfte den Druckbehälter auf. Der Druckbehälter ist insbesondere als ein hermetisch abgedichtetes, Druck beaufschlagtes Gehäuse ausgebildet, in welchem der Zellstapel angeordnet ist. Insbesondere ist für jedes Zellmodul ein Druckbehälter vorgesehen, sodass der Druckbehälter zusätzlich ein Modulgehäuse des jeweiligen Zellmoduls ausbildet. Der in dem Druckbehälter herrschende Innendruck entspricht dabei zumindest dem Mindestdruck zum Verspannen des Zellstapels. Die Abdichtung des Druckbehälters kann beispielsweise über eine FSW-Schweißnaht (FSW = Friction Stir Welding = Rührreibschweißverfahren) erfolgen.
- Durch einen solchen Druckbehälter kann ein beliebig einstellbarer Druck auf die Speicherzellen aufgebracht werden, sodass eine mit einem Druckbehälter ausgebildete Verspanneinrichtung auch für Festkörperzellen geeignet ist.
- Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der Zellstapel zusätzlich elastisch verformbare Druckausgleichselemente aufweist, welche zum Aufnehmen von betriebsbedingten Volumenänderungen der Speicherzellen zwischen den Speicherzellen angeordnet sind. Solche Druckausgleichselemente können beispielsweise aus einem elastischen Material bestehen. Auch können die Druckausgleichselemente als fluidgefüllte bzw. pneumatische Element ausgebildet sein, welche zwischen den Speicherzellen verbaut werden. Im Falle eines fluidgefüllten Elementes kann das Fluid zudem in vorteilhafter Weise zur Zelltemperierung, beispielsweise zur Zwischenzellkühlung, eingesetzt werden. Ein als pneumatisches Element ausgebildetes Druckausgleichselement kann beispielsweise ein druckgeregeltes Luftkissen sein.
- Es kann vorgesehen sein, dass die Verspanneinrichtung zusätzlich zumindest zwei Druckplatten aufweist, welche an zwei axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Zellstapels angeordnet sind und dazu ausgelegt sind, den Mindestdruck homogen auf die Mantelfläche der Zellgehäuse der Speicherzellen zu verteilen. Es kann auch zusätzlich eine Zwischendruckplatte mittig im Zellstapel vorgesehen sein. Die Druckplatten sorgen für eine gleichmäßige Druckverteilung auf die Mantelflächen der Zellgehäuse. Auf Zuganker, welche üblicherweise an Seitenbereichen des Zellstapels, welche sich entlang der Längsrichtung erstrecken und sich in Querrichtung gegenüberliegende, kann verzichtet werden. So können die Seitenbereiche in vorteilhafter Weise beispielsweise für das Zellkontaktiersystem genutzt werden.
- Die Verspanneinrichtung kann beispielsweise starr ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass der Innendruck so gewählt ist, dass sich ein Abstand der Druckplatten bei einer Ausdehnung der Speicherzellen nicht ändert. Anders ausgedrückt ändert sich eine Länge des Zellstapels entlang der Stapelrichtung nicht. So kann auf ein aufwändiges, flexibles Zellkontaktiersystem verzichtet werden. In diesem Fall sind insbesondere die Druckausgleichselemente zwischen den Speicherzellen vorgesehen. Auch kann die Verspanneinrichtung flexibel ausgebildet sein und die Volumenänderung der Speicherzellen durch Längenänderung des Zellstapels aufnehmen. In diesem Fall sind die Druckplatten beweglich in dem Druckbehälter gelagert und können somit ihre Position zum Ermöglichen der Zellausdehnung ändern.
- Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher. Der elektrische Energiespeicher ist als eine wiederaufladbare Traktionsbatterie bzw. ein Traktionsakkumulator für das Kraftfahrzeug ausgebildet.
- 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 Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur allein 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 Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur
1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Energiespeichers 1. - Der elektrische Energiespeicher 1 dient zum Bereitstellen von elektrischer Energie für eine elektrische Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs. Der elektrische Energiespeicher 1 weist hier ein Zellmodul 2 auf, welches einen Zellstapel 3 aus entlang einer Stapelrichtung S gestapelten prismatischen Speicherzellen 4 umfasst. Die Speicherzellen 4 sind insbesondere Festelektrolytzellen bzw. Festkörperzellen. In Querrichtung Q quer zur Stapelrichtung S ist ein Zellkontaktiersystem 5 an Seitenbereichen 6 des Zellstapels 3, an welchen hier auch Zellpole 7 der Speicherzellen 4 angeordnet sind, zum Verschalten der Speicherzellen 4 angeordnet.
- Zum Verspannen des Zellstapels 3 weist das Zellmodul 2 eine Verspanneinrichtung 8 auf, welche dazu ausgelegt ist, einen Mindestdruck pmin auf Mantelflächen 9 von Zellgehäusen 10 der Speicherzellen 4 aufzubringen. Die Verspanneinrichtung 8 umfasst einen Druckbehälter 11, welcher mit einem Innendruck pInnen beaufschlagt ist und in welchem der Zellstapel 3 angeordnet ist. Der im Inneren des Druckbehälters 11 herrschende Innendruck pInnen entspricht dabei dem Mindestdruck pmin. Der Druckbehälter 11 ist abgedichtet und bildet ein Modulgehäuse des Zellmoduls 2.
- Die Verspanneinrichtung 8 weist außerdem drei Druckplatten 12 auf, von welchen hier zwei Druckplatten 12 an gegenüberliegenden Stirnseiten des Zellstapels 3 sowie eine Druckplatte 12 mittig im Zellstapel 3 angeordnet sind und den Innendruck pInnen gleichmäßig auf die Mantelflächen 9 verteilen. Diese Druckplatten 12 können im Falle einer starren Verspanneinrichtung 8 durch den Innendruck pInnen an Ort und Stelle gehalten werden, auch wenn die Speicherzellen 4 sich im Betrieb ausdehnen. Zum Aufnehmen der betriebsbedingten Ausdehnung können beispielsweise hier nicht gezeigte, elastisch verformbare Ausgleichselemente zwischen den Speicherzellen 4 angeordnet sein. Im Falle einer beweglichen Verspanneinrichtung 8 kann der Innendruck pInnen so eingestellt sein, dass er geringer ist als ein ausdehnungsbedingter Druckaufbau der Speicherzellen 4. So können sich die Druckplatten 12 zum Aufnehmen der Zellausdehnung bewegen und der Zellstapel 3 erfährt eine ausdehnungsbedingte Längenänderung.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016212732 A1 [0003]
Claims (6)
- Elektrischer Energiespeicher (1) für ein Kraftfahrzeug aufweisend: - zumindest einen Zellstapel (3) aus aneinander gestapelten, miteinander verschalteten prismatischen Speicherzellen (4); - eine Verspanneinrichtung (8) zum Verspannen des zumindest einen Zellstapels (3) durch Aufbringen eines vorbestimmten Mindestdrucks (pmin) auf eine Mantelfläche (9) von Zellgehäusen (10) der Speicherzellen (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Verspanneinrichtung (8) einen Druckbehälter (11) aufweist, in welchem der zumindest eine Zellstapel (3) angeordnet ist und welcher mit einem, zumindest dem vorbestimmten Mindestdruck (pmin) entsprechenden Innendruck (pInnen) zum Verspannen des zumindest einen Zellstapels (3) beaufschlagt ist.
- Elektrischer Energiespeicher (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (4) als Festkörperzellen ausgebildet sind. - Elektrischer Energiespeicher (1) nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Zellstapel (3) zusätzlich elastisch verformbare Druckausgleichselemente aufweist, welche zum Aufnehmen von betriebsbedingten Volumenänderungen der Speicherzellen (4) zwischen den Speicherzellen (4) angeordnet sind. - Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verspanneinrichtung (8) zusätzlich zumindest zwei Druckplatten (12) aufweist, welche an zwei axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Zellstapels (3) angeordnet sind und dazu ausgelegt sind, den Innendruck (pInnen) homogen auf die Mantelfläche (9) der Zellgehäuse (10) der Speicherzellen (4) zu verteilen.
- Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (1) mehrere, miteinander verschaltete Zellmodule (2) mit jeweils zumindest einem Zellstapel (3) und jeweils einem Druckbehälter (11) aufweist.
- Elektrifiziertes Kraftfahrzeug mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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