DE112008000341B4 - Befestigung von Energiespeicherzellen in einem Gehäuse - Google Patents
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Abstract
Energiespeicher (1) für elektrische Energie, bestehend unter anderem aus einem Gehäuse (2), mehreren in dem Gehäuse (2) angebrachten und befestigten Energiespeicherzellen (3), wobei jede Energiespeicherzelle (3) aus mindestens einem allseitig von einer flexiblen Hausung (4) umschlossenen Elektrodenpaar besteht, wobei die flexible Hausung (4) an mindestens einer Seite der Energiespeicherzelle (3) durch eine Naht dicht verschlossen ist, wodurch eine an das Elektrodenpaar angrenzende Einfassung (5) entsteht,die Energiespeicherzellen (3) im Gehäuse (2) befestigt werden durch Einklemmen von mindestens einer Einfassung (5) zwischen zwei Gehäusemodulen (6), wobei die Energiespeicherzellen (3) durch obere und untere Gehäusezwischenlagen (7) voneinander getrennt sind,die Gehäusezwischenlagen (7) Kühlmittelkanäle (8) aufweisen, und die Gehäusezwischenlagen (7) aus einem flexiblen Verguss gebildet sind.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher gemäß Anspruch 1.
- Hybridantriebe für Kraftfahrzeuge weisen neben einer Verbrennungskraftmaschine eine elektrische Maschine in Verbindung mit mindestens einem Energiespeicher auf. Der wiederaufladbare Energiespeicher hat hauptsächlich die Aufgabe, durch Rekuperation mit einer elektromotorischen Bremse gewonnene elektrische Energie aufzunehmen, die Energie zu speichern und diese - über die elektrische Maschine - zur Unterstützung des Verbrennungsmotors oder des Bordnetzes in geeigneter Form zurückzuführen.
- Als Energiespeicher können verschiedene Technologien verwendet werden, beispielsweise Bleibatterien, Kondensatoren, Nickel-Metallhydrid-Batterien oder Lithium-Ionen-Batterien. Um einerseits ausreichend Energie zu speichern und andererseits kurzzeitig hohe Energiemengen abgeben zu können, sind entsprechend hohe Systemspannungen erforderlich, welche nur durch serielle Schaltungen vieler Einzelzellen erreicht werden können.
- Während Bleibatterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien nur mit einem massiven Gehäuse betrieben werden können, sind für Lithium-lonen-Zellen sowohl starre Gehäuse aus Metall oder Kunststoff als auch flexible Hausungen z.B. aus mehrschichtigen Aluminium-Verbundfolien bekannt. Besondere Vorteile von Energiespeicherzellen mit flexiblen Hausungen sind das geringe Verpackungsgewicht, eine gewisse äußere Flexibilität der gesamten Zelle sowie die Möglichkeit, im Inneren entstehende Gasmengen durch Ausdehnung der Folie reversibel auszugleichen.
- Aus der deutschen Auslegeschrift
DE 1 154 845 A ist eine derartige Energiespeicherzelle mit flexibler Hausung bekannt. Das Elektrodenpaket ist dort von einer gas- und flüssigkeitsdichten elastischen Kunststoffhülle umschlossen, die von den Stromanschlüssen abgedichtet durchsetzt ist, wobei der Innenraum der Hülle nur wenig größer als das Elektrodenpaketvolumen ist. Mehrere solcher flachen Energiespeicherzellen können mit ihrer Außenfläche aneinander liegend zu Zellenpaketen vereinigt und elektrisch hintereinander geschaltet werden. Die Öffnungen der das Elektrodenpaar umgebenden Kunststoffhülle werden gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen, indem diese verschweißt werden. Die Schweißnaht bringt eine relativ breite Einfassung mit sich, um den Dichtigkeitsanforderungen zu genügen. - Anders als in Anwendungen für mobile Kommunikationstechnik müssen Lithium-Ionen-Batterien für Hybridfahrzeuge eine bedeutend längere Lebensdauer erfüllen. Um das Eindringen von Wasser über die seitlichen Schweißnähte der Verbundfolie in diesem Zeitraum zu vermeiden, sind bedeutend breitere Schweißnähte erforderlich. Allgemein wird je Jahr Lebensdauer 1 mm Schweißnahtbreite angenommen. Somit ist für die Lebensdauerforderungen von zumindest 10 Jahren eine Schweißnahtbreite von zumindest 10 mm erforderlich.
- In bisherigen Konstruktionen werden die Schweißnähte in verschiedenen Formen abgekantet, einfach gefaltet oder gar mehrfach gefaltet. Dies erfordert nachteilige zusätzliche Arbeitsschritte in der Zellfertigung und führt besonders an den Ecken der Energiespeicherzelle zu mechanischem Streß in den mehrschichtigen Verbundfolien. Außerdem wird ein räumlich nicht klar definierter seitlicher Rand geschaffen.
- Um solche prismatische Energiespeicherzellen mit flexibler Hausung fest in ein Gehäuse zu integrieren, werden diese in Plastikschalen eingelegt und durch Klebeverbindungen oder Klebebänder fixiert. Da aber nicht abschätzbar ist, wie sich die Klebeverbindungen über die Lebensdauer des Energiespeichers verhalten - sowohl von der Klebefestigkeit als auch von der chemischen Reaktion mit der Verbundfolie bzw. dem Gehäuse - ist es wünschenswert auf eine Klebeverbindung zu verzichten.
- In der
WO 2006 135 008 A1 ist eine elektrische Speichereinrichtung gezeigt, bei der eine Mehrzahl von Pouchzellen über Abstandshalter zueinander beanstandet angeordnet sind, und ein Kühlmedium zwischen die benachbarten Pouchzellen strömen kann. - In der
JP 2005 302 501 A US 2006 0 234 119 A1 , und derJP 2004 103 258 A - Aus der
US 2005 0 042 511 A1 ist ein Batteriemodul bekannt, bei dem eine Pouchzelle zwischen einem Bodenteil und einem Deckelteil verspannt wird, wobei ein Gummieinlegeteil zwischen der Pouchzelle und dem Bodenteil bzw. der Pouchzelle und dem Deckelteil angeordnet sein kann. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Energiespeicherzellen schonend zu fixieren und effektiv kühlen zu können.
- Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sieht vor, dass die Energiespeicherzellen im Gehäuse befestigt werden durch Einklemmen von mindestens einer Einfassung zwischen Gehäuseteilen.
- Dies hat den Vorteil, dass auf das allgemein übliche Falten der Schweißnähte verzichtet werden kann. Dadurch können zusätzliche Arbeitsschritte entfallen und die die Elektroden umschließende Verbundfolie wird einem geringeren mechanischen Streß ausgesetzt, was ihrer Funktionszuverlässigkeit zu Gute kommt. Außerdem kann auf Klebeverbindungen der Energiespeicherzellen zur Befestigung im Gehäuse verzichtet werden. Dadurch besteht nicht mehr die Gefahr, dass sich Klebeverbindungen über die Betriebsdauer lösen oder chemisch mit der Verbundfolie der Energiespeicherzellen reagieren. Dies dient wiederum der Erhöhung der Zuverlässigkeit des gesamten Energiespeichers. Des weiteren wird durch die erfindungsgemäße Lösung eine Bewegung der Zellen im Gehäuse ausreichend verhindert.
- Erfindungsgemäß sind die Energiespeicherzellen durch Gehäusezwischenlagen voneinander getrennt. Diese schützen die flexible Hausung der Energiespeicherzellen vor mechanischer Beschädigung und vermeiden bei hoher Belastung Durchschlagsspannungen. Außerdem können die zwischen den Energiespeicherzellen befindlichen Gehäusezwischenlagen die auf die Energiespeicherzellen wirkende mechanische Belastung, beispielsweise Vibrationen, durch zusätzliche Halterung bzw. Stützung verringern. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in die Gehäusezwischenlagen Kühlkanäle für eine Luft- oder Flüssigkeitskühlung eingebracht sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gehäusezwischenlagen selbst aus einem flexiblen Verguss hergestellt sind, was bei Zellen, die eine geringe Zellatmung aufweisen, hinsichtlich Ausdehungsvermögen ausreichend ist.
- Das Gehäuse ist vorzugsweise modular aufgebaut, d.h. es besteht aus mehreren Gehäusemodulen, welche übereinander oder nebeneinander angeordnet und miteinander verbunden werden bzw. verbunden sind.
- Vorzugsweise liegen die Gehäusemodule vor dem Zusammenbau vereinzelt vor, d.h. sie sind voneinander getrennt. Das Einklemmen der Einfassung der Energiespeicherzellen zwischen den Gehäusemodulen erfolgt dann vorzugsweise durch die Verbindungsfläche zwischen den einzelnen Modulen, welche durch geeignete Mittel gegeneinander vorgespannt sind.
- Es ist aber auch denkbar, dass das Gehäuse aus Modulen besteht, welche flexibel miteinander verbunden sind, beispielsweise durch angespritzte Scharniere. Das Einklemmen der Einfassungen der Energiespeicherzellen erfolgt in diesem Fall ebenfalls zumindest teilweise durch die aufeinander liegenden Flächen benachbarter Gehäusemodule.
- Die Einfassungen der Energiespeicherzellen sind durch die Klemmung vorzugsweise kraftschlüssig zwischen zwei Gehäusemodulen befestigt. Die kraftschlüssige Klemmung beruht auf die Einfassung wirkende Anpresskraft zweier Gehäusemodule und die Reibzahl zwischen Einfassung und Gehäusemoduloberfläche. Eine kraftschlüssige Klemmung wird für die Befestigung der Energiespeicherzellen im Gehäuse als ausreichend betrachtet; über die Parameter Anpresskraft und Reibzahl lässt sich diese in ausreichendem Maße an die Anforderungen anpassen. Eine kraftschlüssige Befestigung hat den Vorteil, dass die Einfassungen nicht verformt werden und somit die Stabilität und Funktion der flexiblen Hausung, welche vorzugsweise durch eine Verbundfolie gebildet wird, kaum beeinträchtigt werden.
- Mit dieser Art der Befestigung wird auch eine Besonderheit jeder Lithium-Ionen-Zelle - der Veränderung der Elektrodendicke während der Prozesse Laden und Entladen der Zelle (Zellatmung) - Rechnung getragen. Eine Zellatmung ist ungehindert möglich, da der seitliche Kraftschluss keinen Druck auf die Zelloberfläche verursacht.
- Alternativ ist auch eine formschlüssige Befestigung, eventuell gepaart mit einer kraftschlüssigen Befestigung der Einfassungen zwischen den Gehäusemodulen möglich. Diese beeinträchtigt die Stabilität und Funktion der Einfassungen jedoch weit mehr als bei einer rein kraftschlüssigen Befestigung.
- Vorzugsweise weisen die zwischen den Modulen des Gehäuses befestigten Einfassungen keine elektrischen Ableiter auf. Diese würden die Klemmung der angrenzenden Einfassung vermindern.
- Denkbar ist, jedoch nicht Teil der Erfindung, dass die Energiespeicherzellen ohne massive Gehäusezwischenlagen im Gehäuse befestigt sein können. In diesem Fall sind die Energiespeicherzellen vorzugsweise durch Stabilisatoren getrennt, welche durch deren kompressiblen Eigenschaften bedingt eine Zellatmung erlauben. Die Stabilisatoren sind vorzugsweise so angeordnet, dass diese Kühlmittelkanäle zwischen den Energiespeicherzellen bilden. Diese Kühlmittelkanäle sind vor allem zur Durchführung von Luft geeignet; grundsätzlich ist aber auch eine Durchführung von Kühlflüssigkeit denkbar.
- Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen.
- Es zeigen:
-
1 Gehäusemodul mit eingelegter Energiespeicherzelle -
2 Energiespeicher aus mehreren Gehäusemodulen mit Gehäusezwischenlage -
3 Nicht erfindungsgemäßer Energiespeicher aus mehreren Gehäusemodulen ohne Gehäusezwischenlage -
1 zeigt ein Gehäusemodul (6) eines Gehäuses (2) für einen Energiespeicher (1). In dieses Gehäusemodul (6) ist eine Energiespeicherzelle (3) eingelegt, welche von einer flexiblen Hausung (4) umschlossen ist. Die flexible Hausung (4) besteht aus einer Verbundfolien, vorzugsweise aus einer Aluminium-Verbundfolie, und umgibt die Elektrodenpaare der Energiespeicherzelle (3) dicht anliegend. Die offenen Enden der Hausung (4) sind durch eine in den Figuren nicht gezeigte Naht miteinander dicht verbunden, so dass die Elektrodenpaare von der Umgebung abgeschirmt sind. Die Naht kann durch verschiedene Methoden hergestellt sein; beispielsweise durch Verschweißen, Verkleben, Nähen, Verrändeln (mechanisches ineinander Eingreifen der Folienpaare) oder deren Kombination miteinander. Da die Naht vor allem bei Energiespeichern mit langer Lebensdauer sehr breit ausgeführt werden muss um die Dichtigkeit über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten, entsteht durch die Naht eine recht breite Einfassung (5). Nach Einlegen der Energiespeicherzelle (3) in ein Gehäusemodul (6) erstrecken sich zumindest Teile der Einfassung (5) der Energiespeicherzelle bis in die Verbindungsflächen der einzelnen Gehäusemodule (6). Nach Aufsetzen und Befestigen eines anderen Gehäusemoduls (6) auf das Gehäusemodul (6) mit der eingelegten Energiespeicherzelle (3) werden somit die in die Verbindungsflächen reichenden Einfassungen (5) zwischen den beiden Gehäusemodulen (6) eingeklemmt. -
2 zeigt einen Energiespeicher (1), welcher aus den in1 beschriebenen Gehäusemodulen (6) mit eingelegter Energiespeicherzelle (3) besteht. Die Gehäusemodule (6) sind je nach gewünschter Spannung des Energiespeichers in einer bestimmten Anzahl übereinander angeordnet und befestigt. Die Gehäusemodule aus2 weisen Gehäusezwischenlagen (7) zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen (3) auf. Diese Gehäusezwischenlagen (7) schützen die flexible Hausung (4) der Energiespeicherzellen (3) zusätzlich vor schädigenden Einflüssen wie beispielsweise Vibrationen, da die Abstützung der Energiespeicherzellen (3) durch die Gehäusezwischenlagen (7) zusätzlich verbessert ist. Die Gehäusezwischenlagen (7) weisen Kühlmittelkanäle (8) auf, mittels derer die Energiespeicherzellen (3) gekühlt werden können. -
3 zeigt einen Energiespeicher (1) wie in2 beschrieben, mit dem Unterschied, dass dieser keine Gehäusezwischenlagen (7) zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen (3) aufweist und somit nicht erfindungsgemäß ist. Der Abstand zwischen den Energiespeicherzellen (3) wird hier durch Stabilisatoren (9) gewährleistet (siehe1 ), welche zwischen den Energiespeicherzellen (3) angebracht sind. Die Stabilisatoren (9) bestehen aus einem kompressiblen Material, wodurch weiterhin die bereits beschriebene Zellatmung der Energiespeicherzellen (3) gewährleistet wird. Die Stabilisatoren (9) sind derart zwischen den Energiespeicherzellen (3) angebracht, dass zwischen den Stabilisatoren (9) Kühlmittelkanäle (10) gebildet werden. Dies ermöglicht eine Kühlung der Energiespeicherzellen (3) mittels Kühlluft, aber auch eine Flüssigkeitskühlung ist denkbar.
Claims (4)
- Energiespeicher (1) für elektrische Energie, bestehend unter anderem aus einem Gehäuse (2), mehreren in dem Gehäuse (2) angebrachten und befestigten Energiespeicherzellen (3), wobei jede Energiespeicherzelle (3) aus mindestens einem allseitig von einer flexiblen Hausung (4) umschlossenen Elektrodenpaar besteht, wobei die flexible Hausung (4) an mindestens einer Seite der Energiespeicherzelle (3) durch eine Naht dicht verschlossen ist, wodurch eine an das Elektrodenpaar angrenzende Einfassung (5) entsteht, die Energiespeicherzellen (3) im Gehäuse (2) befestigt werden durch Einklemmen von mindestens einer Einfassung (5) zwischen zwei Gehäusemodulen (6), wobei die Energiespeicherzellen (3) durch obere und untere Gehäusezwischenlagen (7) voneinander getrennt sind, die Gehäusezwischenlagen (7) Kühlmittelkanäle (8) aufweisen, und die Gehäusezwischenlagen (7) aus einem flexiblen Verguss gebildet sind.
- Energiespeicher (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung (5) zwischen zwei Gehäusemodulen (6) kraftschlüssig eingeklemmt ist. - Energiespeicher (1) nach einem der
Ansprüche 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Gehäusemodulen (6) eingeklemmten Einfassungen (5) keine elektrischen Ableiter aufweisen. - Energiespeicher nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzellen (3) Lithium-Ionen-Zellen sind.
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