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Hintergrund der Erfindung
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Das Gebiet der Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrochemische Energiespeichervorrichtungen und insbesondere auf elektrische Doppelschichtkondensatorvorrichtungen (EDLC = electric double layer capacitor).
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In elektrischen Systemen machen es sekundäre Stromquellen möglich, elektrische Leistung für einen externen elektrischen Schaltkreis zu akkumulieren, zu speichern und freizugeben. Unter diesen sekundären Quellen sind herkömmliche Batterien, herkömmliche Kondensatoren und elektrochemische Kondensatoren. Bekannte Vorrichtungen dieser Art weisen Energiespeicherelemente in Gehäusen auf, die mit Elektrolyt gefüllt sind, und Anschlüsse zum Verbinden des Energiespeicherelementes mit einer elektrischen Schaltung. Bei der Herstellung von solchen Vorrichtungen kann das Einrichten von elektrischen Verbindungen zu den Energiespeicherelementen in einigen Aspekten problematisch sein, und Verbesserungen sind erwünscht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nicht einschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile in den verschiedenen Zeichnungen beziehen, außer wenn dies anders dargelegt wird.
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung.
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2 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Stromkollektors mit flexiblem Kontakt für die in 1 gezeigte elektrochemische Energiespeichervorrichtung.
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3 ist eine perspektivische Ansicht der Montage des in 1 gezeigten Stromkollektors, der mit einer Speicherzelle gekoppelt ist und in dem Gehäuse der in 1 gezeigten elektrochemischen Energiespeichervorrichtung montiert wird.
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4 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Stromkollektors und einer Speicherzellenanordnung für die in 1 gezeigte elektrochemische Energiespeichervorrichtung.
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5 zeigt die Anordnung der 4, wie sie in dem Gehäuse der in 1 gezeigten elektrochemischen Energiespeichervorrichtung installiert ist.
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6 ist eine perspektivische Endansicht der in 5 gezeigten Anordnung, wobei das Gehäuse entfernt ist.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Moderne elektrochemische Energiespeichervorrichtungen, einschließlich EDLC-Vorrichtungen bzw. elektrischer Doppelschichtkondensatoren (EDLC = electric double layer capacitor), jedoch nicht auf diese eingeschränkt, weisen im Allgemeinen ein Gehäuse auf, welches manchmal als Becher bezeichnet wird, und mindestens eine Energiespeicherzelle in dem Becher. Anschlüsse sind ebenfalls vorgesehen, um die Energiespeicherzelle der Vorrichtung mit einer externen elektrischen Schaltung zu verbinden.
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Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) verwenden zwei Elektroden mit großer Oberfläche und speichern Energie in einem elektrostatischen Feld zwischen Ionen in einer Elektrolytlösung und Elektronen auf der Oberfläche der Elektroden. Wegen der elektrostatischen Natur der Elektroden können EDLCs sehr schnell geladen und entladen werden. Typischerweise ist der begrenzende Faktor bei den Lade/Entladeraten und der Effizienz der EDLCs die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden zu den positiven und negativen Anschlüssen der Vorrichtung. Es sind nicht nur einerseits solche elektrischen Verbindungen schwierig einzurichten, sie haben auch tendenziell einen relativ hohen Widerstand, der tendenziell dem Gleichstromwiderstand (DCR = Direct Current Resistance) der EDLC-Vorrichtung vergrößert. Ein höherer Gleichstromwiderstand beeinflusst negativ die Leistung der EDLC-Vorrichtung, wobei das Verringern des Gleichstromwiderstandes solcher Vorrichtungen erwünscht ist, jedoch herkömmlicher Weise schwierig in zuverlässiger und effektiver Weise zu erreichen gewesen ist.
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Bei gewissen Arten von EDLC-Vorrichtungen sind die positiven und negativen Elektroden der Speicherzelle gemeinsam zu einer geschichteten zylindrischen Packung gewickelt, was oft als jelly roll bzw. Wickelkörper bezeichnet wird, die auch Trennelemente aufweist, um eine oder mehrere Energiespeicherzellen in einer kompakten Packung vorzusehen. Der Wickelkörper wird mit einem Gehäuse montiert, welches manchmal in der Technik als Becher bezeichnet wird, und der Wickelkörper wird dann mit einer Elektrolytlösung in dem Gehäuse für die Anwendung imprägniert. Ein oder mehrere Stromkollektoren sind auch vorgesehen, um eine elektrische Verbindung zwischen den positiven und negativen Elektroden des Wickelkörpers und den positiven und negativen Anschlüssen der Vorrichtung einzurichten, die Schaltungsverbindungen zu einer externen elektrischen Schaltung vorsehen.
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Bei einer bekannten EDLC-Konstruktion können die positiven oder negativen Anschlüsse der EDLC-Vorrichtung mit Ansätzen von Verbinderplatten verbunden sein, die wiederum mit einer oder mehreren der jeweiligen positiven oder negativen Elektroden des Wickelkörpers verbunden sind. Bei den EDLC-Vorrichtungen dieser Art ist eine Vielzahl von Anschluss- bzw. Verbinderansätzen typischerweise durch Kaltschweißen in die Form der Elektrode angeschlossen, oder diese sind direkt in die Form der Elektrode geschnitten. Ein oder mehrere Verbinderansätze können für jede jeweilige positive oder negative Elektrode in dem Wickelkörper vorgesehen sein. Die Verbinderansätze sind typischerweise relativ zum Wickelkörper in der gleichen Richtung orientiert, um eine Verbindung zu den positiven oder negativen Anschlüssen der EDLC-Vorrichtung einfach zu machen. Das Montieren der Verbinderansätze in der ordnungsgemäßen Form und das Einrichten von Verbindungen zu den Elektroden ist jedoch eine schwierige Aufgabe und kann eine relativ komplizierte und teure Konstruktion der EDLC-Vorrichtung zur Folge haben. Diese Art von Konstruktion hat auch bei fertiggestellten Vorrichtungen tendenziell einen vergrößerten Gleichstromwiderstand anstatt einem verringerten.
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Alternativ und in anderen bekannten EDLC-Konstruktionen kann der Wickelkörper versetzte Elektroden bzw. Offset-Elektroden aufweisen, so dass eine blanke Metallfläche an jedem Ende des Wickelkörpers freigelegt ist, um jedes jeweilige Ende einer Elektrode freizulegen. Die freigelegte Metallfläche kann gequetscht werden, um eine flache Oberfläche am Ende des Wickelkörpers zu erzeugen, die dann über einen bekannten Laserschweißvorgang in einem Beispiel mit einer flachen Kollektorplatte verbunden werden kann. Nach dem Anschweißen an dem Wickelkörper ist die Verbinderplatte dann, in einem Beispiel über einen bekannten Laserschweißvorgang – gemeinsam mit dem Becher des EDLC anstatt durch den Becher oder durch die Rückseite des Bechers verbunden. Das Schweißen des Stromkollektors an den Becher macht den Becher zu einem der Stromkollektoren in der Vorrichtung. Diese Konstruktion ist in einigen Aspekten einfacher als die oben beschriebene Verbinderlaschenkonstruktion, und sie kann Vorrichtungen mit verringertem Gleichstromwiderstand vorsehen, ist jedoch nicht ohne ihre Nachteile.
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Insbesondere kann das Laserschweißen der Kollektorplatte an den Becher ein Schritt sein, der bei der Herstellung schwierig zuverlässig zu vollenden ist. Wenn die Schweißnaht Fehler hat oder defekt ist, kann sich die Kollektorplatte vollständig oder teilweise von dem Becher trennen und Probleme mit der Zuverlässigkeit und Leistungsveränderungen bei fertiggestellten Vorrichtungen mit sich bringen. Fehlerhafte oder defekte Schweißnähte können auch eine Leerstelle in der fertiggestellten Vorrichtung erzeugen, durch welche Luft in die Vorrichtung kommen kann oder aus der Elektrolyt entweichen kann, was auch Probleme mit der Zuverlässigkeit und mit Leistungsvariationen bei den fertiggestellten Vorrichtungen mit sich bringt. Das Laserschweißen einer Stromkollektorplatte direkt an den Becher ist auch potentiell problematisch, wenn die fertiggestellte Vorrichtung Schwingungen oder Stößen im Gebrauch unterworfen ist, da eine sonst akzeptable Schweißnaht durch den Stoß und die Schwingungen beeinträchtigt werden kann, während die Vorrichtung arbeitet. Die Vorrichtung und die damit in Zusammenhang stehende Schaltung kann negativ beeinträchtigt werden, falls und wenn dies auftritt.
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Es werden im Folgenden beispielhafte Ausführungsformen von elektrochemischen Energiespeichervorrichtungen beschrieben, welche diese und andere Nachteile in der Technik überwinden. Insbesondere werden beispielhafte Ausführungsformen von elektrochemischen Energiespeichervorrichtungen beschrieben, welche EDLC-Vorrichtungen mit einschließen, jedoch nicht notwendiger Weise darauf eingeschränkt sind, welche vergleichsweise einfach in kostengünstiger Weise hergestellt werden können, während das Schweißen der Kollektorplatte an der Innenseite der Vorrichtung an den äußeren Becher der Vorrichtung und die damit einhergehenden Nachteile vermieden werden. Verfahrensaspekte werden teilweise ausdrücklich besprochen und sind teilweise aus der Beschreibung unten offensichtlich. Während die unten beschriebenen Konzepte in Zusammenhang mit einer EDLC-Vorrichtung beschrieben werden, können sie auch auf andere Arten von Energiespeichervorrichtungen angewendet werden, was Batterievorrichtungen mit einschließt, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist.
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1–3 veranschaulichen zusammen eine beispielhafte Ausführungsform einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung 100, die ein Gehäuse 102 und mindestens ein Energiespeicherelement 104 (3) in dem Gehäuse aufweist. Wenn das Gehäuse 102 mit einem Elektrolyt gefüllt ist, um die Speicherzelle 104 zu imprägnieren, ist die Speicherzelle 104 betreibbar, um elektrische Energie aus einer externen elektrischen Schaltung zu speichern und elektrische Energie an diese freizugeben. Die Vorrichtung 100 weist auch eine Kappe 106 auf, die mit dem Gehäuse 102 verbunden ist, und die Kappe 106 weist erste und zweite Metallanschlussansätze 108 und 110 auf.
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Das Gehäuse 102 ist in dem abgebildeten Beispiel ein im Allgemeinen langgestrecktes zylindrisches Element mit einem ersten Ende 112, einem zweiten Ende 114 gegenüberliegend zum ersten Ende 112 und mit einer zylindrischen Seitenwand 116, die sich zwischen dem ersten Ende 112 und dem zweiten Ende 114 erstreckt. Das erste Ende 112 ist im Allgemeinen flach und eben, und das zweite Ende 114 ist an der Kappe 106 angebracht. Die Seitenwand 116 zwischen den ersten und zweiten Enden 112, 114 ist im Allgemeinen rund im Querschnitt und hat einen konstanten Durchmesser für den größten Teil der axialen Länge gemessen zwischen den ersten und zweiten Enden 112, 114. Das Gehäuse 102 weist einen eingeschränkten bzw. eingeschnittenen Abschnitt 118 auf, wo die Seitenwand 116 verformt ist, um eine Verbindung der Kappe 116 und die Abdichtung der Speicherzelle 104 zu ermöglichen. Die Speicherzelle 104, so wie sie in 3 gezeigt ist, erstreckt sich in einen Aufnahmeraum 120 in dem Gehäuse 102, der zwischen dem ersten Ende 112 des Gehäuses, der Seitenwand 116 und dem eingestauchten Abschnitt 118 definiert ist. Das Gehäuse 102 kann in den beispielhaften Ausführungsformen aus Metall geformt sein, wie in beispielhaften Ausführungsformen aus Stahl oder Aluminium, und zwar unter Verwendung von bekannten Techniken. Das Gehäuse 102 wird oft als Becher bezeichnet. In in Betracht gezogenen Ausführungsformen ist der Becher 102 aus Metall hergestellt, was in bekannter Weise Stahl oder Aluminium aufweist, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist.
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In einem in Betracht gezogenen Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 100 eine EDLC-Vorrichtung, die manchmal als Superkondensator bezeichnet wird, die beispielsweise eine spezifische Kapazität von mehr als 100 F/g hat, und zwar im Gegensatz zu herkömmlichen Kondensatoren mit einer spezifischen Kapazität in der Größenordnung von nur mehreren F/g. Superkondensatoren werden in einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen verwendet, wie beispielsweise bei der Speicherunterstützung bzw. beim Speicher-Backup, um kurze Leitungsunterbrechungen zu überbrücken, bei Batteriemanagement-Anwendungen, um die Stromhandhabung einer Batterie zu verbessern, oder um einen Stromstoß bei hohen Lastanforderungen zu liefern.
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Die mindestens eine Speicherzelle 104 der EDLC-Vorrichtung 100 ist in dem Aufnahmeraum 120 gelegen, der durch das Gehäuse 102 definiert wird. Wenn die Vorrichtung 100 hergestellt wird, wird die Speicherzelle 104 mit einem Elektrolyt gefüllt, und die Speicherzelle 104 weist zumindest eine positive Elektrode (Kathode), zumindest eine negative Elektrode (Anode) und ein Trennelement auf, wie beispielsweise eine Membran, die den Anodenraum vom Kathodenraum trennt. In einer in Betracht gezogenen Ausführungsform weist die Wickelkörperspeicherzelle 104 versetzte Elektroden auf, die zusammengedrückt werden können, um eine flache Oberfläche an einem Ende davon zu erzeugen.
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Die Speicherzelle 104, welche die positiven und negativen Elektroden aufweist, kann als im Allgemeinen rohrförmige oder zylindrische Wickelkörperpackung mit mehreren Schichten vorgesehen werden, die eine einzige Zelle oder mehrere Zellen definieren. Es ist klar, dass ein Wickelkörper alternativ in anderen Formen und Konfigurationen vorgesehen sein kann, was gefaltete Konfigurationen und Akkordeon- bzw. Zick-Zack-Formen mit einschließt, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist. Ein Stromkollektor 130 in den 2 und 3 kann für die Wickelkörperspeicherzelle vorgesehen sein, um die Anode(n) und die Elektrode(n) der Speicherzelle(n) 104 mit dem Gehäuse 102 zu verbinden. Der Stromkollektor 130 steht mechanisch und elektrisch in Verbindung mit dem unteren Ende 112 und einem Teil der Seitenwand 116, wie unten beschrieben, um in zuverlässiger Weise eine elektrische Verbindung mit dem Gehäuse 102 einzurichten, ohne eine lasergeschweißte Verbindung erzeugen zu müssen, während auch ein niedriger elektrischer Widerstand und ein verringerter Gleichstromwiderstand im Vergleich zu herkömmlichen EDLC-Vorrichtungskonstruktionen aufrechterhalten wird.
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Die Metallanschlussansätze 108, 110 der Kappe 106 sehen eine jeweilige elektrische Verbindung zwischen der Anode (den Anoden), der Speicherzelle (den Speicherzellen) 104 und der Kathode (den Kathoden) der Energiespeicherzelle(n) und der elektrischen Schaltung vor. Es ist jedoch erkennbar, dass verschiedene andere Arten und Konfigurationen von Schaltungsverbindungsanschlüssen bekannt sind und genauso in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden können.
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Der Aufbau und der Betrieb der Speicherzelle 104 in dem Gehäuse 102 der EDLC-Vorrichtung 100 ist wohl bekannt und wird hier nicht weiter detailliert dargestellt.
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Nun mit Bezug auf die 2 und 3 ist ein beispielhafter Stromkollektor 130 veranschaulicht, der wesentliche Vorteile für die Konstruktion und Herstellung der Vorrichtung 100 vorsieht. Der Stromkollektor 130 ist aus einem flexiblen Metallmaterial hergestellt und er weist, wie in 2 gezeigt, einen mittigen Körper 132 und eine Vielzahl von langgestreckten, flexiblen Verbinderelementen 134 auf, die sich von dem Körper 132 nach außen erstrecken.
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In dem gezeigten Beispiel ist der Körper 132 im Allgemeinen rund und die Verbinderelemente 134 erstrecken sich von dem Außenumfang des Körpers 132 als langgestreckte rechteckige Materialstreifen nach außen. Der Körper 132 hat einen Durchmesser von ungefähr gleich einem unteren Ende des Wickelkörpers 104, wie in 3 gezeigt, und die Verbinderelemente 134 können von dem Körper 102 von einer ersten Position, die mit dem Körper 130 koplanar ist, zu einer zweiten in 3 gezeigten Position nach oben gefaltet oder gebogen werden, in welcher die Verbinderelemente 134 aus der Ebene des Körpers 130 herausgebogen sind und sich entlang der Außenfläche 106 des Wickelkörpers 104 erstrecken, jedoch in einem Winkel dazu angeordnet.
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Die Verbinderelemente 134, wie sie in den 2 und 3 gezeigt sind, erstrecken sich schräg von dem Außenumfang des Körpers 130 und sie erstrecken sich insbesondere nicht radial oder senkrecht von dem kreisförmigen Außenumfang des Körpers 130. Wie in 3 gezeigt, erstrecken sich somit die Verbinderelemente in einem zusammengesetzten bzw. verbundenen schrägen Winkel relativ zur Längsachse 138 des Wickelkörpers 104, wenn die Kollektorplatte 130 an dem Wickelkörper 104 montiert ist und die Verbinderelemente 134 aus der Ebene des Körpers 132 herausgebogen sind. Das heißt, die Verbinderelemente 134 erstrecken sich in einem ersten schrägen Winkel relativ zur Außenfläche 136 in einer vertikalen Richtung, und sie erstrecken sich auch in einem zweiten schrägen Winkel in einer horizontalen Richtung, wie in 3 gezeigt. Als solches, und wenn die Verbinderelemente 134 gebogen sind, erstrecken sich die Verbinderelemente 134 entlang der Außenfläche 136 des Wickelkörpers mit allmählich zunehmenden vertikalen und horizontalen Distanzen von der Außenfläche 136 von dem proximalen bzw. nahegelegenen Ende von jedem Verbinderelement 134, wo es mit dem Umfang des Körpers 132 verbunden ist, zum distalen bzw. ferngelegenen Ende von jedem Verbinderelement 134. Während die gezeigte beispielhafte Ausführungsform zwanzig Verbinderelemente 134 aufweist, wird in Betracht gezogen, dass in anderen Ausführungsbeispielen mehr oder weniger Verbinderelemente 134 verwendet werden können.
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Der Stromkollektor 130, und insbesondere der Körper 132 des Stromkollektors 130, kann an die flache Oberfläche des Wickelkörpers 104, der die in 3 gezeigten umgeformten Offset- bzw. Versetzungselektroden hat, lasergeschweißt werden. Die Verbinderelemente 134 können aus der Ebene des Körpers 132 herausgebogen werden, bevor oder nachdem das Laserschweißen an die flache Oberfläche des Wickelkörpers 104 abgeführt wird. Trotzdem, und wie in 3 gezeigt, kann der Wickelkörper 104 einschließlich des Stromkollektors 130 in das Gehäuse 102 als eine Baugruppe eingeführt werden. Beim Einführen wird es idealerweise eine enge Passung zwischen dem Innendurchmesser des Gehäuses 102 und den Außenfläche der Verbinderelemente 134 geben. Der Körper 132 des Stromkollektors 130 ist in Oberflächeneingriff oder in Kontakt mit dem Ende 122 des Gehäuses 112 angeordnet, wobei die Verbinderelemente 134 in Oberflächeneingriff mit oder in Kontakt mit dem Innendurchmesser der Gehäuseseitenwand 116 angeordnet sind. Die mehreren Kontaktpunkte über die Verbinderelemente 134 und den Körper 132 stellen eine elektrische Verbindung zwischen dem Gehäuse 102 und dem Wickelkörper 104 mit verringertem elektrischem Widerstand her. Weil die Verbinderelemente 134 abgewinkelt sind, wie beschrieben, wird ein elektrischer Kontakt mit dem Gehäuse 102 über eine Vielzahl von dünnen scharfen Kanten der Verbinderelemente 134 mit einem vergleichsweise niedrigen elektrischen Widerstand und ein verringerter Gleichstromwiderstand der fertiggestellten Komponenten 100 ermöglicht.
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Ein weiterer Vorteil des Kollektors 130 ist, dass die Leiterelemente 134 eine steifere Unterstützung zwischen dem Wickelkörper 104 und dem Vorrichtungsgehäuse 102 vorsehen. Die Verbinderelemente 134 halten den Wickelkörper 104 fest am Platz, und zwar auch in Betriebsumgebungen, in denen wahrscheinlich Stöße und Vibrationen auftreten. Die zusätzliche strukturelle Unterstützung der Verbinderelemente 134 verhindert einen Schaden an dem Wickelkörper 104, der sonst in gewissen Betriebsumgebungen auftreten kann, oder der die lasergeschweißte Verbindung zwischen dem Wickelkörper 104 und dem Kollektorkörper 132 beeinträchtigen kann. Weiterhin ist in der Praxis ein guter elektrischer Kontakt zwischen dem Gehäuse 102 und dem Stromkollektor 130 auch in Anwesenheit von starken Schwingungen garantiert, da die Flexibilität der Verbinderelemente den Verbinderelementen 134 gestattet, sich relativ zum Gehäuse 102 zu bewegen, ohne einen elektrischen Kontakt mit dem Gehäuse 102 zu verlieren.
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Die Vorrichtung 100 ermöglicht durch den Kollektor 130 die Herstellung einer besonders zuverlässigen EDLC-Vorrichtung 100 unter Verwendung einer relativ kleinen Anzahl von Komponenten, genauso wie sie die Anzahl der Laserschweißschritte verringert, die zur Herstellung der Vorrichtung 100 notwendig sind, was wiederum Kosten und Abfall aufgrund von fehlerhaft geschweißten Vorrichtungen oder Probleme mit der Zuverlässigkeit von fertiggestellten Vorrichtungen im Gebrauch verringert. Als solches bietet die Vorrichtung 100 sowohl Vorteile bei der Herstellung als auch bezüglich der Leistung im Vergleich zu einer herkömmlichen EDLC-Vorrichtungskonstruktion.
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Wie weiter in 3 gezeigt, kann der Kollektorkörper 132 mit ein oder mehreren Durchbrüchen oder Öffnungen 140 ausgebildet sein, die durch die gegenüberliegenden Hauptflächen des Körpers 132 geformt sind. Die Öffnungen 140 ermöglichen einen Fluss von Elektrolyt in dem Wickelkörper 104, wenn die Vorrichtung 100 hergestellt wird. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind sechs Öffnungen 140 als ein Muster in dem Körper 132 ausgebildet, wobei jede der Öffnungen 140 eine dreieckige Keilform hat, die sich von der Mitte des runden Körpers 132 radial nach außen erstreckt. Es wird jedoch erkennbar sein, dass größere oder geringere Zahlen von Öffnungen 140 genauso in dem Körper 132 ausgebildet werden können, und dass die Öffnungen 140 andere Formen haben können und/oder in einem anderen Muster angeordnet sein können als in 2 gezeigt ist. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Öffnungen 140 in einigen Ausführungsformen als optional angesehen werden und weggelassen werden können.
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Der Kollektor 130 kann aus einem dünnen ebenen Blatt aus leitendem Metall gemacht werden, was Aluminium oder Stahl mit einschließt, jedoch nicht notwendigerweise darauf eingeschränkt ist, und zwar bekannter Weise unter Verwendung von Stanztechniken oder anderen in der Technik bekannten Techniken. Mehrere solcher Kollektoren 130 können aus einem großen Flächenelement aus leitendem Material hergestellt sein. Die Kollektoren 130 können dann zur Montage mit dem Wickelkörper 104 und dem Gehäuse 102 vorgesehen werden, wie beschrieben, um die Vorrichtung 100 herzustellen.
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Während eine beispielhafte Geometrie des vorliegenden Kollektors 130 veranschaulicht wird, sind viele alternative Geometrien möglich, wobei zumindest einige der beschriebenen Vorteile verwirklicht werden.
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Die 4–6 veranschaulichen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines flexiblen Stromkollektors 150, der verwendet werden kann, um die Vorrichtung 100 herzustellen. Der Kollektor 150, wie er in den 4–6 gezeigt ist, weist einen Körper 152 und eine Vielzahl von Kollektorelementen 154 auf, die sich von dem Körper 152 erstrecken. Der Körper 152 kann an das flache Ende des Wickelkörpers 104 geschweißt sein, welches die zusammengedrückten Elektroden aufweist, und die Verbinderelemente 154 können aus der Ebene des Körpers 152 gebogen werden, so dass sie sich entlang der Außenfläche 136 des Wickelkörpers 104 erstrecken.
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Anders als die Verbinderelemente 134 (2 und 3) erstrecken sich die Verbinderelemente 154 entlang der Außenfläche 136 des Wickelkörpers 104 in einer Weise parallel zur Längsachse 138 des Wickelkörpers 134, wenn der Kollektor 150 an dem Winkelkörper 104 geschweißt wird und die Kollektor/Wickelkörper-Anordnung in das Gehäuse 102 eingeführt wird. 5 veranschaulicht die Kollektorelemente 154, wie sie sich axial in dem Gehäuse 102 in einer Weise parallel zur Längsachse des Gehäuses 102 erstrecken. Bevor die Kollektorelemente 134 so geformt werden, dass sie sich aus der Ebene des Körpers 102 erstrecken, erstrecken sich die Kollektorelemente 154 im Wesentlichen radial vom Außenumfang des runden Körpers 152. In der eingebauten Position, wie in 5 gezeigt, erstrecken sich die Kollektorelemente 154 im Wesentlichen senkrecht zum Kollektorkörper 152.
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Wie in 6 gezeigt, kann ein Muster von Öffnungen durch den Kollektorkörper 152 geformt werden. Während ein solches Muster veranschaulicht wird, können in anderen Ausführungsformen andere verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann das Öffnungsmuster als optional angesehen werden und weggelassen werden.
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Außer den erwähnten Unterschieden sind die Vorteile des Kollektors 150 ähnlich wie die Vorteile des Kollektors 130.
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In den in Betracht gezogenen Ausführungsbeispielen werden die Kollektoren 130, 150 in der Vorrichtung 100 verwendet, um die elektrische Verbindung mit dem negativen Anschluss 110 der Vorrichtung 100 zu vollenden. In anderen Ausführungsbeispielen können die Kollektoren 130, 150 eine elektrische Verbindung mit dem positiven Anschluss 108 herstellen.
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Als eine Demonstration der Vorteile bei der Leistung der beschriebenen Vorrichtung 100 wurden 6 EDLC-Vorrichtungen unter Verwendung eines Stromkollektors 130 oder 150 mit flexiblem elektrischen Kontakt gebaut, der mit einem negativen Anschluss eines Wickelkörpers assoziiert ist. Der Stromkollektor wurde an den Wickelkörper lasergeschweißt und dann in den Becher gepresst. Die verwendeten Stromkollektoren wiesen einen Körper mit ungefähr 25 mm Durchmesser auf, wobei die Kollektorelemente sich von dem Außenumfang des Körpers für ungefähr zusätzliche 20 mm nach außen erstrecken, um die innere Seitenwand des Bechers zu berühren, wenn sie darin eingeführt werden.
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Sobald sie zusammengebaut wurden, wurden die Energiespeicherzellen in den Wickelkörpern für eine vorgeschriebene Zeit (beispielsweise ungefähr 1 Stunde bei diesen Beispielen) auf eine volle Spannung aufgeladen (beispielsweise ungefähr 2,7 Volt in diesen Beispielen), und sie wurden dann mit ungefähr 20 Ampere entladen. Auslesungen bezüglich des Gleichstromwiderstandes wurden bei der Entladung aufgenommen. Die Kapazität wurde zwischen 80 und 40% voller Spannung gemessen. Die Ergebnisse für Vorrichtungen mit dem Stromkollektor mit flexiblem Kontakt, wie hier beschrieben (als vorliegende Erfindung bezeichnet) sind unten in Tabelle 1 aufgelistet, und zwar mit Vergleichsdaten für herkömmlich aufgebaute EDLC-Vorrichtungen unter Verwendung von Kollektorelementen, die an den Becher der Vorrichtung geschweißt wurden (als Stand der Technik bezeichnet). Tabelle 1
| | Vorliegende Erfindung | Stand der Technik |
| Zelle Nr. | Gleichstromwiderstand
(mOhm) | Kapazität
(F) | Gleichstromwiderstand
(mOhm) | Kapazität
(F) |
| 1 | 1,04 | 369 | 1,59 | 390 |
| 2 | 1,24 | 366 | 1,83 | 373 |
| 3 | 1,21 | 358 | 1,68 | 393 |
| 4 | 0,97 | 368 | 1,93 | 374 |
| 5 | 1,02 | 388 | 1,59 | 391 |
| 6 | 0,94 | 367 | - | - |
| Durchschnitt | 1,07 | 369,33 | 1,724 | 384,2 |
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Man sieht aus Tabelle 1, dass die vorliegende Erfindung dem Stand der Technik überlegen ist. Eine Verringerung des Gleichstromwiderstands von ungefähr 38% wird für die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung gezeigt, während vergleichbare Kapazität wie bei den herkömmlichen EDLC-Vorrichtungen des Standes der Technik vorgesehen wird.
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Die Errungenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Konzepte werden im Hinblick auf die offenbarten beispielhaften Ausführungsformen als offensichtlich angesehen.
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Ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung ist offenbart worden. Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung weist ein Gehäuse auf, weiter zumindest ein Energiespeicherelement in dem Gehäuse und einen Stromkollektor mit flexiblem Kontakt, der einen Körper und eine Vielzahl von Verbinderelementen aufweist, die sich von dem Körper nach außen erstrecken.
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Der Körper stellt einen elektrischen Kontakt mit dem mindestens einen Energiespeicherelement her und die Vielzahl von Verbinderelementen stellt einen elektrischen Kontakt mit dem Gehäuse her.
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Optional kann das Energiespeicherelement einen Wickelkörper aufweisen, und der Wickelkörper kann ein flaches Ende haben. Der Körper des Stromkollektors mit flexiblem Kontakt kann an das flache Ende geschweißt sein. Der Körper kann auch einen Außenumfang haben, und die Vielzahl von Verbinderelementen kann sich von dem Außenumfang nach außen erstrecken. Die Verbinderelemente können in einem Winkel angeordnet sein.
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Das Energiespeicherelement kann eine Seitenfläche aufweisen, und die Vielzahl von Verbinderelementen kann sich entlang der Seitenfläche erstrecken. Das Energiespeicherelement kann eine Längsachse haben und die Vielzahl von Verbinderelementen kann sich parallel zur Längsachse erstrecken. Alternativ kann sich die Vielzahl von Verbinderelementen schräg zur Längsachsen erstrecken. Die Verbinderelemente erstrecken sich als im Allgemeinen langgestreckte rechteckige Streifen. Der Körper des Stromkollektors mit flexiblem Kontakt kann mit mindestens einer Öffnung ausgebildet sein.
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Das Gehäuse kann einen Metallbecher aufweisen, der aus Stahl oder Aluminium hergestellt ist. Eine Kappe kann an dem Gehäuse angebracht sein. Ein Anschluss kann zur Verbindung der Speicherzelle mit einem externen elektrischen Stromkreis vorgesehen sein, und der Stromkollektor mit flexiblem Kontakt kann eine Verbindung zu dem Anschluss herstellen. Der Anschluss kann ein negativer Anschluss der Vorrichtung sein. Die Vorrichtung kann eine elektrische Doppelschichtkondensatorvorrichtung sein (EDLC-Vorrichtung).
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung ist offenbart worden. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einer Seitenwand zwischen den ersten und zweiten Enden auf. Zumindest ein Energiespeicherelement ist in dem Gehäuse und liegt innerhalb der Seitenwand. Ein Stromkollektor mit flexiblem Kontakt weist einen Körper und eine Vielzahl von Verbinderelementen auf, die sich von dem Körper nach außen erstrecken, wobei der Körper den elektrischen Kontakt mit dem mindestens einen Energiespeicherelement herstellt, und wobei die Vielzahl von Verbinderelementen einen elektrischen Kontakt mit der Seitenwand des Gehäuses herstellen.
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Optional kann das Energiespeicherelement einen Wickelkörper aufweisen. Das Gehäuse kann einen Metallbecher aufweisen. Der Wickelkörper kann ein flaches Ende aufweisen, wobei der Körper des Kollektorelementes an dem flachen Ende angebracht ist. Der Körper des Stromkollektors mit flexiblem Kontakt kann an das flache Ende geschweißt sein. Der Körper kann einen Außenumfang haben und die Vielzahl von Verbinderelementen kann sich von dem Außenumfang nach außen erstrecken. Das Energiespeicherelement kann eine Seitenfläche haben und die Vielzahl von Verbinderelementen kann sich entlang der Seitenfläche erstrecken. Das Energiespeicherelement kann eine Längsachse haben und die Vielzahl von Verbinderelementen kann sich parallel zur Längsachse erstrecken oder kann sich schräg zur Längsachse erstrecken. Die Verbinderelemente können sich als im Allgemeinen langgestreckte rechteckige Streifen erstrecken. Der Körper kann mit mindestens einer Öffnung ausgebildet sein und die Vorrichtung ist eine elektrische Doppelschichtkondensatorvorrichtung (EDLC-Vorrichtung).
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung ist offenbart worden, welches Folgendes aufweist. Ein Metallgehäuse mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einer Seitenwand, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Enden erstreckt, wobei das erste Ende und die Seitenwand zusammen einen Aufnahmeraum definieren; wobei zumindest ein Energiespeicherelement in dem Aufnahmeraum ist, wobei das Energiespeicherelement einen Wickelkörper mit einem flachen Ende aufweist; wobei ein Stromkollektor mit flexiblem Kontakt an dem flachen Ende angebracht ist und zahlreiche elektrische Kontaktpunkte mit der Seitenwand des Gehäuses herstellt, ohne das eine Schweißverbindung zwischen dem Stromkollektor und dem Gehäuse vorgesehen ist.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung zu offenbaren, wobei der beste Weg dabei eingeschlossen ist, und auch um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung praktisch auszuführen, was die Herstellung und Anwendung irgendwelcher Vorrichtungen und Systeme und die Ausführung irgendwelcher hier vorgesehenen Verfahren mit einschließt. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert, und dies kann weitere Beispiele mit einschließen, die sich dem Fachmann erschließen. Solche anderen Beispiele sollen innerhalb des Umfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente haben, die nicht vom Wortlaut der Ansprüche abweichen, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Abweichungen vom Wortlaut der Ansprüche aufweisen.
