DE202018102692U1

DE202018102692U1 - Traktionsakkumulator, insbesondere mit kontaktgekühlten elektrochemischen Zellen wie Einzelzellen oder Kleinstzellen

Info

Publication number: DE202018102692U1
Application number: DE202018102692.5U
Authority: DE
Original assignee: Hofer Mechatronik GmbH
Current assignee: Hofer Powertrain Innovation GmbH
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2019-08-16
Anticipated expiration: 2028-05-15
Also published as: DE102019102964A1

Abstract

Traktionsakkumulator (1)
mit wenigstens einem Gehäuse (15),
in dem eine Anzahl elektrochemischer Zellen (5, 5^I, 5^II, 5^III, 5^IV, 5^V),
wie Lithium-Ionen-Zellen, z. B. Lithium-Zellen mit Mangan als eines der Elektrodenmaterialien,
parallel zueinander, d. h. in einer Orientierungsrichtung (47) unter Einhaltung achsparalleler Ausrichtung angeordnet sind,
wobei in einem Modul des wenigstens ein Modul umfassenden Traktionsakkumulators (1) ein Zellen (5, 5^I, 5^II, 5^III, 5^IV, 5^V) positionierendes und haltendes,
mehrteiliges
Füllstück (21) vorhanden ist,
wobei das Füllstück (21) in einem Inneren des Gehäuses (15) in einem Teil eines für ein durchströmendes Kühlfluid (41) bestimmten Kühlraums (35) in ausfüllender Weise und dadurch in einer ein Kühlfluidvolumen reduzierender Weise ortsfest vorhanden ist,
wobei eine erste Komponente (23) und eine zweite Komponente (23^I) des Füllstücks (21) durch ein lagehaltendes Brückenglied (43, 43^I, 43^II) zusammengehalten werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Brückenglied (43, 43^I, 43^II) ein wenigstens eine ringartige Einfassung umfassendes Stülp- oder Steckglied ist,
das sich in den Kühlraum (35) erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung behandelt ein Traktionsakkumulator, der in einem Kraftfahrzeug verbaut eine Schnellladefähigkeit aufweist, insbesondere unter Einsatz einer Kontaktkühlung, z. B. mittels eines Kühlfluids. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung behandelt einen Traktionsakkumulator nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommen, damit ein Traktionsakkumulator schnellladefähig wird, insbesondere durch Verwendung eines Kühlfluids für eine Kontaktkühlung.
Technisches Gebiet
Traktionsakkumulatoren sind solche Akkumulatoren, die dafür bestimmt sind, als Energiequellen in Fahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen wie Personenkraftwagen, eingebaut zu werden. Um die notwendige Menge elektrischer Energie in dem Traktionsakkumulator vorhalten zu können, die notwendig ist, damit ein Fahrzeug einen ausreichenden Bewegungs- und Fahrradius abdecken kann (auch als Reichweite bezeichnet), werden in der Regel eine Vielzahl elektrochemischer Einzelzellen zu größeren Paketen wie Modulen zusammengeschlossen. Hierbei werden die einzelnen Zellen, d. h. die Einzelzellen wahlweise in Serie oder auch parallel verschaltet. Häufig wird eine Kombination aus Zellsträngen mit mehreren in Serie verschalteten Einzelzellen miteinander parallel angeordnet zu Zellmodulen zusammengeschlossen. Dadurch ist es möglich, dass sowohl ein größerer elektrischer Strom als auch eine höhere elektrische Spannung als bei einer Einzelzelle aus einem Modul des Traktionsakkumulators gezogen werden kann bzw. zur Verfügung steht.
Aufgrund der Serienverschaltung von Einzelzellen sind solche Module aber ausfallgefährdet, sodass es verschiedene Ansätze gibt, das Ausfallrisiko, das konfigurationsabhängig sogar zu einem kompletten Stillstand des Fahrzeugs führen kann, zu verringern, z. B. durch flexiblere Umschaltsysteme wie jenes, das in der EP 2 394 328 B1 (Patentinhaberin: Robert Bosch GmbH; Patenterteilung: 26.02.2014) beschrieben wird, oder jenes, das in der US 8 400 012 B2 (Patentinhaberin: L-3 Communications Titan Corporation; Patenterteilung: 19.03.2013) beschrieben wird.
Die vorstehende Einführung, u. a. anhand von Vorveröffentlichungen, gilt als Teil der vorliegenden Erfindungsoffenbarung. Hierdurch sollen die zitierten Druckschriften als vollumfänglich in die Erfindungsbeschreibung inkorporiert gelten, um nicht die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Einzelzellen und Modulen von Akkumulatoren sowie die Zusammenhänge zwischen den Verschaltungsmöglichkeiten erneut vorstellen zu müssen, sondern anhand der bisherigen Texte auf diese Zusammenhänge zurückgreifen zu können.
Stand der Technik
Um den Modulen mit Einzelzellen die benötigte Ladeenergie in einer akzeptabel kurzen Zeit in Phasen der Wiederaufladung des Traktionsakkumulators liefern zu können, besteht eine bekannte Technik darin, auf den Leitungen zu den elektrochemischen Zellen große elektrische Ladeströme aufzuprägen und Verlustwärme, die an den Einzelzellen in einem Modul entsteht, d. h. die entstandene thermische Verlustenergie oberflächenflüssigkeitsgekühlt aus dem Modul durch Transport mit Hilfe von einer elektrisch nicht leitenden Kühlflüssigkeit auszubringen, z. B. mittels eines Wärmetauschers wie eines Kraftfahrzeugkühlers.
Eine Ursache für den Ausfall von Einzelzellen wird darin gesehen, dass bei einzelnen Zellen eines Moduls eine nicht ausreichende Kühlung bei einem, insbesondere wiederholten, Aufladen auftreten kann. Mit anderen Worten, der zugelassene Ladestrom ist zu hoch für die dimensionierte Kühlung jeder Zelle der Einzelzellen.
In den beiden deutschen Patentanmeldungen DE 10 2013 218 489 A1 (Anmelderin: Robert Bosch GmbH; Offenlegungstag: 19.03.2015) und DE 10 2015 201 580 A1 (Anmelderin: Robert Bosch GmbH; Offenlegungstag: 04.08.2016) werden Batteriezellen in einem Modulgehäuse beschrieben, das an einen Kühlkreislauf eines Kühlfluids angeschlossen ist. Eine mehrteilige Führungsstruktur in einem Innenraum des Gehäuses des Moduls dient als Rahmenkörper, der eine Stützstruktur mit Aussparungen ist. In die Aussparungen kann ein unterer Bereich der Batteriezellen (Einzelzellen) bei der Bestückung eingeführt werden. Die Konstruktion soll so gestaltet sein, dass die zu kühlenden Batteriezellen allseitig von Kühlfluid benetzt sind.
Werden die Druckschriften EP 3 096 372 A1 (Anmelderin: Kreisel Electric GmbH; Veröffentlichungstag: 23.11.2016) und WO 2017/067 923 A1 (Anmelderin: Kreisel Electric GmbH; Veröffentlichungstag: 27.04.2017), letztere auch als DE 10 2015 013 377 A1 veröffentlicht, gemeinsam betrachtet, weil sie in Teilen ein in geringen Stückzahlen gefertigtes Akkumulatormodul beschreiben, so ist diesen ein Batteriesystem mit Temperiereinrichtung zu entnehmen. Bei diesem Batteriesystem erstreckt sich ein quaderförmiger Hohlkörper unter Ausschluss des Zellkopfes und des Zellbodens über eine Höhe von mehr als 20 % und weniger als 100 % einer Gesamthöhe, um durch einen unmittelbaren, vollflächigen Kontakt einer jeden zylinderförmigen Batteriezelle des Batteriesystems mit einem temperierten Fluid das Batteriesystem aktiv innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs zu halten. Der quaderförmige Hohlkörper hat jeweils sieben Durchbrüche, wobei im zusammengebauten Zustand in jedem Durchbruch eine zylinderförmige Batteriezelle aufgenommen ist.
Die JP 2016 - 136 472 A (Anmelderin: Hitachi Chemical Co. Ltd.; Veröffentlichungstag: 28.07.2016) stellt ein luftgekühltes Lithium-Ionen-Akkumulator-Paket aus länglichen, zylinderförmigen Zellen vor, die alle eines gleichen Typs sein sollen und in einem gemeinsamen, mehrteiligen Gehäuse angeordnet sind. Diese sollen in drei parallel zu einander ausgerichteten Zellhaltern, die quer zu den Zellen verlaufen, in Lage gehalten werden. Durch das Gehäuse soll Luft durchströmen, die auf der einen, kürzeren Seite des Gehäuses durch Öffnungen eintreten kann und auf der gegenüberliegenden, ebenfalls kürzeren Seite des Gehäuses wieder austreten soll. Die Zellhalter wahren den Abstand zueinander durch parallel zu den Zylindermantelerstreckungen verlaufende Zellenluftführungselemente und durch ein Kabelführungselement. Die zylindrischen Lithium-Ionen-Zellen lagern somit nur auf relativ schmalen, rund den Zylindermänteln der Lithium-Ionen-Zellen nachgeformten Wänden. Gemäß dem Kühlprinzip, das in der JP 2016 - 136 472 A auf einer Luftkühlung basiert, soll möglichst viel Luft durch den Innenraum des Gehäuses des Akkumulator-Pakets durchleitbar sein. Daher ist es gerade im Bestreben des Designs der JP 2016-136 472 A , nur möglichst dünne, filigrane Stütz- und Positionierungselemente im Inneren des Gehäuses einzubauen.
Die zuvor genannten Druckschriften gelten mit ihrer Benennung als vollumfänglich in vorliegende Erfindungsbeschreibung inkorporiert. Hierdurch soll vermieden werden, nicht mehr erneut und wiederholt allgemein bekannte Zusammenhänge zwischen Kontaktkühlung, Kühlflüssigkeit, Temperierfluid und Zellanordnung zu erörtern, sondern durch Verweis auf die Druckschriften als ebenfalls definiert für vorliegende Erfindung ansehen zu dürfen.
Aufgabenstellung
Aus den aufgeführten Druckschriften kann ein Fachmann entnehmen, dass sich viele Entwickler von Batteriesystemen - wobei einige Ideen gleichermaßen auf Akkumulatorensysteme übertragbar sind - mit der Anordnung von Einzelzellen in Gehäusen auseinandersetzen, wobei sie das Ziel verfolgen, ein Modul zu schaffen, das kraftfahrzeugtauglich ist. Damit ein Akkumulatorensystem in einem Personenkraftfahrzeug eingebaut werden kann, muss es zahlreiche Anforderungen erfüllen können. Wichtige Aspekte hierbei sind

• eine ausreichende Schnellladefähigkeit,
• eine zufriedenstellende mechanische Stabilität,
• eine möglichst geringe elektrische Ausfallwahrscheinlichkeit und
• eine kostengünstige Herstellmöglichkeit.

Ein günstiges Arrangement eines Akkumulatormoduls sollte allen Aspekten auf die eine oder andere Weise gerecht werden, wobei einem Fachmann klar ist, dass nicht alle Anforderungen gleichermaßen vollständig erfüllbar sind. Eine Kunst eines Konstrukteurs liegt u. a. darin, geeignete Gewichtungen zwischen den Aspekten zu finden und trotzdem ein taugliches Design zu schaffen.
Erfindungsbeschreibung
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Traktionsakkumulator nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Traktionsakkumulatoren sind Akkumulatoren, die speziell dafür ausgelegt sind, als Energiequellen für Fahrzeuge genutzt werden zu können, sozusagen als On-board-Akkumulatoren. Traktionsakkumulatoren setzten sich häufig aus einer größeren Anzahl einzelner Akkumulatoren zusammen. Traktionsakkumulatoren haben häufig eine hohe Anzahl elektrochemischer Zellen. Die elektrochemischen Zellen werden vorteilhafterweise in einem Gehäuse zusammengehalten, das einen (gewissen) mechanischen Schutz bieten kann. Besonders geeignet erscheinen elektrochemische Zellen, die auf Lithium-Basis ihre elektrochemischen Reaktionen durchführen können, z. B. als Lithiumzellen, die eine Elektrode haben, die Mangan und/oder Kobalt umfasst (zu nennen wäre u. a. Li(NiCoMn)O₂).
Insbesondere motiviert durch Gründe wie dem Grund einer optimalen Gewichtsverteilung, einer guten Raumnutzung oder einer Ausfallunempfindlichkeit wird ein Traktionsakkumulator aus mehreren Modulen, häufig sogar aus gleichartigen Modulen, zusammengesetzt, die aber an verschiedenen Stellen im Fahrzeug, gelegentlich auch in verschiedenen Orientierungen, angeordnet werden. Mehrere Module bilden in einem solchen Fall den sich insgesamt zusammensetzenden Traktionsakkumulator. Der Traktionsakkumulator ist sozusagen ein Gesamtakkumulator, der sich aus mehreren, insbesondere modulartig geschaffenen, Einzelakkumulatoren zusammensetzt. Andere Fahrzeuge machen es z. B. aufgrund des in ihnen existierenden Bauraums erforderlich, dass nur ein einziger Akkumulator in dem Fahrzeug verbaut werden kann.
Mit dem Ziel, größere elektrische Energien zur Verfügung stellen zu können, sind in jedem, insbesondere modulartigen, Teil des Traktionsakkumulators mehrere elektrochemische Zellen vorhanden. Eine Orientierung einer elektrochemischen Zelle lässt sich von einer (gedachten) Verbindungslinie zwischen den Polen dieser einen elektrochemischen Zelle ableiten. Verläuft jene (gedachte) Linie in eine bestimmte Richtung und verläuft eine weitere, von einer zweiten elektrochemischen Zelle, insbesondere auf die gleiche Weise ermittelte, Linie parallel hierzu, d. h., hat die zweite elektrochemische Zelle einen gleichen Orientierungssinn oder eine gleiche Orientierungsrichtung, so kann auch gesagt werden, dass die elektrochemischen Zellen parallel zueinander angeordnet sind. Die elektrochemischen Zellen sind in dem sie umgebenden Gehäuse parallel zueinander platziert.
Damit die elektrochemische Zellen, insbesondere bei Erschütterungen, die bei Traktionsakkumulatoren regelmäßig auftreten können, ihre Orientierung behalten, bedarf es einer örtlichen Fixierung der elektrochemischen Zellen. Dies ist (u. a.) durch ein Füllstück herstellbar, das mehrere Zellen im Inneren eines Gehäuses des Traktionsakkumulators festhält.
Bis auf bewusste Einlässe und Auslässe ist das Gehäuse idealerweise flüssigkeitsdicht gestaltet. Das Füllstück füllt nicht den gesamten inneren Raum des Gehäuses auf, sondern belässt einen Kühlraum zwischen sich und den Oberflächen der elektrochemischen Zellen. In einem Gehäuse befindet sich das Füllstück, das idealerweise an Enden jeder elektrochemischen Zelle einen Fixierungspunkt schafft. In dem Fall, dass eine elektrochemische Zelle die Form einer zylindrischen Rundzelle hat, kann das Füllstück den Boden und den Kopf einer elektrochemischen Zelle umschließen. Das jeweils letzte Stückchen der elektrochemischen Zelle (z. B. jeweils die letzten 5 % der Länge der Zelle), d. h. der unterste Teil und der oberste Teil der zylindrischen Mantelfläche, reicht in das Füllstück hinein. Die Mantelfläche selbst ist aber so gestaltet und dafür ausgelegt, dass eine Oberflächenkühlung durch ein Kühlfluid stattfinden kann. Hierfür hat das Gehäuse in seinem Inneren, geschaffen durch das Füllstück, Kühlkanäle, Durchströmungsbereiche und Kühlräume. Ein das Gehäuse durchströmendes Kühlfluid kann thermische Energie aus dem Gehäuse austragen. Als geeignetes Kühlfluid kommt z. B. ein Fluid in Betracht, das mehr als 99 Volumensprozent Methoxynonafluorobutan bzw. Methoxyperfluorobutane aufweist.
Das Füllstück übernimmt mehrere Aufgaben. Zum einen hält es die einzelnen elektrochemischen Zellen im Inneren des Gehäuses in Lage. Zum anderen schafft das Füllstück Begrenzungen für einen - zumindest in Teilen - die elektrochemischen Zellen umgebenden Kühlraum. Das Füllstück kann so gestaltet sein, dass es zugleich mehrere Funktionen übernehmen kann. Das Füllstück stellt u. a. eine Begrenzung für den Kühlraum dar. Aufgrund des vorhandenen Füllstücks wird der (tatsächlich mit Kühlfluid befüllbare) Kühlraum reduziert.
Das Kühlstück, d. h. das Füllstück, ist mehrteilig realisiert. Das Füllstück hat somit eine erste Komponente und eine zweite Komponente. Zwischen den Komponenten des Füllstückes gibt es ein die einzelnen Komponenten überspannendes Brückenglied. Das Brückenglied ist lageerhaltend. Das Brückenglied hält die Komponenten in Lage. Es kann auch gesagt werden, das Brückenglied ist lagehaltend. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn das Brückenglied auch mindestens eine elektrochemische Zelle in Lage hält.
Anders gesagt, sorgt insbesondere auch das Brückenglied für eine Einhaltung der achsparallelen Ausrichtung in die Orientierungsrichtung einer elektrochemischen Zelle.
Das Brückenglied beansprucht einen Teil des Kühlraums. Das Brückenglied liegt im Inneren des Kühlraums und verdrängt an seiner eingenommenen Position das Kühlfluid. Außerdem hält es die einzelnen Komponenten zusammen. Das Brückenglied ist ein weiteres, das Volumen für das Kühlfluid reduzierendes Bauteil.
Die vorliegende Erfindung nutzt u. a. die Erkenntnis, dass bei einem durchströmten Gehäuse der Volumenstrom des Kühlfluids sehr gering eingestellt werden kann. Es muss nur sichergestellt werden, dass die auszutragende (Ab-)Wärme, d. h. die thermische Verlustenergie mit Hilfe des Kühlfluids aus dem Gehäuse ausgebracht werden kann. Bei einer Kontaktkühlung reicht es, wenn das Kühlfluid in Mindestmengen, z. B. als ein spaltfüllendes Kühlfluid eines Spaltes mit weniger als einem Millimeter um die zu kühlende Zelle herum, durch das Gehäuse des Traktionsakkumulators durchgeleitet wird.
Die Methode zur Positionierung und zugleich zur Kühlung von elektrochemischen Zellen eines Traktionsakkumulators greift unter anderem auf die Idee zurück, dass die elektrochemischen Zellen zwar durch Oberflächenkontaktkühlung kühlbar sind, jedoch das Kühlfluid möglichst in geringen Mengen (z. B. in einer Volumensmenge in einem ml-Bereich) neben den elektrochemischen Zellen vorhanden ist.
Durch ein zusätzliches Brückenglied lässt sich der Kühlraum weiter reduzieren. Zugleich dient das Brückenglied als Positionierungshilfe für die Komponenten bzw. das Füllstück. Genauso dient es als Fixierungspunkt für die gehaltene elektrochemische Zelle bzw. - in dem Fall, dass ein Brückenglied mehrere elektrochemische Zellen einfasst - die elektrochemischen Zellen.
Das Brückenglied ist ein wenigstens eine ringartige Einfassung umfassendes Stülpglied oder ein Steckglied. Das Brückenglied ist dafür vorgesehen, sich in einem Bereich des Kühlraums zu erstrecken.
Durch Versuche hat es sich gezeigt, dass es nicht ausschlaggebend ist, dass die unmittelbar an den elektrochemischen Zellen bzw. ihren Oberflächen vorgehaltene Kühlflüssigkeit bzw. das dort vorgehaltene Kühlfluid in großen Mengen vorhanden ist, sondern für eine Schnellladefähigkeit ist eher zuträglich, wenn ein Mehrfaches des durchströmenden Kühlfluids an einer Stelle außerhalb des Gehäuses eines Moduls des Traktionsakkumulators aufbereitet wird.
Außerdem neigen elektrochemische Zellen, insbesondere jene, die auf Lithium-Basis ihre Lade- und Entladevorgänge durchführen können, dazu aufzuquellen. In dem Fall, dass die elektrochemischen Zellen zu Rundzellen gewickelt sind, baucht ein mittlerer Bereich der Zylinder durch mehrfache Lade- und Entladevorgänge aus. Das Brückenglied, insbesondere wenn es in jenem Ausbauchbereich platziert ist, kann das Ausbauchen begrenzen. Der Kühlkanal bzw. Kühlraum in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Brückenglied bleibt als mittels Kühlfluid durchströmbarer Raum erhalten, obwohl die elektrochemische Zelle zu einem den Kühlraum einschnürenden Ausbauchen tendiert.
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dargelegt, die für sich gesehen, sowohl einzeln als auch in Kombination, ebenfalls erfinderische Aspekte offenbaren können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung verbindet das Brückenglied nicht nur die erste Komponente mit der zweiten Komponente des Füllstücks, sondern dient zugleich als Haltelement, Positionierungshülle und/oder Fixierungselement für wenigstens eine elektrochemische Zelle.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Kühlraum durch das Brückenglied unterteilt. Ein Abschnitt des Kühlraums ist ein oberster Teilkühlraum. Ein anderer Abschnitt des Kühlraums ist ein unterster Teilkühlraum. Der Kühlraum kann auch mehrfach unterteilt sein, sodass es mehrere Teilkühlräume gibt, z. B. entlang einer Seite einer elektrochemischen Zelle. Es hat sich gezeigt, dass ausreichend Verlustwärme aus dem Traktionsakkumulator ausgebracht werden kann, wenn Seitenflächen einer elektrochemischen Zelle nicht vollflächig, sondern abschnittsweise unterbrochen von einem Kühlfluid umspült werden.
Das Temperaturprofil im Inneren eines Traktionsakkumualtors kann gut vergleichmäßigt werden, wenn das gleiche Kühlfluid, vorzugsweise sogar in der gleichen Strömungsrichtung, durch die Teilkühlräume durchströmt. Der Kühleffekt kann gesteigert werden, wenn das Kühlfluid (insbesondere durch eine extern angeordnete Pumpe) umgewälzt wird.
Die erste Komponente und die zweite Komponente können vorteilhafterweise so gestaltet sein, dass sie nicht nur als Aufnahme für einzelne Enden der elektrochemischen Zellen gestaltet sind, sondern auch noch als Trägerkörper für elektrische Leitungen zur Verfügung stehen. Zumindest in einer Komponente des Füllstückes können weitere elektrische Leiterbahnen vorgesehen sein.
Außerdem können Schalter, z. B. elektrische bzw. elektronische Schalter, in einer Komponente integriert sein.
So ist es möglich, äußerst raumsparend in Abhängigkeit der Ladebedingungen, z. B. wenn eine Schnellladefunktion befolgt werden soll, die elektrochemischen Zellen zueinander unterschiedlich zu verschalten. Mit Hilfe von Schaltern können elektrochemische Zellen parallel verschaltet werden. Durch ein Umschalten von Schaltern können elektrochemische Zellen in Serie verschaltet werden. Auch können Mischformen aus Parallelverschaltungen und Serienverschaltungen aufgebaut bzw. realisiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, schlecht ladende, tiefentladene oder mit geringerer Leistung ausgestattete elektrochemische Zellen aus dem Verbund (es kann auch gesagt werden: dem „Array“) der elektrochemischen Zellen des Traktionsakkumualtors wegzuschalten.
Das Brückenglied kann ein Spitzgussteil sein. Das Brückenglied kann ein als Tablett mit einzelnen Ausnehmungen für die Aufnahme von elektrochemischen Zellen ausgestaltetes Spitzgussteil vorhanden sein. Die Funktion und Brauchbarkeit des Brückenglieds kann dadurch gesteigert werden, dass zumindest eine elektrische Verbindung über das Brückenglied herstellbar ist.
Die Komponenten des Füllteils können extrudierte Kunststoffteile sein oder eine Komponente umfassen, die ein extrudiertes Kunststoffteil ist. Diese Kunststoffteile können offenporig ausgestaltet sein. Z. B. kann es als ein Mehrlagenteil gestaltet sein, von dem ein Teil das Kunststoffteil ist.
Besonders günstig ist es, wenn ein nachgiebigeres Füllteil bzw. eine nachgiebigere Komponente des Füllteils von dem Brückenglied eingefasst werden kann. Das Brückenglied kann als Steckteil auf dem Kunststoffteil aufgebracht werden.
Das Brückenglied kann - insbesondere in einer Ausgestaltung - als ein mit einer Innenfläche ausgestattetes Hohlglied ausgeformt sein. Der Hohlraum des Brückenglieds ist für die Aufnahme wenigstens einer elektrochemischen Zelle vorgesehen.
In einer günstigen Weiterbildung bietet das Brückenglied in seinem Inneren eine Halteoberfläche. Die Halteoberfläche ist für die Aufnahme einer Seite einer elektrochemischen Zelle gestaltet. Wie sich aus dem bereits zuvor Angedeuteten bzw. Gesagtem ergibt, ist das Brückenglied aber kürzer oder niedriger als eine Seitenlänge der elektrochemischen Zelle. Die nicht überdeckten Bereiche der Seite einer elektrochemischen Zelle können weiterhin durch das Kühlfluid gekühlt werden.
Insbesondere in den Fällen, in denen die elektrochemische Zelle eine Rundzelle ist (z. B. des Typs „26500“, des Typs „Baby-Zelle“, des Typs „8000“ oder des Typs „6000“), hat die elektrochemische Zelle eine Hülle, die die zylindrische Erstreckung zwischen den beiden Polen der elektrochemischen Zelle ist. Die Halteoberfläche befindet sich in einem Bereich der Höhe der elektrochemischen Zelle. Die Höhe der elektrochemischen Zelle ergibt sich zwischen dem einen und dem anderen Ende der elektrochemischen Zelle. Die Seitenfläche entspricht (im Wesentlichen) der Höhe der elektrochemischen Zelle.
Das vorgestellte Design aus Kühlraum, Füllstück und Brückenglied um eine elektrochemische Zelle eines Traktionsakkumulators herum lässt sich besonders vorteilhaft bei Rundzellen (z. B. bei Lithium-Zellen der Bauform 18650 bzw. der Bauform 20700) realisieren.
Der größte Effekt der Hemmung der Ausbauchung der elektrochemischen Zelle kann dadurch erreicht werden, dass das Brückenglied in einem mittleren Bereich einer längsten Erstreckung der elektrochemischen Zelle angeordnet ist. An jener Stelle würde die elektrochemische Zelle, insbesondere nach einem mehrfachen Laden und Entladen, am stärksten Ausbauchen. Das Brückenglied hindert das seitliche Auswandern der elektrochemischen Zelle, das sogenannte Ausbauchen.
In einer günstigen Weiterentwicklung werden die Leiterbahnen, die an die Kontakte bzw. Pole der elektrochemischen Zellen heranführen, so breit dimensioniert, dass über die Leiterbahnen ebenfalls thermische Energie abgeleitet werden kann. Obwohl die einzelne elektrochemische Zelle mit ihren Enden in dem Füllglied steckt, können die Endbereiche ebenfalls gekühlt werden, nicht jedoch über das Kühlfluid, sondern über einen Wärmetransport über die Leiterbahnen. Die Leiterbahnen können somit in die Komponenten eingearbeitet sein, wodurch ein Wärmeabtransport neben dem Transport des elektrochemischen Stroms möglich ist.
Zur Reduktion der Teileanzahl ist es möglich, das Brückenglied als gerasterte, d. h. mit mehreren Durchbrechungen versehene Platte auszubilden.
Das Brückenglied kann auch als Kompressionsring oder als Kompressionsband gestaltet sein, insbesondere als eine Platte, die mehrere Kompressionsringe oder Kompressionsbänder umfasst. In jedem Ring oder in jedem Band steckt dann eine elektrochemische Zelle.
Die zuvor dargestellten Kombinationen und Ausführungsbeispiele lassen sich auch in zahlreichen weiteren Verbindungen und Kombinationen betrachten.
In einer günstigen Ausgestaltung kann das Brückenglied auch als Anschlags- oder Hemmglied bezeichnet werden. Das Brückenglied begrenzt die Ausdehnung der vom Brückenglied eingefassten elektrochemischen Zelle, insbesondere in eine laterale Richtung. Zugleich unterbricht das Brückenglied den Kühlraum. Das Brückenglied sorgt für eine geringere Menge Kühlfluid im Vergleich mit dem Fall, dass das Brückenglied nicht im Inneren des Gehäuses des Traktionsakkumulators vorhanden wäre. Das Brückenglied ist, so wie es das Füllstück auch ist, ein den Kühlraum teilweise ausfüllendes Element.
Außerdem stabilisiert das Brückenglied die einzelnen Komponenten des Füllstücks gegen einen Versatz zwischen den Komponenten. Das Brückenglied fördert die Parallelität der elektrochemischen Zellen. Das Brückenglied ermöglicht, dass der Kühlraum möglichst klein gestaltet ist.
Der Einsatz eines zusätzlichen Brückengliedes im Inneren des Gehäuses liefert mehrere Vorteile in dem Traktionsakkumulator. Ein häufiges Schnellladen, z. B. mit Schnellladeströmen von 6C bis 8C (C als Speicherkapazität der elektrochemischen Zelle, angegeben in Ampere pro Amperestunden), trägt zu einem Ausbauchen der elektrochemischen Zellen bei. Dies wird durch das Brückenglied zumindest in Teilen unterbunden. Dadurch bleiben die Abmessungen, Dimensionierungen und vorgesehenen Kühl(-teil-)räume - im Wesentlichen - unverändert erhalten. Ein Kühlfluid, das z. B. nur einen Spalt von weniger als einen Millimeter auszufüllen hat, muss - sofern eine zu große Abwärme bei einem sehr großen Ladestrom (z. B. in einem Bereich von 8C) entsteht - umgewälzt werden. Je weniger Kühlfluid umzuwälzen ist, desto geringer ist der elektrische „Eigenverbrauch“ des Traktionsakkumulators für solche Tätigkeiten wie z. B. die Temperierung der elektrochemischen Zellen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegende Figur genommen wird, die beispielhaft besonders vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten darlegen, ohne die vorliegende Erfindung auf diese einzuschränken, wobei

die 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in schematischer Abstraktion darstellt.

Figurenbeschreibung
1 zeigt einen Traktionsakkumulator 1 in Schemadarstellung.
Der Traktionsakkumulator 1 hat nach außen geführt zwei Anschlusspole 3, 3^I . Über die Anschlusspole 3, 3^I kann elektrischer Strom von dem Traktionsakkumulator gezogen werden sowie elektrischer Strom zur Ladung der elektrochemischen Zellen 5, 5^I , 5^II , 5^III , 5^IV , 5^V geleitet werden. Eine größere Anzahl elektrochemischer Zellen 5, 5^I , 5^II , 5^III , 5^IV , 5^V sind in einem Gehäuse 15 des Traktionsakkumulators 1 vorhanden, um als Array insgesamt den Traktionsakkumulator 1 zu bilden. Enden 7, 7^I einer einzelnen elektrochemischen Zelle 5 stecken in dem Füllstück 21, genauer jeweils in einer Komponente 23, 23^I des Füllstücks 21. Um die Enden 7, 7^I einer Zelle 5 in das Füllstück 21 hineinstecken zu können, hat das Füllstück 21 Aufnahmen 25, 25^I , 25^II für einzelne elektrochemische Zellen 5, 5^I , 5^II , 5^III , 5^IV , 5^V . Das Füllstück 21 hat aber eine Ausnehmung, die über einen Bereich einer Seitenfläche 9 einer elektrochemischen Zelle 5 reicht, die im Falle, dass die elektrochemische Zelle 5 eine Rundzelle ist, einer Zellenmantelfläche 11 entspricht.
Das Kühlfluid 41 kann über den Kühlmitteleinlass 17 in das Innere des Gehäuses 15 des Traktionsakkumulators gelangen. Über den Kühlmittelauslass 19 wird das Kühlfluid 41 in erwärmter Form aus dem Gehäuse 15 des Traktionsakkumulators 1 ausgebracht. Zur Wärmeabfuhr gelangt das Kühlfluid 41 über den Kühlraum 35 mit seinem obersten Kühlraum 37 und seinem untersten Kühlraum 39 an einzelne Zellmantelflächen wie die Zellmantelfläche 11.
In einem mittleren Bereich 13 einer elektrochemischen Zelle 5 ist ein Brückenglied 43 vorhanden. Zu jeder elektrochemischen Zelle 5, 5^I , 5^II gibt es ein zugehöriges Brückenglied 43, 43^I , 43^II . Das Brückenglied 43, 43^I , 43^II unterbricht den Kühlraum 35 und schafft so einen obersten Kühlraum 37 und einen untersten Kühlraum 39. Eine Innenseite 45 des Brückenglieds 43, 43^I , 43" liegt an einer Seitenfläche 9 einer elektrochemischen Zelle 5^II an. Das Brückenglied 43^II mit seiner Innenseite 45 stabilisiert weitergehend die elektrochemische Zelle 5^II . Es sorgt für eine Einhaltung der achsparallelen Ausrichtung in die Orientierungsrichtung 47 der elektrochemischen Zelle 5^II .
Das Füllstück 21 hat Stecknasen 27, 27^I , 27^II , auf denen das Brückenglied 43, 43^I , 43^II aufgesteckt bzw. aufgestülpt werden kann.
Ein Kühlraum 35, wie der oberste Kühlraum 37 oder der unterste Kühlraum 39, wird an einer Seite durch eine Seitenfläche 9 einer elektrochemischen Zelle 5^I , an einer anderen Seite durch eine Komponente 23 des Füllstücks 21 und an einer weiteren Seite durch das Brückenglied 43^II begrenzt. Der Kühlraum 35 kann in weitere Teilkühlräume 35^I , 35^II , 35^III unterteilt sein.
In dem Füllstück 21, genauer in den Komponenten 23, 23^II des Füllstücks 21 verlaufen Leiterbahnen 29, 29^I , 29^II , 29^III , 29^IV , 29^V . Außerdem gibt es elektronische Schalter 33, 33^I , 33^II , 33^III in dem Füllstück 21. Mit Hilfe der Schalter 33, 33^I , 33^II , 33^III kann zwischen einem Parallelbetrieb und einem (zum Teil wenigstens gegebenen) Serienbetrieb der elektrochemischen Zellen 5, 5^I , 5^II , 5^III , 5^IV , 5^V umgeschaltet werden. Auch sind Schalterstellungen der Schalter 33, 33^I , 33", 33^III möglich, durch die einige der elektrochemischen Zellen 5, 5^I , 5^II , 5^III , 5^IV , 5^V in Serie geschaltet sind, während so gebildete Stränge parallel zueinander verschaltet sind. Einige der Leiterbahnen 29, 29^I , 29^II , 29^III , 29^IV , 29^V sind als Wärmesenken 31, 31^I , 31^II unmittelbar in Nachbarschaft zu den Polen einer elektrochemischen Zelle 5, 5^I , 5^II , gestaltet. Die thermische Energie der Wärmesenken 31, 31^I , 31^II wird über die Leiterbahnen 29, 29^I , 29^II , 29^III , 29^IV , 29^V an die Pole 3, 3^I des Traktionsakkumulators 1 ausgebracht. Dadurch lässt sich die Temperatur an den (darüber hinaus, insbesondere im Inneren vorhandenen) Polen der elektrochemischen Zellen 5, 5^I , 5^II , 5^III , 5^IV , 5^V senken.
Die Brückenglieder 43, 43^I , 43^II begrenzen die elektrochemischen Zellen 5, 5^I , 5^II , 5^III , 5^IV , 5^V in ihren mittleren Bereichen 13 gegen ein Ausbauchen bzw. Auslenken. Insbesondere bei Ladungsvorgängen entstehende Abwärme an den elektrochemischen Zellen 5, 5^I , 5^II , 5^III , 5^IV , 5^V können über das Kühlfluid 41, das durch den Kühlraum 35 durchströmt, ausgebracht werden. Außerhalb des modulartigen Traktionsakkumulators 1 kann bei Bedarf das Kühlfluid 41 durch eine Pumpe und gegebenenfalls durch einen Wärmetauscher (beides nicht dargestellt) in einem Kreislauf fließen.
Außerparallele Verschiebungen in den Orientierungen, gebildet durch die Orientierungsrichtung 47 der elektrochemischen Zellen 5, 5^I , 5^II , 5^III , 5^IV , 5^V , werden mit Hilfe der Brückenglieder 43, 43^I , 43^II minimiert. Dadurch ist es möglich, Kühlräume wie den Kühlraum 35 über - wesentliche - Bereiche der Zellmantelfläche 11 nur in Millimeterbereich auszugestalten.
Die Brückenglieder 43, 43^I , 43^II sind wie Ringe bzw. innen hohle Manschetten geformt, sodass in dem einzelnen Hohlbereich eine einzelne elektrochemische Zelle 5, 5^I , 5^II , 5^III , 5^IV , 5^V einsteckbar ist.
Die in der Figur gezeigten Ausgestaltungsmöglichkeiten lassen sich auch untereinander in beliebiger Form verbinden.
So ist es möglich, die Kühlräume wie den Kühlraum 35 in mehrere Teilkühlräume 37, 39 zu unterteilen, z. B. durch parallele Anordnung von mehreren Brückengliedern wie dem Brückenglied 43.
Bezugszeichenliste

1: Traktionsakkumulator
3, 3^I: Anschlusspol, insbesondere des Traktionsakkumulators
5, 5^I, 5^II, 5^III, 5^IV, 5^V: elektrochemische Zelle
7, 7^I: Ende einer Zelle
9: Seitenfläche einer Zelle
11: Zellenmantelfläche
13: mittlerer Bereich einer Zelle
15: Gehäuse
17: Kühlmitteleinlass
19: Kühlmittelauslass
21: Füllstück
23, 23^I: Komponente, insbesondere des Füllstücks
25, 25^I, 25^II: Aufnahme im Füllstück
27, 27^I, 27^II: Stecknase, insbesondere des Füllstücks
29, 29^I, 29^II, 29^III, 29^IV, 29^V: Leiterbahn
31, 31^I, 31^II: Wärmesenke, insbesondere als Teil einer Leiterbahn
33, 33^I, 33^II, 33^III: Schalter
35, 35^I, 35^II, 35^III: Kühlraum, insbesondere Teilkühlraum
37: oberster Kühlraum bzw. Kühlteilraum
39: unterster Kühlraum bzw. Kühlteilraum
41: Kühlfluid
43, 43^I, 43^II: Brückenglied
45: Innenseite eines Brückenglieds
47: Orientierungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2394328 B1 [0004]
US 8400012 B2 [0004]
DE 102013218489 A1 [0008]
DE 102015201580 A1 [0008]
EP 3096372 A1 [0009]
WO 2017/067923 A1 [0009]
DE 102015013377 A1 [0009]
JP 2016136472 A [0010]

Claims

Traktionsakkumulator (1) mit wenigstens einem Gehäuse (15), in dem eine Anzahl elektrochemischer Zellen (5, 5^I, 5^II, 5^III, 5^IV, 5^V), wie Lithium-Ionen-Zellen, z. B. Lithium-Zellen mit Mangan als eines der Elektrodenmaterialien, parallel zueinander, d. h. in einer Orientierungsrichtung (47) unter Einhaltung achsparalleler Ausrichtung angeordnet sind, wobei in einem Modul des wenigstens ein Modul umfassenden Traktionsakkumulators (1) ein Zellen (5, 5^I, 5^II, 5^III, 5^IV, 5^V) positionierendes und haltendes, mehrteiliges Füllstück (21) vorhanden ist, wobei das Füllstück (21) in einem Inneren des Gehäuses (15) in einem Teil eines für ein durchströmendes Kühlfluid (41) bestimmten Kühlraums (35) in ausfüllender Weise und dadurch in einer ein Kühlfluidvolumen reduzierender Weise ortsfest vorhanden ist, wobei eine erste Komponente (23) und eine zweite Komponente (23^I) des Füllstücks (21) durch ein lagehaltendes Brückenglied (43, 43^I, 43^II) zusammengehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Brückenglied (43, 43^I, 43^II) ein wenigstens eine ringartige Einfassung umfassendes Stülp- oder Steckglied ist, das sich in den Kühlraum (35) erstreckt.
Traktionsakkumulator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teil des Kühlraums (35) ein oberster Teilkühlraum (37) und Teil des Kühlraums (35) ein unterster Teilkühlraum (39) ist, zwischen denen gegebenenfalls wenigstens ein weiterer Teilkühlraum vorhanden ist.
Traktionsakkumulator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teilkühlräume (37, 39) für ein Durchströmen des gleichen Kühlfluids (41), vorzugsweise in eine gleiche Strömungsrichtung, insbesondere durch umgewälztes Kühlfluid (41), gestaltet sind.
Traktionsakkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (23) und/oder die zweite Komponente (23^I) mit elektrischen Leiterbahnen (29, 29^I, 29^II, 29^III, 29^IV, 29^V) bestückt sind/ist, wobei vorzugsweise Schalter (33, 33^I, 33^II, 33^III), wie elektrische oder elektronische Schalter, in zumindest einer der Komponenten (23, 23^I) integriert sind, die eine Parallelverschaltung und/oder eine Serienverschaltung von elektrochemischen Zellen (5, 5^I, 5^II, 5^III, 5^IV, 5^V) erlauben.
Traktionsakkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brückenglied (43, 43^I, 43^II) ein, insbesondere mit einer elektrischen Verbindung ausgestattetes, Spritzgussteil ist und vorzugsweise wenigstens eine der Komponenten (23, 23^I) ein extrudiertes, insbesondere ein offenporiges, Kunststoffteil umfasst.
Traktionsakkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brückenglied (43, 43^I, 43^II) wenigstens eine Innenfläche (45) aufweist, die eine Halteoberfläche für eine, insbesondere eine Höhe einer der elektrochemischen Zellen (5, 5^I, 5^II, 5^III, 5^IV, 5^V) definierenden, Seitenfläche (9) wenigstens einer der elektrochemischen Zellen (5, 5^I, 5^II, 5^III, 5^IV, 5^V) darstellt.
Traktionsakkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der elektrochemischen Zellen (5, 5^I, 5^II, 5^III, 5^IV, 5^V), vorzugsweise alle elektrochemische Zellen (5, 5^I, 5^II, 5^III, 5^IV, 5^V), eine Rundzelle mit einem zylindrischen Außenmantel (11) als Zellgehäuse ist.
Traktionsakkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brückenglied (43, 43^I, 43^II) in einem mittleren Bereich (13) einer längsten Erstreckung einer der elektrochemischen Zellen (5, 5^I, 5^II, 5^III, 5^IV, 5^V) angeordnet ist.
Traktionsakkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung der elektrochemischen Zellen (5, 5^I, 5^II, 5^III, 5^IV, 5^V) sowohl über eine Kontaktkühlung mittels Kühlfluid (41) als auch durch Wärmeabfuhr über Leiterbahnen (29, 29^I, 29^II, 29^III, 29^IV, 29^V), insbesondere in der ersten Komponente (23) und/oder zweiten Komponente (23^I) verlaufende Leiterbahnen (29, 29^I, 29^II, 29^III, 29^IV, 29^V), erfolgt.
Traktionsakkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid (41) elektrisch nicht leitend ist.
Traktionsakkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Traktionsakkumulator (1) ein modular gestalteter Traktionsakkumulator (1) ist.
Traktionsakkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstück (21) wenigstens zweigeteilt ist und/oder die erste Komponente (23) und die zweite Komponente (23^I) des Füllstücks (21) durch ein lagehaltendes Brückenglied (43, 43^I, 43^II) im Inneren des Kühlraums (35) zusammengehalten werden.