DE202021100959U1 - Multiaxiales Stromversorgungssystem - Google Patents

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Abstract

Multiaxiales Stromversorgungssystem, umfassend
eine Vielzahl von Stromversorgungselementen, die elektrisch sowohl in Reihenschaltung als auch in Parallelschaltung miteinander verbunden sind, um eine Anordnung in den dreiachsigen Richtungen zu bilden, wobei jedes der Stromversorgungselemente umfasst:
zwei Stromabnehmer;
zwei aktive Materialschichten, welche zwischen den beiden Stromabnehmern angeordnet sind;
ein Elektrolytsystem, welches in die aktiven Materialschichten imprägniert ist; und eine Dichtungsschicht, welche zwischen den Rändern der beiden Stromabnehmer angeordnet ist, um die beiden Stromabnehmer zu verkleben und
das Elektrolytsystem dazwischen ohne Leckage abzudichten;
wobei jedes der Stromversorgungselemente ein unabhängiges und vollständiges Modul ist und das Elektrolytsystem jedes Stromversorgungselements nicht dazwischen zirkuliert;
wobei ein Ladungstransfer zwischen den benachbarten Stromversorgungselementen ohne elektrochemische Reaktionen stattfindet;
wobei in einer z-Achsenrichtung die benachbarten Stromversorgungselemente über ihre Stromabnehmer direkt kontaktiert sind, um eine elektrische Verbindung in Reihenschaltung oder Parallelschaltung zu bilden;
und eine strukturierte Metallschicht, welche mit den Stromversorgungselementen in einer x-Achsenrichtung und einer y-Achsenrichtung verbunden ist, um eine elektrische Verbindung in Reihe oder parallel zu bilden.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromversorgungssystem, insbesondere ein multiaxiales Stromversorgungssystem um sowohl eine Reihen- als auch eine Parallelschaltung in den Richtungen der x-Achse, der y-Achse und der z-Achse zu ermöglichen, welches in der praktischen Anwendung sehr effektiv ist.
  • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren wurde, aufgrund der Zunahme der Luftverschmutzung und der globalen Erwärmung, an Elektrofahrzeuge hohe Erwartungen gestellt um die bestehenden Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor zu ersetzen und die umweltschädlichen Auswirkungen von Kohlendioxid zu reduzieren. Gegenwärtig ist die Batterie noch das Schlüsselproblem der reinen Elektrofahrzeuge. Das Batteriesystem für Elektrofahrzeuge besteht aus mehreren Batteriezellen, welche in Reihen-, Parallelschaltung oder in Kombination miteinander verbunden sind um die erforderliche Kapazität und Spannung für die Elektrofahrzeuge zu erreichen.
  • In der gängigen Praxis werden mehrere Batterieelemente parallel miteinander verbunden. Anschließend werden die Batterieelemente in ein Gehäuse gepackt und bilden dann die Batteriezelle. Der aus dem Gehäuse herausragende Leiter wird verwendet um extern in Reihe geschaltet zu werden und eine ausreichend hohe Spannung zu erreichen, dadurch wird ein Batteriesystem für Elektrofahrzeuge gebildet. In einer alternative Methode wird das Gehäuse zur Aufnahme einer Vielzahl von Batterieelementen verwendet. Der Elektrolyt kann in das Gehäuse gefüllt werden. Die Batterieelemente werden intern miteinander in Reihe geschaltet um die Spannung zu erhöhen. Anschließend werden sie extern parallel geschaltet um genügend Kapazität für das Batteriesystem der Elektrofahrzeuge zu erreichen. Die maximal zulässige Spannung des Elektrolyten beträgt jedoch meist nur 5V. Die Spannung wird durch die intern in Reihe geschalteten Batterien erhöht. Außerdem ist die elektrische Feldverteilung aufgrund der internen Struktur und Anordnung nicht gleichmäßig. Sobald die Spannung über der maximal zulässigen Spannung liegt, kommt es zur Elektrolytzersetzung, was zum Ausfall des Batteriesystems führt. Schlimmer noch, es kann zur Explosion des Batteriesystems führen.. Daher gibt es keine vergleichbaren Produkte auf dem Markt.
  • Unabhängig von der obigen Methode ist sie durch die strukturellen Probleme der Batteriezelle und der internen Batterieeinheit begrenzt. Die externe Reihenschaltung ist notwendig, um genügend Spannung für das Batteriesystem zu erreichen, wenn die Parallelschaltung innerhalb der Batteriezelle angepasst ist. Ebenso ist die externe Parallelschaltung notwendig um bei angepasster Reihenschaltung innerhalb der Batteriezelle eine ausreichend hohe Kapazität zur Bildung des Batteriesystems zu erreichen. Die externe Verbindung ist in der Regel eine Drahtverbindung, ein Metallkabel oder eine Metallschiene, welche den Widerstand des Batteriesystems erhöht und die Leistung verringert, wodurch die Zuverlässigkeit und Sicherheit reduziert werden. Darüber hinaus würde sich die volumetrische Energiedichte aufgrund des von der externen Verbindung beanspruchten Raumes verringern. Außerdem ist die oben erwähnte externe Verbindung kompliziert. Die Herstellungskosten des Batteriesystems werden erhöht und die Zuverlässigkeit wird verringert.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein multiaxiales Stromversorgungssystem bereitzustellen und die vorgenannten Mängel zu überwinden. Eine Vielzahl von Stromversorgungselementen sind einfach verbunden um das multiaxiale Stromversorgungssystem in die x-Achsen-, y-Achsen- und z-Achsen-Richtung zu erweitern und um die volumetrische Energiedichte zu erhöhen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein multiaxiales Stromversorgungssystem bereitzustellen, welches aus den Stromversorgungselementen besteht, die in den drei Achsenrichtungen einfach verbunden sind. Die Anordnung der Reihen- oder Parallelschaltung oder die Kombination erfolgt je nach Anforderung. Dadurch werden die Herstellungskosten und die Verbindungsschwierigkeiten deutlich reduziert und die Prozessausbeute erhöht. Außerdem wird der Innenwiderstand des Stromversorgungssystems stark reduziert.
  • Um das oben Genannte zu realisieren, offenbart die vorliegende Erfindung ein multiaxiales Stromversorgungssystem, bestehend aus Stromversorgungselementen welche in die Richtungen der x-Achse, der y-Achse und der z-Achse erweitert sind, um eine Anordnung der Reihen- oder Parallelschaltung oder einer Kombination in den drei Achsenrichtungen zu bilden. Jedes Stromversorgungselement enthält einen Separator, zwei aktive Materialschichten, zwei Stromabnehmer, ein Elektrolytsystem und eine Dichtungsschicht. Die aktiven Materialschichten sind jeweils auf den beiden Seiten des Separators und die Stromabnehmer jeweils auf den Außenseiten der aktiven Materialschichten angeordnet. Das Elektrolytsystem ist innerhalb der aktiven Materialschichten imprägniert, wobei die Dichtungsschicht zwischen den Kanten der beiden Stromabnehmer angeordnet ist um die beiden Stromabnehmer zu verkleben und das Elektrolytsystem dazwischen abzudichten. Mit anderen Worten, jedes Stromversorgungselement ist ein unabhängiges und vollständiges Modul und das Elektrolytsystem zirkuliert nicht dazwischen. Es finden keine elektrochemischen Reaktionen zwischen den benachbarten Stromversorgungselementen statt, sondern es werden nur Ladungen übertragen. Daher können sowohl Reihen- als auch Parallelschaltungen vorgenommen werden, ohne durch die maximal zulässige Spannung des Elektrolytsystems begrenzt zu sein.
  • Außerdem werden die benachbarten Stromversorgungselemente über ihre Stromabnehmer direkt kontaktiert, um eine elektrische Verbindung in Richtung der z-Achse herzustellen, wobei eine strukturierte Metallschicht verwendet wird, um die Stromversorgungselemente in Richtung der x-Achse und der y-Achse zu verbinden und um eine elektrische Verbindung in Reihen-, Parallelschaltung oder in Kombination herzustellen. Daher wird das multiaxiale Stromversorgungssystem in Richtung der x-Achse, y-Achse und z-Achse erweitert, um den belegten Raum effektiv zu nutzen. Die Herstellungskosten und die Schwierigkeit des Anschlusses werden deutlich reduziert. Außerdem wird der Innenwiderstand des Stromversorgungssystems stark reduziert, um die volumetrische Energiedichte zu erhöhen.
  • Ein weiterer Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich jedoch, dass die detaillierte Beschreibung und spezifischen Beispiele, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zur Veranschaulichung angegeben werden da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb der Idee und des Umfangs der Erfindung für den Fachmann aus dieser detaillierten Beschreibung ersichtlich werden.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung kann aus den folgenden detaillierten Beschreibungen verstanden werden, diese Illustrationen sind nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung, wobei:
    • 1 veranschaulicht die Querschnittsansicht des Stromversorgungselements des multiaxialen Stromversorgungssystems dieser Erfindung.
    • 2A-2D veranschaulichen das multiaxiale Stromversorgungssystem dieser Erfindung, wobei die Stromversorgungselemente in Richtung der x-Achse verbunden sind.
    • 3A-3D veranschaulichen das multiaxiale Stromversorgungssystem der vorliegenden Erfindung, wobei die Stromversorgungselemente in Richtung der y-Achse angeschlossen sind.
    • 4A-4D veranschaulichen das multiaxiale Stromversorgungssystem der vorliegenden Erfindung, wobei die Stromversorgungselemente in Richtung der z-Achse angeschlossen sind.
    • 5A-5D veranschaulichen die Ausführungsform des multiaxialen Stromversorgungssystems dieser Erfindung.
    • 6 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des multiaxialen Stromversorgungssystems dieser Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die Erfindung stellt ein multiaxiales Stromversorgungssystem zur Verfügung, welches aus einer Vielzahl von Stromversorgungselementen besteht und in den Richtungen der x-Achse, der y-Achse und der z-Achse verbunden sind. Dabei werden die elektrischen Verbindungen in Reihen-, Parallelschaltung oder in Kombination in den drei Achsrichtungen ausgeführt. Jedes Stromversorgungselement ist ein unabhängiges und vollständiges Modul und das Elektrolytsystem wird nicht zwischen den benachbarten Stromversorgungselementen aufgeteilt. Zunächst wird das Stromversorgungselement in der folgenden detaillierten Beschreibung und den dazugehörigen Zeichnungen offengelegt.
  • 1 zeigt die Querschnittsansicht des Stromversorgungselements des multiaxialen Stromversorgungssystems der vorliegenden Erfindung. Das Stromversorgungselement 10 der vorliegenden Erfindung umfasst einen Separator 11, zwei aktive Materialschichten 12, 13, zwei Stromabnehmer 14, 15, ein Elektrolytsystem und eine Dichtungsschicht 16. Das Material des Separators 11 wird aus dem Polymermaterial, dem Keramikmaterial oder der Glasfaser ausgewählt. Außerdem hat der Separator 11 Löcher, um die Ionenmigration zu ermöglichen. Die Löcher werden durch Durchgangslöcher, Ameisenlöcher oder poröses Material gebildet. Das keramische Material kann ein keramisches Isolationsmaterial sein, das aus Partikeln von TiO2, A1203, SiO2 mit Nanometer- und Mikrometerskala oder Alkylierungskeramikpartikeln ausgewählt ist. Das keramische Material kann auch ein oxidbasierter Festelektrolyt sein, wie ein Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid (LLZO)-Elektrolyt, ein Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP)-Elektrolyt oder deren Derivate. Das keramische Material kann mit dem oben erwähnten keramischen Isolationsmaterial und dem oben erwähnten oxidbasierten Festelektrolyten gemischt werden. Der Separator 11 kann außerdem einen Polymerklebstoff enthalten, wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polytetrafluorethen (PTFE), Acrylsäurekleber, Epoxidharz, Polyethylenoxid (PEO), Polyacrylnitril (PAN) oder Polyimid (PI).
  • Die aktiven Materialschichten 12, 13 sind jeweils auf zwei Seiten des Separators 11 angeordnet und das Elektrolytsystem darin imprägniert. Das Elektrolytsystem ist ein Festelektrolyt, ein Flüssigelektrolyt, ein Gelelektrolyt oder eine Kombination daraus. Daher können jene Prozesse ausgeführt werden, bei denen die chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und die elektrische Energie beim Laden in chemische Energie umgewandelt wird. Die Ionenmigration und der Ionentransport werden ermöglicht. Die elektrischen Ladungen werden über die Stromabnehmer 14, 15 übertragen, welche jeweils an Außenseiten der aktiven Materialschichten 12, 13 angeordnet sind. Das Material der Stromabnehmer 14, 15 ist ausgewählt aus Kupfer (Cu), Aluminium (Al), oder Nickel (Ni), Zinn (Sn), Silber (Ag), Gold (Au), oder einer Legierung aus mindestens einem der vorgenannten Metalle.
  • Das Material der Dichtungsschicht 16 kann Epoxidharz, Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyurethan (PU), thermoplastisches Polyimid (TPI), Silikon, Acrylharz, ultraviolett-lichthärtender Klebstoff oder eine Kombination davon sein. Die Dichtungsschicht 16 ist zwischen den Rändern der beiden Stromabnehmer 14, 15 angeordnet um die beiden Stromabnehmer 14, 15 zu verkleben und das Elektrolytsystem dazwischen abzudichten, um Leckagen zu vermeiden und eine Zirkulation zwischen den benachbarten Stromversorgungselementen 10 zu verhindern. Daher ist das Stromversorgungselement 10 ein eigenständiges und vollständiges Stromversorgungsmodul, bei dem die Stromabnehmer 14, 15 und die Dichtungsschicht 16 direkt als Gehäusestruktur verwendet werden.
  • Die Stromversorgungselemente 10 werden einfach miteinander verbunden, um das multiaxiales Stromversorgungssystem 60 zu bilden, welches sich in den Richtungen der x-Achse, der y-Achse und der z-Achse erstreckt, um eine Anordnung der Reihen- oder Parallelschaltung oder die Kombination zu erreichen. Die Verbindung in jeder Achse wird in der folgenden detaillierten Beschreibung offengelegt.
  • Wie in 2A dargestellt, können die Stromversorgungselemente 10 entlang der x-Achsenrichtung über die strukturierte Metallschicht 70 in Reihe geschaltet werden oder die strukturierte Metallschicht 70 kann die gleiche Polarität der Stromversorgungselemente 10 verbinden, um eine Parallelschaltung zu bilden (siehe 2B). Darüber hinaus können zwei Sätze der in Reihe geschalteten Stromversorgungselemente 10, die in 2A dargestellt sind, entlang der x-Achsenrichtung über die strukturierte Metallschicht 70 parallel geschaltet werden (siehe 2C), um die Verbindung gleichzeitig in Reihe und parallel herzustellen. Oder zwei Sätze der parallel geschalteten Stromversorgungselemente 10, wie in 2B dargestellt, können über die strukturierte Metallschicht 70 (siehe 2D) entlang der x-Achsen-Richtung in Reihe geschaltet werden, um die Verbindung gleichzeitig in Reihe und parallel herzustellen. Andererseits dient die strukturierte Metallschicht 70 in diesen Ausführungsformen als interne Verbindung zur Herstellung einer elektrischen Verbindung.
  • Siehe 3A, die Stromversorgungselemente 10 können entlang der y-Achsenrichtung über die strukturierte Metallschicht 70 in Reihe geschaltet werden oder die strukturierte Metallschicht 70 kann die gleiche Polarität der Stromversorgungselemente 10 verbinden, um eine Parallelschaltung zu bilden (siehe 3B). Darüber hinaus sind zwei Sätze der in Reihe geschalteten Stromversorgungselemente 10, die in 3A dargestellt sind, über die strukturierte Metallschicht 70 in Richtung der y-Achse parallel geschaltet (siehe 3C) um eine Verbindung gleichzeitig in Reihe und parallel herzustellen. Oder zwei Sätze der parallel geschalteten Stromversorgungselemente 10, wie in 3B dargestellt, können entlang der y-Achsenrichtung über die strukturierte Metallschicht 70 (siehe 3D) in Reihe geschaltet werden, um die Verbindung gleichzeitig in Reihenschaltung und Parallelschaltung herzustellen. Andererseits dient die strukturierte Metallschicht 70 in diesen Ausführungsformen als interne Verbindung zur Herstellung einer elektrischen Verbindung.
  • Siehe 4A, die Stromversorgungselemente 10 können entlang der z-Achsen-Richtung durch direkte Kontaktierung in Reihe geschaltet werden oder sie können die gleiche Polarität der Stromversorgungselemente 10 mit einer Stapelbeziehung von hinten nach vorne verbinden, um eine Parallelschaltung zu bilden (siehe 4B). Darüber hinaus sind mehrere Sätze der in Reihe geschalteten Stromversorgungselemente 10, die in 4A dargestellt sind, entlang der z-Achsen-Richtung mit einer Stapelbeziehung von hinten nach vorne oder über leitende Kabel, wie die gemusterte Metallschicht 70 (siehe 4C), parallel verbunden, um die Verbindung in Reihen- und Parallelschaltung gleichzeitig herzustellen. Oder mehrere Sätze der parallel geschalteten Stromversorgungselemente 10, die in 4B dargestellt sind, können weiter in Reihe entlang der z-Achsenrichtung gestapelt werden (siehe 4D) um eine Verbindung in Reihe und parallel gleichzeitig herzustellen. In diesen Ausführungsformen dient die strukturierte Metallschicht 70 als interne Verbindung um eine elektrische Verbindung zwischen den Stromversorgungselementen 10 in Richtung der x-Achse und der y-Achse herzustellen. Die strukturierte Metallschicht 70 kann auch verwendet werden, um mehrere in z-Achsenrichtung gestapelte Stromversorgungselemente 10 elektrisch zu verbinden.
  • Die oben erwähnten Stromabnehmer 14, 15 können weiterhin eine Elektrodenlasche zur elektrischen Verbindung aufweisen, welche durch Kontaktierung oder Verschweißung nach dem Falten oder durch elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden kann. Die elektrischen Verbindungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Das Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist die Stapelung für die Stromversorgungselemente 10 in den Richtungen der x-Achse, y-Achse und z-Achse. Daher wird auf eine weitere Beschreibung verzichtet.
  • Da die äußersten Lagen der Stromversorgungselemente 10 die Stromabnehmer 14, 15 sind, werden die Stromversorgungselemente 10 durch direktes Kontaktieren der Stromabnehmer 14, 15 zu einer Reihen- oder Parallelschaltung in z-Achsenrichtung miteinander verbunden. Für die Ausdehnung in x-Achsen- und y-Achsen-Richtung wird die strukturierte Metallschicht 70 zur Verbindung der Stromversorgungselemente 10 verwendet. Die strukturierte Metallschicht 70 kann eine einzelne Metallschicht, eine einlagige Leiterplatte (PCB) oder eine doppelseitige Leiterplatte sein. Wenn die doppelseitige Leiterplatte verwendet wird, kann die Metallschicht auf der anderen Seite, die nicht für die Serien- oder Parallelschaltung der Stromversorgungselemente 10 verwendet wird, für ein zusätzliches Layout verwendet werden, z. B. für die Überwachungs- oder Verwaltungsschaltung des multiaxialen Stromversorgungssystems 60 oder die Steuer- oder Überwachungsschaltung der Erweiterungselemente. Wenn die einzelne Metallschicht verwendet wird, enthält die strukturierte Metallschicht 70 ein Hilfsmaterial, um die strukturelle Festigkeit zur Unterstützung zu erhöhen oder die Wärmeableitungseffizienz des multiaxialen Stromversorgungssystems 60 zu verbessern, indem ein spezielles Material verwendet wird, z. B. ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
  • In den oben erwähnten Ausführungsformen werden die in reihen- oder parallelgeschalteten Stromversorgungselemente 10 oder die Kombinationen als Stromversorgungselementgruppe definiert. Siehe 5A, eine Vielzahl von Stromversorgungselementgruppen, die parallel entlang der x-Achsenrichtung verbunden sind, wie in 2B offenbart, welche verbunden und wiederholt entlang der y-Achsenrichtung angeordnet sind, um das multiaxiale Stromversorgungssystem 60 zu bilden. In 5A sind zum Beispiel drei Gruppen von Stromversorgungselementen miteinander verbunden. Die strukturierte Metallschicht 70 wird verwendet, um eine parallele Verbindung in Richtung der y-Achse herzustellen. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von mutliaxialen Stromversorgungssystemen 60, die in 5A offengelegt sind erweitert werden, um eine Reihenschaltung in Richtung der x-Achse zu bilden, wie in 5B gezeigt.
  • Siehe 5C, um das multiaxiale Stromversorgungssystem 60 zu bilden werden mehrere Gruppen von Stromversorgungselementen, welche parallel entlang der z-Achsenrichtung verbunden sind, wie in 4B offenbart, wiederholt entlang der x-Achsen- und y-Achsenrichtung angeordnet und über die strukturierte Metallschicht 70 verbunden um eine parallele Verbindung in der x-Achsen- bzw. y-Achsenrichtung zu bilden. Oder siehe 5D, um das multiaxiale Stromversorgungssystem 60 zu bilden, werden mehrere Stromversorgungselementgruppen, welche entlang der z-Achsenrichtung in Reihe geschaltet sind, wie in 4A offenbart, wiederholt entlang der x-Achsen- und y-Achsenrichtung angeordnet und über die strukturierte Metallschicht 70 verbunden um eine Reihenschaltung in der x-Achsen- bzw. y-Achsenrichtung zu bilden. Wie bereits erwähnt dienen die strukturierten Metallschichten 70 als elektrische Verbindungen, welche zur elektrischen Verbindung der Stromversorgungselemente 10 bzw. der Stromversorgungselementgruppen genutzt werden. Die elektrischen Verbindungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Das Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung der Stromversorgungselemente 10 in den multiaxialen Richtungen. Daher wird auf die weitere Beschreibung verzichtet. Dementsprechend dient die strukturierte Metallschicht 70 als interne Verbindung zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen den Stromversorgungselementen 10 bzw. zwischen den Stromversorgungselementgruppen. Um die elektrische Leistung auszugeben, umfasst das multiaxiale Stromversorgungssystem 60 einen positiven elektrischen Anschluss 81, der ein positiver Ausgangsanschluss des multiaxialen Stromversorgungssystems ist, sowie einen negativen elektrischen Anschluss 82, der ein negativer Ausgangsanschluss des multiaxialen Stromversorgungssystems 60 ist. Der positive elektrische Anschluss 81 hat einen Mittelpunkt (Xc, Yc, Zc) und der negative elektrische Anschluss 82 hat einen Mittelpunkt (Xa, Ya, Za), wobei Xc≠Xa, Yc^Ya, Zc≠Za oder eine Kombination davon möglich ist. Das heißt, der positive elektrische Anschluss 81 und der negative elektrische Anschluss 82 können sich auf der gleichen oder auf verschiedenen Seiten befinden.
  • Wie in 5D gezeigt, können der positive elektrische Anschluss 81 und der negative elektrische Anschluss 82 direkt mit dem Stromabnehmer 14, 15 jedes Stromversorgungselements 10 oder mit der strukturierten Metallschicht 70 verbunden sein. Auch können sich der positive elektrische Anschluss 81 und der negative elektrische Anschluss 82 von den Stromabnehmern 14, 15 oder der strukturierten Metallschicht 70 aus erstrecken.
  • Die vorstehende Beschreibung bzw. die Abbildungen in den 5A-5D dienen nur der Veranschaulichung und beschränken sich nicht auf die Anschlüsse des multiaxialen Stromversorgungssystems 60. Beliebige Erweiterungen in x-Achsen-, y-Achsen- und z-Achsen-Richtung zur Bildung des multiaxialen Stromversorgungssystems 60 mit Reihenschaltung, Parallelschaltung oder den Kombinationen würden alle in den Anwendungsbereich der Erfindung passen.
  • Dann siehe 6, ein externes Paket 50 wird verwendet, um das multiaxiale Stromversorgungssystem 60 zu versiegeln. Das äußere Gehäuse 50 kann eine Polymerfolie sein, um einen Kurzschluss zu vermeiden, es kann eine bekannte Aluminiumfolie oder eine bekannte Metalldose sein. Außerdem ist das äußere Gehäuse 50 mit einem Kühlmittel gefüllt, um die Effizienz der Wärmeableitung zu verbessern. Wie in 6 dargestellt, können die Lücken zwischen den Stromversorgungselementgruppen in x- und y-Richtung als Kühlluftstrompfad dienen. Wenn berücksichtigt werden muss, dass mehr Stromversorgungselemente 10 in Reihe oder parallel geschaltet auch mehr Wärme während des Betriebs erzeugen, können Kühlrohre oder auch Kühlsysteme in den Zwischenräumen vorgesehen werden. Die durch den Betrieb erzeugte Wärme wird gleichmäßig abgeführt, wodurch das multiaxiale Stromversorgungssystem 60 den normalen Betrieb aufrechterhalten würde. Außerdem hat das Außengehäuse 50 in 6 im Wesentlichen die Form eines rechteckigen Parallelepipeds. In der Praxis kann es, z. B. bei der Anwendung in Elektrofahrzeugen, entsprechend dem verfügbaren Einbauraum des Elektrofahrzeugs angepasst werden. Somit kann der insgesamt verfügbare Bauraum durch flexible Anordnung der internen Stromversorgungselemente 10 als Batteriespeicherraum genutzt werden, um die Batteriekapazität des multiaxialen Stromversorgungssystems 60 zu erhöhen.
  • Gemäß den vorgenannten Ausführungsformen ist zu verstehen, dass bei Verwendung von N1 x N2 x N3 Stromversorgungselementen 10 das multiaxiale Stromversorgungssystem 60 in z-Achsenrichtung angeordnete N1 Stromversorgungselemente, in x-Achsenrichtung angeordnete N2 z-Achsen-gestapelte Stromversorgungselementgruppen und in y-Achsenrichtung angeordnete N3 z-Achsen-gestapelte Stromversorgungselementgruppen umfasst. In z-Achsen-Richtung sind die adjazenten Stromversorgungselemente über ihre Stromabnehmer direkt kontaktiert, um eine z-Achsen-gestapelte Stromversorgungselementgruppe zu bilden. Die N2 z-achsig gestapelten Stromversorgungselementgruppen sind entlang der x-Achsenrichtung nebeneinander angeordnet und die N3 z-achsig gestapelten Stromversorgungselementgruppen sind entlang einer y-Achsenrichtung nebeneinander angeordnet. Bei N1, N2 und N3 handelt es sich um natürliche Zahlen von 2 oder höher.
  • Wenn eine Metallnadel das multiaxiale Stromversorgungssystem 60 durchsticht, würde die Metallnadel bei dieser Struktur nur eine kleinere Anzahl von vertikal gestapelten Stromversorgungselementen 10 durchstechen und nicht alle N1 x N2 x N3 Stromversorgungselemente 10 vertikal durchstechen. Daher wird das Risiko des vertikalen Durchstechens einer großen Anzahl von vertikal gestapelten, in Reihe geschalteten Stromversorgungselementen reduziert.
  • Dementsprechend besteht das multiaxiale Stromversorgungssystem der vorliegenden Erfindung aus einer Vielzahl von Stromversorgungselementen, die ein unabhängiges und vollständiges Modul darstellen. Die Struktur mit hoher Kapazität und hoher Spannung ist vereinfacht und leicht für die Massenproduktion zu fertigen. Daher sind die Zuverlässigkeit, die volumetrische Energiedichte und die Sicherheit des Stromversorgungssystems deutlich verbessert.
  • Da das Stromversorgungselement ein unabhängiges und komplettes Modul ist, zirkuliert außerdem das Elektrolytsystem der einzelnen Stromversorgungselemente nicht dazwischen. Daher erfolgt der Ladungstransfer zwischen den benachbarten Stromversorgungselementen ohne elektrochemische Reaktionen, d. h. ohne Ionenmigration und Ionentransport. Zur Verbesserung der Sicherheit würde die Elektrolytzersetzung aufgrund der Hochspannung nicht auftreten. Außerdem wird die Stromversorgungselementgruppe durch den direkten Kontakt der Stromabnehmer der benachbarten Stromversorgungselemente gebildet. Der Widerstand der gesamten Struktur ist sehr gering und es wird eine ausgezeichnete Effizienz der Lade-/Entladegeschwindigkeit und eine geringe Wärmeentwicklung erreicht. Daher kann der Mechanismus zur Wärmeableitung vereinfacht werden. Das gesamte System ist einfach zu handhaben und zu steuern.
  • Es ist offensichtlich, dass die beschriebene Erfindung in vielerlei Hinsicht variiert werden kann. Solche Variationen sind nicht als eine Abweichung von der Idee und Umfang der Erfindung zu betrachten, sondern alle Modifikationen, welche für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich sind, sollen in den Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche enthalten sein.
  • Zusammenfassend besteht das erfindungsgemäße multiaxiale Stromversorgungssystem aus einer Vielzahl von Stromversorgungselementen, die unabhängige und vollständige Module sind. Das Elektrolytsystem jedes einzelnen Stromversorgungselementes zirkuliert nicht zwischen ihnen. Es finden keine elektrochemischen Reaktionen zwischen den benachbarten Stromversorgungselementen statt, sondern es werden lediglich Ladungen übertragen. Daher würde die Elektrolytzersetzung durch Hochspannung, welche durch das Zusammenschalten entsteht, nicht auftreten. Außerdem werden die Stromabnehmer durch direkten Kontakt mit der gemusterten Metallschicht verbunden um sowohl eine Reihen- als auch eine Parallelschaltung in den Richtungen der x-Achse, y-Achse und z-Achse zu bilden, was im praktischen Einsatz sehr effektiv ist.

Claims (11)

  1. Multiaxiales Stromversorgungssystem, umfassend eine Vielzahl von Stromversorgungselementen, die elektrisch sowohl in Reihenschaltung als auch in Parallelschaltung miteinander verbunden sind, um eine Anordnung in den dreiachsigen Richtungen zu bilden, wobei jedes der Stromversorgungselemente umfasst: zwei Stromabnehmer; zwei aktive Materialschichten, welche zwischen den beiden Stromabnehmern angeordnet sind; ein Elektrolytsystem, welches in die aktiven Materialschichten imprägniert ist; und eine Dichtungsschicht, welche zwischen den Rändern der beiden Stromabnehmer angeordnet ist, um die beiden Stromabnehmer zu verkleben und das Elektrolytsystem dazwischen ohne Leckage abzudichten; wobei jedes der Stromversorgungselemente ein unabhängiges und vollständiges Modul ist und das Elektrolytsystem jedes Stromversorgungselements nicht dazwischen zirkuliert; wobei ein Ladungstransfer zwischen den benachbarten Stromversorgungselementen ohne elektrochemische Reaktionen stattfindet; wobei in einer z-Achsenrichtung die benachbarten Stromversorgungselemente über ihre Stromabnehmer direkt kontaktiert sind, um eine elektrische Verbindung in Reihenschaltung oder Parallelschaltung zu bilden; und eine strukturierte Metallschicht, welche mit den Stromversorgungselementen in einer x-Achsenrichtung und einer y-Achsenrichtung verbunden ist, um eine elektrische Verbindung in Reihe oder parallel zu bilden.
  2. Multiaxiales Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei das Elektrolytsystem ein Gelelektrolyt, ein flüssiger Elektrolyt, ein Festelektrolyt oder eine Kombination davon ist.
  3. Multiaxiales Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei das Stromversorgungselement ferner einen zwischen den beiden aktiven Materialschichten angeordneten Separator aufweist.
  4. Multiaxiales Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei die strukturierte Metallschicht eine Metallschicht einer gedruckten Leiterplatte (PCB) ist.
  5. Multiaxiales Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei die strukturierte Metallschicht ein Hilfsmaterial enthält.
  6. Multiaxiales Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, welches ferner ein externes Gehäuse zum Abdichten der Stromversorgungselemente umfasst.
  7. Multiaxiales Stromversorgungssystem nach Anspruch 6, wobei die Außenhülle mit einem Kühlmittel gefüllt ist.
  8. Multiaxiales Stromversorgungssystem, umfassend: N1 Stromversorgungselemente, wobei jedes der Stromversorgungselemente zwei Stromabnehmer und ein zwischen den beiden Stromabnehmern angeordnetes elektrochemisches System umfasst, wobei die benachbarten Stromversorgungselemente in einer z-Achsen-Richtung über ihre Stromabnehmer direkt kontaktiert sind, um eine z-Achsen-gestapelte Stromversorgungselementgruppe zu bilden, wobei N1 eine natürliche Zahl von 2 oder höher ist; N2 z-achsig gestapelte Stromversorgungselementgruppen, welche entlang einer x-Achsenrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei N2 eine natürliche Zahl von 2 oder höher ist; N3 z-achsig gestapelte Stromversorgungselementgruppen, welche entlang einer y-Achsenrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei N3 eine natürliche Zahl von 2 oder mehr ist; einen positiven elektrischen Anschluss, welcher ein positiver Ausgangsanschluss des Stromversorgungssystems ist; und einen negativen elektrischen Anschluss, welcher ein negativer Ausgangsanschluß des Stromversorgungssystems ist.
  9. Multiaxiales Stromversorgungssystem nach Anspruch 8, wobei die benachbarten Stromversorgungselemente über ihre Stromabnehmer direkt kontaktiert sind, um eine elektrische Verbindung in Reiheschaltung oder Parallelschaltung zu bilden.
  10. Multiaxiales Stromversorgungssystem nach Anspruch 8, wobei jedes der Stromversorgungselemente ferner eine Dichtungsschicht umfasst, die im Wesentlichen zwischen den beiden Stromabnehmern angeordnet ist um die beiden Stromabnehmer zu verkleben und das elektrochemische System dazwischen leckagefrei abzudichten
  11. Multiaxiales Stromversorgungssystem nach Anspruch 8, wobei der positive elektrische Anschluss einen Mittelpunkt (Xc, Yc, Zc) und der negative elektrische Anschluss einen Mittelpunkt (Xa, Ya, Za) aufweist, wobei Xc≠Xa, Yc^Ya, Zc≠Za oder eine Kombination davon gilt.
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