EP4128409A1 - Elektrischer energiespeicher mit einstellbarem druck auf batteriezellen und verfahren zum betreiben eines elektrischen energiespeichers - Google Patents

Elektrischer energiespeicher mit einstellbarem druck auf batteriezellen und verfahren zum betreiben eines elektrischen energiespeichers

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EP4128409A1
EP4128409A1 EP21706930.1A EP21706930A EP4128409A1 EP 4128409 A1 EP4128409 A1 EP 4128409A1 EP 21706930 A EP21706930 A EP 21706930A EP 4128409 A1 EP4128409 A1 EP 4128409A1
Authority
EP
European Patent Office
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pressure plate
pressure
cell stack
electrical energy
energy store
Prior art date
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Pending
Application number
EP21706930.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Anselm MUELBERGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Mercedes Benz Group AG filed Critical Mercedes Benz Group AG
Publication of EP4128409A1 publication Critical patent/EP4128409A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0481—Compression means other than compression means for stacks of electrodes and separators
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Electrical energy storage devices such as high-voltage batteries for vehicle applications, for example for hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles or electric vehicles, or high-voltage batteries for stationary applications such as power suppliers or storage devices have a large number of individual cells connected in series and / or in parallel.
  • the individual cells are usually grouped together in so-called cell blocks.
  • the individual cells can be designed as so-called hardcase cells with a metallic, solid cell housing or as so-called pouch cells, which have an envelope in the form of a composite film.
  • an operating pressure of several bar is required for optimal functionality of the boundary layers at which the anode and the separator or the cathode and the separator adjoin one another.
  • a pressure of several bar is also required in order to optimize the so-called plating behavior or stripping behavior of the battery cell.
  • Metallic lithium is formed during plating instead of lithium ions being embedded in the electrode as desired. The lithium anode dissolves during stripping.
  • a typical value for the growth in thickness of the single cell as it ages is, for example, 5 percent, both for a solid-state cell and for a conventional single cell with Li-ion cell chemistry, in which the electrolyte is in liquid form. This applies to the growth in thickness over the entire service life, i.e. a decrease in the SOH from 100 percent to 0 percent. In view of these numerical values, a total change in thickness of up to about 20 percent must be compensated for.
  • the end plate can be moved by means of the electromechanical actuator relative to the further end plate which rests on the battery housing. Accordingly, the force applied when moving the actuator is supported against the battery housing.
  • this makes it necessary to design the battery housing to be particularly robust.
  • this makes it more difficult to remove a cell block comprising the end plates from the battery housing or to dismantle the cell block. The same applies if, when installing a battery in a vehicle, pressing forces are supported against structures of the vehicle. This also results in a unit that can no longer be dismantled or can only be dismantled with great effort in vehicle operation.
  • an elastic element in the form of a spring has a large block length.
  • This block length is the length of the spring when fully compressed.
  • the axial pressing force is specified as a function of the distance by which the spring is compressed
  • the corresponding characteristic curve or curve rises vertically when the block length is reached. The area from which this block length is reached cannot therefore be used when the battery is in operation.
  • the first and the second pressure plate can therefore be actively moved towards or away from one another in that the control device controls the at least one rolling element.
  • the rolling element can have an actuator or an electric motor, which provides a force for rolling up and / or unrolling. All forces resulting from the pressure are absorbed by the surrounding element and the rolling element. As a result, no compressive forces need to be supported on surrounding elements. For this reason, the pressurization of the at least one cell stack is improved.
  • Modules or units, which are formed by the electrical energy store can thus be installed particularly easily, for example, in a battery housing or in a vehicle. Because pressure forces do not need to be supported on elements such as the battery housing or the vehicle. This facilitates maintenance or replacement of a module in the form of the electrical energy store, for example.
  • an actively controlled constant force system is therefore preferably used, which is characterized in particular by an essentially horizontal force-displacement characteristic.
  • the latter means that in the usable part of the path or the route in which at least one of the pressure plates is movable relative to the other pressure plate, the force exerted by the pressure plates on the at least one cell stack is independent of the position of the movable pressure plate along the path .
  • the movable pressure plate can be moved forwards or backwards parallel to the stacking direction by means of the at least one rolling element or by rolling up the surrounding element. Accordingly, along the path or the route, the printing plates can be moved toward or away from each other parallel to the stacking direction.
  • the pressure plates that are flat against the at least one cell stack become active according to the change in thickness, i.e. by means of the at least one rolling element or by the Rolling up the enclosing element towards one another or moved away from one another.
  • a battery cell having the at least one cell stack and / or a cell block having a plurality of battery cells can be particularly light as well as being inexpensive and particularly compact with regard to the space required.
  • the at least one cell stack is thus always pressed with the optimum force, there is also no negative impact on the performance of the battery cell or the battery cells and the service life of the battery cell or the battery cells.
  • the at least one rolling element or the roller and / or a guide shaft of the rolling element runs parallel to the first pressure plate and / or second pressure plate.
  • the at least one rolling element or the roller runs parallel to the first pressure plate and / or the second pressure plate.
  • the rolling element or the roller can be aligned parallel to the first and / or second pressure plate. This represents a particularly space-saving and efficient spatial design.
  • the actuator unit has at least one guide shaft, which in particular runs parallel to the first pressure plate and / or the second pressure plate.
  • the rolling element thus optionally has a guide shaft.
  • the guide shaft can in turn optionally be aligned parallel to the first and / or second pressure plate.
  • the guide shaft ensures particularly complete encompassing of the pressure plates and the cell stack, a particularly advantageous introduction of forces into both the pressure plate and the enclosing element, and optimal guidance of the enclosing element towards the rotation element.
  • the rolling element is arranged on a side of the first or second pressure plate facing away from the cell stack.
  • the rolling element can be arranged on an outside of the first or second pressure plate.
  • the outer side denotes in particular that side of the corresponding plate whose surface normal is perpendicular to the stacking direction of the cell stack and does not adjoin the cell stack or faces away from it.
  • a particularly stable fastening of the rolling element results on the first or second pressure plate.
  • a rolling element would also be conceivable, which is arranged neither on one of the pressure plates nor on the cell stack.
  • the rolling element can only be attached to the enclosing element.
  • the electrical energy store has a further pressure plate between the first pressure plate and the enclosing element and a further actuator which is arranged between the first pressure plate and the further pressure plate.
  • the further actuator is designed to change a distance between the first pressure plate and the further pressure plate. By changing the distance between the further pressure plate and the first pressure plate, the distance between the first pressure plate and the second pressure plate can be changed. In other words, the change in the distance between the first pressure plate and the further pressure plate can result in an opposite change in the distance between the first pressure plate and the second pressure plate. As a result, the pressure on the cell stack can be changed by the additional actuator.
  • the further pressure plate is also enclosed by the enclosing element.
  • the enclosing element represents an abutment for the movement of the further actuator.
  • the rolling element can also be dispensed with in the case of the further actuator.
  • the present application also claims electrical energy storage devices which have at least one enclosing element, the further pressure plate (between the first pressure plate and the enclosing element) and the further actuator (between the first pressure plate and the further pressure plate). If there is no rolling element, the enclosing element has in particular a constant length in the circumferential direction or a constant circumference around all pressure plates.
  • the present application therefore also claims electrical energy storage devices which have at least one enclosing element, the further pressure plate (between the first pressure plate and the enclosing element) and the further actuator (between the first pressure plate and the further pressure plate) but not a rolling element.
  • an actuator of the rolling element and / or the further actuator is designed to be self-locking and / or designed in such a way that locking takes place in the de-energized state.
  • the actuator of the rolling element and / or the further actuator is designed in such a way that they only carry out a movement in response to a corresponding activation by the control device. In the de-energized state or while there is no such activation, a movement of the actuator and thus a change in the distance between the first and second pressure plates is inhibited by the self-locking or locking. In this way, electrical energy for operating the respective actuator can be saved.
  • a first pressure plate and a second pressure plate exert pressure on the at least one cell stack arranged between the pressure plates.
  • a control device controls an actuator unit, the at least one actuator unit changing a distance between the pressure plates.
  • the actuator unit has at least one flexible enclosing element which encloses the pressure plates and the cell stack arranged between them. At least one rolling element of the actuator unit rolls up or down the enclosing element, so that a change in length of the enclosing element in the circumferential direction of the enclosure changes a distance between the first and second pressure plates.
  • the pressure exerted on the at least one cell stack can therefore be set, in particular regulated or readjusted. Consequently, a method is created by means of which an improved application of pressure to the at least one cell stack can be achieved. This applies in particular when the pressure exerted by the first and second pressure plates on the at least one cell stack is kept at least essentially constant by controlling the at least one actuator.
  • FIG. 1 shows a graph in which, on the basis of curves, force-displacement characteristics are shown in a constant force system of an electrical energy store and in an electrical energy store having elastic elements;
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of a battery with a plurality of battery cells which are clamped between two pressure plates, a distance between the pressure plates being changeable by controlling a rolling element which rolls up / unrolls an enclosing element comprising the pressure plates;
  • a first characteristic curve 52 shown in graph 50 in FIG. 1 illustrates the behavior of an elastic element such as a spring, which can be arranged in a cell housing of battery cell 3 or a battery housing (not shown) of battery 1 (compare FIG. 2) in order to apply pressure to the cell stack or stacks 13.
  • the path by which the spring can be compressed is plotted on an abscissa 55.
  • a first section 57 of the characteristic curve 52 accordingly represents a region of the path by which the spring has to be compressed in order to apply a required pretensioning force. This pretensioning force is set during the assembly of the battery cell 3 or the battery 1 or such a cell block. In this area of the path, the force that can be applied by the spring cannot be used.
  • a further section 58 of the characteristic curve 52 represents a usable area of the path.
  • the elastic element in the form of the spring applies an increasingly greater axial pressing force to the at least one cell stack 13. The force increases in this section 58 (linearly) the further the spring is compressed.
  • a corresponding section 59 of the path available in the battery cell 3 or in the battery 1 represents a block length of the spring. If the spring is completely compressed, the electrodes of the cell stack 13 cannot expand further perpendicular to their stacking direction 11, which is shown in FIG Fig. 2 is illustrated by an arrow.
  • the rolling element 7 has a drive 12, in particular an actuator or electric motor, for rotating the roller 8.
  • the drive 12 is designed to rotate the roller 8 in order to roll up and / or unroll the enclosing element 9 on the roller 8.
  • the rolling up of the enclosing element 9 results in a reduction in the circumference of that part of the enclosing element 9 which encloses the pressure plates 5, 6 and the cell stack 13 or the battery cells 3.
  • the unrolling of the enclosing element 9 results in an enlargement of the circumference of that part of the enclosing element 9, which the pressure plates 5,
  • the pressure plates 5, 6 are designed to be at least essentially incompressible, the unwinding of the enclosing element 9 results in an increase in the distance between the pressure plates 5, 6.
  • An increase / decrease in the distance clearly results in a decrease / increase in a pressure exerted by the pressure plates 5, 6 on the battery cells 3 or the cell stacks 13.
  • the rolling element thus enables
  • the rolling element 7 in connection with the enclosing element 9 regulates the pressure acting on the cell stack 13 or the battery cells 3.
  • the system comprising the rolling element 7, the enclosing element 9 and the drive 12 enables the cell stack 13 or the battery cells 3 to be operated with constant force and / or constant force Pressure on the cell stack 13 or battery cells 3. For this reason, this can be referred to as a constant force system.
  • the rolling element 7 has In the present case, there are also two guide rollers 10.
  • the movement of the rolling element 7 or the drive 12 is controlled by a control device 14. This takes place, for example, according to a characteristic curve or characteristic map stored in the control device 14.
  • a characteristic curve 56 illustrating this constant force system is also shown in graph 50 in FIG. 1.
  • a first, in the present case horizontal section 53 of the characteristic curve 56 represents the usable area of the path along which the pressure plates 5, 6 can be moved towards or away from one another. From the horizontal course of the characteristic curve 56 in the section 53 it can be seen that the pressure plates 5, 6 in the constant force system act on the cell stack 13 with the constant force regardless of the path. This applies when the respective cell stacks 13 having the battery cells 3, which are arranged in the pack or cell stack 13 of the battery 1 (see FIG Battery cell 3 arranged cell stack 13 when this is arranged between the pressure plates 5, 6.
  • the characteristic curve 56 rises vertically.
  • the block length or the unusable path is significantly shorter than in the system illustrated by the characteristic curve 52 in which the spring is used. This can be clearly seen in the graph 50 from the shorter length of the end section 54 compared to the section 59.
  • the area of the path which cannot be used when the spring is used and which corresponds to the length of the section 57 can also be used when the constant force system is used.
  • the use of the constant force system therefore ensures that when the thickness of the cell stack 13 in the battery 1 changes or when the thickness changes individual battery cells 3 of the cell stack 13, at least one of the pressure plates 5, 6 lying flat against the cell stack 13 is actively moved forwards, i.e. approximately counter to the stacking direction 11, or back, i.e. in the stacking direction 11, according to the change in thickness. Accordingly, there is constant axial compression of the at least one cell stack 13 of the battery 1.
  • the change in the thickness of the battery cells 3 of the cell stack 13 in the battery 1 can be caused by the battery cell 3 or the battery cells 3 being charged or discharged. Furthermore, as a result of the aging of the battery cells 3, the thickness of the cell stacks of the battery cells 3 increases in the stacking direction 11. However, all these changes in thickness can be compensated for by the actively controlled constant force system with the preferably horizontal force-displacement characteristic, that is to say characteristic 56.
  • the use of the constant force system is particularly advantageous when the battery cells 3 are designed as solid-state cells which, with regard to the cell chemistry, are designed as lithium-ion cells. Accordingly, the positive electrode of the respective battery cell 3 can be provided by lithium compounds.
  • the battery 1 can provide a desired nominal voltage and / or a desired current strength, which is preferably greater than that of an individual one Battery cells 3 deliverable nominal voltage or amperage.
  • the battery 1 can be designed as a high-voltage battery or as a battery module or cell block of a high-voltage battery for a motor vehicle.
  • Such a high-voltage battery can provide a nominal voltage of more than 60 volts, in particular of several 100 volts, for example 400 volts or 800 volts.
  • An alternative embodiment is shown in FIG.
  • the pressure plates 5, 6 adjacent to the cell stack 13 and the cell stack 13 consists of several battery cells 3 are enclosed by an enclosing element 9.
  • two further pressure plates 25 are enclosed by the enclosing element 9.
  • a respective actuator unit 20 is arranged between a respective further pressure plate 25 and the respectively adjacent pressure plate 5, 6.
  • the actuator unit 20 has an actuator 23 for generating a driving force, a threaded spindle 22 for transmitting the generated driving force and a toggle lever mechanism 21 for translating the generated force.
  • versions with a rack and pinion drive for power transmission or a ramp system for transmission are also possible.
  • the actuator 23 can be designed, for example, as an electric motor.
  • the enclosing element 9 can be designed, for example, as a band, rope or chain. In a further embodiment, several similar enclosing elements 9 can be provided, which is particularly preferable in the case of ropes or chains.
  • the toggle mechanism 21 enables the increase and / or decrease of the distance between the pressure plate 5, 6 adjacent to the respective actuator unit 20 and the further pressure plate 25 adjacent to the respective actuator unit 20.
  • the respective actuator unit 20 enables the change the distance between the two pressure plates 5, 6, 25 adjacent to the actuator unit 20. This change in distance results in an increase or decrease in the force or the pressure on the pressure plates 5, 6 adjacent to the respective actuator unit 20 , 6 is transferred to the battery cells 3 or the cell stack 13.
  • the actuator unit 20 generates an equal but opposite counterforce on the adjacent further pressure plate 25.
  • the enclosing element 9 serves as an abutment for the forces acting on the further pressure plates 25 e.
  • the enclosing element 9 ensures that the counterforce generated by the actuator unit 20 is absorbed.
  • the respective actuator unit 20 is due to the interaction with the Each adjacent pressure plate 25 is designed to exert a force in the direction of the pressure plates 5, 6. This force acts in particular parallel to the stacking direction 11.
  • the battery 1 has a symmetrical arrangement on further pressure plates 25 and actuator unit 20.
  • an asymmetrical arrangement is also possible.
  • the battery has only one further pressure plate 25 and one actuator unit 20.
  • an actuator unit 20 and an adjoining further pressure plate 25 are arranged adjacent to only one of the pressure plates 5, 6. In this case, the overall dimensions are more compact and costs are reduced by eliminating an actuator unit 20.
  • the battery 1 can have one or more actuator units 20 and a rolling element 7.
  • the threaded spindle 22 is preferably designed to be self-locking.
  • This can be implemented, for example, by a corresponding mechanism in a spindle nut 24, which is used in particular to guide the threaded spindle 22.
  • a currentless active locking or brake or braking device is preferably provided.
  • the rolling element 7 can be designed to be self-locking. For example, when the drive 12 is de-energized, the roller 8 is locked or actively locked. Rolling of the roller 8 can thus be avoided without having to use electrical energy for this.
  • an elastic element such as a thin tension mat between the cell stack 13 and at least one of the pressure plates 5, 6 .
  • the constant force system can be installed once in a single battery cell 3 or once in the battery 1. However, it is also possible to install the constant force system several times in a single battery 1 or in a cell stack 13. If, for example, in a cell stack 13 with a plurality of battery cells 3, each individual battery cell 3 is assigned a separate constant force system with the two pressure plates 5, 6, then the battery cells 3 remain in place despite their change in thickness axial position, that is to say at a constant position in relation to the stacking direction 11. This advantageously results in a constant and identical grid dimension.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher (1) mit wenigstens einem Zellstapel (13), welcher eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung (11) übereinander angeordneten Lagen von Batteriezellen (3) umfasst, mit einer ersten Druckplatte (5) und mit einer zweiten Druckplatte (6) zum Ausüben eines Drucks auf den Zellstapel (13), mit einer Aktuatoreinheit (7, 9, 12) durch deren Betätigung der Abstand zwischen der ersten und zweiten Druckplatte (5, 6) veränderbar ist und mit einer Steuerungseinrichtung (36) zum Ansteuern der Aktuatoreinheit (7, 9, 12). Um eine verbesserte Druckbeaufschlagung des Zellstapels (13) zu ermöglichen ist vorgesehen, dass die Aktuatoreinheit (7, 9, 12) aufweist: - zumindest ein flexibles Umschließungselement (9), welches die erste und zweite Druckplatte (5, 6) sowie den dazwischen angeordneten Zellstapel (13) umschließt, - zumindest ein aktuiertes Rollelement (7) zum Aufrollen und/oder Abrollen des Umschließungselements (9), so dass durch eine Längenänderung des Umschließungselements (9) in Umfangsrichtung der Umschließung ein Abstand der ersten und zweiten Druckplatte (5, 6) voneinander veränderbar ist.

Description

Elektrischer Energiespeicher mit einstellbarem Druck auf Batteriezellen und Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit wenigstens einem Zellstapel, welcher eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinander angeordneten Lagen von Batteriezellen umfasst. Eine erste Druckplatte und eine zweite Druckplatte sind zum Ausüben eines Drucks auf den zwischen den Druckplatten angeordneten wenigstens einen Zellstapel vorgesehen. Eine Aktuatoreinheit ermöglicht bei deren Betätigung den Abstand zwischen den Druckplatten zu verändern und eine Steuerungseinrichtung dient dem Ansteuern der Aktuatoreinheit. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen elektrischen Energiespeichers.
Elektrische Energiespeicher wie etwa Hochvoltbatterien für Fahrzeuganwendungen, beispielsweise für Hybridfahrzeuge, Plug in-Hybridfahrzeuge oder Elektrofahrzeuge, oder Hochvoltbatterien für stationäre Anwendungen wie etwa Stromversorger oder Speicher weisen eine Vielzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen auf. Innerhalb der Hochvoltbatterie sind die Einzelzellen in der Regel in so genannten Zellblöcken zusammengefasst. Die Einzelzellen können als so genannte Hardcase-Zellen mit einem metallischen, festen Zellgehäuse oder als so genannte Pouchzellen ausgeführt sein, welche eine Umhüllung in Form einer Verbundfolie aufweisen.
Die Zellblöcke enthalten jeweils eine bestimmte Anzahl der Einzelzellen inklusive von Einrichtungen zu derer mechanischen Fixierung, zur elektrischen Kontaktierung der Einzelzellen und gegebenenfalls zur Temperierung, also zur Kühlung und Heizung. Der Zellblock oder eine Mehrzahl von Zellblöcken sind wiederum in einem geschlossenen Batteriegehäuse untergebracht, welches insbesondere zusätzlich Einrichtungen zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie aufweist, etwa ein Batteriemanagementsystem (BMS), Schütze zur Zuschaltung und Abschaltung des Stroms, Sicherungen, Strommesser und dergleichen. Des Weiteren enthält die Batterie vorzugsweise Anschlüsse nach außen, nämlich für die Stromzuleitung und Stromableitung, eine Kühlmittelzuführung und Kühlmittelabführung, einen Anschluss für die Batteriesteuerung und dergleichen.
Die mechanische Fixierung der aufeinander gestapelten Einzelzellen zur Bildung eines Zellblocks erfolgt im Allgemeinen durch Verpressung und/oder Verklebung. Hierbei werden die axialen Verpresskräfte über an den Stirnseiten des Zellblocks angeordnete Druckplatten aufgebracht. Die Druckplatten sind wiederum über an dem Zellblock seitlich vorbeilaufende, durchgehende Spannmittel miteinander verbunden. Die Spannmittel können Verbindungsleisten, Zuganker, Gewindestangen, Spannbänder oder dergleichen umfassen.
Der elektrochemisch aktive Teil der Einzelzelle ist ein so genannter Zellstapel oder Elektrodenflachwickel. Der Zellstapel wird durch Lagen aus Kathoden und Anoden sowie jeweiligen Ableitern gebildet, wobei die jeweilige Kathodenlage von der jeweiligen Anodenlage durch eine Lage in Form eines Separators getrennt ist. Der Zellstapel wird zur Sicherstellung der Funktion im Betrieb senkrecht zu den Lagen mit einer bestimmten Vorspannkraft verpresst.
Vor allem bei einer als Festkörperzelle ausgebildeten Batteriezelle beziehungsweise bei einer eine Mehrzahl von Festkörperzellen umfassenden Batterie ist ein Betriebsdruck von mehreren bar für eine optimale Funktionsfähigkeit der Grenzschichten erforderlich, an welchen die Anode und der Separator beziehungsweise die Kathode und der Separator aneinander angrenzen. Wird in der Batteriezelle eine Lithiummetall enthaltende Anode verwendet, so ist ebenfalls ein Druck von mehreren bar erforderlich, um das so genannte Plating-Verhalten beziehungsweise Stripping-Verhalten der Batteriezelle zu optimieren. Beim Plating wird metallisches Lithium gebildet, anstatt dass sich Lithium-Ionen wie gewünscht in die Elektrode einlagern. Beim Stripping kommt es zu einer Auflösung der Lithium-Anode.
Das sich im Inneren der jeweiligen Einzelzelle befindende elektrochemisch aktive Elektrodenmaterial, welches einerseits die Kathode und andererseits die Anode bildet, ändert seine Dicke abhängig vom Ladungszustand (SOC = State of Charge) und der Lebensdauer (SOH = State of Health). Ein typischer Wert für das Dickenwachstum beim Aufladen einer als Festkörperzelle ausgebildeten Einzelzelle mit einer Lithiummetall- Anode beträgt beispielsweise 15 Prozent, wenn die Einzelzelle ausgehend von einem ungeladenen Zustand vollständig aufgeladen wird (der SOC ändert sich dementsprechend von 0 Prozent auf 100 Prozent). Ein typischer Wert für das Dickenwachstum der Einzelzelle beim Altern derselben liegt sowohl bei einer Festkörperzelle als auch bei einer konventionellen Einzelzelle mit Li-Ionen-Zellchemie, bei welcher der Elektrolyt in flüssiger Form vorliegt, bei beispielsweise 5 Prozent. Dies gilt für das Dickenwachstum über die gesamte Lebensdauer, also eine Abnahme des SOH von 100 Prozent auf 0 Prozent. In Anbetracht dieser Zahlenwerte ist also insgesamt eine Dickenänderung von bis zu etwa 20 Prozent zu kompensieren.
Um dies zu erreichen, können elastische Federelemente wie etwa Schaummatten oder Schraubenfedern in den Einzelzellen oder zwischen den Einzelzellen angeordnet sein.
Beispielsweise beschreibt die DE 102009035482 A1 eine Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, welche in Flachbauweise ausgebildet und zwischen zwei Endplatten zu einem Zellenstapel verspannt sind. Hierbei können als passive Mittel zur Druckbeaufschlagung des Zellenstapels Federmittel vorgesehen sein. Des Weiteren schlägt die DE 102009 035482 A1 vor, zwischen einer Endplatte und einerweiteren, an einem Batteriegehäuse anliegenden Endplatte der Batterie einen ansteuerbaren, beispielsweise elektromechanischen Aktuator anzuordnen. Dieser aktive Aktuator kann anhand von Messwerten der Temperatur und des Drucks in dem Zellenstapel angesteuert werden.
Bei der Batterie gemäß der DE 102009035482 A1 ist die Endplatte mittels des elektromechanischen Aktuators relativ zu der weiteren Endplatte bewegbar, welche an dem Batteriegehäuse anliegt. Dementsprechend wird die beim Bewegen des Aktuators aufgebrachte Kraft gegen das Batteriegehäuse abgestützt. Einerseits macht es dies erforderlich, das Batteriegehäuse besonders robust auszulegen. Zudem wird es dadurch erschwert, einen die Endplatten umfassenden Zellblock aus dem Batteriegehäuse zu entfernen beziehungsweise den Zellblock zu demontieren. Dasselbe gilt, wenn bei Einbau einer Batterie in ein Fahrzeug Verpresskräfte gegen Strukturen des Fahrzeugs abgestützt werden. Auch dann ergibt sich im Fahrzeugbetrieb eine nicht mehr beziehungsweise nur mit hohem Aufwand zu demontierende Einheit.
Nachteilig ist des Weiteren beim Anordnen von elastischen Elementen zwischen den Einzelzellen das durch die Federkennlinie prinzipbedingte Ansteigen der Presskraft bei sich ausdehnenden Elektroden beziehungsweise Einzelzellen. Dadurch muss die Zelle oder der Zellblock auf sehr hohe axiale Kräfte ausgelegt werden. Des Weiteren gibt es einen im Betrieb der Batterie nicht nutzbaren Wegbereich zur Vorspannung der Feder auf eine nötige Mindestverpressung.
Darüber hinaus weist ein elastisches Element in Form einer Feder eine große Blocklänge auf. Diese Blocklänge ist die Länge der Feder im komplett zusammengedrückten Zustand. In einem Kraft-Weg-Diagramm, in welchem die axiale Presskraft in Abhängigkeit von der Strecke angegeben ist, um welche die Feder zusammengedrückt ist, steigt mit Erreichen der Blocklänge die entsprechende Kennlinie beziehungsweise Kurve senkrecht an. Auch der Bereich ab dem Erreichen dieser Blocklänge ist somit im Betrieb der Batterie nicht nutzbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Energiespeicher der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem eine verbesserte Druckbeaufschlagung des wenigstens einen Zellstapels erreichbar ist, und ein entsprechend verbessertes Verfahren zum Betreiben des elektrischen Energiespeichers zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Energiespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße elektrische Energiespeicher weist zumindest ein flexibles Umschließungselement, welches die Druckplatten sowie den dazwischen angeordneten Zellstapel umschließt, und zumindest ein aktuiertes Rollelement zum Aufrollen und/oder Abrollen des Umschließungselements auf, so dass durch eine Längenänderung des Umschließungselements in Umfangsrichtung der Umschließung ein Abstand der der ersten und der zweiten Druckplatte voneinander veränderbar ist.
Mit anderen Worten kann das flexible Umschließungselement, welches den Zellstapel umgibt und durch die Umschließung den Abstand zwischen der ersten und zweiten Druckplatte vorgibt, durch das Rollelement aufgerollt und/oder abgerollt werden. Insbesondere ist das Rollelement dazu ausgebildet, dass Umschließungselement aufzurollen und/oder abzuholen. Durch das Aufrollen und/oder Abrollen erfolgt die Längenänderung des Umschließungselements entlang der Umfangsrichtung. Die Umfangsrichtung beziehungsweise der Umfang erstreckt sich dabei zwischen den Druckplatten sowie entlang der ersten und zweiten Druckplatte. Die Umfangsrichtung erstreckt sich dabei parallel zu dem Anteil des Umschließungselements, welcher den Zellstapel sowie die Druckplatten umschließt.
Das Umschließungselement kann zwei Anteile aufweisen: Einerseits den ersten Anteil, welcher den Zellstapel sowie die Druckplatten umschließt, und andererseits den zweiten Anteil, welcher durch das Rollelement aufgerollt ist. Durch das Aufrollen und/oder Abrollen ergibt sich eine Verschiebung dieser Anteile. Wenn der Umfang des Umschließungselements um die Druckplatten und den Zellstapel kleiner wird (etwa durch Aufrollen eines Teils des Umschließungselements), ergibt sich hierdurch eine Verringerung des Abstands der ersten und zweiten Druckplatte zueinander. Daraus kann eine Erhöhung des Drucks auf den Zellstapel resultieren. Wenn der Umfang des Umschließungselements um die Druckplatten und den Zellstapel größer wird (etwa durch Abrollen eines Teils des Umschließungselements), ergibt sich hierdurch eine Vergrößerung des Abstands der ersten und zweiten Druckplatte zueinander. Daraus kann eine Verringerung des Drucks auf den Zellstapel resultieren. Mathematisch betrachtet kann das Umschließungselement entsprechend einer geschlossenen Kurve um die Druckplatten und den Zellstapel geformt sein. Dabei ist das Umschließungselement entlang der geschlossenen Kurve insbesondere unter Zug, sodass sich eine Kraft entlang der Umfangsrichtung des Umschließungselements ergibt.
Es können also die erste und die zweite Druckplatte aktiv aufeinander zu beziehungsweise voneinander weg bewegt werden, indem die Steuerungseinrichtung das wenigstens eine Rollelement ansteuert. Das Rollelement kann einen Aktuator beziehungsweise ein Elektromotor aufweisen, welcher eine Kraft für das Aufrollen und/oder Abrollen bereitstellt. Durch das Umfassungselement und das Rollelement werden alle aus dem Druck resultierenden Kräfte abgefangen. Dadurch müssen hierbei keine Druckkräfte an umliegenden Elementen abgestützt werden. Aus diesem Grund ist die Druckbeaufschlagung des wenigstens einen Zellstapels verbessert. Es können somit Module beziehungsweise Einheiten, welche durch den elektrischen Energiespeicher gebildet sind, besonders leicht etwa in ein Batteriegehäuse oder in ein Fahrzeug eingebaut werden. Denn Druckkräfte brauchen nicht an Elementen wie dem Batteriegehäuse oder dem Fahrzeug abgestützt zu werden. Dadurch wird beispielsweise eine Wartung oder ein Austausch eines Moduls in Form des elektrischen Energiespeichers erleichtert.
Vorzugsweise ist die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von einer jeweiligen Dicke des wenigstens einen Zellstapels mittels des wenigstens einen Rollelements beziehungsweise durch das Aufrollen des Umfassungselements über die Druckplatten ein Beaufschlagen des wenigstens einen Zellstapels mit einer im Wesentlichen konstanten Kraft zu bewirken.
Zur Kompensation von Dickenänderungen des wenigstens einen Zellstapels kommt somit vorzugsweise ein aktiv gesteuertes Konstantkraftsystem zum Einsatz, welches sich insbesondere durch eine im Wesentlichen horizontale Kraft-Weg-Kennlinie auszeichnet. Letzteres bedeutet, dass in dem nutzbaren Teilbereich des Wegs oder der Strecke, in welchem wenigstens eine der Druckplatten relativ zu der anderen Druckplatte bewegbar ist, die von den Druckplatten auf den wenigstens einen Zellstapel ausgeübte Kraft unabhängig von der Position der bewegbaren Druckplatte entlang des Wegs ist. Entlang des Wegs oder der Strecke kann die bewegbare Druckplatte mittels des wenigstens einen Rollelements beziehungsweise durch das Aufrollen des Umfassungselements parallel zu der Stapelrichtung vorbewegt oder zurückbewegt werden. Dementsprechend können entlang des Wegs oder der Strecke die Druckplatten parallel zu der Stapelrichtung aufeinander zu bewegt oder voneinander weg bewegt werden.
Ändert sich die Dicke des wenigstens einen Zellstapels, etwa aufgrund eines Ladens oder bei einer Entladung oder auch in Folge einer Alterung, so werden zwar die flächig an dem wenigstens einen Zellstapel anliegenden Druckplatten entsprechend der Dickenänderung aktiv, also mittels des wenigstens einen Rollelements beziehungsweise durch das Aufrollen des Umfassungselements aufeinander zu oder voneinander weg bewegt.
Jedoch ergibt sich eine konstante axiale Verpressung entlang der Stapelrichtung. Die Kraft, mit welcher die Druckplatten den wenigstens einen Zellstapel beaufschlagen und somit auch der auf den wenigstens einen Zellstapel wirkende Druck bleibt so zumindest im Wesentlichen konstant. Auch dies ist einer verbesserten Druckbeaufschlagung des Zellstapels zuträglich.
Darüber hinaus geht auch im Gegensatz zu den Gegebenheiten bei einer Verwendung konventioneller Federelemente, welche einen Zellstapel mit Druck beaufschlagen können, kein Weg aufgrund einer Vorspannung einer Feder oder des Federelements verloren, welcher zum Erreichen einer erforderlichen Mindestverpressung vorzusehen ist. Vielmehr wird aufgrund der vorzugsweise horizontalen Kraft-Weg-Kennlinie des Konstantkraftsystems vorzugsweise immer nur die nötige Mindestvorspannkraft angelegt. Infolgedessen kann eine den wenigstens einen Zellstapel aufweisende Batteriezelle und/oder ein eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweisender Zellblock besonders leicht sowie kostengünstig und auch im Hinblick auf den beanspruchten Bauraum besonders kompakt ausgeführt werden.
Da der wenigstens eine Zellstapel somit stets mit der optimalen Kraft verpresst wird, kommt es zudem zu keiner negativen Beeinflussung der Performance der Batteriezelle beziehungsweise der Batteriezellen und der Lebensdauer der Batteriezelle beziehungsweise der Batteriezellen.
Bei dem zumindest einen Umschließungselement kann es sich um ein Band, ein Seil oder eine Kette handeln. Mit anderen Worten kann das zumindest eine Umschließungselement als Band, Seil oder Kette ausgeführt sein. Das Band, das Seil oder die Kette ist um die beiden Druckplatten mit dem dazwischenliegenden Zellstapel geführt. Mit anderen Worten umfasst das Band, das Seil beziehungsweise die Kette die beiden Druckplatten mit dem dazwischenliegenden Zellstapel. Beide Enden des Seiles, des Bands oder der Kette können an dem Rollelement beziehungsweise der Walze zusammenlaufen und/oder an dem Rollelement beziehungsweise der Walze befestigt sein. Alternativ kann das Seil, das Band oder die Kette endlos geführt sein. In diesem Fall kann das Rollelement beziehungsweise die Walze in den endlosen Verlauf des Seiles, des Bandes beziehungsweise der Kette eingreifen, um das Aufrollen beziehungsweise Abrollen durchzuführen. Durch ein Band, ein Seil oder eine Kette kann eine besonders stabile und leicht aufrollbare Umschließung der Druckplatten und des Zellstapels gewährleistet sein.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zumindest eine Rollelement eine Walze aufweist, an der das Umschließungselement befestigt ist. Beispielsweise kann die Walze eine Zylinder sein, auf welchem der zweite Anteil des Umschließungselements, welche durch das Rollelement aufgerollt ist, aufgerollt ist. Beide Enden des Umschließungselements, insbesondere des Seiles, des Bands oder der Kette, können an der Walze befestigt sein. Auf diese Weise beschreibt das Umschließungselement mathematisch betrachtet eine geschlossene Kurve, wobei die Kurve durch die Befestigung an der Rolle geschlossen wird. Dies stellt eine besonders effektive Möglichkeit der Fertigung des Umschließungselements dar.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zumindest eine Rollelement ausgebildet ist, durch eine Rotation der Walze das Aufrollen und/oder Abrollen des Umschließungselements durchzuführen. Durch eine Rotation der Walze beziehungsweise des Zylinders in eine Richtung kann das Umschließungselement weiter aufgerollt werden und durch eine Rotation in die entgegengesetzte Richtung kann das Umschließungselement abgerollt werden. Somit wird durch die Rotation der Walze der erste Anteil des Umschließungselements verkürzt oder verlängert, sodass der Umfang des Umschließungselements um die erste und zweite Druckplatte sowie den Zellstapel verändert wird. Daraus resultiert eine Veränderung des Abstands der ersten und zweiten Druckplatte zueinander. Beispielsweise ist der Aktuator beziehungsweise der Elektromotor des Rollelements dazu ausgebildet, die Walze zu rotieren. Eine Walze stellt ein besonders zweckmäßiges Lager zum Aufrollen des Umschließungselements dar.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zumindest eine Rollelement beziehungsweise die Walze und/oder eine Führungswelle des Rollelements parallel zur ersten Druckplatte und/oder zweiten Druckplatte verläuft. Beispielsweise ist vorgesehen, dass das zumindest eine Rollelement beziehungsweise die Walze parallel zur ersten Druckplatte und/oder zweiten Druckplatte verläuft. Mit anderen Worten kann das Rollelement beziehungsweise die Walze parallel zur ersten und/oder zweiten Druckplatte ausgerichtet sein. Dies stellt eine besonders platzsparende und effiziente räumliche Gestaltung dar.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die Aktuatoreinheit zumindest eine Führungswelle aufweist, welche insbesondere parallel zur ersten Druckplatte und/oder zweiten Druckplatte verläuft. Optional weist das Rollelement somit eine Führungswelle auf. Die Führungswelle kann wiederum optionaler Weise parallel zu der ersten und/oder zweiten Druckplatte ausgerichtet sein. Durch die Führungswelle kann eine besonders vollständige Umfassung der Druckplatten sowie des Zellstapels, eine besonders vorteilhaft ausgerichtete Krafteinleitung von Kräften sowohl in die Druckplatte als auch in das Umschließungselement sowie eine optimale Führung des Umschließungselements hin zum Rotationselement gewährleistet werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Rollelement an einer dem Zellstapel abgewandten Seite der ersten oder zweiten Druckplatte angeordnet ist. Mit anderen Worten kann das Rollelement an einer Außenseite der ersten oder zweiten Druckplatte angeordnet sein. Als Außenseite wird dabei insbesondere diejenige Seite der entsprechenden Platte bezeichnet, deren Flächennormale senkrecht zur Stapelrichtung des Zellstapels und nicht an den Zellstapel angrenzt beziehungsweise diesem abgewandt ist. An der ersten oder zweiten Druckplatte ergibt sich eine besonders stabile Befestigung des Rollelements. Alternativ wäre jedoch, Weise auch ein Rollelement denkbar, welches weder an einer der Druckplatten noch an dem Zellstapel angeordnet ist. Beispielsweise kann das Rollelement ausschließlich an dem Umschließungselement befestigt sein. Gemäß einer Weiterbildung weist der elektrische Energiespeicher eine weitere Druckplatte zwischen der ersten Druckplatte und dem Umschließungselement sowie einen weiteren Aktuator, welcher zwischen der ersten Druckplatte und der weiteren Druckplatte angeordnet ist auf. Der weitere Aktuator ist dazu ausgebildet, einen Abstand zwischen der ersten Druckplatte und der weiteren Druckplatte zu verändern. Durch die Veränderung des Abstands zwischen der weiteren Druckplatte und der ersten Druckplatte kann der Abstand zwischen der ersten Druckplatte und der zweiten Druckplatte verändert werden. Mit anderen Worten kann aus der Veränderung des Abstands zwischen der ersten Druckplatte und der weiteren Druckplatte eine gegenläufige Veränderung des Abstands zwischen der ersten Druckplatte und der zweiten Druckplatte resultieren. Dadurch kann durch den weiteren Aktuator der Druck auf den Zellstapel verändert werden. Dabei ist die weitere Druckplatte ebenfalls durch das Umschließungselement umschlossen. Auf diese Weise stellt das Umschließungselement ein Widerlager für die Bewegung des weiteren Aktuators dar. Insbesondere kann im Falle des weiteren Aktuators auch auf das Rollelement verzichtet werden. Mit anderen Worten beansprucht die vorliegende Anmeldung auch elektrische Energiespeicher, welche zumindest ein Umschließungselement, die weitere Druckplatte (zwischen der ersten Druckplatte und dem Umschließungselement) sowie den weiteren Aktuator (zwischen der ersten Druckplatte und der weiteren Druckplatte) aufweisen. Wenn kein Rollelement vorhanden ist, weist das Umschließungselement insbesondere eine konstante Länge in Umfangsrichtung beziehungsweise einen konstanten Umfang um alle Druckplatten auf. Insbesondere beansprucht die vorliegende Anmeldung daher auch elektrische Energiespeicher, welche zumindest ein Umschließungselement, die weitere Druckplatte (zwischen der ersten Druckplatte und dem Umschließungselement) sowie den weiteren Aktuator (zwischen der ersten Druckplatte und der weiteren Druckplatte) nicht jedoch ein Rollelement aufweisen. Dies stellt eine andere, fortlaufende Möglichkeit dar, den elektrischen Energiespeicher mittels des Umschließungselements in sich zu verspannen.
In einerweiteren Ausgestaltungsform kann eine weitere Druckplatte zusätzlich zwischen der zweiten Druckplatte und dem Umschließungselement vorgesehen sein, wobei der Abstand zwischen der zweiten Druckplatte und der weiteren Druckplatte ebenfalls mittels eines weiteren Aktuators veränderbar ist. In diesem Fall ergibt sich insbesondere ein symmetrischer Aufbau des elektrischen Energiespeichers bezüglich einer Symmetrieachse, welche parallel zu zumindest einer der Druckplatten, vorzugsweise allen Druckplatten, verläuft. Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der weitere Aktuator eine Zahnstange, eine Gewindespindel, ein Hebelsystem, einen Kniehebelmechanismus und/oder einen Rampenmechanismus aufweist. Mit anderen Worten kann das Verändern des Abstandes zwischen der ersten Druckplatte und der weiteren Druckplatte durch Bewegen der Zahnstange, des Hebelsystems, des Kniehebemechanismus und/oder als Rampenmechanismus erfolgt. Dies stellt eine technisch besonders effiziente Lösung dar.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Aktuator des Rollelements und/oder der weitere Aktuator selbsthemmend ausgeführt ist und/oder derart ausgeführt ist, dass in stromlosen Zustand eine Verriegelung erfolgt. Mit anderen Worten ist der Aktuator des Rollelements und/oder der weitere Aktuator derart ausgeführt, dass diese eine Bewegung jeweils nur auf eine entsprechende Ansteuerung durch die Steuerungseinrichtung hin durchführen. In stromlosem Zustand beziehungsweise während keine derartige Ansteuerung vorliegt, ist eine Bewegung des Aktuators und somit eine Veränderung des Abstands der ersten und zweiten Druckplatte zueinander durch die Selbsthemmung beziehungsweise Verriegelung gehemmt. Auf diese Weise kann elektrische Energie für das Betreiben des jeweiligen Aktuators gespart werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers mit wenigstens einem Zellstapel, weicher eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinander angeordneten Lagen von Batteriezellen umfasst, üben eine erste Druckplatte und eine zweite Druckplatte einen Druck auf den zwischen den Druckplatten angeordneten wenigstens einen Zellstapel aus. Eine Steuerungseinrichtung steuert eine Aktuatoreinheit an, wobei die wenigstens eine Aktuatoreinheit einen Abstand zwischen den Druckplatten verändert. Hierbei weist die Aktuatoreinheit zumindest ein flexibles Umschließungselement auf, welches die Druckplatten sowie den dazwischen angeordneten Zellstapel umschließt. Zumindest ein Rollelement der Aktuatoreinheit rollt das Umschließungselements auf oder ab, so dass durch eine Längenänderung des Umschließungselements in Umfangsrichtung der Umschließung ein Abstand der ersten und zweiten Druckplatte voneinander verändert wird. Es kann also der auf den wenigstens einen Zellstapel ausgeübte Druck eingestellt, insbesondere geregelt beziehungsweise nachgeregelt werden. Folglich ist ein Verfahren geschaffen, mittels welchem eine verbesserte Druckbeaufschlagung des wenigstens einen Zellstapels erreichbar ist. Dies gilt insbesondere, wenn der von der ersten und zweiten Druckplatte auf den wenigstens einen Zellstapel ausgeübte Druck durch Ansteuern des wenigstens einen Aktuators zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Die für den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Graphen, in welchem anhand von Kurven Kraft-Weg-Kennlinien bei einem Konstantkraftsystem eines elektrischen Energiespeichers und bei einem elastische Elemente aufweisenden elektrischen Energiespeicher dargestellt sind;
Fig. 2 in einer schematischen Perspektivansicht eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche zwischen zwei Druckplatten eingespannt sind, wobei ein Abstand der Druckplatten voneinander durch das Ansteuern eines Rollelements, welches ein die Druckplatten umfassendes Umschließungselement auf-/abrollt, veränderbar ist;
Fig. 3 dieselbe Batterie in einer schematischen Seitenansicht; und
Fig. 4 eine alternative Ausführungsform einer Batterie mit zusätzlichen
Druckplatten, welche durch ein Umschließungselement gehalten werden, und als Widerlager für jeweilige Aktuatoren dienen. In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In einem in Fig. 1 gezeigten Graphen 50 ist auf einer Ordinate 51 eine axiale Presskraft aufgetragen, welche auf Batteriezellen 3, welche entlang einer Stapelrichtung 11 zu einem Zellstapel 13 verbunden sind, beziehungsweise Batteriezellen 3 einer Batterie 1 aufgebracht werden kann. Das Zusammenpressen von Elektroden in Form von Kathoden und Anoden der einzelnen Batteriezellen 3 dient der Sicherstellung der Funktion des der Batteriezellen 3 des Zellstapels 13 beziehungsweise der Batterie 1.
Eine in dem Graphen 50 in Fig. 1 dargestellte erste Kennlinie 52 veranschaulicht das Verhalten eines elastischen Elements wie etwa einer Feder, welche in einem Zellgehäuse der Batteriezelle 3 oder einem (nicht gezeigten) Batteriegehäuse der Batterie 1 (vergleiche Fig. 2) angeordnet sein kann, um den oder die Zellstapel 13 mit einem Druck zu beaufschlagen. In dem Graphen 50 in Fig. 1 ist hierbei auf einer Abszisse 55 der Weg aufgetragen, um welchen die Feder zusammengedrückt werden kann. Ein erster Abschnitt 57 der Kennlinie 52 stellt dementsprechend einen Bereich des Wegs dar, um welchen die Feder zum Aufbringen einer erforderlichen Vorspannkraft zusammengedrückt werden muss. Diese Vorspannkraft wird bei der Montage der Batteriezelle 3 beziehungsweise der Batterie 1 oder eines derartigen Zellblocks eingestellt. In diesem Bereich des Wegs ist die von der Feder aufbringbare Kraft nicht nutzbar. Ein weiterer Abschnitt 58 der Kennlinie 52 stellt demgegenüber einen nutzbaren Bereich des Wegs dar. In diesem Abschnitt 58 bringt das elastische Element in Form der Feder eine zunehmend größere axiale Presskraft auf den wenigstens einen Zellstapel 13 auf. Die Kraft steigt in diesem Abschnitt 58 (linear) an, je weiter die Feder zusammengedrückt wird.
Ist die Feder vollständig zusammengedrückt, so steigt die Kennlinie 52 senkrecht an. Ein entsprechender Abschnitt 59 des in der Batteriezelle 3 oder in der Batterie 1 zur Verfügung stehenden Wegs stellt eine Blocklänge der Feder dar. Ist die Feder vollständig zusammengedrückt, so können sich die Elektroden des Zellstapels 13 nicht weiter senkrecht zu ihrer Stapelrichtung 11 ausdehnen, welche in Fig. 2 durch einen Pfeil veranschaulicht ist.
Nachteilig ist also bei der Verwendung einer Feder beziehungsweise eines derartigen elastischen Elements, dessen Verhalten durch die Kennlinie 52 in dem Graphen 50 beschrieben ist, das durch die Federkennlinie prinzipbedingte Ansteigen der Presskraft bei sich ausdehnenden Elektroden des wenigstens einen Zellstapels 13. Dementsprechend müssen die Batteriezelle 3 beziehungsweise die Batterie 1 oder der Zellblock auf sehr hohe axiale Kräfte ausgelegt werden.
Dies wird vorliegend vermieden, indem der nachstehend detailliert beschriebene elektrische Energiespeicher in Form einer einzelnen Batteriezelle 3 oder der Batterie 1 (vergleiche Fig. 2) ein Konstantkraftsystem aufweist, welches gemäß Fig. 2 beispielsweise aktuiertes Rollelement 7 und ein Umschließungselement 9 aufweist. Das Umschließungselement 9 umschließt beide Druckplatten 5, 6 sowie die Batteriezellen 3 der Batterie 1. Das Umschließungselement 9 ist vorliegend als flexibles Band ausgeführt. Beispielsweise kann das Umschließungselement 9 aus textilen Werkstoffen und/oder Kunststoff gebildet sein. Das Rollelement 7 weist eine Walze 8 auf, auf welcher das Umschließungselement 9 aufgerollt und/oder abgerollt werden kann.
Das Rollelement 7 weist einen Antrieb 12, insbesondere einen Aktuator beziehungsweise Elektromotor, zum Rotieren der Walze 8 auf. Mit anderen Worten ist der Antrieb 12 dazu ausgebildet, die Walze 8 zu rotieren, um das Umschließungselement 9 auf der Walze 8 aufzurollen und/oder abzurollen. Aus dem Aufrollen des Umschließungselements 9 folgt eine Verringerung des Umfangs desjenigen Teils des Umschließungselements 9, welcher die Druckplatten 5, 6 und den Zellstapel 13 beziehungsweise die Batteriezellen 3 umschließt. Aus dem Abrollen des Umschließungselements 9 folgt eine Vergrößerung des Umfangs desjenigen Teils des Umschließungselements 9, welche die Druckplatten 5,
6 und den Zellstapel 13 beziehungsweise die Batteriezellen 3 umschließt. Da die Druckplatten 5, 6 zumindest im Wesentlichen inkompressibel ausgestaltet sind, folgt aus dem Abrollen des Umschließungselements 9 eine Vergrößerung des Abstands zwischen den Druckplatten 5, 6. Analog folgt aus dem Aufrollen des Umschließungselements 9 eine Verkleinerung des Abstands zwischen den Druckplatten 5, 6. Aus einer Vergrößerung/Verkleinerung des Abstands folgt nachvollziehbarer Weise eine Verringerung/Erhöhung eines durch die Druckplatten 5, 6 auf die Batteriezellen 3 beziehungsweise die Zellstapel 13 ausgeübten Drucks. Somit ermöglicht das Rollelement
7 in Verbindung mit dem Umschließungselement 9 eine Regulierung des auf den Zellstapel 13 beziehungsweise die Batteriezellen 3 wirkenden Drucks. Insbesondere ermöglicht das System aus Rollelement 7, Umschließungselement 9 und Antrieb 12 den Betrieb des Zellstapels 13 beziehungsweise der Batteriezellen 3 mit konstanter Kraft und/oder konstantem Druck auf den Zellstapel 13 beziehungsweise Batteriezellen 3. Aus diesem Grund kann dies als Konstantkraftsystem bezeichnet werden. Zur verbesserten Führung des Umschließungselements 9 auf die Walze 8 weist das Rollelement 7 vorliegend zusätzlich zwei Führungsrollen 10 auf. Die Bewegung des Rollelements 7 beziehungswese der Antrieb 12 wird durch eine Steuereinrichtung 14 gesteuert. Dies erfolgt beispielsweise gemäß einer in der Steuereinrichtung 14 abgelegten Kennlinie beziehungsweise Kennfeldes.
Eine dieses Konstantkraftsystem veranschaulichende Kennlinie 56 ist ebenfalls in dem Graphen 50 in Fig. 1 dargestellt. Ein erster, vorliegend horizontaler Abschnitt 53 der Kennlinie 56 stellt den nutzbaren Bereich des Wegs dar, entlang dessen die Druckplatten 5, 6 aufeinander zu oder voneinander weg bewegt werden können. Aus dem horizontalen Verlauf der Kennlinie 56 in dem Abschnitt 53 ist ersichtlich, dass die Druckplatten 5, 6 in dem Konstantkraftsystem den Zellstapel 13 wegunabhängig mit der konstanten Kraft beaufschlagen. Dies gilt bei dem Beaufschlagen der die jeweiligen Zellstapel 13 aufweisenden Batteriezellen 3, welche in dem Paket beziehungsweise Zellstapel 13 der Batterie 1 angeordnet sind (vergleiche Fig. 2), mit der Kraft und in analoger Weise auch bei der Beaufschlagung des in einem Zellgehäuse einer einzelnen Batteriezelle 3 angeordneten Zellstapels 13, wenn dieser zwischen den Druckplatten 5, 6 angeordnet ist.
Lediglich in einem sehr kurzen Endabschnitt 54 des Wegs, welcher dem in der Batteriezelle 3 oder der Batterie 1 zur Verfügung stehenden Bewegungsspielraum für zumindest eine der Druckplatten 5, 6 entspricht, können die Druckplatten 5, 6 nicht weiter auf einander zu bewegt werden. Dies kann etwa der Fall sein, wenn der Abstand zwischen den Druckplatten 5, 6 den Zellstapel 13 bereits maximiert ist (beispielsweise wenn das Umschließungselement 9 vollständig abgerollt ist) oder wenn das als Bewegungseinrichtungen ausgebildete Rollelement 7 beziehungsweise dessen Antrieb 12 weitere Vergrößerung des Abstands nicht ermöglicht.
Dementsprechend steigt dann, wenn das Konstantkraftsystem auf Block geht, die Kennlinie 56 senkrecht an. Jedoch ist die Blocklänge beziehungsweise der nicht nutzbare Weg deutlich kürzer als bei dem durch die Kennlinie 52 veranschaulichten System, bei welchem die Feder zum Einsatz kommt. Dies ist anschaulich in dem Graphen 50 aus der kürzeren Länge des Endabschnitts 54 im Vergleich zu dem Abschnitt 59 ersichtlich. Des Weiteren ist aus Fig. 1 ersichtlich, dass auch der bei Verwendung der Feder nicht nutzbare Bereich des Wegs, welcher der Länge des Abschnitts 57 entspricht, bei Verwendung des Konstantkraftsystems nutzbar ist.
Die Verwendung des Konstantkraftsystems sorgt also dafür, dass bei einer Änderung der Dicke des Zellstapel 13 in der Batterie 1 beziehungsweise bei einer Änderung der Dicke einzelner Batteriezellen 3 des Zellstapels 13 zumindest eine der flächig an dem Zellstapel 13 anliegenden Druckplatten 5, 6 entsprechend der Dickenänderung aktiv nach vorne, also etwa entgegen der Stapelrichtung 11 , oder zurück, also in die Stapelrichtung 11 , bewegt wird. Dementsprechend ergibt sich eine konstante axiale Verpressung des wenigstens einen Zellstapels 13 der Batterie 1.
Die Änderung der Dicke der Batteriezellen 3 des Zellstapels 13 in der Batterie 1 kann durch ein Aufladen der Batteriezelle 3 beziehungsweise der Batteriezellen 3 oder eine Entladung derselben bedingt sein. Des Weiteren nimmt in Folge einer Alterung der Batteriezellen 3 die Dicke der Zellstapel der Batteriezellen 3 in die Stapelrichtung 11 zu. Alle diese Dickenänderungen können jedoch durch das aktiv gesteuerte Konstantkraftsystem mit der vorzugsweise horizontalen Kraft-Weg-Kennlinie, also der Kennlinie 56, kompensiert werden.
Die Verwendung des Konstantkraftsystems ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Batteriezellen 3 als Festkörperzellen ausgebildet sind, welche im Hinblick auf die Zellchemie als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sind. Dementsprechend kann die positive Elektrode der jeweiligen Batteriezelle 3 durch Lithium-Verbindungen bereitgestellt sein.
Gemäß Fig. 2 und Fig. 3 können die Batteriezellen 3 als so genannte Pouchzellen ausgebildet sein, bei welchen die Batteriezellen 3 eine flexible, aus einem Folienmaterial gebildete Hülle aufweisen. Diese flexible Hülle ist von einem jeweiligen Zellrahmen der Batteriezelle 3 eingefasst. Des Weiteren weist die jeweilige Batteriezelle 3 Ableiterfahnen 15 auf, durch welche elektrische Anschlüsse der jeweiligen Batteriezelle 3 bereitgestellt sind.
Je nachdem, wie diese Ableiterfahnen 15 in Form eines jeweiligen Minuspols und eines jeweiligen Pluspols der Batteriezellen 3 miteinander verschaltet sind, lässt sich von der Batterie 1 eine gewünschte Nennspannung und/oder eine gewünschte Stromstärke bereitstellen, welche vorzugsweise größer ist als die von einer einzelnen der Batteriezellen 3 bereitstellbare Nennspannung beziehungsweise Stromstärke. Insbesondere kann die Batterie 1 als Hochvoltbatterie oder als Batteriemodul beziehungsweise Zellblock einer Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Eine derartige Hochvoltbatterie kann eine Nennspannung von mehr als 60 Volt, insbesondere von mehreren 100 Volt, beispielsweise 400 Volt oder 800 Volt, bereitstellen. Eine alternative Ausführungsform ist in Fig. 4 gezeigt. Auch hier sind die dem Zellstapel 13 benachbarten Druckplatten 5, 6 sowie der Zellstapel 13 besteht aus mehreren Batteriezellen 3 durch ein Umschließungselement 9 umschlossen. Zusätzlich sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 zwei weitere Druckplatten 25 durch das Umschließungselement 9 umschlossen. Zwischen einer jeweiligen weiteren Druckplatte 25 und der jeweils benachbarten Druckplatte 5, 6 ist eine jeweilige Aktuatoreinheit 20 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel weist die Aktuatoreinheit 20 einen Aktuator 23 zur Erzeugung einer Antriebskraft, eine Gewindespindel 22 zum Übertragen der erzeugten Antriebskraft und einen Kniehebelmechanismus 21 zur Übersetzung der erzeugten Kraft auf. Alternativ sind auch Ausführungen mit einem Zahnstangenantrieb zur Kraftübertragung oder einem Rampensystem zur Übersetzung möglich. Der Aktuator 23 kann beispielsweise als Elektromotor ausgeführt sein. Das Umschließungselement 9 kann beispielsweise als Band, Seil oder Kette ausgeführt sein. In weiterer Ausgestaltung können mehrere gleichartige Umschließungselemente 9 vorgesehen sein, was insbesondere im Falle von Seilen oder Ketten zu bevorzugen ist.
Durch ein Ansteuern des Aktuators 23 ermöglicht der Kniehebelmechanismus 21 das Vergrößern und/oder Verkleinern des Abstandes zwischen der der jeweiligen Aktuatoreinheit 20 benachbarten Druckplatte 5, 6 und der der jeweiligen Aktuatoreinheit 20 benachbarten weiteren Druckplatte 25. Mit anderen Worten ermöglicht die jeweilige Aktuatoreinheit 20 das Verändern des Abstands zwischen den beiden der Aktuatoreinheit 20 benachbarten Druckplatten 5, 6, 25. Aus dieser Veränderung des Abstandes folgt ein Vergrößern oder Verringern der Kraft beziehungsweise des Drucks auf die der jeweiligen Aktuatoreinheit 20 benachbarten Druckplatten 5, 6. Dieser Druck auf die jeweiligen Druckplatten 5, 6 überträgt sich auf die Batteriezellen 3 beziehungsweise den Zellstapel 13. Dabei erzeugt die Aktuatoreinheit 20 eine betragsgleiche aber entgegengesetzte Gegenkraft auf die benachbarte weitere Druckplatte 25. Das Umschließungselement 9 dient als Widerlager für die auf die weiteren Druckplatten 25 wirkenden Kräfte. Somit sorgt das Umschließungselement 9 dafür, dass die Gegenkraft, welche durch die Aktuatoreinheit 20 erzeugt wird, abgefangen wird. Somit sorgt das Umschließungselement 9, welches sich infolge der Gegenkraft vorzugsweise nicht wesentlich oder nur in äußerst geringem Umfang ausdehnt, für eine Fokussierung der Kraft der Aktuatoreinheit 20 auf die Batteriezellen 3 beziehungsweise den Zellstapel 13. Insgesamt ist die jeweilige Aktuatoreinheit 20 durch das Zusammenspiel mit der jeweils benachbarten Druckplatte 25 dazu ausgebildet, eine Kraft in Richtung der Druckplatten 5, 6 auszuüben. Diese Kraft wirkt insbesondere parallel zu der Stapelrichtung 11. Im vorliegenden Beispiel weist die Batterie 1 eine symmetrische Anordnung an weiteren Druckplatten 25 und Aktuatoreinheit 20 auf. Selbstverständlich ist auch eine asymmetrische Anordnung möglich. Einer solchen asymmetrischen Anordnung weist die Batterie nur eine weitere Druckplatte 25 und eine Aktuatoreinheit 20 auf. Mit anderen Worten ist benachbart zu nur einer der Druckplatten 5, 6 eine Aktuatoreinheit 20 sowie eine daran anschließende weitere Druckplatte 25 angeordnet. In diesem Fall ergibt sich insgesamt ein kompakteres Baumaß und eine Kostenreduktion durch den Wegfall einer Aktuatoreinheit 20.
Selbstverständlich ist eine Kombination der Konstantkraftsysteme aus den Fig. 2 und 4 möglich. Bei den Konstantkraftsystemen liegt der gemeinsame Gedanke des flexiblen Umschließungselements 9 zugrunde. Bei einer Kombination beider Konstantkraftsysteme kann die Batterie 1 eine oder mehrere Aktuatoreinheit 20 sowie ein Rollelement 7 aufweisen.
Damit keine Halteenergie aufgebracht zu werden braucht, wird bei Varianten, bei welchen die Gewindespindel 22 zum Einsatz kommt, die Gewindespindel 22 vorzugsweise selbsthemmend ausgeführt. Dies kann beispielsweise durch einen entsprechenden Mechanismus in einer Spindelmutter 24, welche insbesondere zur Führung der Gewindespindel 22 dient, realisiert sein. Bei Varianten mit der (nicht gezeigten) Zahnstange wird vorzugsweise eine stromlos aktive Verriegelung oder Bremse beziehungsweise Bremseinrichtung vorgesehen. Analog kann das Rollelement 7 selbsthemmend ausgeführt sein. Beispielsweise ist die Walze 8 in stromlosen Zustand des Antriebs 12 gesperrt beziehungsweise aktiv verriegelt. Somit kann ein Abrollen der Walze 8 vermieden werden, ohne hierfür elektrische Energie aufwenden zu müssen.
Um ein ständiges Nachstellen des Systems wie des in Fig. 2 und 3 oder Fig. 4 beispielhaft gezeigten Konstantkraftsystems zu verhindern, kann es sinnvoll sein, ein elastisches Element wie etwa eine dünne Spannmatte zwischen dem Zellstapel 13 und wenigstens einer der Druckplatten 5, 6 anzuordnen.
Das Konstantkraftsystem kann einmalig in einer einzelnen Batteriezelle 3 oder einmalig in der Batterie 1 verbaut sein. Es ist jedoch auch möglich, in einer einzelnen Batterie 1 oder auch in einem Zellstapel 13 das Konstantkraftsystem mehrmalig zu verbauen. Wenn beispielsweise in einem Zellstapel 13 mit mehreren Batteriezellen 3 jeder einzelnen Batteriezelle 3 ein separates Konstantkraftsystem mit den beiden Druckplatten 5, 6 zugeordnet ist, dann bleiben die Batteriezellen 3 trotz ihrer Dickenänderung in ihrer axialen Position, also an einer konstanten Position bezogen auf die Stapelrichtung 11. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter weise ein konstantes und gleiches Rastermaß.
Alle vorstehend beschriebenen Systeme, welche die beiden aufeinanderzu und voneinander weg bewegbaren Druckplatten 5, 6 umfassen, haben den Vorteil, dass es sich um in sich verspannende Systeme handelt. Das Umschließungselement 9 dient dabei als Widerlager. Insbesondere schirmt das Umschließungselement 9 nach außen wirkende Kräfte ab, sodass ein Abstützen der Druckplatten 5, 6 an einem Batteriegehäuse der Batterie einst nicht notwendig ist. Dementsprechend können Module beziehungsweise Einheiten, welche die Druckplatten 5, 6 und wenigstens eine zwischen den Druckplatten 5, 6 angeordnete Batteriezelle 3 oder der zwischen den Druckplatten 5, 6 angeordnete Zellstapel 13 aufweisen, besonders leicht in das Batteriegehäuse beziehungsweise in ein Fahrzeug eingebaut werden. Denn die Druckkräfte brauchen nicht an umliegenden Elementen wie dem Batteriegehäuse oder dem Fahrzeug abgestützt zu werden. Dadurch wird insbesondere der Austausch eines solchen Moduls erleichtert.
Bezugszeichenliste
1 Batterie
3 Batteriezelle
5 Druckplatte
6 Druckplatte
7 Rollelement
8 Walze
9 Umschließungselement
10 Führungsrollen 11 Stapelrichtung 12 Antrieb
13 Zellstapel
14 Steuereinrichtung
15 Ableiterfahnen 20 Aktuatoreinheit 21 Kniehebelmechanismus 22 Gewindespindel
23 Aktuator
24 Spindelmutter
25 weitere Druckplatte
50 Graphen
51 Ordinate
52 Kennlinie
53 Abschnitt
54 Endabschnitt
55 Abszisse
56 Kennlinie
57 Abschnitt
58 Abschnitt
59 Abschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Energiespeicher (1) mit wenigstens einem Zellstapel (13), welcher eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung (11) übereinander angeordneten Lagen von Batteriezellen (3) umfasst, mit einer ersten Druckplatte (5) und mit einer zweiten Druckplatte (6) zum Ausüben eines Drucks auf den zwischen der ersten und zweiten Druckplatte (5, 6) angeordneten wenigstens einen Zellstapel (13), mit einer Aktuatoreinheit (7, 9, 12) durch deren Betätigung der Abstand zwischen der ersten und zweiten Druckplatte (5, 6) veränderbar ist und mit einer Steuerungseinrichtung (36) zum Ansteuern der Aktuatoreinheit (7, 9, 12), dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (7, 9, 12) aufweist:
- zumindest ein flexibles Umschließungselement (9), welches die erste und zweite Druckplatte (5, 6) sowie den dazwischen angeordneten Zellstapel (13) umschließt,
- zumindest ein aktuiertes Rollelement (7) zum Aufrollen und/oder Abrollen des Umschließungselements (9), so dass durch eine Längenänderung des Umschließungselements (9) in Umfangsrichtung der Umschließung ein Abstand der ersten und zweiten Druckplatte (5, 6) voneinander veränderbar ist.
2. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Umschließungselement (9) als Band, Seil oder Kette ausgeführt ist.
3. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Rollelement (7) eine Walze (8) aufweist, an der das Umschließungselement (9) befestigt ist.
4. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Rollelement (7) ausgebildet ist, durch eine Rotation der Walze (8) das Aufrollen und/oder Abrollen des Umschließungselements (9) durchzuführen.
5. Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Rollelement (7) beziehungsweise die Walze (8) und/oder eine Führungswelle (10) des Rollelements parallel zur ersten Druckplatte (5) und/oder zweiten Druckplatte (6) verläuft.
6. Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollelement (7) an einer dem Zellstapel abgewandten Seite einer der beiden ersten und zweiten Druckplatte (5, 6) angeordnet ist.
7. Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine weitere Druckplatte (25) zwischen der ersten Druckplatte (5) und dem Umschließungselement (9) sowie durch einen weiteren Aktuator (20), welcher zwischen der ersten Druckplatte (5) und der weiteren Druckplatte (25) angeordnet und dazu ausgebildet ist, einen Abstand zwischen der ersten Druckplatte (5) und der weiteren Druckplatte (25) zu verändern.
8. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der weiteren Aktuator (20) einen eine Zahnstange, eine Gewindespindel (22), ein Hebelsystem, einen Kniehebelmechanismus (21) und/oder einen Rampenmechanismus aufweist.
9. Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktuator (12) des Rolleelements (7) und/oder der weitere Aktuator (20) selbsthemmend ausgeführt ist und/oder derart ausgeführt ist, dass in stromlosen Zustand eine aktive Verriegelung erfolgt.
10. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers (1) mit wenigstens einem Zellstapel (13), welcher eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung (11) übereinander angeordneten Lagen von Batteriezellen (3) umfasst, bei welchem eine erste Druckplatte (5) und eine zweiten Druckplatte (6) einen Druck auf den zwischen der ersten und zweiten Druckplatte (5, 6) angeordneten wenigstens einen Zellstapel (13) ausüben, und bei welchem eine Steuerungseinrichtung (14) wenigstens eine Aktuatoreinheit (7, 9, 12) ansteuert, wobei die wenigstens eine Aktuatoreinheit (7, 9, 12) einen Abstand zwischen der ersten und zweiten Druckplatte (5, 6) verändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (7, 9, 12) zumindest ein flexibles Umschließungselement (9), welches die erste und zweite Druckplatte (5, 6) sowie den dazwischen angeordneten Zellstapel umschließt, aufweist, und zumindest ein Rollelement (7) der Aktuatoreinheit (7, 9, 12) das Umschließungselement (9) aufrollt oder abrollt, so dass durch eine Längenänderung des Umschließungselements (9) in Umfangsrichtung der Umschließung ein Abstand der ersten und zweiten Druckplatte (5, 6) voneinander verändert wird.
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