EP4595138A1 - Festkörperakkumulatorsystem - Google Patents

Festkörperakkumulatorsystem

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Publication number
EP4595138A1
EP4595138A1 EP23767797.6A EP23767797A EP4595138A1 EP 4595138 A1 EP4595138 A1 EP 4595138A1 EP 23767797 A EP23767797 A EP 23767797A EP 4595138 A1 EP4595138 A1 EP 4595138A1
Authority
EP
European Patent Office
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solid
state
volume
accumulator
variable
Prior art date
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Pending
Application number
EP23767797.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lukas KUEHNE
Max Konstantin WERHAHN
Peter Michael Marienfeld
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.)
ContiTech Vibration Control GmbH
Original Assignee
ContiTech Vibration Control GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ContiTech Vibration Control GmbH filed Critical ContiTech Vibration Control GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M2300/0065—Solid electrolytes

Definitions

  • the present invention relates to a solid-state battery system and a solid-state battery holder for use in such a solid-state battery system.
  • Mobile applications can be, for example, electronic entertainment and communication devices such as mobile phones and vehicles, which can be partially or fully powered electrically.
  • rechargeable electrical energy storage devices can be used for this purpose, which can also be referred to as accumulators.
  • Accumulators are also referred to as secondary batteries and colloquially abbreviated to accumulator.
  • An accumulator is a rechargeable galvanic element that has two electrodes and an electrolyte that can store electrical energy on an electrochemical basis. The respective electrolyte is used to conduct ions between the anode and cathode.
  • accumulators can be manufactured in different sizes and shapes.
  • the accumulators of mobile phones are usually flat and cuboid-shaped in order to save as much space as possible. If the required installation space is less important, accumulators are often cylindrical.
  • Cylindrical accumulators and cuboid-shaped accumulators are used for many electrical household appliances. Cylindrical accumulators in particular are usually used in several units and connected in series and/or arranged one behind the other in direct contact with one another, for example in remote controls for electronic devices and the like.
  • BEV battery electric vehicle
  • battery electric vehicle which can also be referred to as electric cars
  • accumulators in particular cylindrical ones
  • the accumulators are often arranged spatially parallel to one another in the floor of the vehicle chassis.
  • the individual batteries can be connected depending on the application or the manufacturer.
  • accumulators The main difference between accumulators is the technology used to store electrical energy, which essentially depends on the electrolyte used.
  • Lithium-ion batteries which are based on lithium compounds in all three phases of the electrochemical cell, are now widely used. Lithium-ion batteries have a comparatively high specific energy, i.e. a comparatively high energy per mass, and are commonly used in cell phones, but also in battery-electric vehicles. Lead or nickel-based batteries are also used in battery-electric vehicles. What these accumulators have in common is that each uses a liquid electrolyte.
  • the required cooling and other devices can be more than half the volume of, for example, a lithium-ion battery turn off.
  • the required cooling and other devices can be more than half the volume of, for example, a lithium-ion battery turn off.
  • they should also be avoided from being completely charged or discharged.
  • Solid-state accumulators Accumulators with electrolyte made of solid material are also known, which can also be referred to as solid-state accumulators. Due to the solid materials of the electrolytes, they cannot leak if damaged, which can increase the safety of using solid-state accumulators and corresponding additional safety measures can be dispensed with.
  • the solid materials of the electrolytes are usually not flammable.
  • solid-state batteries usually have a longer lifespan than batteries with liquid electrolytes and are easier to store. Solid-state batteries are also easier to miniaturize and can be manufactured in particular in the form of a thin layer. Furthermore, solid-state batteries usually do not exhibit any safety problems or abrupt changes in their performance when exposed to temperature fluctuations.
  • solid-state batteries have previously had a lower power density and a higher energy density than batteries with liquid electrolytes. This can have a correspondingly detrimental effect on the applications, as it can limit the acceleration capability of battery-electric vehicles.
  • Another disadvantage is that a significant change in size of, for example, 20% can occur in solid-state accumulators or their anodes during charging and discharging. The change in size can accordingly occur particularly in an elongated extension direction of the solid-state accumulator, for example in the case of cylindrical solid-state accumulators in the direction of the longitudinal axis in which the electrodes also lie opposite one another. This change in size or length between the charged and the discharged or uncharged state of the solid-state battery can also be referred to as “breathing”.
  • solid-state accumulators have to be compressed with a comparatively high pressure of over approx. 10 bar, in particular between approx. 10 bar and approx. 30 bar, in order to achieve an acceptable, in particular a good, efficiency, since the pressure exerted can lead to better contact between the solid particles and thereby increase the electrical conductivity.
  • this pressure is usually exerted in the elongated extension direction, for example in the case of cylindrical solid-state accumulators in the direction of the longitudinal axis.
  • One object of the present invention is to improve the possible uses of solid-state accumulators. This should be done in a way that is as simple, robust, versatile, cost-effective and/or space-saving as possible.
  • the present invention thus relates to a solid-state accumulator system with at least one solid-state accumulator with a preferred size change direction and with at least one solid-state accumulator holder, which is designed to counteract the size change of the solid-state accumulator in the size change direction by means of at least one variable fluid volume.
  • the present invention is based on the knowledge that, as described at the beginning, solid-state accumulators or their anodes generally tend to shrink when the stored electrical charge is discharged and to enlarge again when recharging, which can also be referred to as the "breathing" of the solid-state accumulator.
  • This change in size has a particular effect in the direction of the elongated extension of the solid-state accumulator, so that the direction of the elongated extension can also be referred to as the preferred direction of change in size.
  • variable fluid volume can be at least almost or completely powerless or can rest or be held loosely on the solid-state accumulator when the solid-state accumulator is at its minimum size in the preferred direction of change in size, i.e.
  • the solid-state accumulator in the completely or largely discharged state, and can counteract the resulting enlargement of the solid-state accumulator in the preferred direction of change in size by means of the pressure of the fluid of the variable fluid volume when charging, so that the solid-state accumulator can be held along the direction of the preferred change in size even when "breathing", but can still expand in the preferred direction of change in size due to the principle. In this way, the solid-state accumulator can be held securely despite the "breathing".
  • the counteracting of the change in size or the breathing when the battery cell is enlarged can also be done in such a way that in the completely or largely discharged state, when the smallest expansion of the battery cells is present in the preferred direction of change in size, a predetermined force is exerted on the battery cell by the solid-state battery holder according to the invention, which is also maintained as constant as possible when the battery cell expands during charging.
  • a pre-tension i.e. by means of a force acting on the battery cells even when they are not expanded
  • the uncharged battery cell can also be subjected to force or pressure and compressed, which can support the functioning of solid-state battery cells or, if necessary, make it possible in the first place.
  • the counteracting of the change in size or breathing when the accumulator cell is enlarged does not prevent the change in size at all, but merely provides resistance to the change in size or breathing, so that the Change in size or breathing can occur against a predetermined force. In particular, this occurs against a predetermined force which is as constant as possible over the entire distance of the change in size.
  • Counteracting the increasing change in size when breathing the accumulator cell can also be understood as balancing the force exerted by the increasing change in size when breathing the accumulator cell in order to create a balance between the forces, which can also exist with different sizes of the accumulator cell.
  • the counteracting force can be reduced or kept constant in order not to press too hard on the accumulator cell. This can be done, for example, by draining the fluid.
  • this force also acts in the opposite direction and compresses the battery cell again when it is discharged and thus shrinks in the preferred direction of size change.
  • this can preferably ensure that a defined pre-voltage is sufficiently high, but not too high, in every charge state, i.e. for every size of the accumulator.
  • the pre-voltage can remain within a defined pressure window.
  • the fluid of the variable fluid volume of the solid-state battery holder exerts a force against the preferred size change direction of the solid-state battery on the latter, in particular in order to exert a force on the battery cell that is as constant as possible, regardless of the size or state of charge of the battery cell.
  • a change in size of the solid-state battery or its anode in the preferred size change direction during charging acts on the solid-state battery holder or on at least one of it variable fluid volume, that the solid-state accumulator expanding in the preferred size change direction compressively compresses the fluid of the variable fluid volume or, in the case of an incompressible fluid, pushes it out of the variable fluid volume against a force, so that the compressibility of the fluid or the counterforce of the incompressible fluid corresponds to this expansion , especially with a force that is as constant as possible.
  • variable fluid volume is therefore fundamentally to be understood functionally in the sense that, according to the invention, by means of a fluid, which can be a (compressible) gas or an (incompressible) liquid, the volume which the fluid has compared to the solid-state accumulator or its variable size in the preferred direction of size change at least one accumulator cell is variable in such a way that, contrary to the increasing size change of the solid-state accumulator or its accumulator cell, a force that is as constant as possible can be exerted on the accumulator cell. This also applies to the decreasing change in size of the solid-state battery or its battery cell as it shrinks.
  • the fluid can be compressed as a compressible gas by the expanding solid-state accumulator or its accumulator cell, thereby exerting a force against the change in size of the solid-state accumulator or its accumulator cell.
  • a force can also be exerted on the contracting solid-state accumulator or its accumulator cell by the gas.
  • a prestress or a prestressing force can be exerted on the minimal solid-state accumulator or its accumulator cell by filling the gas with a predetermined pressure.
  • the fluid can be discharged as an incompressible liquid from the expanding solid-state accumulator or its accumulator cell from the space between the solid-state accumulator or its accumulator cell and the solid-state accumulator holder, for which an additional compensation volume can be used, as will be explained in more detail below.
  • a force can also be exerted on the contracting solid-state accumulator or its accumulator cell by the liquid.
  • a preload or a preload force can be exerted on the minimal solid-state accumulator or its accumulator cell by the liquid by designing the compensation volume or the entire fluid space including lines accordingly.
  • a casing for the variable fluid volume can be formed by a housing of the solid-state accumulator holder, in which the solid-state accumulator or its accumulator cell is movable as a piston, or by an additional, particularly elastic, element that can be compressed from the outside by the solid-state accumulator or its accumulator cell and can expand again automatically.
  • the variable fluid volume can thus also structurally refer to the casing or the element that at least essentially encompasses the functionally variable fluid volume, and can also be referred to as a fluid cushion, a hydraulic cushion or an air cushion.
  • variable fluid volume can help achieve a compact arrangement or construction of the solid-state battery holder.
  • the variable fluid volume can be arranged in the preferred size change direction of the solid-state accumulator acting on one side or on both sides of the solid-state accumulator.
  • a variable fluid volume can be achieved due to the compressibility of the gas or the counterforce of the compensation volume of the fluid Expansion of the solid-state accumulator or its accumulator cell in the preferred size change direction have a degressive course of the characteristic curve of the spring stiffness, so that over the entire range of size change of the solid-state accumulator or its accumulator cell the most constant possible counterforce or the most constant possible pressure from the variable fluid volume to the Solid-state accumulator or on its accumulator cell can be exercised.
  • the solid-state accumulator or its accumulator cell can be held securely by the solid-state accumulator holder both in the discharged and charged state and during the discharge and charging process. This can be done despite the significant change in size in the preferred direction of change in size during the discharge and charging process.
  • the solid-state accumulator or its accumulator cell can be connected to a device or a device and thus held securely there, which can be electrically powered or operated by means of the solid-state accumulator.
  • variable fluid volume or its jacket preferably has or consists of an elastomeric material such as an ethylene-propylene-diene rubber, a natural rubber or silicone. These can be particularly simple, cost-effective and/or long-lasting options for implementation.
  • the variable fluid volume is formed by a gas, preferably air, or the variable fluid volume is filled by a gas.
  • the solid-state battery holder has at least one compressor, which is designed and set up to generate a predetermined pressure of the gas.
  • the fluid volume or the amount of gas within the fluid volume can be increased in order to exert a higher pressure on the solid-state accumulator or on its accumulator cell and/or to maintain a constant pressure on the solid-state accumulator or on its accumulator cell. This may represent one possibility of implementation, as described previously.
  • the solid-state accumulator holder has at least one check valve which is designed and configured to open at a predetermined pressure of the variable fluid volume. This allows the fluid volume or the pressure or the amount of gas within the fluid volume to be reduced in order to exert a small pressure on the solid-state accumulator or on its accumulator cell or to counteract its change in size. This can represent a possible implementation, as previously described.
  • variable fluid volume is formed by a liquid, preferably by a hydraulic fluid, wherein the solid-state accumulator holder has at least one variable compensation volume which is connected to the variable fluid volume in a fluid-conducting manner and is designed to exert a force on the liquid.
  • variable compensation volume is designed as an elastic compensation volume with an elastic outer shell which absorbs the liquid in an inner volume.
  • This can represent a possibility of implementing a compensation volume. In particular, this can be done particularly easily since active or movable elements such as drives and the like can be dispensed with.
  • the elastic outer shell has, preferably consists of, an elastomeric material, preferably fiber-reinforced and/or provided with tension members, or a textile material provided with a sealing membrane.
  • an elastomeric material preferably fiber-reinforced and/or provided with tension members, or a textile material provided with a sealing membrane.
  • variable compensation volume is designed as a rigid compensation volume with a compensation chamber, the volume of which can be changed by means of a movable spring-loaded or pressure-loaded piston or by means of an elastic membrane.
  • variable fluid volume is designed to exert a preload on the solid-state accumulator. This can be done by appropriately designing the variable fluid volume, in that even with a minimum size of the completely discharged solid-state accumulator, a counterforce or pressure of the variable fluid volume can be exerted on the solid-state accumulator or on its accumulator cell in the preferred size change direction, which moves the solid-state accumulator in the Compressed in the direction of the preferred size change and thereby pre-tensioned.
  • a bias voltage that is as uniform as possible can be ensured on the solid-state battery or on its battery cell, regardless of the state of charge of the solid-state battery or its battery cell. so that the conductivity and thus the maximum performance of the accumulator cell is not or as little as possible influenced by “breathing”.
  • This counterforce or this pressure of the variable fluid volume of the tension spring can be viewed as a preload of the variable fluid volume and can preferably be at least approximately 10 bar, particularly preferably between approximately 10 bar and approximately 30 bar.
  • the solid-state battery or its anode, cathode and electrolyte can be compressed in order to increase the efficiency, since the pressure exerted can lead to better contact between the solid particles and thereby increase the electrical conductivity.
  • the solid-state accumulator holder has at least one fluid inlet which is designed and configured to enable the amount of fluid in the variable fluid volume to be filled up. This can make it possible or easier to fill up the amount of fluid or keep it constant. Losses of fluid which can occur due to leaks etc. during operation can thus be compensated.
  • the solid-state accumulator holder has at least one pressure sensor which is designed and configured to detect a pressure of the fluid within the variable fluid volume. Based on the pressure values detected by the sensor, it can be determined, for example, whether or when the fluid needs to be refilled, for example in order to keep the amount of fluid constant within the variable fluid volume or to increase the pressure, for example by means of a compressor, within the variable fluid volume.
  • the variable fluid volume has, preferably consists of, an elastomeric material, preferably fiber-reinforced and/or provided with tensile strength, or a textile material provided with a sealing membrane.
  • the solid-state accumulator has a plurality of accumulator cells which are arranged in the preferred size change direction and/or perpendicular to the preferred size change direction, wherein the solid-state battery holder is designed to counteract the size change of all accumulator cells in the size change direction by means of at least the variable fluid volume.
  • the effort required to implement the present invention can be kept correspondingly low.
  • the solid-state battery holder has a plurality of variable fluid volumes which are designed and arranged to counteract the size change of a battery cell or a plurality of battery cells of the solid-state battery on one side or on both sides in the size change direction.
  • This can increase the design scope for using the present invention.
  • the effort required to implement the present invention can be kept correspondingly low.
  • Solid-state battery holder at least one variable additional volume on, which is arranged parallel to the variable fluid volume, wherein the variable additional volume is connected to an ambient fluid, preferably to the ambient air, by means of a first check valve in order to obtain ambient fluid when the pressure decreases, and wherein the variable additional volume is connected to the variable by means of a second check valve Fluid volume is connected to deliver fluid to the variable fluid volume as the pressure increases, so that a constant pressure can be maintained in the variable additional volume. This allows the pressure of the variable additional volume to be equalized without active measures, comparable to inflating an air pump.
  • a spring-loaded check valve can be provided on the side of the variable fluid volume in order to avoid excess pressure there.
  • the present invention also relates to a solid-state accumulator holder for use in a solid-state accumulator system as described above. This makes it possible to provide a solid-state accumulator holder in order to be able to implement a solid-state accumulator system according to the invention as described above.
  • the present invention is based on the task of suitably prestressing a solid-state battery or several solid-state batteries with the smallest possible volume and/or with the smallest possible weight and to allow the cells to breathe or expand during charging and discharging.
  • the permissible maximum pressure on the cell should not be exceeded.
  • the prestressing element should in particular have a degressive characteristic curve in order to keep the prestress change during charging and discharging as small as possible.
  • the solution to the problem involves the use of a hydraulic cushion or an air cushion on one or both end plates of the cell.
  • the cushion filled with a medium can be connected to a compensation volume.
  • the cushion When the cell expands, the cushion can be compressed and the volume can be pushed into the compensation volume with a sufficiently high force. If the expansion of the cell decreases, the pressure on the end plates is reduced and the volume from the compensation chamber is pushed back into the cushion.
  • a compressor or a pre-tensioned cylinder can be used to maintain the pressure.
  • the compensation volume itself can be an elastic chamber, such as an elastomer bladder (similar to a balloon), so that the increasing expansion when the pressure increases causes the wall thickness to decrease and a degressive behavior occurs. When the load decreases, the volume is pumped back out of the elastic chamber into the cushion.
  • the preload force is evenly introduced into the end plate. Another advantage is that when the cell elongates, the cushion can be compressed to a minimum height of the cushion wall, thus offering a significant space advantage.
  • the compensation volume can be flexibly integrated anywhere in the battery.
  • the installation space is only reduced by its volume.
  • An air cushion offers the advantage that air is compressible and thus the compensation volume, the degressivity of the characteristic curve and the applied preload during expansion and contraction can be adapted to the optimal conditions.
  • the end plate can be made very thin (e.g. a thin metal/plastic plate) or can be omitted completely (the air cushion introduces the preload directly and evenly) and thus additional installation space can be gained and weight reduced.
  • one embodiment may be to design the cushion as an air chamber bounded by an elastomer.
  • This cushion can be supplied with a constant pressure via a compressor and have a pressure relief valve so that the pressure applied to the cell corresponds exactly to the required preload force of the cell.
  • the air cushion and the cell (or cells) can be integrated into a housing or tensioned by a belt.
  • air cushions can be connected to the same compressor (for example air conditioning compressor) and the same pressure relief valve.
  • the compressor and the pressure relief valve can be replaced by an elastic compensation volume.
  • a central elastic compensation volume can be used for two or more cells, to which the individual air cushions are connected.
  • the compressor and the pressure relief valve can be replaced by a preloaded piston and a rigid compensation volume become.
  • the piston can be preloaded in such a way that it produces a degressive characteristic curve.
  • the compressor and the pressure relief valve can be replaced by a pressure compensation chamber with an integrated elastomeric pressure regulating membrane.
  • a compressor in addition to the compensation volume, can be used to compensate for air losses over the lifetime and temperature influences.
  • an air refill device can be provided, where the air pressure is checked at regular intervals and corrected if necessary (e.g. during an inspection or by the TÜV (Technical Inspection Association)).
  • an air refill device and a pressure sensor can be provided, which determines the air pressure and, if necessary, informs the driver about the need for refilling (similar to a tire pressure sensor).
  • the elastomeric shell of the air cushion can be fiber-reinforced or designed with tension members.
  • the air cushion can also be made without elastomer and instead, for example, from textile with a sealing membrane.
  • Another variant may be to pre-tension two or more cells with a cushion, thus reducing the assembly effort.
  • One embodiment can be to insert the cells into the battery housing, followed by placing a large air cushion and the housing cover. After After assembling the cover, the preload can be applied to the individual cells by filling the cushion.
  • the options mentioned above are available for designing the compensation volume or similar.
  • a pressure vessel that has two or more chambers that are separated from each other by one or more membranes. There is a balance of forces between the two sides of each membrane.
  • a fluid cushion or several fluid cushions are connected to one side and the other side is filled, for example, with air at a defined pressure. When the air cushions are compressed, fluid is directed into the compensation chamber, thereby increasing the force on the membrane. The air on the other side is compressed, creating a counterforce. A new equilibrium is established so that the system returns to its original state when the load is relieved.
  • cell expansion to create the necessary air volume. This can be done either directly by a certain over-expansion of an elastic chamber or by a principle of energy harvesting, in which the energy obtained is converted into fluid pressure at a later point in time.
  • One possibility of using cell expansion for energy harvesting or the integration of pressure regulation is an additional air cushion, which is compressed as the cell expands and is connected to a pressure relief valve (e.g. 3 MPa) with at least one air cushion or the compensation volume.
  • the additional air cushion is equipped with a one-way valve relative to the atmosphere, so that air at atmospheric pressure can flow in when the cell is decompressed.
  • the advantage is that the system does not require a compressor or additional energy and can independently compensate for small leaks and settlement of the elastic chamber. It is conceivable to transfer this solution to areas of application for the bias voltage of stationary solid-state batteries or fuel cells.
  • Figures 1 to 10 each show a schematic representation of a solid-state accumulator system according to the invention with a solid-state accumulator holder according to the invention according to a first to tenth embodiment.
  • the above-mentioned figure is described in Cartesian coordinates with a longitudinal direction (not shown), a transverse direction Y oriented perpendicular to the longitudinal direction and a vertical direction Z oriented perpendicular to both the longitudinal direction and the transverse direction Y.
  • the longitudinal direction can also be called depth, the transverse direction Y also referred to as width Y and the vertical direction Z also referred to as height Z.
  • the longitudinal direction and the transverse direction Y together form the horizontal, which can also be referred to as the horizontal plane.
  • the longitudinal direction, the transverse direction Y and the vertical direction Z can also be collectively referred to as spatial directions Y, Z or as Cartesian spatial directions Y, Z.
  • a solid-state accumulator 1 is always considered, which has at least one accumulator cell 10.
  • the accumulator cell 10 represents a rechargeable galvanic element which has two electrodes (not shown), ie an anode and a cathode, and an electrolyte (not shown) which can store the electrical energy on an electrochemical basis and serves to conduct ions between the electrodes.
  • the electrolyte is a solid-state material.
  • the two electrodes lie opposite each other in the vertical direction Z and enclose the electrolyte between them.
  • a significant change in size of, for example, approximately 20% can occur during charging and discharging.
  • This change in size or this change in length can also be referred to as "breathing”.
  • the change in size can essentially occur in an elongated extension direction of the accumulator cell 10, which in the exemplary embodiments considered corresponds to the vertical direction Z, in which the electrodes also lie opposite one another.
  • the preferred direction of change in size A thus corresponds to the elongated extension direction of the accumulator cell 10 (schematically shown differently to improve clarity) and thus to the vertical direction Z.
  • the preferred direction of change in size A can also be referred to as the expansion-compression direction A.
  • the direction of this pressure application corresponds to the elongated extension direction of the accumulator cell 10 and thus to the vertical direction Z or the preferred size change direction A.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a solid-state accumulator system 1, 2 according to the invention with a solid-state accumulator holder 2 according to the invention according to a first embodiment.
  • the accumulator cell 10 of the solid-state accumulator 1 is enclosed by a solid-state accumulator holder 2, which has a frame 20 which accommodates or encloses the solid-state accumulator 1 and other elements of the solid-state accumulator holder 2, with other elements of the solid-state accumulator holder 2 also being attached to the outside of the frame 20.
  • TI can be arranged.
  • the frame 20 can also be referred to or designed as a holder 20 or as a housing 20.
  • a pair of holding elements 21, 22 are arranged within the frame 20, each of which lies flat on the solid-state battery 1 parallel to one of the electrodes.
  • the holding elements 21, 22 can also be referred to as holding plates 21, 22 or as end plates 21, 22.
  • the first holding element 21 can also be referred to as an upper holding element 21 and the second holding element 22 can also be referred to as a lower holding element 22.
  • the second, lower holding element 22 rests flatly on the inside (not designated) of the bottom (not designated) of the housing 20, i.e. the second, lower holding element 22 is in direct contact between the housing in the vertical direction Z 20 and the battery cell 10 or its one electrode.
  • the first, upper holding element 21 is arranged opposite the other electrode of the battery cell 10 in the vertical direction Z.
  • a variable fluid volume 23 is arranged in the form of an elastic fluid cushion 23, which is filled with air and is therefore also referred to as an air cushion 23.
  • a compressor 24 is also connected to the variable fluid volume 23 in order to increase the air pressure there.
  • a check valve 25 or a one-way valve 25 as a pressure relief valve 25 to open at a predetermined pressure and to release pressure from the variable fluid volume 23.
  • Fluid volume 23 can be generated in order to apply a predetermined force to the accumulator cell 10 in the vertical direction Z from above or along its preferred size change direction A and thus to apply the predetermined force or a corresponding predetermined pressure to the accumulator cell 10. This can produce a desired preload.
  • the air pressure in the variable fluid volume 23 can be reduced by means of the check valve 25, which is designed accordingly, in order to keep the pressure on the accumulator cell 10 constant and yet allow the accumulator cell 10 to expand.
  • the force or pressure on the accumulator cell 10 can be kept constant by increasing the air pressure within the variable fluid volume 23 accordingly by means of the compressor 24.
  • a change in the size of the battery cell 10 can be made possible by means of a variable air-filled fluid volume 23 and at the same time a constant force or a constant pressure of, for example, approximately 10 bar can be exerted on the battery cell 10 in order to improve the contact between the solid particles of the electrolyte thus increasing the electrical conductivity.
  • a variable amount of air within the variable fluid volume 23 which can be increased by the compressor 24 and reduced by the check valve 25, a degressive course of the characteristic curve of the spring stiffness of the variable fluid volume 23 can be achieved, so that over the entire range of size change
  • the most constant possible pressure force can be exerted by the variable fluid volume 23 on the accumulator cell 10.
  • the pressure or pressure for compressing the solid particles of the electrolyte are exerted comparatively constantly despite the significant change in size of the accumulator cell 10 or its anode during “breathing”.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a solid-state accumulator system 1, 2 according to the invention with a solid-state accumulator holder 2 according to the invention according to a second exemplary embodiment.
  • a pair of variable fluid volumes 23 are arranged in the vertical direction Z on both sides of the accumulator cell 10, so that the properties described above can be implemented on both sides.
  • the two variable fluid volumes 23 are connected to one another in a fluid-conducting manner (not designated).
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a solid-state accumulator system 1, 2 according to the invention with a solid-state accumulator holder 2 according to the invention according to a third exemplary embodiment.
  • a pair of variable fluid volumes 23 are arranged next to one another on the same side of the accumulator cell 10 and are each connected to the compressor 24.
  • Each variable fluid volume 23 has its own check valve 25 with the same threshold value for opening. This can represent an alternative implementation option. More accumulator cells 10 can also be operated in this way.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a solid-state battery system 1, 2 according to the invention with a solid-state battery holder 2 according to the invention according to a fourth exemplary embodiment.
  • two accumulator cells 10 are arranged next to one another or parallel to one another, on which a variable fluid volume 23 can act as described with reference to the first exemplary embodiment in FIG.
  • This can represent an alternative implementation option. It can too more than two accumulator cells 10 are used and/or these can also be arranged differently or arbitrarily.
  • Figure 5 shows a schematic representation of a solid-state accumulator system 1, 2 according to the invention with a solid-state accumulator holder 2 according to the invention according to a fifth exemplary embodiment.
  • two arrangements of accumulator cells 10 and variable fluid volumes 23 are arranged parallel to one another as described with reference to the first exemplary embodiment of Figure 1, but which have a common compressor 24 and a common check valve 25.
  • This can represent an alternative possibility of implementation. More than two accumulator cells 10 can also be used and/or these can also be arranged differently or in any way.
  • Figure 6 shows a schematic representation of a solid-state battery system 1, 2 according to the invention with a solid-state battery holder 2 according to the invention according to a sixth exemplary embodiment.
  • This exemplary embodiment corresponds to the first exemplary embodiment of FIG.
  • the inner volume 26b of the elastic compensation volume 26 is fluidly connected to the inner volume of the variable fluid volume 23.
  • the inner volume of the variable fluid volume 23 and the inner volume 26b of the elastic compensation volume 26 are filled with a hydraulic fluid, so that a constant pressure prevails within the inner volume of the variable fluid volume 23 and the inner volume 26b of the elastic compensation volume 26. If the variable fluid volume 23 is now compressed by the expanding accumulator cell 10, the Hydraulic fluid, which is thereby displaced from the variable fluid volume 23, is absorbed by the elastic compensation volume 26 by its elastic outer shell 26a expanding accordingly in the form of the elastomer bladder 26a. This elastic deformation of the elastomer bladder 26a of the elastic compensation volume 26 also causes the hydraulic fluid to be pushed back out of the elastomer bladder 26a into the variable fluid volume 23 if the accumulator cell 10 shortens again.
  • the invention can thus also be implemented as described above using a hydraulic fluid as the fluid. A gas such as air could also be used as the fluid.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a solid-state battery system 1, 2 according to the invention with a solid-state battery holder 2 according to the invention according to a seventh exemplary embodiment.
  • a rigid compensation volume 27 is used, which is connected to the variable fluid volume 23 in a fluid-carrying manner.
  • the rigid compensation volume 27 has a cylinder housing (not designated), which, together with a linearly movable piston 27b (see arrow), forms a compensation chamber 27a, which is connected to the variable fluid volume 23 in a fluid-carrying manner.
  • the movable piston 27b When the accumulator cell 10 expands, the movable piston 27b can be pushed away from the hydraulic fluid against the force of a preload spring 27c in the form of a disc spring 27c, which is arranged on the opposite side of the movable piston 27b within a spring chamber 27d. If the accumulator cell 10 contracts again, the hydraulic fluid is pressed by the preload spring 27c by means of the movable piston 27b back from the compensation chamber 27a of the rigid compensation volume 27 into the variable fluid volume 23.
  • This also makes it possible
  • the invention can be implemented as described above using a hydraulic fluid as the fluid.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a solid-state battery system 1, 2 according to the invention with a solid-state battery holder 2 according to the invention according to an eighth exemplary embodiment.
  • an elastic membrane 27e in the form of an integrated elastomeric pressure regulating membrane 27e is used, comparable to the sixth exemplary embodiment in FIG. 6 of the elastic compensation volume 26 or its elastomeric bladder 26a.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a solid-state battery system 1, 2 according to the invention with a solid-state battery holder 2 according to the invention according to a ninth exemplary embodiment.
  • the movable piston 27b is arranged between the compensation chamber 27a and a pressure compensation chamber 27f, which in turn is fluidly connected to a rigid or elastic compensation volume.
  • This can represent an alternative implementation option.
  • FIG 10 shows a schematic representation of a solid-state battery system 1, 2 according to the invention with a solid-state battery holder 2 according to the invention according to a tenth exemplary embodiment.
  • the variable fluid volume 23 surrounds an additional volume 28 in the form of an additional cushion 28 in a ring.
  • the additional cushion 28 is compressed by the expansion of the accumulator cell 10. As a result, the pressure in the air cushion 28 increases. If the pressure in the air cushion 28 is higher than the pressure in the variable fluid volume 23 or in the compensation volume 26, the check valve 25 which is located between the two air volumes opens variable fluid volume 23 and the additional cushion 28 is arranged. Pressure equalization takes place.
  • a spring-loaded check valve 25a opens. The excess air is released and the pressure in the system drops to the permissible range. This means that small air losses in the system can be compensated for. If the accumulator cell 10 contracts, air from outside with the currently acting air pressure or
  • the air cushion 28 is firmly connected to the first, upper holding element 21.
  • the effect is comparable to an air pump inflating a tire (each discharge/charge corresponds to one pump stroke).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Festkörperakkumulatorsystem (1, 2) mit wenigstens einem Festkörperakkumulator (1) mit einer bevorzugten Größenänderungsrichtung (A) und mit wenigstens einer Festkörperakkumulatorhalterung (2), welche ausgebildet ist, in der Größenänderungsrichtung (A) der Größenänderung des Festkörperakkumulators (1) mittels wenigstens eines veränderlichen Fluidvolumens (23) entgegenzuwirken.

Description

Beschreibung
Festkörperakkumulatorsystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Festkörperakkumulatorsystem sowie eine Festkörperakkumulatorhalterung zur Verwendung in einem derartigen Festkörperakkumulatorsystem.
Es ist bekannt, elektrische Energie zu speichern, um die elektrische Energie zu einem späteren Zeitpunkt und bzw. oder mobil nutzen zu können. Mobile Anwendungen können beispielsweise elektronische Unterhaltungs- und Kommunikationsgeräte wie beispielsweise Mobilfunktelefone sowie Fahrzeuge sein, welche teilweise oder vollständig elektrisch angetrieben werden können.
In jedem Fall können hierzu wiederaufladbare elektrische Energiespeicher verwendet werden, welche auch als Akkumulatoren bezeichnet werden können. Akkumulatoren werden auch als Sekundärbatterien bezeichnet und umgangssprachlich als Akku abgekürzt. Ein Akkumulator stellt ein wiederaufladbares galvanisches Element dar, welches zwei Elektroden und ein Elektrolyt aufweist, welches die elektrische Energie auf elektrochemischer Basis speichern kann. Der jeweilige Elektrolyt dient der Leitung von Ionen zwischen Anode und Kathode.
Akkumulatoren können, je nach Anwendung, in verschiedenen Größen und Formen hergestellt werden. So sind beispielsweise die Akkumulatoren von Mobiltelefonen üblicherweise flach und quaderförmig ausgebildet, um möglichst bauraumsparend zu sein. Kommt es weniger auf den erforderlichen Bauraum an, so sind Akkumulatoren häufig zylindrisch ausgebildet. Zylindrische Akkumulatoren sowie quaderförmige Akkumulatoren werden für viele elektrische Haushaltsgeräte verwendet. Insbesondere zylindrische Akkumulatoren werden meist zu mehreren verwendet und in Reihe geschaltet und bzw. oder einander direkt kontaktierend hintereinander angeordnet, zum Beispiel in Fernbedienungen von elektronischen Geräten und dergleichen.
Auch in batterieelektrischen Fahrzeugen (kurz: BEV für Englisch „battery electric vehicle“), welche auch als Elektroautos bezeichnet werden können, wird üblicherweise eine Vielzahl von, insbesondere zylindrischen, Akkumulatoren miteinander kombiniert verwendet. Häufig werden die Akkumulatoren räumlich parallel zueinander im Boden des Chassis des Fahrzeugs angeordnet. Die Verschaltung der einzelnen Akkumulatoren kann je nach Anwendungsfall bzw. je nach Hersteller erfolgen.
Die Akkumulatoren unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Technologie der Speicherung der elektrischen Energie, welche im Wesentlichen vom verwendeten Elektrolyt abhängt. So sind heutzutage Lithium-Ionen-Akkumulatoren weit verbreitet, welche auf Lithium-Verbindungen in allen drei Phasen der elektrochemischen Zelle basieren. Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen eine vergleichsweise hohe spezifische Energie, d.h. eine vergleichsweise hohe Energie pro Eigenmasse, auf und werden üblicherweise bei Mobiltelefonen verwendet, jedoch auch bei batterieelektrischen Fahrzeugen. Bei batterieelektrischen Fahrzeugen finden aber auch Akkumulatoren auf Blei- oder Nickelbasis Anwendung. Gemein haben diese Akkumulatoren, dass jeweils ein flüssiger Elektrolyt verwendet wird.
Nachteilig bei Akkumulatoren mit flüssigen Elektrolyten ist üblicherweise, dass die Akkumulatoren gekühlt werden müssen, um die Lebensdauer der Elektroden zu verlängern. Dies stellt einen nicht unerheblichen zusätzlichen Aufwand dar.
Insbesondere können die erforderlichen Kühl- und sonstige Vorrichtungen mehr als die Hälfte des Volumens beispielsweise eines Lithium-Ionen-Akkumulators ausmachen. Auch sollte zur Verlängerung der Lebensdauer der Akkumulatoren vermieden werden, dass diese gänzlich geladen bzw. entladen werden.
Nachteilig bei Akkumulatoren mit flüssigen Elektrolyten ist ferner, dass die meisten flüssigen Elektrolyte brennbar sind, was zusätzliche Sicherheitsvorrichtungen erforderlich machen kann. Des Weiteren kann der flüssige Elektrolyt bei Beschädigung auslaufen, was ebenfalls zu zusätzlichen Sichereinheitsmaßnahmen führen kann. Ein weiteres Sicherheitsrisiko kann bei Akkumulatoren mit flüssigen Elektrolyten durch sehr niedrige oder sehr hohe Umgebungstemperaturen auftreten, da dann die flüssigen Elektrolyte einfrieren oder sieden können.
Es sind ferner Akkumulatoren mit Elektrolyt aus festem Material bekannt, welche auch als Festkörperakkumulatoren bezeichnet werden können. Aufgrund der festen Materialien der Elektrolyte können diese bei Beschädigung nicht auslaufen, was die Sicherheit der Verwendung von Festkörperakkumulatoren erhöhen kann bzw. es kann auf entsprechende zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen verzichtet werden. Auch sind die festen Materialien der Elektrolyte üblicherweise nicht entflammbar. Ferner weisen Festkörperakkumulatoren üblicherweise eine längere Lebensdauer als Akkumulatoren mit flüssigen Elektrolyten auf und lassen sich besser lagern. Festkörperakkumulatoren lassen sich auch leichter miniaturisieren und können insbesondere in Form einer dünnen Schicht gefertigt werden. Des Weiteren zeigen Festkörperakkumulatoren üblicherweise bei Temperaturschwankungen keine Sicherheitsprobleme sowie keine abrupten Veränderungen ihrer Leistung.
Nachteilig ist bei Festkörperakkumulatoren jedoch, dass diese bisher eine niedrigere Leistungsdichte und eine höhere Energiedichte als Akkumulatoren mit flüssigen Elektrolyten aufweisen. Dies kann sich entsprechend nachteilig auf die Anwendungen auswirken, da dies das Beschleunigungsvermögen batterieelektrischer Fahrzeugenentsprechend einschränken kann. Nachteilig ist auch, dass bei Festkörperakkumulatoren bzw. bei deren Anode beim Laden und beim Entladen eine signifikante Größenänderung von beispielsweise 20% auftreten kann. Die Größenänderung kann entsprechend besonders in einer länglichen Erstreckungsrichtung des Festkörperakkumulators auftreten, also beispielsweise bei zylindrischen Festkörperakkumulatoren in Richtung der Längsachse, in welcher sich auch die Elektroden gegenüber liegen. Diese Größenänderung bzw. diese Längenänderung zwischen dem geladenen und dem entladenen bzw. ungeladenen Zustand des Festkörperakkumulators kann auch als „atmen“ bezeichnet werden.
Nachteilig ist ferner, dass Festkörperakkumulatoren mit einem vergleichsweise hohen Druck von über ca. 10 bar, insbesondere zwischen ca. 10 bar und ca. 30 bar, zusammengedrückt werden müssen, um einen akzeptablen, insbesondere einen guten, Wirkungsgrad zu erreichen, da der ausgeübte Druck zu einem besseren Kontakt zwischen den festen Partikeln führen und hierdurch die elektrische Leitfähigkeit erhöhen kann. Bei Festkörperakkumulatoren mit einer länglichen Erstreckungsrichtung wird dieser Druck üblicherweise in der länglichen Erstreckungsrichtung ausgeübt, also beispielsweise bei zylindrischen Festkörperakkumulatoren in Richtung der Längsachse.
In jedem Fall werden hierdurch besondere Anforderungen an Festkörperakkumulatoren bzw. an die Gehäuse und dergleichen gestellt, welche die Festkörperakkumulatoren umgeben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nutzungsmöglichkeiten von Festkörperakkumulatoren zu verbessern. Dies soll möglichst einfach, robust, vielseitig, kostengünstig und bzw. oder bauraumsparend erfolgen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Festkörperakkumulatorsystem sowie durch eine Festkörperakkumulatorhalterung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Festkörperakkumulatorsystem mit wenigstens einem Festkörperakkumulator mit einer bevorzugten Größenänderungsrichtung und mit wenigstens einer Festkörperakkumulatorhalterung, welche ausgebildet ist, in der Größenänderungsrichtung der Größenänderung des Festkörperakkumulators mittels wenigstens eines veränderlichen Fluidvolumens entgegenzuwirken.
Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass, wie eingangs beschrieben, Festkörperakkumulatoren bzw. deren Anode prinzipiell dazu neigen, beim Entladen der gespeicherten elektrischen Ladung sich zu verkleinern und beim Aufladen wieder zu vergrößern, was auch als „atmen“ des Festkörperakkumulators bezeichnet werden kann. Dies erfolgt im Wesentlichen in einer Raumrichtung, welche somit als bevorzugte Größenänderungsrichtung bezeichnet werden kann, da in dieser Raumrichtung die größte Größenänderung aufgrund des „Atmens“ des Festkörperakkumulators bzw. seiner Akkumulatorzelle bzw. seiner Akkumulatorzellen auftritt. Dabei wirkt sich diese Größenänderung insbesondere in der Richtung der länglichen Erstreckung des Festkörperakkumulators aus, so dass die Richtung der länglichen Erstreckung auch als bevorzugte Größenänderungsrichtung bezeichnet werden kann. Dies stellt üblicherweise auch die Richtung dar, in welcher die beiden Elektroden des Festkörperakkumulators zueinander beabstandet sind bzw. von einer Trennschicht getrennt werden.
Um einen Festkörperakkumulator nun trotz der regelmäßigen signifikanten Größenänderung, welche durchaus 20% der länglichen Erstreckung des Festkörperakkumulators betragen kann, in der bevorzugten Größenänderungsrichtung halten bzw. fixieren zu können, wird erfindungsgemäß eine Festkörperakkumulatorhalterung vorgeschlagen, welche dieser Größenänderung mittels wenigstens eines veränderlichen Fluidvolumens entgegenwirken kann. Hierzu kann das veränderliche Fluidvolumen bei minimaler Größe des Festkörperakkumulators in der bevorzugten Größenänderungsrichtung, d.h. im vollständig bzw. weitestgehend entladenen Zustand, zumindest fast oder vollständig kraftlos sein bzw. lose an dem Festkörperakkumulator anliegen bzw. gehalten werden und mittels des Drucks des Fluids des veränderlichen Fluidvolumens beim Aufladen der hierdurch bedingten Vergrößerung des Festkörperakkumulators in der bevorzugten Größenänderungsrichtung entgegenwirken, so dass der Festkörperakkumulator zwar einerseits entlang der Richtung der bevorzugten Größenänderung auch beim „Atmen“ gehalten werden kann, sich aber dennoch prinzipbedingt in der bevorzugten Größenänderungsrichtung ausdehnen kann. Somit kann ein sicherer Halt des Festkörperakkumulators trotz des „Atmens“ erreicht werden.
Das Entgegenwirken gegen die Größenänderung bzw. das Atmen bei Vergrößerung der Akkumulatorzelle kann aber auch derart erfolgen, dass im vollständig bzw. weitestgehend entladenen Zustand, wenn die geringste Ausdehnung der Akkumulatorzellen in der bevorzugten Größenänderungsrichtung vorliegt, von der erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorhalterung eine vorbestimmte Kraft auf die Akkumulatorzelle ausgeübt wird, welche auch, möglichst konstant, beibehalten wird, wenn sich die Akkumulatorzelle beim Aufladen nun ausdehnt. Durch eine derartige Vorspannung, d.h. durch eine auch bei ungedehnter Akkumulatorzellen auf diese wirkende Kraft, kann auch die ungeladene Akkumulatorzelle mit Kraft bzw. mit Druck beaufschlagt und zusammengedrückt werden, was die Funktionsweise von Festkörperakkumulatorzellen unterstützen bzw. ggfs. erst ermöglichen kann.
In jedem Fall wird von dem erfindungsgemäßen Entgegenwirken gegen die Größenänderung bzw. das Atmen bei Vergrößerung der Akkumulatorzelle deren Größenänderung gar nicht verhindert, sondern der Größenänderung bzw. dem Atmen wird lediglich ein Widerstand entgegengesetzt, so dass die Größenänderung bzw. das Atmen entgegen einer vorbestimmten Kraft erfolgen kann. Insbesondere erfolgt dies entgegen einer vorbestimmten Kraft, welche über die gesamte Strecke der Größenänderung möglichst konstant ist. Das Entgegenwirken gegen die zunehmende Größenänderung beim Atmen der Akkumulatorzelle kann auch als Ausgleichen der Kraft verstanden werden, welche durch die zunehmende Größenänderung beim Atmen der Akkumulatorzelle ausgeübt wird, um ein Gleichgewicht zwischen den Kräften herzustellen, welches auch bei unterschiedlichen Größen der Akkumulatorzelle bestehen kann.
In jedem Fall kann bei Ausdehnung der Akkumulatorzelle die entgegenwirkende Kraft reduziert bzw. konstant gehalten werden, um nicht zu stark auf die Akkumulatorzelle zu drücken. Dies kann beispielsweise durch Ablassen des Fluids erfolgen.
In jedem Fall wirkt diese Kraft auch in der entgegengesetzten Richtung und drückt die Akkumulatorzelle wieder zusammen, wenn diese Entladen wird und somit in der bevorzugten Größenänderungsrichtung schrumpft.
In jedem Fall kann vorzugsweise hierdurch sichergestellt werden, dass eine definierte Vorspannung in jedem Ladezustand, also bei jeder Größe, des Akkumulators ausreichend hoch, aber nicht zu hoch ist. Insbesondere kann die Vorspannung in einem definierten Druckfenster bleiben.
Um dies umzusetzen, übt das Fluid des veränderlichen Fluidvolumens der Festkörperakkumulatorhalterung eine Kraft entgegen der bevorzugten Größenänderungsrichtung des Festkörperakkumulators auf diesen aus, insbesondere um eine unabhängig von der Größe bzw. des Ladezustands der Akkumulatorzelle möglichst konstante Kraft auf die Akkumulatorzelle auszuüben. Mit anderen Worten wirkt eine Größenänderung des Festkörperakkumulators bzw. dessen Anode in der bevorzugten Größenänderungsrichtung beim Aufladen derart auf die Festkörperakkumulatorhalterung bzw. auf dessen wenigstens eines veränderliches Fluidvolumen, dass der sich in der bevorzugten Größenänderungsrichtung ausdehnende Festkörperakkumulator das Fluid des veränderlichen Fluidvolumens kompressibel zusammendrückt oder, bei einem inkompressiblen Fluid, aus dem veränderlichen Fluidvolumen entgegen einer Kraft herausdrückt, so dass die Kompressibilität des Fluids bzw. die Gegenkraft des inkompressiblen Fluids diesem Ausdehnen, insbesondere mit einer möglichst konstanten Kraft, entgegenwirkt.
Das veränderliche Fluidvolumen ist somit grundsätzlich funktionell dahingehend zu verstehen, dass erfindungsgemäß mittels eines Fluids, welches ein (kompressibles) Gas oder eine (inkompressible) Flüssigkeit sein kann, das Volumen, welches das Fluid gegenüber dem sich in der bevorzugten Größenänderungsrichtung größenveränderlichen Festkörperakkumulator bzw. dessen wenigstens einer Akkumulatorzelle einnimmt, derart veränderlich ist, dass entgegen der zunehmenden Größenänderung des Festkörperakkumulators bzw. dessen Akkumulatorzelle eine, möglichst konstante, Kraft auf die Akkumulatorzelle ausgeübt werden kann. Dies gilt ebenso für die abnehmende Größenänderung des Festkörperakkumulators bzw. dessen Akkumulatorzelle beim Schrumpfen.
Hierzu kann das Fluid als kompressible Gas von dem expandierenden Festkörperakkumulator bzw. dessen Akkumulatorzelle zusammengedrückt werden und hierdurch der Größenänderung des Festkörperakkumulators bzw. dessen Akkumulatorzelle eine Kraft entgegensetzen. Entsprechend kann eine Kraft auch auf den sich zusammenziehenden Festkörperakkumulator bzw. dessen Akkumulatorzelle seitens des Gases ausgeübt werden. In jedem Fall kann eine Vorspannung bzw. eine Vorspannkraft auf den minimalen Festkörperakkumulator bzw. dessen Akkumulatorzelle seitens des Gases ausgeübt werden, indem das Gas mit einem vorbestimmten Druck eingefüllt wird.
Alternativ kann das Fluid als inkompressible Flüssigkeit von dem expandierenden Festkörperakkumulator bzw. dessen Akkumulatorzelle aus dem Zwischenraum zwischen Festkörperakkumulator bzw. dessen Akkumulatorzelle und Festkörperakkumulatorhalterung weggedrückt werden, wozu ein zusätzliches Ausgleichsvolumen verwendet werden kann, wie weiter unten näher erläutert werden wird. Entsprechend kann eine Kraft auch auf den sich zusammenziehenden Festkörperakkumulator bzw. dessen Akkumulatorzelle seitens der Flüssigkeit ausgeübt werden. In jedem Fall kann eine Vorspannung bzw. eine Vorspannkraft auf den minimalen Festkörperakkumulator bzw. dessen Akkumulatorzelle seitens der Flüssigkeit ausgeübt werden, indem das Ausgleichsvolumen bzw. der gesamte Fluidraum inklusive Leitungen entsprechend ausgelegt wird.
In jedem Fall kann eine Ummantelung des veränderlichen Fluidvolumens durch ein Gehäuse der Festkörperakkumulatorhalterung, in welchem der Festkörperakkumulator bzw. dessen Akkumulatorzelle als Kolben beweglich ist, oder auch durch ein zusätzliches, insbesondere elastisches, Element, welches von außen durch den Festkörperakkumulator bzw. dessen Akkumulatorzelle zusammengedrückt werden und sich selbsttätig wieder ausdehnen kann, gebildet werden. Das veränderliche Fluidvolumen kann somit auch strukturell die Ummantelung bzw. das Element bezeichnen, welches das funktionell veränderliche Fluidvolumen zumindest im Wesentlichen umfasst, und auch als; Fluidkissen, als Hydraulikkissen oder als Luftkissen bezeichnet werden.
In jedem Fall kann es die Verwendung eines veränderlichen Fluidvolumens begünstigen, eine kompakte Anordnung bzw. einen kompakten Aufbau der Festkörperakkumulatorhalterung zu erreichen. Hierzu kann das veränderliche Fluidvolumen in der bevorzugten Größenänderungsrichtung des Festkörperakkumulators wirkend einseitig oder beidseitig zum Festkörperakkumulator angeordnet werden.
Insbesondere kann ein veränderliches Fluidvolumen aufgrund der Kompressibilität des Gases bzw. der Gegenkraft des Ausgleichsvolumens des Fluids bei Ausdehnung des Festkörperakkumulators bzw. dessen Akkumulatorzelle in der bevorzugten Größenänderungsrichtung einen degressiven Verlauf der Kennlinie der Federsteifigkeit aufweisen, so dass über die gesamte Spanne der Größenänderung des Festkörperakkumulators bzw. dessen Akkumulatorzelle eine möglichst konstante Gegenkraft bzw. ein möglichst konstanter Druck von dem veränderlichen Fluidvolumen auf den Festkörperakkumulator bzw. auf dessen Akkumulatorzelle ausgeübt werden kann.
In jedem Fall kann auf diese Art und Weise erfindungsgemäß der Festkörperakkumulator bzw. dessen Akkumulatorzelle von der Festkörperakkumulatorhalterung sowohl im entladenen und geladenen Zustand als auch während des Entlade- und Aufladevorgangs sicher gehalten werden. Dies kann trotz der signifikanten Größenänderung in der bevorzugten Größenänderungsrichtung während des Entlade- und Aufladevorgangs erfolgen. Mittels der Festkörperakkumulatorhalterung kann der Festkörperakkumulator bzw. dessen Akkumulatorzelle mit einer Vorrichtung bzw. mit einem Gerät verbunden und somit dort sicher gehalten werden, welches mittels des Festkörperakkumulators elektrisch gespeist bzw. betreiben werden kann.
Vorzugsweise weist das veränderliche Fluidvolumen bzw. dessen Ummantelung ein elastomere Materials wie beispielsweise ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, ein Naturkautschuk oder Silikon auf bzw. besteht hieraus. Dies können besonders einfache, kostengünstige und bzw. oder langlebige Möglichkeiten zur Umsetzung darstellen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das veränderliche Fluidvolumen von einem Gas, vorzugsweise von Luft, gebildet bzw. ist das veränderliche Fluidvolumen von einem Gas gefüllt. Dies kann eine Möglichkeit der Umsetzung darstellen, wie zuvor beschrieben. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Festkörperakkumulatorhalterung wenigstens einen Kompressor auf, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, einen vorbestimmten Druck des Gases zu erzeugen. Hierdurch kann das Fluidvolumen bzw. die Gasmenge innerhalb des Fluidvolumens erhöht werden, um einen höheren Druck auf den Festkörperakkumulator bzw. auf dessen Akkumulatorzelle auszuüben und bzw. oder um einen konstanten Druck auf den Festkörperakkumulator bzw. auf dessen Akkumulatorzelle zu halten. Dies kann eine Möglichkeit der Umsetzung darstellen, wie zuvor beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Festkörperakkumulatorhalterung wenigstens ein Rückschlagventil auf, welches ausgebildet und eingerichtet ist, bei einem vorbestimmten Druck des veränderlichen Fluidvolumens zu öffnen. Hierdurch kann das Fluidvolumen bzw. der Druck bzw. die Gasmenge innerhalb des Fluidvolumens reduziert werden, um einen geringen Druck auf den Festkörperakkumulator bzw. auf dessen Akkumulatorzelle auszuüben bzw. dessen Größenänderung entgegenzusetzen. Dies kann eine Möglichkeit der Umsetzung darstellen, wie zuvor beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das veränderliche Fluidvolumen von einer Flüssigkeit, vorzugsweise von einer Hydraulikflüssigkeit, gebildet, wobei die Festkörperakkumulatorhalterung wenigstens ein veränderliches Ausgleichsvolumen aufweist, welches flüssigkeitsführend mit dem veränderlichen Fluidvolumen verbunden und ausgebildet ist, eine Kraft auf die Flüssigkeit auszuüben. Dies kann eine weitere Möglichkeit der Umsetzung darstellen, wie zuvor beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das veränderliche Ausgleichsvolumen als elastisches Ausgleichsvolumen mit einer elastische Außenhülle ausgebildet, welche die Flüssigkeit in einem Innenvolumen aufnimmt. Dies kann eine Möglichkeit der Umsetzung eines Ausgleichsvolumens darstellen. Insbesondere kann dies besonders einfach erfolgen, da auf aktive bzw. bewegliche Elemente wie Antriebe und dergleichen verzichtet werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die elastische Außenhülle ein, vorzugsweise faserverstärktes und bzw. oder mit Zugträgern versehenes, elastomeres Material oder ein mit einer Dichtmembran versehenes textiles Material auf, vorzugsweise besteht hieraus. Dies können konkrete Möglichkeiten der Umsetzung sein, um die jeweiligen Eigenschaften und Vorteile zu nutzen. Dies kann insbesondere die Übertragung von Zugkräften seitens der elastischen Außenhülle verbessern und hierdurch insbesondere die Langlebigkeit der elastischen Außenhülle erhöhen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das veränderliche Ausgleichsvolumen als starres Ausgleichsvolumen mit einer Ausgleichkammer ausgebildet, dessen Volumen mittels eines beweglichen federbelasteten oder druckbelasteten Kolbens oder mittels einer elastischen Membran veränderlich ist. Dies können alternative Möglichkeiten zur Umsetzung sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das veränderliche Fluidvolumen ausgebildet, eine Vorspannung auf den Festkörperakkumulator auszuüben. Dies kann durch eine entsprechende Auslegung des veränderlichen Fluidvolumens erfolgen, indem auch bei minimaler Größe des vollständig entladenen Festkörperakkumulators in der bevorzugten Größenänderungsrichtung eine Gegenkraft bzw. ein Druck des veränderlichen Fluidvolumens auf den Festkörperakkumulator bzw. auf dessen Akkumulatorzelle ausgeübt werden kann, welche den Festkörperakkumulator in der Richtung der bevorzugten Größenänderung zusammendrückt und hierdurch vorspannt. Mit anderen Worten kann eine möglichst gleichmäßige Vorspannung unabhängig vom Ladezustand des Festkörperakkumulators bzw. dessen Akkumulatorzelle auf den Festkörperakkumulator bzw. auf dessen Akkumulatorzelle sichergestellt werden, sodass die Leitfähigkeit und damit die maximale Leistung der Akkumulatorzelle nicht oder möglichst wenig durch das „Atmen“ beeinflusst wird.
Diese Gegenkraft bzw. dieser Druck des veränderlichen Fluidvolumens der Zugfeder kann als Vorspannung des veränderlichen Fluidvolumens angesehen werden und vorzugsweise wenigstens ca. 10 bar, besonders vorzugsweise zwischen ca. 10 bar und ca. 30 bar, betragen. Auf diese Art und Weise kann der Festkörperakkumulator bzw. dessen Anode, Kathode und Elektrolyt zusammengedrückt werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, da der ausgeübte Druck zu einem besseren Kontakt zwischen den festen Partikeln führen und hierdurch die elektrische Leitfähigkeit erhöhen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Festkörperakkumulatorhalterung wenigstens einen Fluideinlass auf, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, ein Auffüllen der Fluidmenge des veränderlichen Fluidvolumens zu ermöglichen. Dies kann es ermöglichen bzw. vereinfachen, die Fluidmenge aufzufüllen bzw. konstant zu halten. Verluste an Fluid, welche durch Undichtigkeiten etc. während des Betriebs auftreten können, können somit ausgeglichen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Festkörperakkumulatorhalterung wenigstens einen Drucksensor auf, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, einen Druck des Fluids innerhalb des veränderlichen Fluidvolumens zu erfassen. Basierend auf den sensorische erfassten Druckwerten kann beispielsweise erkannt werden, ob bzw. wann das Fluid aufzufüllen ist, beispielsweise um die Fluidmenge innerhalb des veränderlichen Fluidvolumens konstant zu halten oder um den Druck, beispielsweise mittels eines Kompressors, innerhalb des veränderlichen Fluidvolumens zu erhöhen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das veränderliche Fluidvolumens ein, vorzugsweise faserverstärktes und bzw. oder mit Zugträgem versehenes, elastomeres Material oder ein mit einer Dichtmembran versehenes textiles Material auf, vorzugsweise besteht hieraus. Dies können konkrete Möglichkeiten der Umsetzung sein, um die jeweiligen Eigenschaften und Vorteile zu nutzen. Dies kann insbesondere die Übertragung von Zugkräften seitens des veränderlichen Fluidvolumens verbessern und hierdurch insbesondere die Langlebigkeit des veränderlichen Fluidvolumens erhöhen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Festkörperakkumulator mehrere Akkumulatorzellen auf, welche in der bevorzugten Größenänderungsrichtung und bzw. oder senkrecht zur bevorzugten Größenänderungsrichtung angeordnet sind, wobei die Festkörperakkumulatorhalterung ausgebildet ist, in der Größenänderungsrichtung der Größenänderung aller Akkumulatorzellen mittels wenigstens des veränderlichen Fluidvolumens entgegenzuwirken. Dies kann den Gestaltungspielraum zur Nutzung der vorliegenden Erfindung erhöhen.
Insbesondere kann der Aufwand zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung entsprechend geringgehalten werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Festkörperakkumulatorhalterung mehrere veränderliche Fluidvolumen auf, welche ausgebildet und angeordnet sind, in der Größenänderungsrichtung der Größenänderung einer Akkumulatorzelle oder mehrerer Akkumulatorzellen des Festkörperakkumulators einseitig oder beidseitig entgegenzuwirken. Dies kann den Gestaltungspielraum zur Nutzung der vorliegenden Erfindung erhöhen. Insbesondere kann der Aufwand zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung entsprechend geringgehalten werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die
Festkörperakkumulatorhalterung wenigstens ein veränderliches Zusatzvolumen auf, welches parallel zum veränderlichen Fluidvolumen angeordnet ist, wobei das veränderliche Zusatzvolumen mittels eines ersten Rückschlagventils mit einem Umgebungsfluid, vorzugsweise mit der Umgebungsluft, verbunden ist, um bei sinkendem Druck Umgebungsfluid zu erhalten, und wobei das veränderliche Zusatzvolumen mittels eines zweiten Rückschlagventils mit dem veränderlichen Fluidvolumen verbunden ist, um bei steigendem Druck Fluid an das veränderliche Fluidvolumen abzugeben, so dass ein konstanter Druck im veränderlichen Zusatzvolumen gehalten werden kann. Hierdurch kann ein Druckausgleich des veränderlichen Zusatzvolumens ohne aktive Maßnahmen erfolgen, vergleichbar dem Aufpumpen einer Luftpumpe.
Vorzugsweise kann ein federbelastetes Rückschlagventil seitens des veränderlichen Fluidvolumens vorgesehen werden, um einen Überdruck dort zu vermeiden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Festkörperakkumulatorhalterung zur Verwendung in einem Festkörperakkumulatorsystem wie zuvor beschrieben. Hierdurch kann eine Festkörperakkumulatorhalterung zur Verfügung gestellt werden, um ein erfindungsgemäßes Festkörperakkumulatorsystem wie zuvor beschrieben umsetzen zu können
Mit anderen Worten liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Festkörperbatterie oder mehrere Festkörperbatterien mit einem möglichst geringen Volumen und bzw. oder mit einem möglichst geringen Gewicht geeignet vorzuspannen und das Atmen bzw. die Ausdehnung der Zellen während des Ladens und Entladens zu ermöglichen. Der zulässige Maximaldruck auf die Zelle soll nicht überschritten werden. Das Vorspannelement soll insbesondere eine degressive Kennlinie aufweisen, um die Vorspannungsänderung während des Ladens und Entladens möglichst gering zu halten. Die Lösung der Problemstellung beinhaltet die Verwendung eines Hydraulikkissens oder eines Luftkissens an einem oder beiden Endplatten der Zelle.
Das mit einem Medium gefüllt Kissen kann mit einem Ausgleichsvolumen verbunden sein. Bei Ausdehnung der Zelle kann das Kissen komprimiert und das Volumen bei ausreichend hoher Kraft in das Ausgleichsvolumen gedrückt werden. Sinkt die Ausdehnung der Zelle, so reduziert sich der Druck auf die Endplatten und das Volumen aus der Ausgleichskammer wird zurück in das Kissen gedrückt.
Für die Aufrechterhaltung des Druckes kann beispielsweise ein Kompressor oder ein vorgespannter Zylinder (z.B. mit Tellerfeder vorgespannt) verwendet werden. Alternativ kann das Ausgleichvolumen selbst eine elastische Kammer, beispielsweise eine Elastomerblase, sein (ähnlich eines Luftballons), so dass durch die zunehmende Dehnung bei einer Druckerhöhung die Wandstärke sinkt und sich ein degressives Verhalten einstellt. Bei einer sinkenden Belastung wird das Volumen wieder aus der elastischen Kammer in das Kissen gepumpt.
Durch die Verwendung einer Luftkammer oder einer Hydraulikkammer kann eine degressive Kennlinie erzeugt werden. Im Extremfall bleibt die Vorspannung auf die Zelle konstant.
Dadurch, dass der Druck innerhalb des Luftkissens konstant ist, wird die Vorspannkraft gleichmäßig in die Endplatte eingeleitet. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Kissen bei Elongation der Zelle auf eine minimale Höhe der Kissenwand zusammengedrückt werden und somit einen deutlichen Bauraumvorteil bieten kann.
Das Ausgleichsvolumen kann an einer beliebigen Stelle in der Batterie flexibel integriert werden. Bei der Verwendung eines Kompressors reduziert sich der Bauraum lediglich um dessen Volumen. Ein Luftkissen bietet den Vorteil, dass Luft kompressibel ist und somit das Ausgleichsvolumen, die Degressivität des Kennlinienverlaufen und die aufgebrachte Vorspannung beim Ausdehnen und Zusammenziehen an die optimalen Bedingungen angepasst werden können. Optional kann die Endplatte sehr dünn (z.B. eine dünne Metall-/ Kunststoffplatte) ausgeführt sein oder vollständig entfallen (das Luftkissen leitet die Vorspannung direkt und gleichmäßig ein) und somit kann zusätzlich Bauraum gewonnen und Gewicht reduziert werden.
Beispielsweise kann eine Ausführungsform die Ausführung des Kissens als eine Luftkammer sein, die durch ein Elastomer begrenzt ist. Dieses Kissen kann über einen Kompressor mit einem konstanten Druck versorgt werden ein Überdruckventil besitzen, sodass der Druck, welcher auf die Zelle aufgebracht wird, genau der benötigten Vorspannungskraft der Zelle entspricht. Das Luftkissen und die Zelle (oder die Zellen) können ein einem Gehäuse integriert oder durch einen Gurt verspannt sein.
In einer weiteren Variante können mehrere Luftkissen an den gleichen Kompressor (beispielsweise Klimakompressor) und das gleiche Überdruckventil angeschlossen sein.
In einer weiteren Variante können der Kompressor und das Überdruckventil durch ein elastisches Ausgleichsvolumen ersetzt werden.
In einer weiteren Variante kann ein zentrales elastisches Ausgleichsvolumen für zwei oder mehrere Zellen verwendet werden, an welches die einzelnen Luftkissen angeschlossen sind.
In einer weiteren Variante können der Kompressor und das Überdruckventil durch einen vorgespannten Kolben und einem starren Ausgleichsvolumen ersetzt werden. Der Kolben kann so vorgespannt sein, dass er eine degressive Kennlinie erzeugt.
In einer weiteren Variante kann der Kompressor und das Überdruckventil durch eine Druckausgleichskammer mit einer integrierten elastomeren Druckreguliermembran ersetzt werden.
Optional kann zusätzlich zu dem Ausgleichsvolumen ein Kompressor verwendet werden, um Luftverluste über die Lebenszeit und Temperatureinflüsse zu kompensieren.
Optional kann eine Luftnachfüllvorrichtung vorgesehen werden, an welcher der Luftdruck in regelmäßigen Intervallen überprüft und ggf. korrigiert wird (z.B. während einer Inspektion oder durch den TÜV (Technischer Überwachungsverein)).
Optional kann eine Luftnachfüllvorrichtung und ein Drucksensor vorgesehen werden, an welchem der Luftdruck bestimmt und ggf. der Fahrer über einen Nachfüllbedarf informiert wird (ähnlich einem Reifendrucksensor).
Die Elastomerhülle des Luftkissens kann faserverstärkt oder mit Zugträgern ausgeführt sein.
Das Luftkissen kann auch ohne Elastomer und anstelle dessen z.B. aus Textil mit einer Dichtmembran realisiert werden.
Eine weitere Variante kann darin bestehen, zwei oder mehr Zellen mit einem Kissen vorzuspannen und somit den Montageaufwand zu reduzieren.
Eine Ausführungsform kann das Einlegen der Zellen in das Batteriegehäuse sein, gefolgt von der Auflage eines großen Luftpolsters und des Gehäusedeckels. Nach der Montage des Deckels kann durch das Füllen des Kissens die Vorspannung auf die einzelnen Zellen aufgebracht werden. Die Gestaltung des Ausgleichsvolumens o.ä. stehen die oben genannten Möglichkeiten zur Verfügung.
Eine weitere Möglichkeit des Ausgleichsvolumens ist ein Druckbehälter, der zwei oder mehr Kammern aufweist, die durch eine oder mehrere Membranen voneinander getrennt sind. Zwischen die beiden Seiten jeder Membran herrscht ein Kräftegleichgewicht. An einer Seite wird ein Fluidkissen oder mehrere Fluidkissen angeschlossen und die andere Seite beispielsweise mit Luft mit definiertem Druck befüllt. Beim Komprimieren der Luftkissen wird Fluid in die Ausgleichskammer geleitet und hierdurch die Kraft auf die Membran erhöht. Die Luft auf der anderen Seite wird komprimiert, sodass eine Gegenkraft erzeugt wird. Es stellt sich ein neues Gleichgewicht ein, sodass das System bei Entlastung in den Ursprungszustand zurückkehrt.
Eine weitere Möglichkeit ist es, die Zelldehnung zu nutzen, um das nötige Luftvolumen zu erzeugen. Dies kann entweder direkt durch eine gewisse Überdehnung einer elastischen Kammer oder durch ein Prinzip des Energy Harvesting erfolgen, bei dem die gewonnene Energie zu einem späteren Zeitpunkt in Fluiddruck umgewandelt wird. Eine Möglichkeit, die Zelldehnung für Energy Harvesting bzw. die Integration einer Druckregulierung zu nutzen, ist ein zusätzliches Luftkissen, welches bei der Expansion der Zelle komprimiert wird und mit einem Überdruckventil (z.B. 3 MPa) mit mindestens einem Luftkissen oder dem Ausgleichsvolumen verbunden ist. Zusätzlich ist das zusätzliche Luftkissen mit einem Einwegeventil gegenüber der Atmosphäre ausgestattet, sodass bei der Dekomprimierung der Zelle Luft mit einem Atmosphärendruck nachströmen kann. Der Vorteil ist, dass das System ohne Kompressor und zusätzliche Energie auskommen und kleine Undichtigkeiten und eine Setzung der elastischen Kammer selbstständig ausgleichen kann. Denkbar ist es, diese Lösung auf Anwendungsbereiche der Vorspannung von stationären Festkörperbatterien oder Brennstoffzellen zu übertragen.
Mehrere Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt: Figuren 1 bis 10 jeweils eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorsystems mit einer erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorhalterung gemäß einem ersten bis zehnten Ausführungsbeispiel.
Die Beschreibung der o.g. Figur erfolgt in kartesischen Koordinaten mit einer Längsrichtung (nicht dargestellt), einer zur Längsrichtung senkrecht ausgerichteten Querrichtung Y sowie einer sowohl zur Längsrichtung als auch zur Querrichtung Y senkrecht ausgerichteten vertikalen Richtung Z. Die Längsrichtung kann auch als Tiefe, die Querrichtung Y auch als Breite Y und die vertikale Richtung Z auch als Höhe Z bezeichnet werden. Die Längsrichtung und die Querrichtung Y bilden gemeinsam die Horizontale, welche auch als horizontale Ebene bezeichnet werden kann. Die Längsrichtung, die Querrichtung Y und die vertikale Richtung Z können gemeinsam auch als Raumrichtungen Y, Z bzw. als kartesische Raumrichtungen Y, Z bezeichnet werden.
Es wird stets ein Festkörperakkumulator 1 betrachtet, welcher jeweils wenigstens eine Akkumulatorzelle 10 aufweist. Die Akkumulatorzelle 10 stellt ein wiederaufladbares galvanisches Element dar, welches zwei Elektroden (nicht dargestellt), d.h. eine Anode und eine Kathode, und ein Elektrolyt (nicht dargestellt) aufweist, welches die elektrische Energie auf elektrochemischer Basis speichern kann und der Leitung von Ionen zwischen den Elektroden dient. Der Elektrolyt ist ein Festkörpermaterial. Die beiden Elektroden liegen einander in der vertikalen Richtung Z gegenüber und schließen das Elektrolyt zwischen sich ein. Bei Akkumulatorzellen 10 mit festem Elektrolyt ist bekannt, dass es beim Laden und beim Entladen zu einer signifikanten Größenänderung von beispielsweise ca. 20% kommen kann. Diese Größenänderung bzw. diese Längenänderung kann auch als „atmen“ bezeichnet werden. Die Größenänderung kann im Wesentlichen in einer länglichen Erstreckungsrichtung der Akkumulatorzelle 10, welche in den betrachteten Ausführungsbeispielen der vertikalen Richtung Z entspricht, auftreten, in welcher sich auch die Elektroden gegenüber liegen. Die bevorzugte Größenänderungsrichtung A entspricht somit der länglichen Erstreckungsrichtung der Akkumulatorzelle 10 (schematisch zur Verbesserung der Übersichtlichkeit anders dargestellt) und damit der vertikalen Richtung Z. Die bevorzugte Größenänderungsrichtung A kann auch als Dehnungs-ZStauchungsrichtung A bezeichnet werden.
Bei Akkumulatorzellen 10 mit festem Elektrolyt ist es vorteilhaft, die Akkumulatorzellen 10 mit einem vergleichsweise hohen Druck von über ca. 10 bar, insbesondere zwischen ca. 10 bar und ca. 30 bar, zusammenzudrücken, da der ausgeübte Druck zu einem besseren Kontakt zwischen den festen Partikeln des Elektrolyts führen und hierdurch die elektrische Leitfähigkeit erhöhen kann. Die Richtung dieser Druckausübung entspricht in den betrachteten Ausführungsbeispielen der länglichen Erstreckungsrichtung der Akkumulatorzelle 10 und damit der vertikalen Richtung Z bzw. der bevorzugten Größenänderungsrichtung A.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorsystems 1 , 2 mit einer erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorhalterung 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Akkumulatorzelle 10 des Festkörperakkumulators 1 wird dabei von einer Festkörperakkumulatorhalterung 2 umschlossen, welche ein Gestell 20 aufweist, welches den Festkörperakkumulator 1 und weitere Elemente der Festkörperakkumulatorhalterung 2 aufnimmt bzw. umschließt, wobei andere Elemente der Festkörperakkumulatorhalterung 2 auch außen an dem Gestell 20 TI angeordnet sein können. Das Gestell 20 kann auch als Halterung 20 oder als Gehäuse 20 bezeichnet werden bzw. ausgebildet sein.
Innerhalb des Gestells 20 ist ein Paar von Halterungselementen 21 , 22 angeordnet, welche jeweils am Festkörperakkumulator 1 flächig parallel zu einer der Elektroden anliegen. Die Halterungselemente 21 , 22 können auch als Halteplatte 21 , 22 oder als Endplatten 21 , 22 bezeichnet werden. Das erste Halterungselement 21 kann auch als oberes Halterungselement 21 und das zweite Halterungselement 22 kann auch als unteres Halterungselement 22 bezeichnet werden.
Im ersten Ausführungsbeispiel der Figur 1 liegt das zweite, untere Halterungselement 22 flächig an der Innenseite (nicht bezeichnet) des Bodens (nicht bezeichnet) des Gehäuses 20 an, d.h. ist das zweite, untere Halterungselement 22 in der vertikalen Richtung Z direkt berührend zwischen dem Gehäuse 20 und der Akkumulatorzelle 10 bzw. dessen einer Elektrode angeordnet.
Das erste, obere Halterungselement 21 ist in der vertikalen Richtung Z gegenüberliegend an der anderen Elektrode der Akkumulatorzelle 10 angeordnet. Dort ist, ebenfalls flächig parallel, ein veränderliches Fluidvolumen 23 in Form eines elastischen Fluidkissens 23 angeordnet, welches mit Luft gefüllt ist und daher auch als Luftkissen 23 bezeichnet werden. Alternativ wäre auch die Verwendung von Hydraulikflüssigkeit möglich. Es ist ferner ein Kompressor 24 an das veränderliche Fluidvolumen 23 angeschlossen, um den Luftdruck dort zu erhöhen. Es ist auch ein Rückschlagventil 25 bzw. ein Einwegeventil 25 als Überdruckventil 25 vorhanden, um bei einem vorbestimmten Druck zu öffnen und Druck aus dem veränderlichen Fluidvolumen 23 abzulassen.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Figur 1 kann somit mittels des Kompressors 24 ein ausreichend hoher Luftdruck innerhalb des veränderlichen Fluidvolumens 23 erzeugt werden, um der Akkumulatorzelle 10 in der vertikalen Richtung Z von oben bzw. entlang ihrer bevorzugten Größenänderungsrichtung A eine vorbestimmte Kraft entgegenzubringen und somit die vorbestimmte Kraft bzw. einen entsprechenden vorbestimmten Druck auf die Akkumulatorzelle 10 aufzubringen. Dies kann eine gewünschte Vorspannung bewirken.
Ferner kann, falls sich die Akkumulatorzelle 10 in der vertikalen Richtung Z als ihre bevorzugte Größenänderungsrichtung A ausdehnt bzw. „atmet“, der Luftdruck im veränderlichen Fluidvolumen 23 mittels des Rückschlagventils 25, welches entsprechend ausgelegt ist, reduziert werden, um den Druck auf die Akkumulatorzelle 10 konstant zu halten und dennoch sich die Akkumulatorzelle 10 ausdehnen zu lassen.
Umgekehrt kann bei schrumpfender Akkumulatorzelle 10 die Kraft bzw. der Druck auf die Akkumulatorzelle 10 konstant gehalten werden, indem mittels des Kompressors 24 der Luftdruck innerhalb des veränderlichen Fluidvolumens 23 entsprechend erhöht wird.
Somit kann erfindungsgemäß mittels eines veränderlichen luftgefüllten Fluidvolumens 23 eine Größenänderung der Akkumulatorzelle 10 ermöglicht und gleichzeitig eine konstante Kraft bzw. ein konstanter Druck von beispielsweise ca. 10 bar auf die Akkumulatorzelle 10 ausgeübt werden, um den Kontakt zwischen den festen Partikeln des Elektrolyts zu verbessern und damit die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Mittels der veränderlichen Luftmenge innerhalb des veränderlichen Fluidvolumens 23, dessen Erhöhung durch den Kompressor 24 und dessen Reduzierung durch das Rückschlagventil 25 erfolgen kann, kann ein degressiver Verlauf der Kennlinie der Federsteifigkeit des veränderlichen Fluidvolumens 23 erreicht werden, so dass über die gesamte Spanne der Größenänderung eine möglichst konstante Druckkraft von dem veränderlichen Fluidvolumen 23 auf die Akkumulatorzelle 10 ausgeübt werden kann.
Entsprechend kann die Druckkraft bzw. der Druck zum Zusammendrücken der festen Partikel des Elektrolyts auch trotz der signifikanten Größenänderung der Akkumulatorzelle 10 bzw. dessen Anode beim „Atmen“ vergleichsweise konstant ausgeübt werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorsystems 1 , 2 mit einer erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorhalterung 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Fall ist ein Paar von veränderlichen Fluidvolumen 23 in der vertikalen Richtung Z beidseitig der Akkumulatorzelle 10 angeordnet, sodass die zuvor beschriebenen Eigenschaften beidseitig umgesetzt werden können. Die beiden veränderlichen Fluidvolumen 23 sind fluidführend miteinander verbunden (nicht bezeichnet).
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorsystems 1 , 2 mit einer erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorhalterung 2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. In diesem Fall ist ein Paar von veränderlichen Fluidvolumen 23 auf derselben Seite der Akkumulatorzelle 10 nebeneinander angeordnet und jeweils mit dem Kompressor 24 verbunden. Jedes veränderliche Fluidvolumen 23 weist ein eigenes Rückschlagventil 25 mit gleichem Schwellwert zum Öffnen auf. Dies kann eine alternative Möglichkeit der Umsetzung darstellen. Es können auch mehr Akkumulatorzellen 10 auf diese Art und Weise betrieben werden.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorsystems 1 , 2 mit einer erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorhalterung 2 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. In diesem Fall sind zwei Akkumulatorzellen 10 nebeneinander bzw. parallel zueinander angeordnet, auf welche ein veränderliches Fluidvolumen 23 wie anhand des ersten Ausführungsbeispiels der Figur 1 beschrieben wirken kann. Dies kann eine alternative Möglichkeit der Umsetzung darstellen. Es können auch mehr als zwei Akkumulatorzellen 10 verwendet und bzw. oder diese können auch anders bzw. beliebig angeordnet sein.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorsystems 1 , 2 mit einer erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorhalterung 2 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. In diesem Fall sind zwei Anordnungen von Akkumulatorzellen 10 und veränderlichen Fluidvolumen 23 wie anhand des ersten Ausführungsbeispiels der Figur 1 beschrieben parallel zueinander angeordnet, welche jedoch einen gemeinsamen Kompressor 24 und ein gemeinsames Rückschlagventil 25 aufweisen. Dies kann eine alternative Möglichkeit der Umsetzung darstellen. Es können auch mehr als zwei Akkumulatorzellen 10 verwendet und bzw. oder diese können auch anders bzw. beliebig angeordnet sein.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorsystems 1 , 2 mit einer erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorhalterung 2 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel der Figur 1 mit dem Unterschied, dass in diesem Fall ein elastisches Ausgleichsvolumen 26 verwendet wird, welches eine elastische Außenhülle 26a in Form einer Elastomerblase 26a aufweist, welche ein Innenvolumen 26b in Form einer elastischen Kammer 26b umschließt. Das Innenvolumen 26b des elastischen Ausgleichsvolumens 26 ist fluidführend mit dem Innenvolumen des veränderlichen Fluidvolumens 23 verbunden.
Das Innenvolumen des veränderlichen Fluidvolumens 23 und das Innenvolumen 26b des elastischen Ausgleichsvolumens 26 sind mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt, so dass innerhalb der Innenvolumen des veränderlichen Fluidvolumens 23 und des Innenvolumens 26b des elastischen Ausgleichsvolumens 26 ein konstanter Druck herrscht. Wird nun das veränderliche Fluidvolumen 23 von der sich ausdehnenden Akkumulatorzelle 10 zusammengedrückt, so wird die Hydraulikflüssigkeit, welche hierdurch aus dem veränderlichen Fluidvolumen 23 verdrängt wird, vom elastischen Ausgleichsvolumen 26 aufgenommen, indem sich dessen elastische Außenhülle 26a in Form der Elastomerblase 26a entsprechend ausdehnt. Diese elastische Verformung der Elastomerblase 26a des elastischen Ausgleichsvolumens 26 bewirkt auch, dass die Hydraulikflüssigkeit wieder aus der Elastomerblase 26a in das veränderliche Fluidvolumen 23 zurückgedrückt wird, falls sich die Akkumulatorzelle 10 wieder verkürzt. So kann auch mittels einer Hydraulikflüssigkeit als Fluid die Erfindung wie zuvor beschrieben umgesetzt werden. Es könnte auch ein Gas wie beispielsweise Luft als Fluid verwendet werden.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorsystems 1 , 2 mit einer erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorhalterung 2 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel. In diesem Fall wird anstelle eines elastischen Ausgleichsvolumens 26, wie bei dem sechsten Ausführungsbeispiel der Figur 6 ein starres Ausgleichsvolumen 27 verwendet, welches fluidführend mit dem veränderlichen Fluidvolumen 23 verbunden ist. Das starre Ausgleichsvolumen 27 weist hierzu ein Zylindergehäuse (nicht bezeichnet) auf, welches gemeinsam mit einem linear beweglichen Kolben 27b (siehe Pfeil) eine Ausgleichskammer 27a bildet, welche fluidführend mit dem veränderlichen Fluidvolumen 23 verbunden ist.
Der bewegliche Kolben 27b kann bei sich ausdehnender Akkumulatorzelle 10 von der Hydraulikflüssigkeit gegen die Kraft einer Vorspannfeder 27c in Form einer Tellerfeder 27c weggedrückt werden, welche auf der gegenüberliegenden Seite des beweglichen Kolbens 27b innerhalb einer Federkammer 27d angeordnet ist. Zieht sich die Akkumulatorzelle 10 wieder zusammen, so wird die Hydraulikflüssigkeit von der Vorspannfeder 27c mittels des beweglichen Kolbens 27b wieder aus der Ausgleichskammer 27a des starren Ausgleichsvolumens 27 zurück in das veränderliche Fluidvolumen 23 gedrückt. Auch hierdurch kann mittels einer Hydraulikflüssigkeit als Fluid die Erfindung wie zuvor beschrieben umgesetzt werden.
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorsystems 1 , 2 mit einer erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorhalterung 2 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel. In diesem Fall wird anstelle des beweglichen Kolbens 27b mit Vorspannfeder 27c eine elastische Membran 27e in Form einer integrierten elastomeren Druckreguliermembran 27e verwendet, vergleichbar dem sechsten Ausführungsbeispiel der Figur 6 des elastischen Ausgleichsvolumens 26 bzw. dessen Elastomerblase 26a.
Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorsystems 1 , 2 mit einer erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorhalterung 2 gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel. In diesem Fall ist der bewegliche Kolben 27b zwischen der Ausgleichskammer 27a und einer Druckausgleichskammer 27f angeordnet, welche ihrerseits fluidführend mit einem starren oder elastischen Ausgleichsvolumen verbunden ist. Dies kann eine alternative Möglichkeit der Umsetzung darstellen.
Figur 10 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorsystems 1 , 2 mit einer erfindungsgemäßen Festkörperakkumulatorhalterung 2 gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel. Das veränderliche Fluidvolumen 23 umgibt ringförmig ein Zusatzvolumen 28 in Form eines Zusatzkissens 28. In dem Zusatzkissen 28 befindet sich eine definierte Menge an Luft als Fluid. Das Zusatzkissen 28 wird durch die Ausdehnung der Akkumulatorzelle 10 komprimiert. Als Resultat steigt der Druck in dem Luftkissen 28. Ist der Druck in dem Luftkissen 28 höher als der Druck in dem veränderliche Fluidvolumen 23 bzw. in dem Ausgleichsvolumen 26, so öffnet sich dasjenige Rückschlagventil 25, welches zwischen den beiden Luftvolumen des veränderlichen Fluidvolumens 23 und dem Zusatzkissen 28 angeordnet ist. Es findet ein Druckausgleich statt.
Sollte nach diesem Druckausgleich der Gesamtdruck des Systems einen kritischen Wert übersteigen oder sich diesem annähern, so öffnet sich ein federbelastetes Rückschlagventil 25a. Die überschüssige Luft wird abgelassen und der Druck im System sinkt in den zulässigen Bereich. Somit können kleine Luftverluste in dem System ausgeglichen werden. Zieht sich die Akkumulatorzelle 10 zusammen, so gelangt durch das Rückschlagventil 25, welches zwischen dem Zusatzkissen 28 und der Umgebung angeordnet ist, Luft von außen mit dem aktuell wirkenden Luftdruck bzw.
Umgebungsdruck in das Zusatzkissen 28. Dafür ist das Luftkissen 28 fest mit dem ersten, oberen Halterungselemente 21 verbunden. Der Effekt ist vergleichbar mit einer Luftpumpe, die einen Reifen aufpumpt (jede Entladung/ Ladung entspricht dabei einem Pumpenstoß).
Bezugszeichenliste (Teil der Beschreibung)
A bevorzugten Größenänderungsrichtung; Dehnungs-ZStauchungsrichtung
Y Querrichtung; Breite
Z vertikale Richtung; Höhe
1 , 2 Festkörperakkumulatorsystem
1 Festkörperakkumulator
10 Akkumulatorzellen
2 Festkörperakkumulatorhalterung
20 Gestell; Halterung; Gehäuse
21 erste, obere Halterungselemente; erste, obere Halteplatten; erste, obere Endplatte
22 zweite, untere Halterungselemente; zweite, untere Halteplatten; zweite, untere Endplatte
23 veränderliche Fluidvolumen; Fluidkissen; Luftkissen
24 Kompressor
25 Rückschlagventil; Einwegeventil; Überdruckventil
25a federbelastetes Rückschlagventil
26 (elastisches) Ausgleichsvolumen
26a elastische Außenhülle; Elastomerblase
26b Innenvolumen; elastische Kammer
27 (starres) Ausgleichsvolumen
27a Ausgleichskammer
27b Kolben
27c Vorspannfeder; Tellerfeder
27d Federkammer
27e elastische Membran; integrierten elastomeren Druckreguliermembran 27f Druckausgleichskammer
28 veränderliches Zusatzvolumen; Zusatzkissen

Claims

Patentansprüche
1. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) mit wenigstens einem Festkörperakkumulator (1 ) mit einer bevorzugten Größenänderungsrichtung (A) und mit wenigstens einer Festkörperakkumulatorhalterung (2), welche ausgebildet ist, in der Größenänderungsrichtung (A) der Größenänderung des Festkörperakkumulators (1 ) mittels wenigstens eines veränderlichen Fluidvolumens (23) entgegenzuwirken.
2. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach Anspruch 1 , wobei das veränderliche Fluidvolumen (23) von einem Gas, vorzugsweise von Luft, gebildet wird.
3. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach Anspruch 2, wobei die Festkörperakkumulatorhalterung (2) wenigstens einen Kompressor (24) aufweist, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, einen vorbestimmten Druck des Gases zu erzeugen.
4. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Festkörperakkumulatorhalterung (2) wenigstens ein Rückschlagventil (25) aufweist, welches ausgebildet und eingerichtet ist, bei einem vorbestimmten Druck des veränderlichen Fluidvolumens (23) zu öffnen.
5. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach Anspruch 1 , wobei das veränderliche Fluidvolumen (23) von einer Flüssigkeit, vorzugsweise von einer Hydraulikflüssigkeit, gebildet wird, wobei die Festkörperakkumulatorhalterung (2) wenigstens ein veränderliches Ausgleichsvolumen (26; 27) aufweist, welches flüssigkeitsführend mit dem veränderlichen Fluidvolumen (23) verbunden und ausgebildet ist, eine Kraft auf die Flüssigkeit auszuüben. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach Anspruch 5, wobei das veränderliche Ausgleichsvolumen (26) als elastisches Ausgleichsvolumen (26) mit einer elastische Außenhülle (26a) ausgebildet ist, welche die Flüssigkeit in einem Innenvolumen (26b) aufnimmt. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach Anspruch 6, wobei die elastische Außenhülle (26a) ein, vorzugsweise faserverstärktes und/oder mit Zugträgern versehenes, elastomeres Material oder ein mit einer Dichtmembran versehenes textiles Material aufweist, vorzugsweise hieraus besteht. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach Anspruch 5, wobei das veränderliche Ausgleichsvolumen (27) als starres Ausgleichsvolumen (27) mit einer Ausgleichkammer (27d) ausgebildet ist, dessen Volumen mittels eines beweglichen federbelasteten oder druckbelasteten Kolbens (27b) oder mittels einer elastischen Membran (27e) veränderlich ist Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das veränderliche Fluidvolumen (23) ausgebildet ist, eine Vorspannung auf den Festkörperakkumulator (1 ) auszuüben. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Festkörperakkumulatorhalterung (2) wenigstens einen Fluideinlass aufweist, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, ein Auffüllen der Fluidmenge des veränderlichen Fluidvolumens (23) zu ermöglichen. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Festkörperakkumulatorhalterung (2) wenigstens einen Drucksensor aufweist, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, einen Druck des Fluids innerhalb des veränderlichen Fluidvolumens (23) zu erfassen. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das veränderliche Fluidvolumens (23) ein, vorzugsweise faserverstärktes und/oder mit Zugträgem versehenes, elastomeres Material oder ein mit einer Dichtmembran versehenes textiles Material aufweist, vorzugsweise hieraus besteht. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Festkörperakkumulator (1 ) mehrere Akkumulatorzellen (10) aufweist, welche in der bevorzugten Größenänderungsrichtung (A) und/oder senkrecht zur bevorzugten Größenänderungsrichtung (A) angeordnet sind, wobei die Festkörperakkumulatorhalterung (2) ausgebildet ist, in der Größenänderungsrichtung (A) der Größenänderung aller Akkumulatorzellen (10) mittels wenigstens des veränderlichen Fluidvolumens (23) entgegenzuwirken. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Festkörperakkumulatorhalterung (2) mehrere veränderliche Fluidvolumen (23) aufweist, welche ausgebildet und angeordnet sind, in der Größenänderungsrichtung (A) der Größenänderung einer Akkumulatorzelle (10) oder mehrerer Akkumulatorzellen (10) des Festkörperakkumulators (1 ) einseitig oder beidseitig entgegenzuwirken. Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Festkörperakkumulatorhalterung (2) wenigstens ein veränderliches Zusatzvolumen (28) aufweist, welches parallel zum veränderlichen Fluidvolumen (23) angeordnet ist, wobei das veränderliche Zusatzvolumen (28) mittels eines ersten Rückschlagventils (25) mit einem Umgebungsfluid, vorzugsweise mit der Umgebungsluft, verbunden ist, um bei sinkendem Druck Umgebungsfluid zu erhalten, und wobei das veränderliche Zusatzvolumen (28) mittels eines zweiten Rückschlagventils (25) mit dem veränderlichen Fluidvolumen (23) verbunden ist, um bei steigendem Druck Fluid an das veränderliche Fluidvolumen (23) abzugeben, so dass ein konstanter Druck im veränderlichen Zusatzvolumen (28) gehalten werden kann. Festkörperakkumulatorhalterung (2) zur Verwendung in einem
Festkörperakkumulatorsystem (1 , 2) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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