EP4690349A1 - Energiespeicheranordnung - Google Patents

Energiespeicheranordnung

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EP4690349A1
EP4690349A1 EP24716295.1A EP24716295A EP4690349A1 EP 4690349 A1 EP4690349 A1 EP 4690349A1 EP 24716295 A EP24716295 A EP 24716295A EP 4690349 A1 EP4690349 A1 EP 4690349A1
Authority
EP
European Patent Office
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energy storage
cover element
storage arrangement
arrangement according
cell
Prior art date
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Pending
Application number
EP24716295.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Armin Striefler
Reiner Dirr
Peter Kritzer
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.)
Carl Freudenberg KG
Original Assignee
Carl Freudenberg KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Carl Freudenberg KG filed Critical Carl Freudenberg KG
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to an energy storage arrangement comprising a plurality of energy storage cells, each of which has electrical poles and at least one emergency opening.
  • Energy storage cells with emergency openings are known, for example, from EP 3 128 579 A1.
  • Energy storage arrangements, in particular rechargeable storage devices for electrical energy, are widely used, especially in mobile systems.
  • Rechargeable energy storage cells for electrical energy are used, for example, in portable electronic devices such as smartphones or laptops. Rechargeable energy storage devices are also used to provide energy for electrically powered vehicles.
  • the range of electrically powered vehicles extends from passenger cars to two-wheelers, vans and trucks. Applications in robots, ships, aircraft and mobile work machines are also conceivable.
  • Other areas of application for electrical energy storage devices are stationary applications, for example for uninterrupted energy supply in IT systems, in network stabilization systems and for storing electrical energy from renewable energy sources.
  • Lithium-ion batteries like other rechargeable energy storage devices, usually have several storage cells that together form a module.
  • lithium-ion batteries lithium-sulfur batteries, solid-state batteries, sodium-ion batteries and Batteries, batteries based on other light metals such as magnesium or aluminum or even metal-air batteries.
  • the ability of the energy storage devices to charge quickly is required.
  • the energy storage devices should be fully or almost fully charged within a short period of time, for example within 15 minutes. Due to the efficiency of the charging system, which is in the range of a maximum of 90% to 95%, large amounts of heat are released in the energy storage arrangement during the charging process, which must be dissipated from the energy storage arrangement. It is therefore usually necessary to temperature-control energy storage arrangements.
  • the emergency opening opens when a predetermined pressure is exceeded, for example when the rupture disk breaks open, and harmful gases can escape from the interior of the energy storage cell.
  • the emergency opening can prevent the energy storage cell from opening uncontrollably and neighboring energy storage cells from being exposed to excessive thermal and mechanical stress.
  • electrically conductive particles are ejected from an emergency opening in addition to hot gases at temperatures that can exceed 1,000 °C depending on the cell chemistry used. These are, for example, carbon particles or metallic or metal oxide particles or metallic melt products.
  • the problem here is that electrically conductive particles can accumulate on electrical connectors or contacts of the energy storage cells. It is possible that the connectors or contacts are short-circuited by particles escaping from the interior of an energy storage cell.
  • the problem here is that released particle streams cause very strong thermal and abrasive loads. Simple insulation materials such as plastic housings or shrink tubing can be damaged and expose the electrical structures underneath.
  • the invention is based on the object of providing an energy storage arrangement which has a high operational reliability.
  • the energy storage arrangement comprises a plurality of energy storage cells, each of which has electrical poles and at least one emergency opening, wherein at least one cover element is arranged on the energy storage cells, which covers the electrical poles and which has openings that are assigned to the emergency openings.
  • the cover element covers the electrical poles in such a way that the electrical poles are better protected from external influences and that no electrically conductive particles can accumulate on the electrical poles. This applies in particular to electrically conductive particles that can escape from the interior of an energy storage cell in the event of damage.
  • the opening in the cover element ensures that the excess pressure in an energy storage cell can be safely relieved in the event of damage. Harmful gases are released in a defined manner via the emergency opening and removed from the energy storage cells.
  • the cover element protects the poles of the energy storage system from the effects of electrically conductive particles and prevents the harmful gases and the particles carried with the harmful gases from accumulating on the electrical poles.
  • the cover element can also be designed in such a way that it can withstand hot and abrasive particle flows. If the cover element comes into contact with such particle flows, the cover element neither melts nor forms electrically conductive thermal degradation products.
  • Thermoplastic materials can be used for this purpose, for example.
  • carbon-based polymers or thermosets can also be used in Consider materials in which electrically conductive carbon structures are formed through pyrolysis processes.
  • the energy storage cells can be designed as prismatic cells.
  • Prismatic cells have a cuboid-shaped housing in which an electrode unit is arranged, whereby the housing is closed by a lid.
  • the electrical contact of the energy storage cell is made via the electrical poles, which are usually arranged in the lid.
  • the emergency opening can be located between the two electrical poles in the lid.
  • Prismatic cells can be arranged next to each other to save space.
  • Neighboring energy storage cells can be electrically connected to one another via at least one cell connector. Energy storage cells connected to one another in this way form a module, whereby an increase in the electrical voltage or an increase in the capacity is possible depending on the electrical connection. Within the energy storage arrangement forming a module, the energy storage cells are preferably connected in series so that the electrical voltage of the energy storage arrangement increases. In the case of a lithium-ion accumulator, the electrical voltage of a single energy storage cell is approximately 3.6 volts and the electrical voltage can be significantly increased by connecting several energy storage cells in series. It is also conceivable to connect several modules, each containing energy storage cells connected in series, in parallel.
  • a cell connector In the case of a series connection, a cell connector covers an opposite pole of two adjacent energy storage cells. It must be avoided that adjacent cell connectors come into electrical contact with one another, as this would lead to a short circuit. This is particularly problematic in the event of damage, as the distance between adjacent cell connectors is particularly small.
  • the cover element ensures reliable electrical insulation of adjacent cell connectors, so that a short circuit can be avoided even in the event of damage.
  • the cover element covers the cell connectors. This ensures that no electrically conductive particles and the like can accumulate on the cell connectors, which can electrically connect neighboring cell connectors in an undesirable manner and lead to a short circuit.
  • the opening made in the cover element can be designed as a through hole which can be aligned with the emergency opening of an energy storage cell, the opening preferably being designed congruently with the emergency opening.
  • the through hole is preferably designed in such a way that harmful gases, particles and the like can escape unhindered in the event of damage. With the help of the emergency opening, the substances released from the cell can be guided to a side of the cover element which faces away from the cell connector.
  • the opening associated with the cover element can have at least one slot.
  • the cover element is essentially closed during normal operation, so that the energy storage cells are particularly well protected against external influences, which is particularly advantageous with regard to the formation of condensate.
  • the slots can be designed in the form of a longitudinal slot, a cross slot, a semicircular slot or the like.
  • a predetermined breaking point to the opening, for example in the form of a notch or material weakening introduced into the cover element.
  • the cover element is preferably made of electrically insulating and thermally conductive material. Furthermore, the cover element is preferably made of elastic, in particular elastomeric material. The elastic design enables the cover element to be adapted to the shape of the energy storage cells, the electrical poles and/or the emergency openings and it is conceivable that the cover element seals at least the cover area of the energy storage cells.
  • the cover element is preferably made of a thermally stable elastomer. Silicone materials and fluorinated silicone materials are particularly conceivable in this context. Silicone-based elastomers are particularly preferred because they do not form electrically conductive structures even when thermally degraded. The use of fluororubbers or materials based on EPDM or EVA is also conceivable.
  • the electrical breakdown strength of the cover element is at least 2 kV/mm.
  • the cover element is also preferably flame-resistant.
  • the cover element can be provided with endothermic fillers and have fiber reinforcement.
  • the cover element can be made thermally conductive. Improved thermal conductivity can be achieved, for example, by adding hydroxides, oxides or nitrides. Due to the improved thermal conductivity, heat can be distributed over the entire cover element in the event of a fault, thereby reducing local thermal stress in the area of the opening. Furthermore, a thermally conductive design can contribute to improved heat dissipation during normal operation and heat can be transferred from the cell connectors to the cover element.
  • the thermal conductivity of the material of the cover element is preferably at least 0.5 W/(mxK).
  • the cover element can be connected to the energy storage cells in a material-locking manner. It is conceivable that the cover element is connected to the energy storage cells via an adhesive connection. Alternatively, it is also conceivable that the cover element is molded directly onto the energy storage cells. This is particularly conceivable when using adhesive elastomer materials.
  • the cover element forms a unit with the cell connectors.
  • the cell connectors can be embedded in the cover element or the cover element can be molded directly onto the cell connectors. In both cases, the shape of the cover element can ensure that neighboring cell connectors are electrically insulated from one another and that the electrical insulation is maintained even in the event of a fault. It is also conceivable that the cell connectors have already been molded with the cover element.
  • At least one heat sink can be assigned to the cover element.
  • the cover element is thermally conductive, it is possible to cool the energy storage cells via the poles. This means that cooling the poles can be used to cool the anodes and cathodes inside the cell housing particularly effectively. Placing the cooling elements above the cells is advantageous because energy storage cells are particularly easily accessible via the cover area. A particularly good cooling effect is achieved if a heat sink is assigned to the cell connectors.
  • the poles are electrically contacted via the cell connectors, with the poles being electrically connected to the electrode unit. These components are usually also very thermally conductive, so that cooling assigned to the electrical poles is particularly effective.
  • the problem has been that cooling can accelerate the formation of condensate.
  • the cover element arranged between the heat sink and the electrical poles prevents condensate from settling directly on the electrical poles. Condensation on the cover element, on the other hand, is not a problem.
  • Fig. 1 shows an energy storage arrangement in an exploded view
  • Fig. 2 shows in detail a first embodiment of a cover element
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a cover element
  • Fig. 4 shows a third embodiment of a cover element
  • Fig. 5 shows a fourth embodiment of the cover element
  • Fig. 6 a unit consisting of cover element and cell connector in the exploded view
  • Fig. 7 a cover element with associated heat sinks
  • Fig. 8 a cover element with an associated blow-off channel.
  • the figures show an energy storage arrangement 1 comprising a plurality of energy storage cells 2 in the form of prismatic cells.
  • the energy storage cells 2 each have a housing 9 which is closed by a cover 11.
  • the two electrical poles 3 of a cell are assigned to the cover 11, the poles 3 being assigned to the narrow sides of the housing 9.
  • An emergency opening 4 is made in the cover 11 between the two poles 3.
  • the emergency opening 4 comprises an opening made in the cover 11 which is closed by a bursting disk.
  • Adjacent energy storage cells 2 are electrically connected to one another by a cell connector 7 in such a way that the energy storage cells 2 arranged in the energy storage arrangement 1 are connected in series.
  • the cell connectors 7 consist of electrically conductive metallic material and are manufactured as a stamped part from a flat element. Copper and aluminum are particularly suitable as materials.
  • a cell connector 7 covers two poles 3 and connects one pole of an energy storage cell 2 to an oppositely charged pole of an adjacent energy storage cell 2. Accordingly, it is necessary to electrically insulate adjacent cell connectors 7 from one another. In normal operation, this can be ensured by spatial spacing. However, if conductive substances or even water get into the space between adjacent cell connectors 7, leakage currents or even short circuits can occur. Further insulation is provided in this case by a cover element 5.
  • the cover element is made of elastomer material, in this case a silicone material.
  • the cover element 5 is electrically insulating and thermally conductive.
  • the cover element 5 covers the electrical poles 3 of the energy storage cells 2.
  • an opening 6 is made in the cover element 5 so that in the event of damage, material flowing out of the emergency openings 4 can escape through the opening 6. The material then reaches the side of the cover element 5 facing away from the cell connectors 7 and is thus spatially separated from the cell connectors 7.
  • the cover element 5 seals the energy storage cells 2 in the area of the lids 11 so that they are moisture- and water-tight that any condensate formation cannot lead to moisture depositing in the area of the electrical poles 3.
  • the cover element 5 also seals the space between the energy storage cells 2 so that no released material can get into the space.
  • FIG. 2 shows a cover element 5 in detail.
  • the cover element 5 has several openings 6 in the middle area, which are assigned to the emergency openings 4 of the energy storage cells 2.
  • the cover element 5 has elevations 10, wherein the elevations 10 are designed to accommodate the cell connectors 7.
  • Each cell connector 7 is assigned an elevation 10, so that neighboring cell connectors are electrically insulated from one another by the wall of the neighboring elevations 10.
  • Figure 3 shows an alternative embodiment of the cover element 5 described in Figure 2.
  • channel-shaped elevations 10 are formed on the two edges of the cover element 5, with each elevation 10 receiving the cell connectors 7 arranged on one side of the housing 9.
  • This embodiment enables a particularly flexible arrangement of the cover element 5.
  • the cell connectors 7 arranged below the cover element 5 can have a different shape and extension.
  • Such an embodiment of the cover element 5 can be extruded as a profile, which is advantageous in arrangements with a particularly large number of energy storage cells 2.
  • Figure 4 shows an alternative embodiment of the cover element 5 described in Figure 2.
  • the openings 6 have slots arranged in a cross shape. In the event of damage, harmful gases escape from the emergency openings 4 and can escape through the slots from the opening 6.
  • the opening 6 can open along the slots so that the passage opening is enlarged.
  • the openings 6 in the present embodiment are essentially closed by the opposing walls of the slots coming into contact with one another. This embodiment ensures that if material is released from an opening 6, the openings 6 of intact, neighboring energy storage cells 2 are protected.
  • Figure 5 shows a further development of the cover element 5 shown in Figure 4.
  • channel-shaped elevations 10 are formed on the two edges of the cover element 5, with each elevation 10 receiving the cell connectors 7 arranged on one side of the housing 9.
  • This embodiment enables a particularly flexible arrangement of the cover element 5.
  • the cell connectors 7 arranged below the cover element 5 can have a different shape and extension. This embodiment ensures that if material is released from an opening 6, the openings 6 of intact, neighboring energy storage cells 2 are protected.
  • Figure 6 shows a design in which the cover element 5 and the cell connectors 7 form an assembleable unit.
  • the cover element 5 is molded directly onto the cell connectors 7, so that the cell connectors 7 are connected to the cover element 5 in a material-locking or form-fitting manner.
  • the cell connectors 7 and the cover element 5 are shown separately from one another as an exploded view for better visibility.
  • the cell connectors 7 can be overmolded with the material forming the cover element 5 in an injection molding tool before assembly. It is also conceivable that the cell connectors 7 are embedded in the elastic structure of the cover element 4.
  • Figure 7 shows a design in which heat sinks 8 are assigned to the cover element 5.
  • two heat sinks 8 are provided, one heat sink being assigned to the edge region of the cover element 5, the heat sinks 8 being thermally connected to the cell connectors 7 and the electrical poles 3. This enables particularly effective cooling of the cell connectors 7, the electrical poles 3 and thus the energy storage cells 2.
  • An elastomer design of the cover element 5 ensures gap-free contact with both the heat sink 8 and the cell connector 7.
  • a cooling medium can flow through the heat sinks 8.
  • the heat sinks 8 are preferably assigned to cover elements 5, but can also be integrated into cover elements 5.
  • the design is conceivable as an overmolded pipe for coolant or as a heat sink 8 with an integrated cavity for the coolant to flow through.
  • the material of the cover element 5 has a thermal conductivity coefficient of at least 0.5 W/(mxK), preferably of at least 1.0 W/(mxK).
  • FIG 8 shows a design in which a blow-off channel 9 is assigned to the cover element 5.
  • material released via the emergency openings 4 enters the blow-off channel 9 and can be transported out of the module.
  • the blow-off channel 9 is sealed to the cover element 5. In the present case, this is achieved by sealing longitudinal ribs. Alternatively, this can be done by pressing. Because the cover element 5 is arranged between the blow-off channel 9 and the cell connectors 7, the blow-off channel 9 can also be made of a metallic material.
  • Figure 9 shows an alternative design of the blow-off channel 9.
  • the blow-off channel 9 contains a pressing element 11, here a spring or alternatively a deformable longitudinal profile, which presses the blow-off channel 9 onto the cover element 5.

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Abstract

Energiespeicheranordnung (1), umfassend mehrere Energiespeicherzellen (2), welche jeweils elektrische Pole (3) und zumindest eine Notöffnung (4) aufweisen, wobei auf den Energiespeicherzellen (2) zumindest ein Abdeckelement (5) angeordnet ist, welches die elektrischen Pole (3) bedeckt und welches Öffnungen (6) aufweist, die den Notöffnungen (4) zugeordnet sind.

Description

Energiespeicheranordnung
Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung, umfassend mehrere Energiespeicherzellen, welche jeweils elektrische Pole und zumindest eine Notöffnung aufweisen.
Energiespeicherzellen mit Notöffnungen sind beispielsweise aus der EP 3 128 579 A1 bekannt. Energiespeicheranordnungen, insbesondere wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie, sind vor allem in mobilen Systemen weit verbreitet.
Wiederaufladbare Energiespeicherzellen für elektrische Energie werden beispielsweise in tragbaren elektronischen Geräten wie Smartphones oder Laptops eingesetzt. Des Weiteren werden wiederaufladbare Energiespeicher zum Bereitstellen von Energie für elektrisch angetriebene Fahrzeuge eingesetzt. Die Bandbreite elektrisch angetriebener Fahrzeuge erstreckt sich über Personenkraftwagen, aber auch Zweiräder, Kleintransporter oder Lastwagen. Anwendungen in Robotern, Schiffen, Flugzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen sind ebenfalls denkbar. Weitere Einsatzgebiete von elektrischen Energiespeichern sind stationäre Anwendungen, beispielsweise zur unterbrechungsfreien Energieversorgung in IT-Systemen, in Netzwerkstabilisierungssystemen und zur Speicherung elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen.
Ein häufig eingesetztes Energiespeichersystem basiert dabei auf Energiespeichern in Form von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen, wie andere wiederaufladbare Energiespeicher auch, zumeist mehrere Speicherzellen auf, welche gemeinsam ein Modul bilden. Neben Lithium-Ionen-Akkumulatoren kommen auch Lithium-Schwefel-Batterien, Feststoff-Batterien, Natrium-Ionen- Batterien, Batterien auf Basis anderer Leichtmetalle wie Magnesium oder Aluminium oder auch Metall-Luft -Batterien in Betracht.
Elektrische Energiespeicher weisen die höchste elektrische Kapazität sowie die beste Leistungsaufnahme und -abgabe nur in einem begrenzten Temperaturspektrum auf. Bei Über- bzw. Unterschreiten des optimalen Betriebstemperaturbereichs fallen die Kapazität, die Leistungsaufnahmefähigkeit und die Leistungsabgabefähigkeit des Speichers stark ab und die Funktionalität des Energiespeichers ist beeinträchtigt. Zu hohe Temperaturen können darüber hinaus den Energiespeicher irreversibel schädigen. Dementsprechend sollen dauerhaft auftretende erhöhte Temperaturen und kurzfristige Temperaturspitzen vermieden werden. Beispielsweise sollen bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren dauerhafte Temperaturen von mehr als 50°C und kurzfristige Temperaturspitzen von mehr als 80°C nicht überschritten werden.
Insbesondere bei Anwendungen in Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeugen wird eine Schnellladefähigkeit der Energiespeicher gefordert. Dabei sollen die Energiespeicher innerhalb kurzer Zeit, beispielsweise innerhalb von 15 Minuten, vollständig oder nahezu vollständig geladen werden. Aufgrund des Wirkungsgrades des Ladesystems, welcher im Bereich von maximal 90 % bis 95 % liegt, werden während des Ladevorgangs in der Energiespeicheranordnung große Wärmemengen freigesetzt, welche aus der Energiespeicheranordnung abgeführt werden müssen. Daher ist es in der Regel erforderlich, Energiespeicheranordnungen zu temperieren.
Zu hohe Temperaturen, interne und externe Kurzschlüsse oder mechanische Schädigungen der Zellen können Auslöser einer irreversiblen Schädigung der Energiespeicher sein. In diesem Zusammenhang ist insbesondere bei Lithium-Ionen- Akkumulatoren das sogenannte thermische Durchgehen („Thermal Runaway“) bekannt. Dabei werden in kurzer Zeit hohe thermische Energiemengen sowie gasförmige Reaktionsprodukte frei, woraus ein hoher Druck und hohe Temperaturen im Gehäuse einer Energiespeicherzelle resultieren. Daher besitzen Energiespeicherzellen meist Notöffnungen, durch welche ein Überdruck abgebaut werden kann. Durch Entwicklung von Energiespeichern mit hoher Energiedichte, wie sie beispielsweise zur Bereitstellung elektrischer Energie in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen erforderlich sind wird auch im Störfall die Freisetzung von Gasen deutlich erhöht. Zur Freisetzung von Überdruck können Energiespeicherzellen mit metallischem Gehäuse mit einer Notöffnung versehen sein, welche beispielsweise in Form einer Berstscheibe ausgebildet sein kann. Im Schadfall steigen im Inneren einer Energiespeicherzelle der Druck und die Temperatur stark an, wobei sich die Notöffnung bei Überschreitung eines vorgegebenen Druckes, beispielsweise durch Aufbrechen der Berstscheibe, öffnet und Schadgase aus dem Inneren der Energiespeicherzelle entweichen können. Durch die Notöffnung kann vermieden werden, dass sich die Energiespeicherzelle unkontrolliert öffnen und benachbarte Energiespeicherzellen einer zu hohen thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt werden. Beim thermischen Durchgehen werden aus einer Notöffnung neben heißen Gasen, mit Temperaturen, die je nach verwendeter Zellchemie über 1.000 °C liegen können, auch elektrisch leitfähige Partikel ausgeworfen. Dies sind beispielsweise Kohlenstoff-Partikel oder metallische oder metalloxidische Partikel oder metallische Schmelzprodukte.
Hierbei ist aber problematisch, dass sich elektrisch leitfähigen Partikel an elektrischen Verbindern oder Kontakten der Energiespeicherzellen anlagern können. Dabei ist es möglich, dass die Verbinder oder Kontakte durch aus dem Inneren einer Energiespeicherzelle entweichenden Partikel kurzgeschlossen werden. Dabei ist problematisch, dass freigesetzte Partikelströme sehr starke thermische und abrasive Belastungen verursachen. Einfache Isolationsmaterialien wie Kunststoffgehäuse oder Schrumpfschläuche können beschädigt werden und die darunter liegenden elektrischen Strukturen freilegen.
Dabei besteht die Gefahr eines thermischen Durchgehens weiterer Energiespeicherzellen. Durch die Freisetzung von Gasen oder Partikeln aus einer durchgehenden Zelle kann es an einer anderen Zelle im Energiespeichersystem zu einem Kurzschluss kommen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiespeicheranordnung bereitzustellen, welche eine hohe Betriebssicherheit aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung umfasst mehrere Energiespeicherzellen, welche jeweils elektrische Pole und zumindest eine Notöffnung aufweisen, wobei auf den Energiespeicherzellen zumindest ein Abdeckelement angeordnet ist, welches die elektrischen Pole überdeckt und welches Öffnungen aufweist, die den Notöffnungen zugeordnet sind.
Das Abdeckelement bedeckt dabei die elektrischen Pole so, dass die elektrischen Pole besser vor äußeren Einflüssen geschützt sind und dass sich noch keine elektrisch leitfähigen Partikel an den elektrischen Polen anlagern können. Dies gilt insbesondere für elektrisch leitfähige Partikel, die im Zuge einer Beschädigung aus dem Inneren einer Energiespeicherzelle entweichen können. Durch die Öffnung, die in das Abdeckelement eingebracht ist, ist wiederum sichergestellt, dass im Schadfall der in einer Energiespeicherzelle herrschende Überdruck sicher abgebaut werden kann. Dabei werden Schadgase definiert über die Notöffnung abgelassen und von den Energiespeicherzellen abgeführt. Das Abdeckelement schützt die Pole des Energiespeichersystems vor der Einwirkung durch elektrisch leitfähige Partikeln und verhindert, dass sich die Schadgase und die mit den Schadgasen mitgeführten Partikel an den elektrischen Polen ablagern.
Das Abdeckelement kann darüber hinaus derart ausgestaltet sein, dass es auch heißen und abrasiven Partikelströmen widersteht. Wenn das Abdeckelement mit derartigen Partikelströmen in Kontakt kommt, findet weder ein Schmelzen des Abdeckelements statt, noch werden elektrisch leitfähige thermische Abbauprodukte gebildet. Hierzu können beispielsweise thermoplastischen Materialien zum Einsatz gelangen. Alternativ kommen auch kohlenstoffbasierte Polymeren oder Duroplaste in Betracht, bei welchen sich durch Pyrolyse-Prozesse elektrisch leitfähige Kohlenstoff- Strukturen ausbilden.
Die Energiespeicherzellen können als prismatische Zellen ausgebildet sein. Prismatische Zellen weisen ein quaderförmiges Gehäuse auf, in welchem eine Elektrodeneinheit angeordnet ist, wobei das Gehäuse durch einen Deckel verschlossen ist. Die elektrische Kontaktierung der Energiespeicherzelle erfolgt über die elektrischen Pole, welche zumeist im Deckel angeordnet sind. Die Notöffnung kann sich dabei zwischen den beiden elektrischen Polen im Deckel befinden. Prismatische Zellen können platzsparend nebeneinander angeordnet werden.
Benachbarte Energiespeicherzellen können über zumindest einen Zellverbinder elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Derartig miteinander verbundene Energiespeicherzellen bilden ein Modul, wobei je nach elektrischer Verschaltung eine Erhöhung der elektrischen Spannung oder eine Erhöhung der Kapazität möglich ist. Innerhalb der ein Modul bildenden Energiespeicheranordnung erfolgt vorzugsweise eine Reihenschaltung der Energiespeicherzellen, so dass sich die elektrische Spannung der Energiespeicheranordnung erhöht. Im Fall eines Lithium-Ionen- Akkumulators beträgt die elektrische Spannung einer einzelnen Energiespeicherzelle etwa 3,6 Volt und durch Reihenschaltung mehrerer Energiespeicherzellen kann die elektrische Spannung deutlich erhöht werden. Darüber hinaus ist denkbar, mehrere Module, enthaltend jeweils in Reiher geschalteter Energiespeicherzellen, parallel zu verschalten.
Im Fall der Reihenschaltung bedeckt ein Zellverbinder jeweils einen ungleichnamigen Pol zweier benachbarter Energiespeicherzellen. Dabei muss vermieden werden, dass sich benachbarte Zellverbinder elektrisch kontaktieren, da dies zu einem Kurzschluss führen würde. Dies ist im Schadfall besonders problematisch, da der Abstand benachbarter Zellverbinder besonders gering ist. Das Abdeckelement bewirkt aber eine sichere elektrische Isolierung benachbarter Zellverbinder, so dass auch im Schadfall ein Kurzschluss vermieden werden kann. Vorzugsweise bedeckt das Abdeckelement die Zellverbinder. Dadurch ist sichergestellt, dass sich keine elektrisch leitenden Partikel und dergleichen an den Zellverbindern anlagern können, was benachbarte Zellverbinder in unerwünschter Weise elektrisch verbinden und zu einem Kurzschluss führen kann.
Die in das Abdeckelement eingebrachte Öffnung kann als Durchbrechung ausgebildet sein, welche mit der Notöffnung einer Energiespeicherzelle in Deckung gebracht werden kann, wobei die Öffnung vorzugsweise kongruent zu der Notöffnung ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Durchbrechung so zu der Notöffnung ausgebildet sein, dass ein ungehindertes Austreten von Schadgasen, Partikeln und dergleichen im Schadfall möglich ist. Mit Hilfe der Notöffnung können die aus der Zelle freigesetzten Substanzen auf eine Seite des Abdeckelementes geführt werden, die dem Zellverbinder abgewandt ist.
Die dem Abdeckelement zugeordnete Öffnung kann zumindest einen Schlitz aufweisen. Dadurch ist das Abdeckelement im Normalbetrieb im Wesentlichen geschlossen, so dass die Energiespeicherzellen besonders gut gegen äußere Einflüsse geschützt sind, was insbesondere im Hinblick auf Kondensatbildung vorteilhaft ist. Die Schlitze können dabei in Form eines Längsschlitzes, als Kreuzschlitz, als Halbkreisschlitz oder dergleichen ausgebildet sein.
Alternativ ist denkbar, der Öffnung eine Sollbruchstelle zuzuordnen, beispielsweise in Form einer in das Abdeckelement eingebrachten Kerbe oder Materialschwächung.
Das Abdeckelement ist vorzugsweise aus elektrisch isolierendem und thermisch leitfähigem Werkstoff ausgebildet. Des Weiteren ist das Abdeckelement vorzugsweise aus elastischem, insbesondere aus elastomerem Werkstoff ausgebildet. Die elastische Ausgestaltung ermöglicht die Anpassung des Abdeckelements an die Gestalt der Energiespeicherzellen, der elektrischen Pole und/oder der Notöffnungen und es ist denkbar, dass das Abdeckelement zumindest den Deckelbereich der Energiespeicherzellen abdichtet. Bevorzugt ist das Abdeckelement aus einem thermisch stabilen Elastomer ausgebildet. Denkbar sind in diesem Zusammenhang insbesondere Silikonwerkstoffe und fluorierte Silikonwerkstoffe. Silikon-basierte Elastomere sind dabei insbesondere bevorzugt, weil sie auch bei einem thermischem Abbau keine elektrisch leitfähigen Strukturen ausbilden. Weiterhin denkbar ist der Einsatz von Fluorkautschuken oder Materialien auf der Basis von EPDM oder EVA.
Die elektrische Durchschlagsfestigkeit des Abdeckelementes beträgt mindestens 2 kV/mm. Das Abdeckelement ist ferner vorzugsweise flammbeständig. Das Abdeckelement kann mit endotherm wirksamen Füllstoffen versehen sein und eine Faserverstärkung aufweisen.
Das Abdeckelement kann thermisch leitfähig ausgerüstet sein. Eine verbesserte thermische Leitfähigkeit kann beispielsweise durch die Zugabe von Hydroxiden, Oxiden oder Nitriden erzielt werden. Aufgrund der verbesserten thermischen Leitfähigkeit kann im Störfall Wärme über das gesamte Abdeckelement verteilt werden und dadurch eine lokale thermische Belastung im Bereich der Öffnung reduziert werden. Ferner kann eine thermisch leitfähige Ausgestaltung zu einer verbesserten Wärmeabfuhr im Normalbetrieb beitragen und Wärme von den Zellverbindern auf das Abdeckelement übertragen werden. Bevorzugt beträgt die thermische Wärmeleitfähigkeit des Materials des Abdeckelementes mindestens 0,5 W/(mxK).
Das Abdeckelement kann stoffschlüssig mit den Energiespeicherzellen verbunden sein. Dabei ist denkbar, dass das Abdeckelement über eine Klebeverbindung in den Energiespeicherzellen verbunden ist. Alternativ ist auch denkbar, dass das Abdeckelement direkt an die Energiespeicherzellen angeformt ist. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von haftfähigen elastomeren Werkstoffen denkbar.
Es ist auch denkbar, dass das Abdeckelement mit den Zellverbindern eine Einheit bildet. Dabei können die Zellverbinder in das Abdeckelement eingebettet sein oder das Abdeckelement kann direkt an die Zellverbinder angeformt sein. In beiden Fällen kann durch die Formgebung des Abdeckelementes sichergestellt werden, dass benachbarte Zellverbinder elektrisch voneinander isoliert sind und dass die elektrische Isolierung auch im Störfall aufrecht erhalten bleibt. Denkbar ist es hierbei auch, dass die Zellverbinder vorab bereits mit dem Abdeckelement umspritzt wurden.
Dem Abdeckelement kann zumindest ein Kühlkörper zugeordnet sein. Insbesondere wenn das Abdeckelement thermisch leitfähig ist, ist es möglich, eine Kühlung der Energiespeicherzellen über die Pole vorzunehmen. Dadurch kann bei einer Kühlung der Pole besonders effektiv eine Kühlung der Anoden und Kathoden innerhalb des Zellgehäuses erfolgen. Eine Platzierung der Kühlelemente oberhalb der Zellen ist vorteilhaft, weil Energiespeicherzellen über den Deckelbereich besonders einfach zugänglich sind. Eine besonders gute Kühlwirkung ergibt sich, wenn den Zellverbindern ein Kühlkörper zugeordnet ist. Über die Zellverbinder erfolgt eine elektrische Kontaktierung der Pole, wobei die Pole mit der Elektrodeneinheit elektrisch leitend verbunden sind. Diese Komponenten sind zumeist auch thermisch sehr gut leitfähig, so dass eine den elektrischen Polen zugeordnete Kühlung besonders wirksam ist. Bislang bestand dabei das Problem, dass durch die Kühlung eine Kondensatbildung beschleunigt werden kann. Das zwischen dem Kühlkörper und den elektrischen Polen angeordnete Abdeckelement verhindert jedoch, dass sich Kondensat direkt an den elektrischen Polen niederschlägt. Eine Kondensatbildung auf dem Abdeckelement ist hingegen unproblematisch.
Einige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 eine Energiespeicheranordnung in der Explosionsdarstellung;
Fig. 2 im Detail eine erste Ausgestaltung eines Abdeckelementes;
Fig. 3 eine zweite Ausgestaltung eines Abdeckelementes;
Fig. 4 eine dritte Ausgestaltung eines Abdeckelementes;
Fig. 5 eine vierte Ausgestaltung des Abdeckelementes; Fig. 6 eine Einheit, bestehend aus Abdeckelement und Zellverbinder in der Explosionsdarstellung;
Fig. 7 ein Abdeckelement mit zugeordneten Kühlkörpern;
Fig. 8 ein Abdeckelement mit einen zugeordneten Abblaskanal.
Die Figuren zeigen eine Energiespeicheranordnung 1 , umfassend mehrere Energiespeicherzellen 2 in Form von prismatischen Zellen. Die Energiespeicherzellen 2 weisen jeweils ein Gehäuse 9 auf, welches durch einen Deckel 11 verschlossen ist. Dem Deckel 11 sind die beiden elektrischen Pole 3 einer Zelle zugeordnet, wobei die Pole 3 den Schmalseiten des Gehäuses 9 zugeordnet sind. Zwischen den beiden Polen 3 ist in den Deckel 11 eine Notöffnung 4 eingebracht. Die Notöffnung 4 umfasst eine in den Deckel 11 eingebrachte Durchbrechung, welche durch eine Berstscheibe verschlossen ist.
Benachbarte Energiespeicherzellen 2 sind durch einen Zellverbinder 7 so elektrisch leitend miteinander verbunden, dass die in der Energiespeicheranordnung 1 angeordnete Energiespeicherzellen 2 in Reihe geschaltet sind. Die Zellverbinder 7 bestehen aus elektrisch leitfähigem metallischem Werkstoff und sind als Stanzteil aus einem flächigen Element hergestellt. Als Werkstoff kommen dabei insbesondere Kupfer und Aluminium in Betracht. Ein Zellverbinder 7 bedeckt dabei zwei Pole 3 und verbindet einen Pol einer Energiespeicherzelle 2 mit einem gegensätzlich geladenen Pol einer benachbarten Energiespeicherzelle 2. Dementsprechend ist es erforderlich, benachbarte Zellverbinder 7 elektrisch voneinander zu isolieren. Im Normalbetrieb kann dies durch räumlichen Abstand sichergestellt werden. Gelangen hingegen leitfähige Substanzen oder auch Wasser in den Zwischenraum benachbarter Zellverbinder 7, können Kriechströme oder auch Kurzschlüsse auftreten. Eine weitergehende Isolierung erfolgt vorliegend durch ein Abdeckelement 5. Das Abdeckelement ist aus elastomerem Werkstoff, vorliegend aus einem Silikon- Werkstoff ausgebildet. Dabei ist das Abdeckelement 5 elektrisch isolierend und thermisch leitfähig. Das Abdeckelement 5 bedeckt dabei die elektrischen Pole 3 der Energiespeicherzellen 2. In den den Notöffnungen 4 zugeordneten Bereichen des Abdeckelementes 5 ist eine Öffnung 6 in das Abdeckelement 5 eingebracht, so dass im Schadfall aus den Notöffnungen 4 ausströmendes Material durch die Öffnung 6 entweichen kann. Das Material gelangt dabei auf die den Zellverbindern 7 abgewandte Seite des Abdeckelementes 5 und ist dadurch von den Zellverbindern 7 räumlich getrennt.
Bei der vorliegenden Ausgestaltung dichtet das Abdeckelement 5 die Energiespeicherzellen 2 im Bereich der Deckel 11 so feuchtigkeits- und wasserdicht ab, dass etwaige Kondensatbildung nicht zu einem Niederschlag von Feuchtigkeit im Bereich der elektrischen Pole 3 führen kann. Darüber hinaus dichtet das Abdeckelement 5 auch den Zwischenraum zwischen den Energiespeicherzellen 2 ab, so dass kein freigesetztes Material in den Zwischenraum gelangen kann.
Figur 2 zeigt im Detail ein Abdeckelement 5. Das Abdeckelement 5 weist im mittleren Bereich mehrere Öffnungen 6 auf, die den Notöffnungen 4 der Energiespeicherzellen 2 zugeordnet sind. In den Randbereichen weist das Abdeckelement 5 Erhebungen 10 auf, wobei die Erhebungen 10 ausgebildet sind, die Zellverbinder 7 aufzunehmen. Dabei ist jedem Zellverbinder 7 eine Erhebung 10 zugeordnet, sodass benachbarte Zellverbinder durch die Wandung der benachbarten Erhebungen 10 elektrisch voneinander isoliert sind.
Figur 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des in Figur 2 beschriebenen Abdeckelementes 5. Bei der vorliegenden Ausgestaltung sind an den beiden Rändern des Abdeckelementes 5 kanalförmige Erhebungen 10 ausgebildet, wobei jede Erhebung 10 die auf einer Seite der Gehäuse 9 angeordnete Zellverbinder 7 aufnimmt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders flexible Anordnung des Abdeckelementes 5. Darüber hinaus können die unterhalb des Abdeckelementes 5 angeordnete Zellverbinder 7 eine unterschiedliche Gestalt und Erstreckung aufweisen. Eine solche Ausführung des Abdeckelementes 5 kann als Profil extrudiert werden, was bei Anordnungen mit besonders vielen Energiespeicherzellen 2 vorteilhaft ist. Figur 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung des in Figur 2 beschriebenen Abdeckelementes 5. Bei der vorliegenden Ausgestaltung weisen die Öffnungen 6 kreuzförmig angeordnete Schlitze auf. Im Schadfall entweichen aus den Notöffnungen 4 Schadgase, welche durch die Schlitze aus der Öffnung 6 entweichen können. Dabei kann die Öffnung 6 längs der Schlitze aufklappen, so dass sich die Durchlassöffnung vergrößert. Während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Energiespeicheranordnung 1 sind bei der vorliegenden Ausgestaltung die Öffnungen 6 im Wesentlichen verschlossen, indem die einander gegenüberliegenden Wandungen der Schlitze aneinander zur Anlage gelangen. Durch diese Ausgestaltung wird sichergestellt, dass bei Freisetzung von Material aus einer Öffnung 6 die Öffnungen 6 intakter, benachbarter Energiespeicherzellen 2 geschützt sind.
Figur 5 zeigt eine Weiterbildung des in Figur 4 gezeigten Abdeckelementes 5. Bei der vorliegenden Ausgestaltung sind an den beiden Rändern des Abdeckelementes 5 kanalförmige Erhebungen 10 ausgebildet, wobei jede Erhebung 10 die auf einer Seite der Gehäuse 9 angeordnete Zellverbinder 7 aufnimmt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders flexible Anordnung des Abdeckelementes 5. Darüber hinaus können die unterhalb des Abdeckelementes 5 angeordnete Zellverbinder 7 eine unterschiedliche Gestalt und Erstreckung aufweisen. Durch diese Ausgestaltung wird sichergestellt, dass bei Freisetzung von Material aus einer Öffnung 6 die Öffnungen 6 intakter, benachbarter Energiespeicherzellen 2 geschützt sind.
Figur 6 zeigt eine Ausgestaltung, bei der das Abdeckelement 5 und die Zellverbinder 7 eine montierbare Einheit bilden. Dabei ist das Abdeckelement 5 direkt an die Zellverbinder 7 angeformt, so dass die Zellverbinder 7 stoffschlüssig oder formschlüssig mit dem Abdeckelement 5 verbunden sind. In der Darstellung sind zur besseren Erkennbarkeit die Zellverbinder 7 und das Abdeckelement 5 als Explosionsdarstellung getrennt voneinander gezeigt. Die Zellverbinder 7 können vor der Montage in einem Spritzgusswerkzeug mit dem das Abdeckelement 5 bildende Material umspritzt werden. Denkbar ist auch, dass die Zellverbinder 7 in die elastische Struktur des Abdeckelementes 4 eingebettet werden. Figur 7 zeigt eine Ausgestaltung, bei der dem Abdeckelement 5 Kühlkörper 8 zugeordnet sind. Bei der vorliegenden Ausgestaltung sind zwei Kühlkörper 8 vorgesehen, wobei jeweils ein Kühlkörper dem Randbereich des Abdeckelementes 5 zugeordnet ist, wobei die Kühlkörper 8 jeweils thermisch mit den Zellverbindern 7 und den elektrischen Polen 3 verbunden sind. Dadurch ist eine besonders effektive Kühlung der Zellverbinder 7, der elektrischen Pole 3 und damit der Energiespeicherzellen 2 möglich. Eine elastomere Ausgestaltung des Abdeckelementes 5 stellt den spaltfreien Kontakt sowohl zum Kühlkörper 8 als auch zum Zellverbinder 7 sicher. Die Kühlkörper 8 können dabei von einem Kühlmedium durchströmt sein. Die Kühlkörper 8 sind vorzugsweise Abdeckelementen 5 zugeordnet, können aber auch in Abdeckelemente 5 integriert sein. Denkbar ist die Ausgestaltung als umspritztes Rohr für Kühlflüssigkeit oder als Kühlkörper 8 mit integriertem Hohlraum für das Durchströmen von Kühlflüssigkeit. Das Material des Abdeckelementes 5 hat einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von mindestens 0,5 W/(mxK), bevorzugt von mindestens 1 ,0 W/(mxK).
Figur 8 zeigt eine Ausgestaltung, bei der dem Abdeckelement 5 ein Abblaskanal 9 zugeordnet ist. Im Schadfall über die Notöffnungen 4 freigesetztes Material gelangt in den Abblaskanal 9 und kann aus dem Modul abtransportiert werden. Der Abblaskanal 9 ist dabei zu dem Abdeckelement 5 gedichtet. Dies ist vorliegend durch dichtende Längsrippen realisiert. Alternativ kann dies durch Verpressung erfolgen. Dadurch, dass zwischen Abblaskanal 9 und Zellverbindern 7 das Abdeckelement 5 angeordnet ist, kann der Abblaskanal 9 auch aus einem metallischen Werkstoff ausgestaltet sein.
Figur 9 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Abblaskanals 9. Der Abblaskanal 9 enthält ein Anpresselement 11 , hier eine Feder oder alternativ ein verformbares Längsprofil, welches den Abblaskanal 9 an das Abdeckelement 5 anpresst.

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeicheranordnung (1 ), umfassend mehrere Energiespeicherzellen (2), welche jeweils elektrische Pole (3) und zumindest eine Notöffnung (4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Energiespeicherzellen (2) zumindest ein Abdeckelement (5) angeordnet ist, welches die elektrischen Pole (3) bedeckt und welches Öffnungen (6) aufweist, die den Notöffnungen (4) zugeordnet sind.
2. Energiespeicheranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Energiespeicherzellen (2) über zumindest einen Zellverbinder (7) elektrisch leitend miteinander verbunden sind und dass das Abdeckelement (5) die Zellverbinder (7) bedeckt.
3. Energiespeicheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (6) als Durchbrechungen und kongruent zu den Notöffnungen (4) ausgebildet sind.
4. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (6) jeweils zumindest einen Schlitz aufweisen.
5. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (5) aus elektrisch isolierendem Werkstoff ausgebildet ist.
6. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (5) aus thermisch leitfähigem Werkstoff ausgebildet ist.
7. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (5) aus polymerem Werkstoff ausgebildet ist.
8. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (5) aus einem elastomeren Werkstoff ausgebildet ist.
9. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (5) aus einem Silikon-Elastomer ausgebildet ist.
10. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (5) als Spritzgussteil oder als Extrusionsteil ausgebildet ist
11. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (5) stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit den Energiespeicherzellen (2) verbunden ist.
12. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (5) mit den Zellverbindern (7) eine Einheit bildet.
13. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abdeckelement (5) zumindest ein Kühlkörper (8) zugeordnet ist.
14. Energiespeicheranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (8) über das Abdeckelement (5) mit den Zellverbindern (7) in thermischem Kontakt steht.
15. Energiespeicheranordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass den Zellverbindern (7) ein Kühlkörper (8) zugeordnet ist, wobei die Zellverbinder (7) und die Kühlkörper (8) durch das Abdeckelement (5) getrennt sind.
16. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abdeckelement (5) ein Abblaskanal (9) zugeordnet ist, welcher im Schadfall freigesetztes Material abtransportiert kann, wobei der Abblaskanal (9) durch das Abdeckelement (5) abgedichtet ist.
17. Energiespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abdeckelement (5) ein Abblaskanal (9) zugeordnet ist, welcher durch ein Anpresselement an das Abdeckelement (5) angepresst ist.
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