WO2008106948A1 - Vorrichtung zum zusammenfügen und aufbewahren von energiespeicherzellen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zusammenfügen und Aufbewahren von Energiespeicherzellen (1) mit einer flexiblen Hülle (3), die in einem steifen Gehäuse (4) angeordnet sind, das eine Fensteröffnung auf einer Flächenseite und zwei Öffnungen für die metallischen Stromableiter (2) der Energiespeicherzelle aufweist. Die Vorrichtung umfasst einen Blechrahmen, in den die Energiespeicherzellen (1) gesteckt sind und in dem ein Kühlkörper (7) angeordnet ist.

Description

Temic Automotive Electric Motors GmbH Sickingenstraße 29-38, 10553 Berlin
Vorrichtung zum Zusammenfügen und Aufbewahren von Energiespeicherzellen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zusammenfügen und Aufbewahren von Energiespeicherzellen.
Hybrid- und Elektrofahrzeuge benötigen große Mengen elektrischer Energie, um eine elektrische Maschine betreiben zu können. Als Energiespeicher werden hierbei vorzugsweise Nickel -Metallhydrid- oder Lithium-Ionen-Zellen eingesetzt. Eine Möglichkeit der Ausführung bei Lithium-Ionen-Zellen besteht in Form eines prismatischen Softpacks . Die Zelle ist in dieser Ausführung umschlossen von einer flexiblen Hülle, typischerweise aus einer Aluminiumverbundfolie. Derartige Energiespeicherzellen werden zur Erhöhung ihrer mechanischen Stabilität in ein Gehäuse aus einem Material mit gegenüber der Hülle höherer Steifigkeit angeordnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mehrere einzelne jeweils in einem steifen Gehäuse befindliche Energiespeicherzellen für die Anordnung in einem Hybridoder Elektrofahrzeug stabil zu positionieren und hierbei für eine gleichmäßige Temperierung Sorge zu tragen.
Die Aufgabe wird durch ein Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sind aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind. Die Vorrichtung dient dem Zusammenfügen und Aufbewahren von Energiespeicherzellen mit einer flexiblen Hülle. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der einzelnen Energiespeicherzellen sind diese jeweils in einem Gehäuse aus einem Material mit gegenüber der Hülle höherer Steifigkeit angeordnet. Das Gehäuse weist zwei Öffnungen für die metallischen Stromableiter der Energiespeicherzelle und eine Fensteröffnung auf einer Flächenseite auf. Die Fensteröffnung ermöglicht beim Betrieb der Energiespeicherzelle notwendige Bewegungen der flexiblen Hülle aufgrund von Volumenvergrößerungen und -Verkleinerungen des Inneren der Energiespeicherzelle. Zum Zusammenfügen und Aufbewahren der Energiespeicherzellen umfasst die Vorrichtung einen Blechrahmen, in den die Energiespeicherzellen gesteckt sind. Ein Kühlkörper zur Kühlung der Energiespeicherzellen ist vollständig oder teilweise im Blechrahmen angeordnet.
Der Vorteil dieser Erfindung besteht im kompakten Aufbau des Zellblocks aus den Energiespeicherzellen mit flexibler Hülle. Ein weiterer Vorteil besteht in der Variabilität der Zellblocklänge aufgrund des modularen Aufbaus des Zellblocks. Somit kann eine gewünschte Anzahl an Energiespeicherzellen in einem oder mehreren Zellblöcken entsprechend dem zur Verfügung stehenden Bauraum zusammengefügt und verbaut werden. Der Kühlkörper ermöglicht den Betrieb der Energiespeicherzellen bei einer gewünschten Temperatur und erhöht die Lebensdauer der Energiespeicherzellen und damit die Sicherheit des Energiespeichers .
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eine Leiterplatte mit einer Ladungsumverteilungsschaltung im Blechrahmen angeordnet. Die Ladungsumverteilungsschaltung verteilt Ladung zwischen allen oder einer Gruppe von Energiespeicherzellen um. Die Ladungsumverteilungsschaltung kann eine Symmetrierschaltung sein. Sie kann aber auch eine Schaltung sein, die der unterschiedlichen Alterung der einzelnen Energiespeicherzellen Rechnung trägt und diese unterschiedlich stark auf- und entlädt. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der Erhöhung der Lebensdauer des gesamten Energiespeichers bei einem sehr kompakten Aufbau des Zellblocks mit der entsprechenden Elektronik.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die in den Blechrahmen gesteckten in steifen Gehäusen angeordneten Energiespeicherzellen an den Stromableitern miteinander verschweißt sind. Der Vorteil dieser Verbindungsform liegt in einer zuverlässigen elektronischen Kontaktierung der Energiespeicherzellen, die auf diese Weise in Serie geschaltet werden. Zudem wird die mechanische Stabilität des Zellblocks erhöht.
Zum Zweck der elektrischen Isolierung ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform im Blechrahmen auf Höhe der Stromableiter der Energiespeicherzellen an der Innenseite des Blechrahmens eine elektrisch isolierende Folie befestigt. Die Folie ist vorzugsweise aus Polyimid, kann aber aus anderen hinreichend isolierenden Polymerfolien bestehen. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der elektrischen Isolierung von Stromableitern und dem Blechrahmen, was aus Sicherheitsgründen höchst empfehlenswert ist, bei geringem Platzbedarf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht der Blechrahmen aus zwei Blechen, die jeweils u-förmig mit Winkeln von 90 Grad gebogen sind. Die beiden Bleche sind derart miteinander verbunden, dass ein Rahmen mit einer rechteckigen Fläche entsteht. Die beiden Bleche können vorzugsweise miteinander verschraubt sein. Diese Ausführungsform ermöglicht den Aufbau eines stabilen Rahmens aus nur zwei Blechen.
Aus den Seitenblechen des Blechrahmens können in einer vorteilhaften Ausführungsform in regelmäßigen Abständen u- förmige Blechlaschen geschnitten und nach innen gebogen sind. Dadurch bilden sich Nuten, in die die in steifen Gehäusen angeordneten Energiespeicherzellen gesteckt werden. Dadurch werden die Energiespeicherzellen präzise im Blechrahmen positioniert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind Federn zur Positionierung der in steifen Gehäusen angeordneten Energiespeicherzellen im Blechrahmen angeordnet. Die Federn können vorzugsweise die Abstände zwischen zwei Energiespeicherzellen im Gehäuse definieren. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der erhöhten Stabilität und der optimierten Positionierung der Zellanordnung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Gehäuse mit einer eingelegten
Energiespeicherzelle .
Fig. 2 zeigt ein u-förmig mit Winkeln von 90 Grad gebogenes
Blech.
Fig. 3 zeigt ein Seitenblech mit nach innen gebogenen
Blechlaschen.
Fig. 4 zeigt einen Block aus Energiespeicherzellen mit
Kühlkörper und Seitenblechen.
Fig. 5 zeigt einen Zellblock, dessen Rahmen zwei u-förmig mit Winkeln von 90 Grad gebogene Bleche umfasst .
Fig. 6 zeigt eine Anordnung von Leiterplatten mit
Ladungsumverteilungsschaltungen im Blechrahmen. Fig. 7 zeigt ein einen Blechrahmen gesteckte Energiespeicherzellen .
Die Darstellung in Fig. 1 zeigt eine Energiespeicherzelle (1) mit einer flexiblen Hülle (3) und zwei Stromableitern (2) . Die Energiespeicherzelle (1) ist von einem Gehäuse (4) aus einem Material mit gegenüber der Hülle (3) der Energiespeicherzelle erhöhter Steifigkeit umgeben, das zwei Öffnungen für die Stromableiter (2) und eine Fensteröffnung auf einer Flächenseite aufweist . Die Fensteröffnung bietet der dynamisch arbeitenden Energiespeicherzelle (1) die Möglichkeit, zu „atmen". Unter „Atmen" versteht man Volumenvergrößerungen und -Verkleinerungen des Inneren der Energiespeicherzelle (1) und damit einhergehende Bewegungen der flexiblen Hülle (3) . Das Gehäuse (3) ist elektrisch isoliert von den Stromableitern (2) der Energiespeicherzelle (D -
Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Bleches (5), aus dem der Blechrahmen aufgebaut ist, zeigt Fig. 2. Das dargestellt Blech (5) ist u-förmig gebogen mit zwei Winkeln von 90 Grad. Ein zweites u-förmig gebogenes Blech mit Winkeln von 90 Grad ergibt zusammen mit dem ersten einen Blechrahmen mit einer rechteckigen Innenfläche. In der dargestellten Ausführungsvariante ist das u-förmige Blech (5) an beiden parallelen Enden mit Winkeln von 90 Grad nach außen gebogen und mit Bohrungen versehen. Auf diese Weise können die beiden Bleche miteinander verschraubt werden und bilden so den Rahmen. In der Darstellung sind weitere Bohrungen im unteren Teil des Bleches (5) zu sehen, welche der Befestigung des Kühlkörpers im Rahmen dienen. Die beiden parallel verlaufenden Seiten des u-förmigen Bleches (5) sind in der dargestellten Form an der Oberseite mit Winkeln von 90 Grad nach außen gebogen. Diese Flächen enthalten weitere Bohrungen, die der Befestigung mindestens eines Elektronikgehäuses (9) dienen können, in dem eine Leiterplatte (10) mit einer Ladungsumverteilungschaltung (11) angeordnet ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Aus einem Seitenblech (5) des Blechrahmens werden in regelmäßigen Abständen u-förmige Blechlaschen (6) geschnitten und nach innen gebogen mit einem Winkel von 90 Grad. Dadurch bilden sich Nuten, in die die in steifen Gehäusen (4) angeordneten Energiespeicherzellen (1) gesteckt werden. Auf diese Weise werden die Energiespeicherzellen präzise im Blechrahmen positioniert. Auf dem Seitenblech (5) ist auf Höhe der Stromableiter (2) der Energiespeicherzellen
(1) an der Innenseite des Blechrahmens eine elektrisch isolierende Folie (8) befestigt. Die isolierende Folie (8) isoliert den Blechrahmen elektrisch von den Stromableitern
(2) der Energiespeicherzellen (1) .
Fig. 4 zeigt als eine bevorzugte Ausführungsform des Konzepts zwei Seitenbleche (5) , die Teil des Blechrahmens sind, in den die in steifen Gehäusen (4) angeordneten Energiespeicherzellen (1) gesteckt sind und in dem ein Kühlkörper (7) angeordnet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kühlkörper (7) ein Wasserkühler. Die Darstellung verdeutlicht, dass die Anzahl der nach diesem Konzept verbauten Energiespeicherzellen (1) variabel ist. Auch ein modularer Aufbau eines großen Zellblocks aus kleineren Zellblockeinheiten, mit definierter Länge ist auf diese Weise realisierbar.
In Fig. 5 ist als alternatives Ausführungsbeispiel ein kompakter Zellblock dargestellt, dessen Blechrahmen aus zwei u-förmig mit Winkeln von 90 Grad gebogenen Blechen (5) besteht, die miteinander verschraubt sind. Eines der beiden Bleche (5) entspricht dem in Fig. 2 dargestellten. Das zweite Blech ist das passende Gegenstück und ergibt gemeinsam mit dem ersten den rechteckigen Blechrahmen. In den Blechrahmen sind die in steifen Gehäusen (4) angeordneten Energiespeicherzellen (1) gesteckt (hier nicht dargestellt) . Der Blechrahmen ist im unteren Teil mit einem Kühlkörper (7) verbunden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kühlkörper (7) ein Luftkühler. An der Oberseite des Blechrahmens sind bei diesem Ausführungsbeispiel sechs Elektronikgehäuse (9) befestigt. In jedem Elektronikgehäuse (9) ist eine Leiterplatte (10) mit einer Ladungsumverteilungsschaltung (11) angeordnet. Die Schaltung (11) verteilt Ladung zwischen einzelnen Energiespeicherzellen (1) um, um die Lebensdauer der Energiespeicherzellen zu erhöhen und Sicherheit gegen Überladung zu bieten.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen die Draufsicht der Darstellung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 5, bei der einzelne Elemente entfernt sind. Drei Elektronikgehäuse (9) sind in der rechten Hälfte von Fig. 6 dargestellt. Rechts daneben ist eine Energiespeicherzelle (1) mit den Stromableitern (2) zu erkennen. Der Stromableiter (2) des Pluspols der Energiespeicherzelle (1) wird über eine Stromschiene aus dem Zellblock geführt. In der linken Hälfte von Fig. 6 sind die Deckel der drei Elektronikgehäuse (9) entfernt. Die Leiterplatten (10) mit den Ladungsumverteilungsschaltungen (11) sind zu erkennen. Die Elektronikgehäuse (9) sind auf den Blechrahmen geschraubt .
Bei der Darstellung in Fig. 7 sind die Elektronikgehäuse (9) vollständig entfernt. Man erkennt die rechteckige Form des Blechrahmens, der aus zwei u-förmig mit Winkeln von 90 Grad gebogenen Blechen (5) gebildet ist. Die Energiespeicherzellen (1) mit flexiblen Hüllen (3) sind in den Blechrahmen gesteckt. In der dargestellten Ausführungsform sind die Stromableiter (2) der Energiespeicherzellen (1) miteinander verschweißt. Durch das Verschweißen werden alle Energiespeicherzellen in Reihe geschaltet, so dass sich die Gesamtspannung des Zellblocks aus der Summe der ZellSpannungen ergibt. Der Minuspol der Energiespeicherzelle (1), die ganz links dargestellt ist, wird über eine Stromschiene aus dem Zellblock geführt . An den beiden aus dem Zellblock geführten Stromschienen ist die GesamtSpannung des Energiespeichers abgreifbar.
Bezugszeichenliste
Energiespeicherzelle Stromableiter Flexible Hülle Gehäuse Blech Blechlaschen Kühlkörper Isolierende Folie Elektronikgehäuse Leiterplatte Ladungsumverteilungsschaltung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Zusammenfügen und Aufbewahren von Energiespeicherzellen (1) mit einer flexiblen Hülle (3) , die in einem steifen Gehäuse (4) angeordnet sind, das eine Fensteröffnung auf einer Flächenseite und zwei Öffnungen für die metallischen Stromableiter (2) der Energiespeicherzelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Blechrahmen umfasst, in den die Energiespeicherzellen gesteckt sind und in dem ein Kühlkörper (7) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leiterplatte (10) mit einer Ladungsumverteilungsschaltung (11) , die Ladung zwischen allen oder einer Gruppe von Energiespeicherzellen (1) umverteilt, in einem Elektronikgehäuse (9) im oder am Blechrahmen angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die in den Blechrahmen gesteckten in steifen Gehäusen (4) angeordneten Energiespeicherzellen
(1) an den Stromableitern (2) miteinander verschweißt sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf Höhe der Stromableiter (2) der Energiespeicherzellen (1) an der Innenseite im Blechrahmen eine elektrisch isolierende Folie (8) befestigt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Blechrahmen aus zwei Blechen (5) besteht, die u-förmig mit Winkeln von 90 Grad gebogen sind und so miteinander verbunden sind, dass ein Rahmen mit einer rechteckigen Fläche entsteht .
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Seitenblechen (5) des Blechrahmens in regelmäßigen Abständen vertikal verlaufende u-förmige Blechlaschen (6) geschnitten und nach innen gebogen sind, welche Nuten bilden, in die die in steifen Gehäusen (4) angeordneten Energiespeicherzellen (1) gesteckt werden.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Federn zur Positionierung der in steifen Gehäusen (4) angeordneten Energiespeicherzellen (1) im Blechrahmen angeordnet sind.
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