WO2011073425A1 - Kühl-/heizelement für einen akkumulator - Google Patents

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WO2011073425A1 PCT/EP2010/070152 EP2010070152W WO2011073425A1 WO 2011073425 A1 WO2011073425 A1 WO 2011073425A1 EP 2010070152 W EP2010070152 W EP 2010070152W WO 2011073425 A1 WO2011073425 A1 WO 2011073425A1
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cells
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PCT/EP2010/070152
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Gert Krammer
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Magna E-Car Systems Gmbh & Co Og
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Definitions

  • the invention relates to a cooling / heating element for a rechargeable battery. STATE OF THE ART
  • the object of the present invention is therefore to provide an improved accumulator or a cooling / heating element for an accumulator, in particular an accumulator for an electric motor vehicle.
  • a cooling / heating element for an accumulator, comprising a cooling surface with a first boundary, which is provided for body contact to a first cell of the accumulator, and a second boundary , which is provided for body contact with a second cell of the accumulator, wherein the two boundaries are elastically connected to each other.
  • the cells of a rechargeable battery generate waste heat during operation, which is usually absorbed by the large thermal mass of the cells themselves.
  • An active cooling is therefore usually only required at very high outside temperatures or at a very long
  • invention S can heat or cool the cells as needed and
  • cooling / heating elements can of course be used in addition to the use of the cells for the temperature control of other components in the accumulator, for example for the heating / cooling of electronic assemblies.
  • the cooling / heating elements form, as it were, "fire walls" between the individual cells, which can lead to a so-called “thermal runaway” in the event of overheating, overcharging or other improper use.
  • the entire stored in a cell chemical and electrical energy is implemented within 5 to 25 seconds. This creates locally very high temperatures of over 700 ° C, which can ignite the adjacent cells because of the high packing density of the cells.
  • the cooling / heating elements prevent heat and fire from spreading to neighboring cells that have not yet been affected by the thermal runaway.
  • Cohesion of the cooling / heating element as well as a possibility for volume change of the cooling / heating element can be achieved. It is advantageous in a fiction, contemporary cooling / heating element when the webs extend straight from the first to the second boundary, especially if they are substantially normal to the boundary surfaces. As a result, a particularly simple and cost-effective design of the webs is given.
  • the webs are configured meandering. Due to the meander shape, the webs can be easily deformed, so that the resistance to a change in volume is only slight. In addition, the meandering shape ensures that a certain minimum distance between the boundaries is maintained when compressing the cooling / heating element, as excessive
  • the nubs can be arranged on one side or two sides.
  • the rigid edge is at least as high as a cell, the thickness of the boundaries and a minimum distance between the boundaries.
  • the rigid edge also ensures that a certain minimum distance between the individual cooling / heating elements is maintained. In this way it can be ensured that the individual cooling / heating elements of a stack are compressed or expanded more or less the same. Strong local
  • Flow aperture is provided on the edge of the cooling surface, which ensures a substantially constant inflow or outflow of a cooling / heating medium, regardless of the distance between the first and second boundary.
  • a constant inflow and / or outflow also contributes to the cooling / heating power within the accumulator not varying too much.
  • Flow aperture is provided at the edge of the cooling surface, which throttles an inlet of a cooling / heating medium with increasing distance between the first and second boundary.
  • the inlet with increasing distance between the first and second
  • Flow restrictor is provided at the edge of the cooling surface, which throttles a flow of a cooling / heating medium with decreasing distance between the first and second boundary.
  • the process with increasing distance between the first and second
  • an inventive cooling / heating element if it is stackable.
  • an accumulator can be built particularly simple.
  • a cooling / heating element according to the invention has a height in the intended stacking direction which is smaller than its length and width transversely to the stacking direction.
  • these are therefore formed flat in the direction of stacking, whereby a dense, space-saving arrangement of the elements of the stack is made possible.
  • the boundaries of the cooling surfaces, which are provided for body contact to a cell are parallel to each other.
  • Limiting which is intended for body contact to a first cell of the accumulator
  • the second boundary which is provided for body contact to a second cell of the accumulator
  • the boundaries of the cooling surface are itself designed to be substantially flat. This results in stacking of the cooling / heating elements, in particular in
  • the inflows and outflows of the individual elements form an inlet and outlet, which can extend over the entire stack, without one Separate piping would be necessary.
  • the assembly of the accumulator is thus particularly simple, especially when a seal is molded directly on the cooling / heating element.
  • the seal can also be designed as a separate part. In both cases, both seals of the same material are possible from which also the cooling / heating element consists, as well as seals made of a different material.
  • the object of the invention is further achieved with a volume compensation arrangement, namely by a volume compensation arrangement for a cooling / heating medium
  • a rechargeable battery comprising a flexible housing, on which prestressed disc springs act or by a volume compensation arrangement for a cooling / heating medium of a rechargeable battery, comprising a rigid housing, in which a flexible housing is arranged, on which prestressed elastic elements, in particular disc springs act.
  • the volume of the cells of accumulators varies according to state of charge and temperature. This is usually accompanied by a change in volume of the cells adjacent to the cooling / heating elements.
  • volume compensation arrangement now allows the volume changes mentioned, since usually serves as a cooling medium, a liquid which is not compressible such as gases.
  • a liquid which is not compressible such as gases.
  • elastic elements of course, all types of springs, especially coil springs, as well as, for example, elastic plastic foams into consideration.
  • a cooling medium namely a cooling medium for a cooling / heating element according to the invention, to which an antifreeze and / or a surfactant and / or a corrosion inhibitor is added.
  • the cooling medium gets a dirt and air bubbles releasing effect.
  • dirt and air bubbles are dissolved in the cooling medium and removed from the capillaries of the cooling / heating elements.
  • This air bubbles and dirt dissolving effect also allows the inflow and outflow can be arranged in a lying built-in accumulator on the bottom. The air bubbles can then not accumulate or settle in the higher areas of the cooling elements - these are washed out at a sufficient flow rate.
  • the cooling effect thus remains uniform over the entire cooling surface.
  • the invention is achieved by a cell for a rechargeable battery, namely a cell for a rechargeable battery whose terminal lug is cranked so that it comes to rest on their terminal lug when stacked with another cell.
  • “left" and “right” cells are stacked on top of each other to obtain a desired total capacitance or voltage.
  • the terminal lugs come to lie one above the other, so that the connection of the cells can be made without further connecting wires or connecting webs.
  • the terminal lugs can therefore be soldered directly to one another, welded (for example by ultrasonic welding or ultrasound compacting) or chemically reactively connected.
  • the juxtaposition of cells, especially when connected in series, is thus particularly simple. at
  • Parallel connection of the cells may be additional (in small numbers)
  • a complex design in bimetal can usually be omitted.
  • connection lug for connecting a temperature and / or voltage sensor.
  • an accumulator namely by an accumulator, comprising a base element arranged in a stack
  • a typical battery assembly usually requires multiple series connected cells to obtain a desired output voltage. Often, 100 and more cells are needed. For example, in the prior art, 12 cells may become one module
  • an accumulator In order to realize various capacities and / or voltages of an accumulator, it is now proposed according to the invention to provide a stack of cells (for example 50 to 70 cells) with intervening cooling / heating elements.
  • the production of an accumulator is thus particularly flexible, since one does not rely on modules with 12 cells and their multiples, but can also add or omit individual cells.
  • an electronic circuit provided for monitoring the cells can also monitor smaller groups from the 50 to 70 cells
  • circuits are preferably combined in an electronic module.
  • the cells of the accumulator do not necessarily have a rigid outer housing but are partially embedded only in relatively soft plastic sheaths. For this reason, the cells usually require an external pressure, typically up to 2 bar, for proper function.
  • a fire retardant material is arranged, in particular a refractory tile, a refractory fabric or refractory paper.
  • individual cells may "burn off" due to the large size of the cell
  • a fire-retardant layer is advantageously arranged between a cell and a cooling / heating element such that the fire-retardant material forms a large proportion of the
  • Temperature gradient degrades to the surface of the cooling element. This can be a thermal Damage to a cooling / heating element adjacent to a cell affected by the thermal runaway can be prevented.
  • Control element is arranged with an electronic control module, which is provided for controlling switching and / or measuring operations in the accumulator.
  • Accumulators often include electronic circuits that serve to monitor and control the same.
  • these control modules are integrated in one or more control elements, which can be arranged, for example, within a stack of cooling / heating elements.
  • the construction of a rechargeable battery is therefore particularly simple.
  • control it is advantageous in a fiction, modern accumulator, when the control is adjacent to a cooling / heating element. In this way, the control or the control module contained therein can be cooled, which is particularly advantageous if the control module includes elements of the power electronics, sometimes very high
  • This control module can, for example, be a charger for the
  • Connections of the individual elements of the accumulator lie substantially in one plane. In this way, the wiring of the accumulator or the review of the same - for example, when the accumulator is defective - particularly simple.
  • Voltage potential-bridging communication link so that the sometimes high potential differences within a cell stack can not lead to impairment or even destruction of the components on the individual boards.
  • Communication can be serial from board to board but also from any board to any other board. Also conceivable is a star-shaped communication to a central control unit. Of course, hybrids are also conceivable.
  • Radio connection is provided. In this way, a voltage potential between the individual boards can be bridged particularly well. This technique can also be used independently of other features mentioned in the application, thus for each type of accumulator.
  • JP 2003323874A an arrangement in which a plurality of cells are held together by a strained band.
  • JP 2003323874A varies the length of the stack and thus the length of the strip.
  • the length of the outer band remains the same. Therefore, bands of materials with comparatively high modulus of elasticity can be used. Preferably, these bands are in terms of their thermal
  • clamping band consists of one of the materials: rubber, metal, plastic, fiber reinforced plastic.
  • rubber offers the advantage that the band can be placed around the accumulator without further measures and builds up a force there.
  • metals are not so elastic and are advantageously tensioned and fixed with a device. But they can withstand much higher forces than rubber.
  • Plastics offer a good middle ground.
  • Threaded rods which are arranged vertically (that is to say transversely to the parting plane of the individual modules) are likewise very well suited for stabilizing the stack or for internal pressures of the accumulator
  • a bridge can be provided horizontally (that is, in the direction of the separation plane of the individual modules) over the stack. An upper and a lower bridge are then in turn stretched by means of threaded rods and nuts against each other and thus hold the stack together securely.
  • Figure 1 shows a detail of a stack of single cells with intermediate cooling / heating plate
  • FIG. 2 shows a further detail of a stack of individual cells, each of which has a fold at its edge;
  • FIG. 3 shows a cooling / heating element from above
  • Figure 4 is a plan view of a cooling / heating element with inserted or molded seal
  • FIG. 5 shows a section through a stack of several individual cells with cooling / heating elements arranged therebetween;
  • FIG. 6 shows a cooling / heating element with a flow diaphragm in the inlet of a cooling surface
  • Figure 7 shows a variant of a cooling / heating element with an inlet aperture and a drain plate
  • FIG. 8 shows a stack of two identical cooling / heating elements
  • FIG. 9 shows a cooling / heating element made of sheet metal
  • FIG. 11 shows a volume compensation arrangement with a flexible container
  • FIG. 12 shows a volume compensation arrangement with a rigid container
  • FIG. 13a a basic element from below
  • FIG. 13b a basic element from above;
  • Figure 14 shows a first embodiment of a cell;
  • FIG. 15 shows a second embodiment of a cell
  • FIG. 16 shows an accumulator-separating unit
  • FIG. 18 a half-finished package accumulator in front view
  • FIG. 19 shows an accumulator management unit
  • FIG. 20 shows a fuse module with additional current sensors and high-voltage plugs
  • FIG. 21 shows a finished packet accumulator in an oblique view
  • FIG. 22 shows the upper area of a packet accumulator with fastening straps
  • FIG. 23 shows a first variant of a duct for removing hot combustion gases
  • Fig. 24 shows a second variant of a channel for the removal of hot fuel gases.
  • the cells thereof are cooled or heated to maintain an optimum operating temperature.
  • Accumulator are formed flat, their tempering can be done over the comparatively large flat areas of the battery. This can be done, for example
  • FIG. 1 shows a section of a stack 10 of individual cells 11, between each of which a cooling / heating plate 12 is arranged.
  • the cooling / heating plate 12 has boundaries 13, which are connected to each other via flexible webs 14.
  • a cooling water flow of 3 g / s was for cooling a cooling water flow of 3 g / s, which flows through an approximately 0.2 mm wide gap within the cooling / heating plate 12. This results in a pressure drop of about 7 kPa.
  • the same flow can also be used to heat the cells.
  • the entire cooling water circuit can be pressurized (e.g., inflated to approximately 2 bar). So that the pressing forces can act on the cell, the boundaries 13 of the cooling / heating plate 12 should have a freedom of movement. The boundaries 13 should therefore be connected only at the edge or have flexible webs. Since the pressing forces are transmitted directly to the cell, only very thin material thicknesses, such as e.g. 1mm plastic or 0.2mm sheet metal.
  • FIG. 2 shows a further detail of a stack 20 of single cells 21 which each have a fold 22 at its edge.
  • the space 23 between the cells 21 is used for the supply and / or removal of a cooling medium (see also FIG. 3 and FIG. 5).
  • Fig. 3 shows a cooling / heating element 30 from above.
  • the cooling / heating element 30 comprises an inlet 31, a cooling surface 32 and a drain 33. About the four side edges of the
  • Cooling surface 34, 35, 36 and 37 are different ways conceivable as the cooling medium from the inlet 31 via the cooling surface 32 to the outlet 33 can pass. Representing two variants are shown in FIG. 3. In a first variant, a cooling / heating element 30a is flowed through from the side edge 34 to the side edge 36 from left to right. In a second variant, a cooling / heating element 30b flows from bottom to top, ie from the side edge 35 to the side edge 37. Of course, many other variants are conceivable, in particular a meandering arrangement of the cooling channels. The cooling / heating elements 30, 30a, 30b can be stacked on top of each other, with the feeds 31 and outflows 33 coming through each other resulting in a continuous supply and discharge.
  • FIG. 4 shows a plan view of a cooling / heating element 40 with inserted or molded seal 41st
  • FIG. 5 shows a section AA through a stack 50 of a plurality of individual cells 51 with cooling / heating elements 53 arranged therebetween.
  • the individual cells 51 are provided with a fold 52 as in FIG.
  • the cooling / heating elements 53 have an inlet 54 and a drain 55.
  • the edge 56 of the cooling / heating element 53 is designed so high that between the cells 51 a certain minimum distance can be ensured and the cooling surfaces 58 of the cooling / heating elements 53 can not be excessively compressed.
  • the cells 51 can no longer be moved towards each other as soon as they lie with their fold 52 on the edge 56 or the inlet 54 or outlet 55.
  • spacers may themselves be integrated in a cooling surface 58.
  • the spacers can be integrated into the boundaries only on one side or on both inner sides of the cooling / heating element 53 or also, for example, by a separate
  • Component may be realized, e.g. an inserted grid or mesh or flexible bars.
  • flexible webs 14 may be designed so that a certain residual gap width is ensured even at relatively high forces acting on the cooling / heating element 53 forces and thus the webs 14 also fulfill the spacer function. In the webs 14 of FIG. 1, this is ensured because the tabs of the webs 14 come to rest on each other with excessive force and de facto can not be further compressed.
  • the two boundaries of a cooling surface can also be designed such that one is rigid and the other is flexibly suspended. This achieves a better, stable positioning of the cells 51 in the stack.
  • thermo runaway In the event of overheating, overcharging or other improper use, a so-called “thermal runaway” can occur, whereby the entire chemical and electrical energy stored in a cell 51 is converted within 5 to 25 seconds, resulting in locally very high temperatures of over 700 ° C C, because of the
  • the two adjacent cells 51 in the same module ignited.
  • these modules are composed of about 12 cells.
  • the fireball of the first passed cell 51 ignites one or more cells 51 of the neighboring modules, creates a
  • the cooling / heating elements 53 are advantageously made of sheet metal.
  • the existing water cooling when a connected to the cooling / heating elements 53 circulating pump runs, dissipate the heat energy.
  • Heat load on the cooling / heating elements 53 still keep as low as possible, between the cells 51 and the cooling / heating elements 53 a refractory
  • Flies heat-resistant, flame-retardant or refractory tissue or paper - not shown
  • This acts as an additional thermal insulation against very high temperatures and thus reduces the heat transfer from the burning cell 51 to the cooling / heating element 53 to a tolerable level.
  • the fire can be limited to this one cell 51.
  • the heat-resistant, flame-retardant or refractory layer can be dimensioned the thinner, the lower their thermal conductivity. Under normal
  • Conditions is the transferred from the cell 51 in the cooling system heat output less than 0,2kW / m2 and causes said layer, a temperature drop of about 2 ° C. In the case of a thermal runaways, a heat output of up to 20 kW / m2 may occur, causing a desired high temperature drop of around 200 ° C at this layer.
  • Cooling water next to the burning cell 51 is heated to 100 ° C - by the
  • the removal of hot combustion gases can be done via cooled with a cooling medium channels which are laterally integrated in the cooling / heating elements 53 (not shown - see also Figures 23 and 24).
  • Flow in the cooling surface As the gap in the cooling surface increases, more cooling medium flows through this gap or capillary than through tight capillaries. This leads to an undesirable uneven heat dissipation or supply. This effect can be counteracted by providing a flow restrictor with a constant, independent of the movement of the boundaries of the cooling / heating surface, cross-section. This is preferably integrated on the inlet side. 6 shows a cooling / heating element 60 with an inlet 61, a cooling surface 62 and a drain 63. Furthermore, the cooling / heating element 60 comprises a flow orifice 64 which has an opening with a cross section which is independent of the gap thickness in FIG the cooling surface 62 remains substantially constant.
  • FIG. 6 shows a cooling / heating element 60a with a reduced cross section and a cooling / heating element 60b with an expanded cross section. It can clearly be seen that the opening of the flow aperture 64 and thus the flow of the cooling medium through the cooling surface 62 remains essentially the same.
  • FIG. 7 shows a further variant of a cooling / heating element 70 with an inlet 71 of a cooling surface 72, a drain 73, an inlet aperture 74 and a drain aperture 75.
  • the gap thickness of the cooling surface 72 decreases, the inlet aperture 74 is opened further and the drain aperture 75 further closed (see cooling / heating element 70a).
  • the gap thickness of the cooling surface 72 increases, the inlet orifice 74 is narrowed and the drainage orifice 75 is widened (see cooling / heating element 70b). In this way it is achieved that in a relatively narrow gap, a relatively high pressure prevails, since the pressure reduction takes place so only at the drain plate 75. However, the high pressure now causes the gap thickness in the cooling / heating element 70 to increase.
  • the pressure is already degraded at the inlet aperture 74, so that there is a relatively low pressure in the gap itself.
  • the low pressure now causes the gap thickness in the cooling / heating element 70 to decrease.
  • FIG. 8 shows a stack 80 of two identical cooling / heating elements 81 (here embodied in plastic).
  • Each cooling / heating element 81 comprises an inlet 82, a cooling surface 83 and a drain 84.
  • each cooling / heating element also has a toothing 85, which slipping the cooling / heating elements 81 in the stack 80th prevented.
  • the gearing 85 can shear forces in each Transfer direction. It can be arranged offset one or more rows.
  • the toothing 85 is in a particularly advantageous embodimentsverrastend (insoluble or detachable) executed.
  • a cooling / heating element 81 also comprises a fastening tab 86 for a cell monitoring circuit (see also FIG. 18).
  • the attachment tabs 86 include latches for attachment and coding ribs for proper positioning of the
  • the cooling / heating elements 81 were made of plastic, wherein the wall thickness at the edge about 1.5-2 mm, at the bottom of the tub was about 0.6 mm.
  • the material is durable with 6-7 N / mm2 at -40 C to 85 ° C or durable and dense for water and / or glycol at 2 bar and a temperature of -40 C to 85 ° C.
  • the plastic for a short time and once higher
  • Fig. 9 shows an alternative cooling / heating element 90, which is made of sheet metal
  • the sheet is anti-corrosion coated.
  • Cooling medium
  • the cooling medium has a high specific heat capacity
  • frost-protected is not corrosive to the materials used, has a low
  • the Cell stack is floatingly mounted in the arrangements shown, that is virtually "floats" in the cooling medium, the cells are protected from shocks and high accelerations
  • the cooling medium has a high density or is placed under a correspondingly high pressure liquid, but of course it can also be gaseous.
  • a container for volume compensation is advantageous.
  • a container for collecting the gas bubbles contained in the cooling medium is provided. This can be two different containers or one and the same container.
  • the entire cooling system is pressurized. This can be done before each operation of the cells via a small pump, which pushes the cooling medium from a reservoir into the cooling / heating elements, or the entire system is factory-set under pressure after assembly. So that the pressure with temperature fluctuations or
  • the volume expansion tank is advantageous under mechanical pressure, which is preferably realized by means of disc springs.
  • Disc springs allow a suitable choice of the spring characteristic, which generates an approximately constant force over a larger stroke.
  • Fig. 10 shows spring characteristics 100 different disc springs. The force F is plotted over the path s.
  • the disc springs differ by
  • FIG. 11 now shows a first variant of a volume compensation arrangement 110 consisting of a flexible container 111 and a plurality of disk springs 112, which exert a more or less constant force on the container 111.
  • a volume compensation arrangement 110 consisting of a flexible container 111 and a plurality of disk springs 112, which exert a more or less constant force on the container 111.
  • an opening 113 In the front region of the container 111 there is an opening 113, via which the container 111 to the cooling circuit
  • FIG. 12 shows a second variant of a volume compensation arrangement 120, consisting of a rigid container 121 with an opening 122 for connection to the cooling circuit.
  • a flexible container 123 is arranged, which exerts a pressure on the liquid contained in the container 121 via disc springs 124. It is also conceivable, of course, instead of the flexible container 123 to provide a piston on which the disc springs 124 act.
  • the volume expansion tank with a
  • the container is pressure-resistant for a nominal pressure of approx. 2 bar.
  • the disc springs can be made of metal or plastic.
  • the flexible container 123 was finally made with a diameter of 63 mm and a length of 150 mm and is made of sheet metal.
  • Figures 13a and 13b show a base member 130 from below (Figure 13a) and from above ( Figure 13b).
  • the surface visible in FIG. 13a is located on the outside and the rib structure visible in FIG. 13b on the inside.
  • the base member 130 having a surface externally curved for proper distribution of force is used to construct the (package) accumulator.
  • the surface is curved in such a way that later used clamping bands for the assembly cause a uniform force distribution on the base. So that the tensioning strap can be tensioned and tensioning locks can be accommodated to connect the ends of the tensioning strap, the surface in the middle is concavely arched. Here too, an even force is applied to the surface.
  • the surface is curved in the illustrated embodiment only in one direction.
  • the surface may also be curved in both directions, resulting in a 3D curvature. From the surface, the forces are guided by ribs positioned directly above the straps to the lowest cooling / heating element. In order that the force distribution to the surface of the lowermost cooling / heating element is uniform, an additional, intermediate rigid plate is advantageous.
  • the cover element is constructed the same or substantially the same as the base element 130.
  • Connections of the cells 14 shows a first embodiment of a cell 140 with a positive terminal 141 and a negative terminal 142, via which the electrical power is supplied and removed.
  • branches 143 are provided, via which an electronic circuit for monitoring the cell 140 can be connected.
  • the branches 143 may be designed as planar contacts for a later conductive bond or as plug pins.
  • the terminals 141 and 142 are bent or cranked.
  • the positive terminal 141 is here in Fig. 14 upward, the negative terminal 142 bent downwards.
  • FIG. 15 shows a cell 150, which is designed in mirror image to the cell 140 of FIG. 14.
  • the cell 150 analogously comprises a positive terminal 151 and a negative terminal 152, via which the electrical power is supplied and removed.
  • the positive terminal 151 is up, the negative terminal 152 is bent down.
  • the negative terminal 152 is bent down.
  • the branches 143 and 153 are arranged both at the positive terminals 141 and 151 and at the negative terminals 142 and 152. In the assembled state, that is, after stacking the cells 140 and 150, twice as many branches 143 and 153 are thus present as would actually be required. In an alternative embodiment, the branches 143 and 153 are therefore arranged only at the positive terminals 141 and 151 or only at the negative terminals 142 and 152 (applies to series connection of the cells 140 and 150).
  • connection of the cells 140 and 150 can now take place without further elements, for example by welding, in particular ultrasonic welding or ultrasonic compacting, or by chemically reactive bonding.
  • the cells 140 and 150 are provided for series connection.
  • other bending variants would be provided.
  • the parallel connection of several modules i.e., multiple series connected cells 140 and 150) can also be done over longer connections or by means of separate ones
  • Bridge plates e.g., aluminum or copper are made.
  • a cooling / heating element 81 from FIG. 8 a cell 140 from FIG. 14, another cooling / heating element 81 and are alternately formed a cell 150 of Fig. 15 is stacked.
  • this sequence of cooling / heating element 81, cell 140, cooling / heating element 81 and cell 150 can be repeated as often as desired.
  • the stack obtained is stable without further measures by the teeth on the edge of the cooling / heating element 81 (see also Fig. 17). In experiments, stacks of about 1 m in height could be built easily.
  • groups of cooling / heating elements 81 (and cells 140, 150) can also be glued together, in particular adhesively bonded.
  • such modules are in an upstream
  • Fig. 16 shows an accumulator-separating unit 160. The figures clearly show
  • the electrical function of the accumulator-separation unit 160 is known per se.
  • the battery disconnect unit 160 is designed to electrically isolate the high voltage circuit from the vehicle or other devices connected thereto by means of relays.
  • the accumulator-separation unit 160 comprises a pre-charge circuit, which establishes an ohmic connection between the accumulator and the vehicle before the actual switching of the relays in order to be able to compensate for potential differences.
  • the battery separator unit 160 includes current sensors and voltage sensors for
  • Fig. 17 shows a half-finished onnetrachkumulator 170, consisting of the previously obtained stack 171 and an attached accumulator-separating unit 172. Good to see is also the teeth 173 of the individual cooling / heating elements and the connected
  • the accumulator-separating unit 172 also has a cooling passage 175 so that the cooling medium can flow into the accumulator-separation unit 172 from the cooling / heating element disposed below the accumulator-disconnecting unit 172 (in FIG better imaginable half the axes of the cooling channels drawn).
  • the accumulator-separating unit 172 also has Reinforcing ribs 176 in order to forward the sometimes high forces within the stack can. All electrical connections (both high voltage and low voltage) are advantageously arranged in a connecting plane 177, whereby a particularly simple electrical connection technology can be applied.
  • Fig. 18 shows a half-finished onnectavereaukumulator 180, consisting of stacked cooling / heating elements 181, an accumulator-separating unit 182 placed thereon and other cooling / heating elements 181.
  • An area 183 indicates where later
  • Cell monitoring unit is arranged.
  • the cell monitoring unit is positioned directly between cell terminals. This area is bordered by webs of the cooling / heating element. These webs, provided with suitable detents, form the holder of the cell monitoring unit and advantageously contain elements which enable coding or secure positioning of the cell monitoring unit over the lateral cell
  • Cell branches allowed. These cell branches are designed for conductive splices or directly for plugging. Any sticking of the cell monitoring unit to the cell branches may be due to large vias in the board
  • Temperature measurement can be positioned directly on the board of the cell monitoring unit, but in the vicinity of the cell branches. Thus, a part of the low-voltage wiring including the plug to the cells, as they are required in conventional systems omitted. Due to the small distance between the individual cell monitoring units to each other, an arrangement of several cell monitoring units on a single (here elongated) board is conceivable. The maximum length is limited in itself only by the thermal expansion properties of the cooling / heating element and the boards or the maximum producible board lengths.
  • the purpose of the cell monitoring unit is to measure the voltage and / or temperatures of the cells, to allow the cells to be balanced, and to ensure communication between different cell monitoring units.
  • the cell monitoring units can optically or be connected via radio. In both cases the communication can be done serially from cell monitoring unit to cell monitoring unit but also from each one
  • Fig. 19 shows an accumulator management unit 190 (shown here with the housing open).
  • the accumulator management unit 190 is essentially for this
  • the accumulator management unit 190 for this purpose comprises two processors, which control, for example, measuring processes, trigger relays for disconnecting the battery from the consumer, etc.
  • the accumulator management unit 190 (shown here without covering the electronics) forms the upper end element of the package battery and, like the basic element, has a curved top.
  • the surface is curved in such a way that later used clamping bands for the assembly cause a uniform force distribution on the base. So that the tensioning strap can be tensioned and tensioning locks can be used to connect the ends of the tensioning strap, the surface is concave in the middle. Here too, an even force is applied to the surface.
  • the surface is curved in the illustrated embodiment only in one direction. In another
  • the surface may also be curved in both directions, so that there is a 3D curvature. From the surface, the forces of ribs positioned directly below the tension bands are guided to the element below the accumulator management unit 190. In order for the force distribution to this element is uniform, an additional, intermediate rigid plate is advantageous.
  • the element underlying the accumulator-management unit 190 is a cooling / heating element (eg as known from FIG. 8). Via webs or ribs in the housing of the accumulator administration unit 190, an electronic circuit of the same or its circuit board is pressed against the cooling / heating element, so that an optimal heat transfer can take place.
  • the accumulator manager s unit 190 may include power circuits as well.
  • the external connection of the accumulator management unit 190 may be via a Plug strip done, which are advantageous in the same plane as other contacts of the accumulator (namely in the connection plane 177 of FIG. 17).
  • the connector strip of the accumulator management unit 190 is used directly for the low-voltage connection of the packet accumulator and has for this purpose at least one connector chamber (not shown) which lies in said plane in order to enable the internal low-voltage connections.
  • the accumulator management unit 190 is advantageously located on the top side of the packet accumulator, as shown in FIG. 19, it can of course also be embodied as a module located inside the packet accumulator.
  • Fig. 20 shows a fuse module 200 (shown here without the associated electronics), which additionally includes current sensors and high-voltage connector.
  • a fuse module 200 shown here without the associated electronics
  • an identical security module 200 is advantageously installed in each of the individual packet accumulators in order to be able to protect each packet accumulator separately in the event of a short circuit.
  • the current sensor can also be accommodated in another module (in particular in the accumulator-separating unit shown in FIG. 16).
  • Fig. 21 now shows a finished onneakkumulator 210, consisting of a
  • Basic element 211 a plurality of cooling / heating elements 212 with internal cells (not shown), an accumulator-separation unit 213, another cooling / heating element 214, a fuse module 215, additionally comprising current sensors and high-voltage connector, another cooling / Heating element 216 and a Akkumulator- management unit 217.
  • the entire assembly is held together by tension bands 218 (here by 4 clamping bands 218).
  • tension bands 218 here by 4 clamping bands 218).
  • the clamping bands 218 are used for clamping, the clamping bands 218
  • the straps can be made of rubber, steel, plastic or fiber-reinforced plastic.
  • the choice of material is dependent on the forces to be transmitted and on the thermal expansion properties of the tapes and the module composite, that is, the tension tapes 218 should have a tensile elongation performance be coordinated with the module network.
  • the tension straps 218 transmit the pressing forces of the cells from the base member 211 to the upper end plate (here in the form of the accumulator management unit 217).
  • forces are transmitted which act on the toothed edges of the cooling / heating element 212, 214 and 216 and give the only mated module composite a bias or the required stability.
  • the outer edges of the individual components form a strong, preloaded, solid housing for the accumulator.
  • the boundaries or walls of the cooling surfaces of the cooling / heating elements 212, 214 and 216 form an inner stiffening of the housing.
  • usual numbers of approximately 50 cells for a onneakkumulator 210 resulting in 100 walls (2 per cell) across the accumulator 210 so that an extremely stiff but still lightweight housing is created, similar to a stiffened by bulkheads or ribs ship or aircraft fuselage.
  • the straps 218 may be recessed into the surface at the periphery of the housing for protection (recess in the surface of the module assembly). For better representability, a cover on the front of the
  • the length of the tension bands 218 can be changed very easily, so that many different types of package accumulators 210 can be manufactured very easily from the individual components. Nevertheless, of course, other mounting options are conceivable.
  • the accumulator can be screwed.
  • threaded rods whose length can also be easily adapted to different conditions. These threaded rods are pushed through holes in the modules, for example. The attachment is then done by nuts.
  • above and below the onneakkumulators 210 bridges are provided, which have at their ends holes for said threaded rods and so hold the onneakkumulator 210 together.
  • FIG. 22 shows the upper portion of a
  • onnects 220 namely a cover 221 around which a clamping band 222 is placed with a turnbuckle 223. Between cover 221 and strap 222 are
  • Attach mounting tabs 224 which allow the attachment of the onneakkumulators 220 in, for example, a vehicle.
  • the lid 221 and / or the tabs 224 to a toothing 225, which prevent mutual slippage or at least reduce.
  • the tabs are part of the bottom or lid of the onneakkumulators 220 or attached in any other way, for example by screwing.
  • the tabs 224 may be disposed between the lid 221 and the bridges mentioned with reference to FIG. 21.
  • FIG. 23 shows a further section of a stack 230 of individual cells 231, each of which has a fold 232 at its edge, which is very similar to the stack 20 from FIG. Again, the space 233 between the cells 231 is used for the supply and / or removal of a cooling medium. In this variant, but is an additional with a
  • Cooling medium cooled channel 234 provided for the discharge of hot fuel gases.
  • FIG. 24 shows a section through a stack 240 of a plurality of individual cells 241 with cooling / heating elements 243 arranged therebetween, which is very similar to the stack 50 from FIG. 5.
  • the individual cells 241 are in turn provided with a rebate 242.
  • an additional cooled with a cooling medium channel 244 is also provided for the removal of hot combustion gases.
  • openings are provided between the end face of the rebate 242 and the channel 244 in the edge of the cooling / heating elements 243.
  • the edge of the cooling / heating elements 243 is crenellated.
  • further connecting channels 245 are provided to the cooling / heating elements 243. But this is only an example to see
  • cooling / heating elements 243 and the channel 244 are conceivable. It is also conceivable that the channels of the cooling / heating elements 243 and the channel 244 are not separated, but executed together. Finally, it is noted that the representations in the figures are sometimes not true to scale. Furthermore, the individual variants shown in the figures can also form the subject of an independent invention.

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Abstract

Es wird ein Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81, 90, 181, 212, 214, 216) für einen Akkumulator (170, 180, 210) angegeben, umfassend eine Kühlfläche (32, 58, 62, 72, 83) mit einer ersten Begrenzung (13), welche zum Körperkontakt zu einer ersten Zelle (11, 21, 51, 140, 150) des Akkumulators (170, 180, 210) vorgesehen ist, und einer zweiten Begrenzung (13), welche zum Körperkontakt zu einer zweiten Zelle (11, 21, 51, 140, 150) des Akkumulators (170, 180, 210) vorgesehen ist, wobei die beiden Begrenzungen (13) elastisch miteinander verbunden sind.

Description

Kühl-/Heizelement für einen Akkumulator
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Kühl-/Heizelement für einen Akkumulator. STAND DER TECHNIK
In der heutigen Zeit werden vermehrt elektrische und elektronische Geräte verwendet, die unabhängig von einem Stromnetz betrieben werden können. Dabei bedingen immer leistungsstärkere Geräte sowie der Wunsch nach möglichst langer Betriebszeit immer leistungsfähigere Akkumulatoren. In aller Regel sollen diese möglichst klein und leicht sein aber dennoch hohen Energieinhalt aufweisen. Um diese sich widersprechenden Forderungen, die insbesondere beim Bau von Elektrokraftf ahrzeugen zum Tragen kommen, zu erfüllen, wurden in letzter Zeit große Anstrengungen unternommen. Nichts desto trotz existiert auf dem Gebiet der Akkumulatortechnik noch Verbesserungspotential.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Akkumulator beziehungsweise ein Kühl-/Heizelement für einen Akkumulator anzugeben, insbesondere einen Akkumulator für ein Elektrokraftfahrzeug.
Die Erfindung wird durch ein Kühl-/Heizelement nach dem Patentanspruch 1 gelöst, nämlich durch ein Kühl-/Heizelement für einen Akkumulator, umfassend eine Kühlfläche mit einer ersten Begrenzung, welche zum Körperkontakt zu einer ersten Zelle des Akkumulators vorgesehen ist, und einer zweiten Begrenzung, welche zum Körperkontakt zu einer zweiten Zelle des Akkumulators vorgesehen ist, wobei die beiden Begrenzungen elastisch miteinander verbunden sind.
Die Zellen eines Akkumulators erzeugen beim Betrieb Verlustwärme, die im Regelfall über die große thermische Masse der Zellen selbst aufgefangen wird. Eine aktive Kühlung ist daher meist nur bei sehr hohen Außentemperaturen erforderlich oder bei einer sehr langen
Betriebszeit eines Akkumulators beziehungsweise wenn„Leistungszellen" wie z.B. in einem Hybridfahrzeug verwendet werden, die mehrfach innerhalb einiger Minuten aufgeladen bzw. entladen werden (die thermische Masse reicht dann sehr schnell nicht mehr aus). Hingegen ist eine Heizung schon bei mäßig tiefen Temperaturen vorteilhaft, da die chemische
Reaktionsfreude der meisten Zelltypen zum Erliegen kommt.
Darüber hinaus variiert das Volumen einer Zelle je nach Ladezustand. Erfindung s gemäß kann das Kühl-/Heizelement die Zellen je nach Bedarf heizen oder kühlen sowie
Volumsschwankungen der Zellen ausgleichen und Druckkräfte auf die Zellen ausüben. Diese Druckkräfte dienen unter anderem zur Fixierung der Zellen, welche sich in aller Regel in einem Kunststoffsack befinden. Insgesamt bilden die einzelnen Kühl-/Heizelemente im Stapel ein sehr stabiles Akkumulatorgehäuse.
Darüber hinaus können die Kühl-/Heizelemente neben der Verwendung für die Zellen natürlich auch für die Temperierung anderer Komponenten im Akkumulator verwendet werden, beispielsweise für die Heizung/Kühlung von elektronischen Baugruppen.
Schließlich bilden die Kühl-/Heizelemente gleichsam„Feuerwände" zwischen den einzelnen Zellen. Bei Überhitzung, Überladung oder sonstigem unsachgemäßem Gebrauch kann es zu einem sogenannten„Thermal Runaway" kommen. Dabei wird die gesamte in einer Zelle gespeicherte chemische und elektrische Energie innerhalb von 5 bis 25 Sekunden umgesetzt. Dadurch entstehen lokal sehr hohe Temperaturen von über 700°C, die wegen der hohen Packungsdichte der Zellen die benachbarten Zellen entzünden können. Die Kühl- /Heizelemente verhindern dabei ein Übergreifen von Hitze und Feuer auf benachbarte, noch nicht vom Thermal Runaway betroffene Zellen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren der Zeichnung.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn im Inneren des Kühl-/Heizelements im Bereich der Kühlfläche elastische Stege zur Verbindung der ersten und zweiten Begrenzung vorgesehen sind. Auf diese Weise kann sowohl ein guter
Zusammenhalt des Kühl-/Heizelements als auch eine Möglichkeit zur Volumsänderung des Kühl-/Heizelements erreicht werden. Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn die Stege geradlinig von der ersten zur zweiten Begrenzung verlaufen, insbesondere wenn sie im Wesentlichen normal auf die Begrenzungsflächen stehen. Dadurch ist eine besonders einfache und kostengünstige Ausbildung der Stege gegeben.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn die Stege
Krümmungsbereiche aufweisen, also beispielsweise eine oder mehrere Biegungen oder Schleifen pro Steg. Durch diese Krümmungsbereiche können die Stege leicht verformt werden, sodass der Widerstand gegen eine Volumsänderung nur gering ist.
Besonders vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn die Stege mäanderförmig ausgestaltet sind. Durch die Mäanderform können die Stege leicht verformt werden, sodass der Widerstand gegen eine Volumsänderung nur gering ist. Darüber hinaus bewirkt die Mäanderform, dass bei Kompression des Kühl-/Heizelements ein bestimmter Mindestabstand zwischen den Begrenzungen eingehalten wird, da bei übermäßiger
Kompression die Schenkel eines Mäanderbogens aufeinander zu liegen kommen und nicht oder nur unter erheblichem Kraftaufwand weiter zusammen gepresst werden können.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn die Stege schräg von der ersten Begrenzung zur zweiten Begrenzung verlaufen. Auch hier ist der Widerstand gegen eine Volums änderung nur gering. Desgleichen wird bei übermäßiger Kompression des Kühl-/Heizelements ebenfalls ein Mindestabstand zwischen dessen Begrenzungen
eingehalten, der in diesem Fall in etwa der Dicke des Stegs entspricht.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn Abstandsnoppen im Bereich der Kühlfläche vorgesehen sind, insbesondere ohne die erste Begrenzungsfläche mit der zweiten zu verbinden. Auf diese Weise kann ebenfalls ein Mindestabstand zwischen den Begrenzungen des Kühl-/Heizelements eingehalten werden, insbesondere wenn auf elastische Stege der einfacheren Herstellbarkeit halber verzichtet wird. Die Noppen können dabei einseitig oder zweiseitig angeordnet werden.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn ein starrer Rand vorgesehen ist, welcher elastisch mit den Begrenzungen des Kühl-/Heizelements verbunden ist. Der starre Rand ermöglicht eine gute Stapelbarkeit der Kühl-/Heizelemente. Weiterhin kann er Zulauf- und Ablaufkanäle für das Kühlmedium aufnehmen. Schließlich gewährleistet der starre Rand während der Montage des Akkumulators die sichere Positionierung der Zellen. Ist der Akkumulator fertiggestellt, so bilden die Kühl-/Heizelemente im Verbund ein Gehäuse für alle Zellen und fixieren jede Zelle für sich.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn der starre Rand mindestens so hoch ist wie eine Zelle, die Dicke der Begrenzungen und ein Mindestabstand zwischen den Begrenzungen. In diesem Fall gewährleistet der starre Rand auch, dass ein gewisser Mindestabstand zwischen den einzelnen Kühl-/Heizelementen eingehalten wird. Auf diese Weise kann gesichert werden, dass die einzelnen Kühl-/Heizelemente eines Stapels mehr oder minder gleich zusammengedrückt oder aufgeweitet werden. Starke lokale
Unterschiede in der Kühl-/Heizleistung können somit vermieden werden.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn eine
Strömungsblende am Rand der Kühlfläche vorgesehen ist, welche einen im Wesentlichen konstanten Zu- oder Ablauf eines Kühl-/Heizmediums unabhängig vom Abstand zwischen erster und zweiter Begrenzung gewährleistet. Ein konstanter Zu- und/oder Ablauf trägt ebenfalls dazu bei, dass die Kühl-/Heizleistung innerhalb des Akkumulators nicht zu stark variiert.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn eine
Strömungsblende am Rand der Kühlfläche vorgesehen ist, welche einen Zulauf eines Kühl- /Heizmediums bei steigendem Abstand zwischen erster und zweiter Begrenzung drosselt. Bei dieser Variante wird der Zulauf bei steigendem Abstand zwischen erster und zweiter
Begrenzung gedrosselt und bei sinkendem Abstand erhöht. Auf diese Weise wird der Druck in der Kühlfläche dahingehend geregelt, dass sinkender Druck einer weiteren Vergrößerung des Abstands zwischen den Begrenzungen entgegenwirkt und umgekehrt.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn eine
Strömungsblende am Rand der Kühlfläche vorgesehen ist, welche einen Ablauf eines Kühl- /Heizmediums bei sinkendem Abstand zwischen erster und zweiter Begrenzung drosselt. Bei dieser Variante wird der Ablauf bei steigendem Abstand zwischen erster und zweiter
Begrenzung erhöht und bei sinkendem Abstand gedrosselt. Auf diese Weise wird der Druck in der Kühlfläche dahingehend geregelt, dass sinkender Druck einer weiteren Vergrößerung des Abstands zwischen den Begrenzungen entgegenwirkt und umgekehrt. Selbstverständlich ist diese Variante auch mit der oben genannten Variante eines geregelten Zulaufs kombinierbar.
Vorteilhaft ist ein erfindungsgemäßes Kühl-/Heizelement, wenn es stapelbar ist. Auf diese Weise kann ein Akkumulator besonders einfach aufgebaut werden.
Vorteilhaft ist es dabei wenn ein erfindungsgemäßes Kühl-/Heizelement eine Höhe in der vorgesehenen Stapelrichtung aufweist, die geringer ist als dessen Länge und Breite quer zur Stapelrichtung. Bei Stapelung mehrerer Kühl-/Heizelemente sind diese daher in Richtung der Stapelung flach ausgebildet, wodurch eine dichte, platzsparende Anordnung der Elemente des Stapels ermöglicht wird. Bevorzugt liegen dazu die Begrenzungen der Kühlflächen, welche zum Körperkontakt zu einer Zelle vorgesehen sind, parallel zueinander.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn die erste
Begrenzung, welche zum Körperkontakt zu einer ersten Zelle des Akkumulators vorgesehen ist, und die zweite Begrenzung, welche zum Körperkontakt zu einer zweiten Zelle des Akkumulators vorgesehen ist, dazu ausgebildet sind, in flächigen Kontakt mit Flachzellen zu treten. Die Begrenzungen der Kühlfläche sind dazu selbst im Wesentlichen flach ausgebildet. Hierdurch ergibt sich bei Stapelung der Kühl-/Heizelemente, insbesondere in
Zusammenwirkung mit ebenfalls flachen Zellen, ein guter Kontakt zwischen den Kühl- /Heizelementen und den Zelle und eine besonders dichte, platzsparende Anordnung der Elemente des Stapels.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn es eine Verzahnung an dessen zum Stapeln vorgesehenen Grenzflächen aufweist. Die Verzahnung hilft,
Schubkräfte innerhalb des Stapels, d.h. quer zum Stapel beziehungsweise zu dessen Rand, zu übertragen und diesen somit zu stabilisieren. Wenn die Verzahnung unsymmetrisch aufgebaut ist, kann diese überdies verhindern, dass die Kühl-/Heizelemente verkehrt oder verdreht gestapelt werden.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement, wenn ein Zulauf oder Ablauf vorgesehen ist, welcher in einem Stapel mit einem Zulauf oder Ablauf eines benachbarten Kühl-/Heizelements zusammenwirkt, vorzugsweise unmittelbar
zusammenwirkt. Auf diese Weise bilden die Zu- und Abläufe der einzelnen Elemente einen Zu- und Ablauf, welcher über den gesamten Stapel reichen kann, ohne dass dazu eine gesonderte Verrohrung nötig wäre. Der Zusammenbau des Akkumulators gestaltet sich somit besonders einfach, insbesondere wenn eine Dichtung direkt am Kühl-/Heizelement angespritzt ist. Die Dichtung kann aber auch als gesondertes Teil ausgeführt sein. In beiden Fällen sind sowohl Dichtungen aus demselben Material möglich, aus dem auch das Kühl- /Heizelement besteht, als auch Dichtungen aus einem anderen Material.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Kühl-/Heizelement überdies, wenn dieses zumindest einen mit einem Kühlmedium gekühlten Kanal zur Abfuhr heißer Brenngase aus einer Zelle umfasst. Bei Überhitzung, Überladung oder sonstigem unsachgemäßem Gebrauch kann es wie bereits erwähnt zu einem„Thermal Runaway" kommen. Um ein Übergreifen auf andere Zellen zu verhindern, wird vorteilhaft der mit einem Kühlmedium gekühlte Kanal zur Abfuhr heißer Brenngase vorgesehen. Um die Wärmeabfuhr zu verbessern, können auch mehrere Kanäle vorgesehen werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einer Volumenausgleichsanordnung gelöst, nämlich durch eine Volumenausgleichsanordnung für ein Kühl-/Heizmedium
(beziehungsweise für den Verbund an Kühl-/Heizelementen) eines Akkumulators, umfassend ein flexibles Gehäuse, auf welches vorgespannte Tellerfedern wirken oder durch eine Volumenausgleichsanordnung für ein Kühl-/Heizmedium eines Akkumulators, umfassend ein starres Gehäuse, in dem ein flexibles Gehäuse angeordnet ist, auf welches vorgespannte elastische Elemente, insbesondere Tellerfedern, wirken.
Wie schon erwähnt, variiert das Volumen der Zellen von Akkumulatoren je nach Ladezustand und Temperatur. Damit geht in der Regel auch eine Volumsänderung der an die Zellen angrenzenden Kühl-/Heizelemente einher. Eine erfindungs gemäße
Volumenausgleichsanordnung ermöglicht nun die genannten Volumsänderungen, da als Kühlmedium üblicherweise eine Flüssigkeit dient, welche ja nicht wie beispielsweise Gase komprimierbar ist. Als elastische Elemente kommen natürlich alle Arten von Federn, insbesondere auch Spiralfedern, sowie beispielsweise auch elastische Kunststoffschäume in Betracht.
Vorteilhaft ist es bei einer Volumenausgleichsanordnung, wenn die elastischen Elemente, insbesondere Tellerfedern, in einem Bereich betrieben werden, in dem die Kraft im
Wesentlichen unabhängig vom Federweg ist. Auf diese Weise kann ein im Wesentlichen konstanter Druck im Akkumulator unabhängig von der Ausdehnung der Zellen erreicht werden.
Weiterhin wird die Erfindung durch ein Kühlmedium gelöst, nämlich einem Kühlmedium für ein erfindungsgemäßes Kühl-/Heizelement, der ein Frostschutzmittel und/oder ein Tensid und/oder ein Korrosionsschutzmittel zugesetzt ist.
Insbesondere durch Zusatz von Tensiden bekommt das Kühlmedium eine Schmutz und Luftblasen lösende Wirkung. Dadurch werden Schmutz und Luftblasen in dem Kühlmedium gelöst und aus den Kapillaren der Kühl-/Heizelemente entfernt. Diese Luftblasen und Schmutz lösende Wirkung ermöglicht weiterhin, dass der Zu- und Abfluss bei einem liegend eingebauten Akkumulator auch auf der Unterseite angeordnet werden kann. Die Luftblasen können sich dann nicht in den höher liegenden Bereichen der Kühlelemente sammeln bzw. festsetzen - diese werden bei ausreichender Strömungsgeschwindigkeit ausgewaschen. Die Kühlwirkung bleibt damit über die gesamte Kühlfläche gleichmäßig erhalten.
Darüber hinaus wird die Erfindung durch eine Zelle für einen Akkumulator gelöst, nämlich einer Zelle für einen Akkumulator, deren Anschlussfahne derart gekröpft ist, dass sie bei Stapeln mit einer anderen Zelle auf deren Anschlussfahne zu liegen kommt.
Erfindungsgemäß werden jeweils„linke" und„rechte" Zellen übereinandergestapelt, um eine gewünschte Gesamtkapazität beziehungsweise Spannung zu erhalten. Dabei kommen die Anschlussfahnen übereinander zu liegen, so dass die Verbindung der Zellen ohne weitere Verbindungsdrähte oder Verbindungs Stege erfolgen kann. Die Anschlussfahnen können also direkt miteinander verlötet, verschweißt (z.B. durch Ultraschallschweißen beziehungsweise Ultraschallkompaktieren) oder chemisch reaktiv verbunden werden. Die Aneinanderreihung von Zellen, insbesondere bei Serienschaltung, ist somit besonders einfach. Bei
Parallelschaltung der Zellen sind gegebenenfalls (in geringer Zahl) zusätzliche
Verbindungsbügel vorzusehen. Eine aufwändige Ausführung in Bimetall kann dabei üblicherweise entfallen.
Vorteilhaft ist es bei einer Zelle, wenn diese zusätzlich eine Anschlussfahne zum Anschluss eines Temperatur- und/oder Spannungssensors umfasst. Auf diese Weise kann ein
Temperatur- und/oder Spannungssensor besonders einfach angeschlossen werden. Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung durch einen Akkumulator gelöst, nämlich durch einen Akkumulator, umfassend ein in einem Stapel angeordnetes Grundelement, ein
Deckelelement und zumindest ein erfindungsgemäßes Kühl-/Heizelement zwischen dem Grundelement und dem Deckelelement sowie zumindest eine erste und eine zweite Zelle, welche an das Kühl/- Heizelement angrenzen im Inneren des Stapels.
Ein typischer Batterieaufbau benötigt zumeist mehrere in Serie geschaltete Zellen, um eine gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten. Häufig werden 100 und mehr Zellen benötigt. Nach dem Stand der Technik können beispielsweise 12 Zellen zu einem Modul
zusammengebaut werden und anschließend 8 Module aneinandergereiht werden, um eine gewünschte Spannung zu erhalten. Für die Realisierung verschiedener Kapazitäten und/oder Spannungen eines Akkumulators wird erfindungsgemäß nun vorgeschlagen, einen Stapel von Zellen (z.B. 50 bis 70 Zellen) mit dazwischen liegenden Kühl-/Heizelementen vorzusehen. Die Herstellung eines Akkumulators wird somit besonders flexibel, da man nicht auf Module mit 12 Zellen und deren Vielfache angewiesen ist, sondern auch einzelne Zellen hinzufügen oder weglassen kann. Eine zur Überwachung der Zellen vorgesehene elektronische Schaltung kann natürlich auch kleinere Gruppen aus den 50 bis 70 Zellen überwachen, diese
Schaltungen sind aber vorzugsweise in einer elektronischen Baugruppe zusammengefasst.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn das Medium im Kühl- /Heizelement unter Druck steht. Die Zellen des Akkumulators weisen nicht notwendigerweise ein starres Außengehäuse auf sondern sind teilweise nur in relativ weichen Kunststoffhüllen eingebettet. Aus diesem Grund benötigen die Zellen für eine korrekte Funktion in der Regel einen äußeren Druck, typischerweise bis zu 2 bar.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn zwischen einer
Begrenzung eines Kühl-/Heizelements und einer Zelle ein brandhemmendes Material angeordnet ist, insbesondere ein feuerfestes Flies, ein feuerfestes Gewebe oder feuerfestes Papier. Bei einem Defekt oder einer missbräuchlichen Verwendung des Akkumulators kann es zu einem„Abbrennen" einzelner Zellen kommen, welche durch die große
Hitzeentwicklung auch die Nachbarzellen entzünden und so eine Zerstörung des gesamten Akkumulators verursachen können. Um dieser Kettenreaktion entgegenzuwirken, wird vorteilhaft eine brandhemmende Schicht zwischen einer Zelle und einem Kühl-/Heizelement derart angeordnet, dass das brandhemmende Material einen großen Anteil des
Temperaturgefälles bis zur Oberfläche des Kühlelements abbaut. Damit kann eine thermische Schädigung eines Kühl-/Heizelements, welches an eine vom Thermal Runaway betroffene Zelle angrenzt, verhindert werden.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn die Oberfläche des Grundelements und/oder Deckelelements nach außen gewölbt ist, insbesondere mit einer mittigen Einbuchtung. Auf diese Weise können Kräfte, die beispielsweise durch ein um den Akkumulator gewickeltes Spannband aufgebracht werden, besonders gut in den Akkumulator eingeleitet werden. Die Einbuchtung kann vorteilhaft dazu dienen, ein Spannschloss aufzunehmen.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn im Stapel ein
Steuerelement mit einem elektronischen Steuermodul angeordnet ist, welches zur Steuerung von Schalt- und/oder Messvorgängen im Akkumulator vorgesehen ist. Moderne
Akkumulatoren umfassen häufig elektronische Schaltungen, die der Überwachung und Steuerung desselben dienen. Erfindungsgemäß werden diese Steuermodule in einem oder mehreren Steuerelementen integriert, welche beispielsweise innerhalb eines Stapels von Kühl- /Heizelementen angeordnet werden können. Der Aufbau eines Akkumulators gestaltet sich somit besonders einfach.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn das Steuerelement an ein Kühl-/Heizelement angrenzt. Auf diese Weise kann das Steuerelement beziehungsweise das darin enthaltene Steuermodul gekühlt werden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn das Steuermodul Elemente der Leistungselektronik beinhaltet, die mitunter sehr hohe
Leistungen schalten. Dieses Steuermodul kann zum Beispiel ein Ladegerät für den
Akkumulator umfassen.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator auch, wenn als Steuerelement eine Akkumulator-Trenn-Einheit beziehungsweise Battery Disconnect Unit und/oder eine Akkumulator- Verwaltungs-Einheit beziehungsweise Battery Management Unit vorgesehen ist. Auf diese Weise können die beiden bei einem Akkumulator häufig eingesetzten Einheiten leicht in den Akkumulator integriert beziehungsweise auch gekühlt werden.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn die elektrischen
Anschlüsse der Einzelelemente des Akkumulators im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Auf diese Weise ist die Verdrahtung des Akkumulators beziehungsweise die Überprüfung derselben - beispielsweise wenn der Akkumulator defekt ist - besonders einfach.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn alle Temperatur- und/oder Spannungssensoren zur Überwachung der Zellen und/oder Schaltungsteile für das Balancing der Zellen auf einer Platine angeordnet sind. Der Aufbau der Schaltung zur Überprüfung der Zellen des Akkumulators gestaltet sich somit besonders einfach.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn Temperatur- und/oder Spannungssensoren zur Überwachung der Zellen und/oder Schaltungsteile für das Balancing der Zellen auf verschiedenen Platinen angeordnet sind und zwischen den Platinen eine potentialfreie Kommunikationsverbindung vorgesehen ist. Hier werden einzelne Platinen für die Überwachung einer Zelle oder einer Gruppe von Zellen eingesetzt, was dem modularen Aufbau des Akkumulators entgegenkommt. Zwischen den Platinen besteht eine
Spannungspotential-überbrückende Kommunikationsverbindung, sodass die mitunter hohen Potentialunterschiede innerhalb eines Zellenstapels nicht zur Beeinträchtigung oder gar Zerstörung der Bauteile auf den einzelnen Platinen führen kann. Die Kommunikation kann seriell von Platine zu Platine aber auch von jeder Platine zu jeder anderen beliebigen Platine erfolgen. Denkbar ist auch eine sternförmige Kommunikation zu einem zentralen Steuergerät. Selbstverständlich sind auch Mischformen denkbar.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator weiterhin, wenn als
potentialfreie Kommunikationsverbindung eine optische Datenverbindung oder eine
Funkverbindung vorgesehen ist. Auf diese Weise kann ein Spannungspotential zwischen den einzelnen Platinen besonders gut überbrückt werden. Diese Technik kann auch unabhängig von weiteren in der Anmeldung genannten Merkmalen, somit für jede Art von Akkumulator, genutzt werden.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator auch, wenn die elektrischen Anschlüsse der Einzelelemente des Akkumulators mit einer Zellüberwachungs-Einheit beziehungsweise einem Cell Supervisory Cuircuit verbunden sind. Auf diese Weise kann diese bei einem Akkumulator häufig eingesetzte Einheit leicht in den Akkumulator integriert werden. Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn um den Stapel ein Spannband angeordnet ist. Da der Stapel ohne weitere Maßnahmen relativ instabil ist und in der Regel innerhalb des Akkumulators kein Druck aufgebaut werden kann, wird
erfindungs gemäß ein Spannband um den Akkumulator gelegt, welches diesen zusammenhält und überdies die inneren Druckkräfte aufnimmt. Selbstverständlich können auch mehrere Spannbänder um den Akkumulator gelegt werden. Spannbänder, um Zellen eines
Akkumulators zusammenzuhalten, sind an sich bekannt. Beispielsweise offenbart die
JP 2003323874A dazu eine Anordnung bei der mehrere Zellen durch ein gespanntes Band zusammengehalten werden. Im Unterschied zur vorliegenden Erfindung variiert bei der JP 2003323874A jedoch die Länge des Stapels und damit die Länge des Bandes. Bei der vorliegenden Erfindung bleibt die Länge des außenliegenden Bandes dagegen gleich. Es können daher Bänder aus Materialien mit vergleichsweise hohem Elastizitätsmodul verwendet werden. Vorzugsweise werden diese Bänder hinsichtlich ihres thermischen
Ausdehnungskoeffizienten an die thermischen Ausdehnungseigenschaften des Stapels angepasst.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn das Spannband aus einem der Materialien: Gummi, Metall, Kunststoff, faserverstärkter Kunststoff besteht.
Beispielsweise bietet Gummi den Vorteil, dass das Band ohne weitere Maßnahmen um den Akkumulator gelegt werden kann und dort eine Kraft aufbaut. Metalle sind dagegen nicht so elastisch und werden vorteilhaft mit einer Vorrichtung gespannt und fixiert. Dafür können sie wesentlich höhere Kräfte aushalten als Gummi. Kunststoffe bieten einen guten Mittelweg an.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn das Spannband ein Spannschloss aufweist. Auf diese Weise können die Bänder gut gespannt werden,
insbesondere jene aus Materialien mit relativ hohem Elastizitätsmodul.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn Haltelaschen vorgesehen sind, welche zwischen einem Spannband und einem Grundelement oder Deckelelement eingeklemmt sind. Um den Akkumulator in einem Fahrzeug oder einem mit Energie zu versorgenden Gerät fixieren zu können, werden bei dieser Variante vorteilhaft Haltelaschen zwischen Spannband und einem Grundelement oder Deckelelement eingeklemmt. Auf diese Weise können die Laschen besonders leicht an verschiedene Positionen angeordnet werden beziehungsweise können verschiedene Haltelaschen für ansonsten baugleiche Akkumulatoren verwendet werden. Der Akkumulator kann somit besonders gut an verschiedene Einbausituationen angepasst werden.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn über den Stapel vertikal reichende Zugelemente, insbesondere Gewindestangen, vorgesehen sind, welche für den Zusammenhalt des Stapels bestimmt sind. Gewindestangen, welche vertikal (das heißt quer zur Trennebene der einzelnen Module) angeordnet sind, sind ebenfalls sehr gut geeignet, um den Stapel zu stabilisieren beziehungsweise um innere Drücke des Akkumulators
aufzunehmen. Durch einfaches Ablängen können sie noch dazu sehr einfach an verschieden hohe Stapel angepasst werden. Am unteren und am oberen Ende wird der Stapel dann mit einer Mutter zusammengespannt.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn eine horizontal über den Stapel reichende Brücke vorgesehen ist, insbesondere aus Flachmaterial, einem U-Profil oder einem Rohrprofil, welches an den Enden Elemente zur Aufnahme der Zugelemente aufweist, insbesondere Löcher zur Aufnahme einer Gewindestange. Wenn der Akkumulator keine Löcher zur Aufnahme einer Gewindestange aufweist beziehungsweise auch zur besseren Kraftverteilung kann eine Brücke horizontal (das heißt in Richtung der Trennebene der einzelnen Module) über den Stapel vorgesehen werden. Eine obere und eine untere Brücke werden dann wiederum mit Hilfe von Gewindestangen und Muttern gegeneinander gespannt und halten so den Stapel sicher zusammen.
Vorteilhaft ist es bei einem erfindungs gemäßen Akkumulator, wenn Haltelaschen vorgesehen sind, welche zwischen einer Brücke und einem Grundelement oder Deckelelement eingeklemmt sind. Auch bei dieser Variante sind Haltelaschen einsetzbar. Auf diese Weise können die Laschen wiederum leicht an verschiedene Positionen angeordnet werden beziehungsweise können verschiedene Haltelaschen für ansonsten baugleiche Akkumulatoren verwendet werden. Der Akkumulator kann somit besonders gut an verschiedene
Einbausituationen angepasst werden.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Figur 1 einen Ausschnitt aus einem Stapel von Einzelzellen mit dazwischen liegender Kühl-/Heizplatte ;
Figur 2 einen weiteren Ausschnitt aus einem Stapel von Einzelzellen, die an ihrem Rand jeweils einen Falz aufweisen;
Figur 3 ein Kühl-/Heizelement von oben;
Figur 4 eine Draufsicht auf ein Kühl-/Heizelement mit eingelegter oder angespritzter Dichtung;
Figur 5 einen Schnitt durch einen Stapel mehrerer Einzelzellen mit dazwischen angeordneten Kühl-/Heizelementen ;
Figur 6 ein Kühl-/Heizelement mit einer Strömungsblende im Zulauf einer Kühlfläche;
Figur 7 eine Variante eines Kühl-/Heizelements mit einer Zulauf blende und einer Ablaufblende;
Figur 8 einen Stapel von zwei identischen Kühl-/Heizelementen;
Figur 9 ein Kühl-/Heizelement aus Blech;
Figur 10 Federkennlinien verschiedener Tellerfedern;
Figur 11 eine Volumenausgleichsanordnung mit einem flexiblen Behälter;
Figur 12 eine Volumenausgleichsanordnung mit einem starren Behälter;
Figur 13a ein Grundelement von unten;
Figur 13b ein Grundelement von oben; Figur 14 eine erste Ausführungsform einer Zelle;
Figur 15 eine zweite Ausführungsform einer Zelle;
Figur 16 eine Akkumulator-Trenn-Einheit;
Figur 17 einen halbfertigen Paketakkumulator in Schrägansicht;
Figur 18 einen halbfertigen Paketakkumulator in Frontansicht;
Figur 19 eine Akkumulator- Verwaltungs-Einheit;
Figur 20 ein Sicherungsmodul mit zusätzlichen Stromsensoren und Hochvolt-Steckern;
Figur 21 einen fertigen Paketakkumulator in Schrägansicht;
Figur 22 den oberen Bereich eines Paketakkumulators mit Befestigungslaschen;
Fig. 23 eine erste Variante eines Kanals zur Abfuhr heißer Brenngase;
Fig. 24 eine zweite Variante eines Kanals zur Abfuhr heißer Brenngase.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Kühlung:
Für eine optimale Funktion des Akkumulators werden die Zellen desselben gekühlt oder beheizt, um eine optimale Betriebstemperatur einzuhalten. Wenn die Zellen eines
Akkumulators flächig ausgebildet sind, kann deren Temperierung über die vergleichsweise großen ebenen Flächen des Akkumulators erfolgen. Das kann beispielsweise durch
Aluminium Platten erreicht werden, welche die Wärme zum Rand der Zelle führen. Eine weitere Möglichkeit sind Platten oder Beutel, die von einem Kühlmedium durchflössen werden. Fig. 1 zeigt dazu einen Ausschnitt aus einem Stapel 10 von Einzelzellen 11, zwischen denen jeweils eine Kühl-/Heizplatte 12 angeordnet ist. Die Kühl-/Heizplatte 12 weist Begrenzungen 13 auf, die über flexible Stege 14 miteinander verbunden sind. In einer konkreten Ausführung eines solchen Stapels 10 wurde zur Kühlung ein Kühlwasserstrom von ca. 3g/s vorgesehen, der durch einen ca. 0,2 mm breiten Spalt innerhalb der Kühl- /Heizplatte 12 fließt. Dabei entsteht ein Druckabfall von ca. 7 kPa. Dieselbe Strömung kann auch zum Heizen der Zellen Verwendung finden.
Damit die Kühl-/Heizplatte 12 in wärmeleitfähiger Verbindung zu den Zellen 11 steht, kann der gesamte Kühlwasserkreislauf unter Druck gesetzt werden (z.B. auf ca. 2 bar aufgepumpt werden). Damit die Presskräfte auf die Zelle wirken können, sollten die Begrenzungen 13 der Kühl-/Heizplatte 12 eine Bewegungsfreiheit aufweisen. Die Begrenzungen 13 sollten daher nur am Rand miteinander verbunden sein oder flexible Stege aufweisen. Da die Presskräfte direkt auf die Zelle übertragen werden benötigt man für die Begrenzungen 13 oder Wände nur sehr dünne Materialstärken wie z.B. 1mm Kunststoff oder 0,2 mm Blech.
Fig. 2 zeigt einen weiteren Ausschnitt aus einem Stapel 20 von Einzelzellen 21, die an ihrem Rand jeweils einen Falz 22 aufweisen. Vorteilhaft wird der Raum 23 zwischen den Zellen 21 für die Zufuhr und/oder Abfuhr eines Kühlmediums genutzt (siehe hierzu auch Fig. 3 und Fig. 5).
Fig. 3 zeigt ein Kühl-/Heizelement 30 von oben. Das Kühl-/Heizelement 30 umfasst einen Zulauf 31, eine Kühlfläche 32 sowie einen Ablauf 33. Über die vier Seitenkanten der
Kühlfläche 34, 35, 36 und 37 sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, wie das Kühlmedium vom Zulauf 31 über die Kühlfläche 32 zum Ablauf 33 gelangen kann. Stellvertretend sind in der Fig. 3 zwei Varianten dargestellt. Bei einer ersten Variante wird ein Kühl- /Heizelement 30a von links nach rechts also von der Seitenkante 34 zur Seitenkante 36 durchflössen. Bei einer zweiten Variante wird ein Kühl-/Heizelement 30b von unten nach oben, also von der Seitenkante 35 zur Seitenkante 37 durchflössen. Selbstverständlich sind noch viele andere Varianten denkbar, insbesondere auch eine mäanderförmige Anordnung der Kühlkanäle. Die Kühl-/Heizelemente 30, 30a, 30b können übereinander gestapelt werden, wobei sich durch die übereinander zu liegen kommenden Zuflüsse 31 und Abflüsse 33 je eine durchgehende Zu- und Ableitung ergibt. Um die Dichtheit zu gewährleisten, können auch Dichtungen vorgesehen werden, die beispielsweise aus dem Material des Kühl- /Heizelements 30, 30a, 30b, einer angespritzten Dichtung oder einer eingelegten Dichtung besteht. Schließlich können die Kühl-/Heizelemente 30, 30a, 30b (gruppenweise) miteinander verklebt werden. Als konkretes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Kühl- /Heizelement 40 mit eingelegter oder angespritzter Dichtung 41. Fig. 5 zeigt einen Schnitt AA durch einen Stapel 50 mehrerer Einzelzellen 51 mit dazwischen angeordneten Kühl-/Heizelementen 53. Die Einzelzellen 51 sind wie in Fig. 1 mit einem Falz 52 versehen. Die Kühl-/Heizelemente 53 weisen einen Zulauf 54 und einen Ablauf 55 auf. In einer Variante der Erfindung ist der Rand 56 des Kühl-/Heizelement 53 so hoch ausgeführt, dass zwischen den Zellen 51 ein bestimmter Mindestabstand sichergestellt werden kann und die Kühlflächen 58 der Kühl-/Heizelemente 53 nicht übermäßig zusammengedrückt werden können.
Die Zellen 51 können nämlich nicht mehr weiter aufeinander zubewegt werden, sobald sie mit ihrem Falz 52 auf dem Rand 56 beziehungsweise dem Zulauf 54 oder Ablauf 55 anliegen.
Aus der Fig. 5 wird auch deutlich, wie der zwischen den Zellen 51 verbleibende Raum 57 durch die Zuläufe 54 und Abläufe 55 genützt werden kann. Alternativ oder zusätzlich können Abstandshalter in einer Kühlfläche 58 selbst integriert sein. Die Abstandshalter können dabei in die Begrenzungen nur auf einer Seite oder auf beiden Innenseiten des Kühl- /Heizelements 53 integriert sein oder aber auch beispielsweise durch ein gesondertes
Bauteil (nicht dargestellt) realisiert sein, z.B. ein eingelegtes Gitter oder Geflecht oder flexible Stege. Auch die zu Fig. 1 erwähnten flexiblen Stege 14 können so gestaltet sein, dass eine bestimmte Restspaltbreite auch bei relativ hohen auf das Kühl-/Heizelement 53 wirkenden Kräften gewährleistet wird und die Stege 14 somit auch die Abstandshalter-Funktion erfüllen. Bei den Stegen 14 aus Fig. 1 ist dies gewährleistet, da die Laschen der Stege 14 bei übermäßiger Krafteinwirkung aufeinander zu liegen kommen und de facto nicht mehr weiter zusammengedrückt werden können. Die beiden Begrenzungen einer Kühlfläche können schließlich auch so ausgebildet sein, dass eine starr ausgeführt ist und die andere flexibel aufgehängt ist. Damit wird eine bessere, stabile Positionierung der Zellen 51 im Stapel erreicht.
Feuerfeste Isolation:
Bei Überhitzung, Überladung oder sonstigem unsachgemäßem Gebrauch kann es zu einem sogenannten„Thermal Runaway" kommen. Dabei wird die gesamte in einer Zelle 51 gespeicherte chemische und elektrische Energie innerhalb von 5 bis 25 Sekunden umgesetzt. Dadurch entstehen lokal sehr hohe Temperaturen von über 700°C, die wegen der
gewünschten hohen Packungsdichte der Zellen 51 die beiden benachbarten Zellen 51 im selben Modul (häufig sind diese Module aus ca. 12 Zellen aufgebaut) entzündet. Sind mehrere Module derart nebeneinander angeordnet, dass der Feuerball der ersten durchgegangenen Zelle 51 eine oder mehrere Zellen 51 der Nachbarmodule entzündet, entsteht eine
Kettenreaktion.
Im Fall eines Thermal Runaways sollte die Ausbreitung des Brandherdes auf benachbarte Zellen 51 im Zellenstapel 50 oder auch auf benachbarte Zellstapel nach Möglichkeit unterbunden werden. Dazu werden die Kühl-/Heizelemente 53 vorteilhaft aus Metallblech hergestellt. Die vorhandene Wasserkühlung kann, wenn eine an die Kühl-/Heizelemente 53 angeschlossene Umlaufpumpe läuft, die anfallende Wärmeenergie abführen. Um die
Wärmebelastung auf die Kühl-/Heizelemente 53 dennoch möglichst gering zu halten, kann zwischen den Zellen 51 und den Kühl-/Heizelementen 53 ein feuerfestes
Flies (hitzebeständiges, flammhemmendes oder feuerfestes Gewebe beziehungsweise Papier - nicht dargestellt) eingelegt sein. Dieses fungiert als zusätzliche thermische Isolation gegen sehr hohe Temperaturen und reduziert damit die Wärmeübertragung von der brennenden Zelle 51 zum Kühl-/Heizelement 53 auf ein erträgliches Maß. So kann der Brand auf diese eine Zelle 51 beschränkt werden. Im Normalbetrieb ergibt sich wegen der im Vergleich zum Thermal Runaway nur sehr geringen thermischen Leistung (nur ca. 1 % vom Thermal Runaway) keine oder keine wesentliche Einschränkung der Wärmeübertragung von der Zelle 51 zum Kühl-/Heizelement 53.
Die hitzebeständige, flammhemmende oder feuerfeste Schicht kann dabei umso dünner dimensioniert werden, je geringer deren thermische Leitfähigkeit ist. Unter normalen
Bedingungen ist die von der Zelle 51 in das Kühlsystem übertragene Wärmeleistung kleiner 0,2kW/m2 und verursacht an der besagten Schicht einen Temperaturabfall von ca. 2°C. Im Fall eines thermal Runaways kann eine Wärmeleistung bis 20 kW/m2 auftreten die an dieser Schicht einen erwünschten hohen Temperaturabfall von ca. 200°C verursacht. Das
Kühlwasser neben der brennenden Zelle 51 wird dabei auf 100°C erhitzt - durch den
Kühlkreislauf wird diese Energie dann gleichmäßig auf die gesamte Masse der Batterie verteilt ohne dass dabei kritische Temperaturwerte erreicht werden.
Die Abfuhr der heißen Brenngase kann über mit einem Kühlmedium gekühlte Kanäle erfolgen die seitlich in den Kühl-/Heizelementen 53 integriert sind (nicht dargestellt - siehe auch die Figuren 23 und 24).
Strömung in der Kühlfläche: Wenn sich der Spalt in der Kühlfläche vergrößert, so fliest mehr Kühlmedium durch diesen Spalt oder diese Kapillare als durch eng gebliebene Kapillaren. Dies führt zu einer an sich unerwünschten ungleichmäßigen Wärmeab- oder -zufuhr. Diesem Effekt kann man entgegensteuern indem man eine Strömungsblende mit gleichbleibendem, von der Bewegung der Begrenzungen der Kühl-/Heizfläche unabhängigem, Querschnitt vorsieht. Diese wird vorzugsweise auf der Zulaufseite integriert. Fig. 6 zeigt dazu ein Kühl-/Heizelement 60 mit einem Zulauf 61, einer Kühlfläche 62 und einem Ablauf 63. Weiterhin umfasst das Kühl- /Heizelement 60 eine Strömungsblende 64, welche eine Öffnung mit einem Querschnitt aufweist, der unabhängig von der Spaltdicke in der Kühlfläche 62 im Wesentlichen konstant bleibt. Fig. 6 zeigt hierzu ein Kühl-/Heizelement 60a mit reduziertem Querschnitt und ein Kühl-/Heizelement 60b mit erweitertem Querschnitt. Deutlich zu sehen ist, dass die Öffnung der Strömungsblende 64 und damit der Durchfluss des Kühlmediums durch die Kühlfläche 62 im Wesentlichen gleich bleibt.
Fig. 7 zeigt eine weitere Variante eines Kühl-/Heizelements 70 mit einem Zulauf 71 einer Kühlfläche 72, einem Ablauf 73, einer Zulaufblende 74 und einer Ablaufblende 75. Wenn sich die Spaltdicke der Kühlfläche 72 verringert, dann wird die Zulaufblende 74 weiter geöffnet und die Ablaufblende 75 weiter geschlossen (siehe dazu Kühl-/Heizelement 70a). Wenn sich die Spaltdicke der Kühlfläche 72 vergrößert, dann wird die Zulaufblende 74 verengt und die Ablaufblende 75 aufgeweitet (siehe hierzu Kühl-/Heizelement 70b). Auf diese Weise wird erreicht, dass in einem relativ engen Spalt ein relativ hoher Druck herrscht, da der Druckabbau ja erst bei der Ablaufblende 75 erfolgt. Der hohe Druck bewirkt nun aber, dass sich die Spaltdicke im Kühl-/Heizelement 70 vergrößert. Bei einem relativ weiten Spalt wird der Druck jedoch bereits bei der Zulauf blende 74 abgebaut, sodass im Spalt selbst ein relativ niedriger Druck herrscht. Der niedrige Druck bewirkt nun, dass sich die Spaltdicke im Kühl-/Heizelement 70 verringert. Es entsteht gewissermaßen eine hydraulische Regelung der Spaltdicken der einzelnen, in einem Zellenstapel angeordneten Kühl-/Heizelemente 70.
Verzahnung:
Fig. 8 zeigt einen Stapel 80 von zwei identischen Kühl-/Heizelementen 81 (hier in Kunststoff ausgeführt). Jedes Kühl-/Heizelement 81 umfasst einen Zulauf 82, eine Kühlfläche 83 und einen Ablauf 84. Für einen besseren Zusammenhalt des Stapels 80 weist jedes Kühl- /Heizelement auch eine Verzahnung 85 auf, die ein Verrutschen der Kühl-/Heizelemente 81 im Stapel 80 verhindert. Vorzugsweise kann die Verzahnung 85 Schubkräfte in jeder Richtung übertragen. Sie kann ein- oder mehrreihig versetzt angeordnet sein. Weiterhin ist die Verzahnung 85 in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform selbstverrastend (unlösbar oder wieder lösbar) ausgeführt. Dies vereinfacht die Montage, insbesondere wenn die einzelnen Kühl-/Heizelement miteinander verklebt werden, da so ein Gegeneinanderpressen der Teile bis zum Aushärten des Klebstoffs durch eine gesonderte Einrichtung entfallen kann. Die Verrastung kann z.B. trapezförmig ausgeführt sein. Bevorzugt ist die Verzahnung 85 mäanderförmig ausgeführt, um Kerbwirkungen zu vermeiden. In der Fig. 8 ist jeweils nur eine Zahnflanke je Seite ausgeführt. Vorteilhaft sind aber je Seite viele Zahnflanken ausgeführt. Beispielsweise sind die Zähne 2-5 mm breit. Schließlich umfasst eine Kühl- /Heizelement 81 auch eine Befestigungslasche 86 für einen Zellenüberwachungsschaltung auf (siehe hierzu auch Fig. 18). Vorteilhaft umfassen die Befestigungslaschen 86 Rasten zur Befestigung und Kodierungsrippen zur korrekten Positionierung der
Zellenüberwachungs Schaltungen entlang der Kühl -/Heizelemente 81 auf.
In einer konkreten Ausführungsform wurden die Kühl-/Heizelemente 81 aus Kunststoff hergestellt, wobei die Wandstärke am Rand etwa 1,5-2 mm, am Wannenboden etwa 0,6 mm betrug. Das Material ist Dauerfest mit 6-7 N/mm2 bei -40 C bis 85 °C beziehungsweise dauerfest und dicht für Wasser und/oder Glykol bei 2 bar und einer Temperatur von -40 C bis 85 °C. Vorteilhaft sollte der Kunststoff kurzzeitig und einmalig auch höheren
Temperaturen von über 200°C widerstehen.
Fig. 9 zeigt ein alternatives Kühl-/Heizelement 90, welches aus Blech
hergestellt (tiefgezogen) ist. Zum Stapeln der einzelnen Kühl-/Heizelemente 90 umfasst dieses auch eine Dichtung 91. In einer konkreten Ausführungsform wurde der obere Bereich aus 0,6 mm, der Wannenbereich aus 0,2 mm starkem Material hergestellt. Bevorzugt ist das Blech antikorrosionsbeschichtet.
Kühlmedium:
Vorteilhaft weist das Kühlmedium eine hohe spezifische Wärmekapazität auf, ist
frostgeschützt, ist für die eingesetzten Materialien nicht korrosiv, weist eine geringe
Oberflächenspannung auf und ist schmutzlösend (unter Schmutz sind in diesem
Zusammenhang auch gelöste Gase oder Gasblasen zu verstehen). Diese Eigenschaften können auch durch Zusatz von geeigneten Stoffen (z.B. Frostschutzmittel, Tensid,
Antikorrosionsmittel, etc.) zu einer oder mehreren Grundsubstanzen erreicht werden. Da der Zellstapel in den gezeigten Anordnungen schwimmend gelagert ist, das heißt quasi in dem Kühlmedium„schwimmt", sind die Zellen vor Erschütterungen und hohen Beschleunigungen geschützt. Bevorzugt weist das Kühlmedium dazu eine hohe Dichte auf beziehungsweise wird unter entsprechend hohen Druck gesetzt. Das Kühlmedium ist vorteilhaft flüssig, kann natürlich aber auch gasförmig sein.
Volumenaus gleich :
Da die Dicke einer Zelle Toleranzen aufweist und sich diese beim Laden oder Entladen noch dazu periodisch ändert, ist ein Behälter für den Volumenausgleich vorteilhaft. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn auch ein Behälter zum Auffangen der in dem Kühlmedium enthaltenen Gasblasen vorgesehen ist. Das können zwei verschiedene Behälter oder ein und derselbe Behälter sein. Damit die Zellen unter einem gleichmäßigen Druck stehen , wird das gesamte Kühlsystem unter Druck gesetzt. Dieser kann vor jedem Betrieb der Zellen über eine kleine Pumpe erfolgen, welche das Kühlmedium aus einem Vorratsbehälter in die Kühl- /Heizelemente drückt, oder das gesamte System wird nach dem Zusammenbau fabrikmäßig unter Druck gesetzt. Damit sich der Druck bei Temperaturschwankungen oder
Ladung sänderung der Zellen (dadurch ändert sich ja die Dicke der Zellen) möglichst nicht ändert, steht der Volumenausgleichsbehälter vorteilhaft unter mechanischem Druck, der vorzugsweise mit Hilfe von Tellerfedern realisiert wird. Tellerfedern lassen eine geeignete Wahl der Federkennlinie zu, die über einen größeren Hub eine annähernd konstante Kraft erzeugt. Fig. 10 zeigt dazu Federkennlinien 100 verschiedener Tellerfedern. Dabei ist die Kraft F über dem Weg s aufgetragen. Die Tellerfedern unterscheiden sich durch
unterschiedliche Verhältnisse von Materialdicke zur Höhe der Tellerfeder. Durch geeignete Wahl kann nun eine über einen längeren Weg s nahezu konstante Kraft F erreicht werden. Im rechten unteren Diagramm ist dazu ein vorteilhafter Kennlinienbereich 101 eingezeichnet, welcher von etwa 25% bis 90% des Federweges s reicht.
Fig. 11 zeigt nun eine erste Variante einer Volumenausgleichsanordnung 110 bestehend aus einem flexiblen Behälter 111 und mehreren Tellerfedern 112, welche eine mehr oder minder konstante Kraft auf den Behälter 111 ausüben. Im vorderen Bereich des Behälters 111 befindet sich eine Öffnung 113, über den der Behälter 111 an den Kühlkreislauf
angeschlossen werden kann. Fig. 12 zeigt eine zweite Variante einer Volumenausgleichsanordnung 120, bestehend aus einem starren Behälter 121 mit einer Öffnung 122 zum Anschluss an den Kühlkreislauf. Im Behälter 121 ist ein flexibler Behälter 123 angeordnet, der über Tellerfedern 124 einen Druck auf die im Behälter 121 enthaltene Flüssigkeit ausübt. Denkbar ist natürlich auch, anstelle des flexiblen Behälters 123 einen Kolben vorzusehen, auf den die Tellerfedern 124 wirken. In einer konkreten Ausführungsform wurde der Volumenausgleichsbehälter mit einem
Durchmesser von 65 mm und einer Länge von 220 mm ausgeführt, womit sich ein Volumen von etwa 730 cm ergibt. Der Behälter ist druckfest für einen Nenndruck von ca. 2 bar. Für die Druckerzeugung wurden ca. 100 Stück Tellerfedern mit einem Durchmesser von 25 mm, einer Höhe von 1,4 mm und einer Materialstärke von 1 mm vorgesehen. Die Tellerfedern können aus Metall oder Kunststoff bestehen. Der flexible Behälter 123 wurde schließlich mit einem Durchmesser von 63 mm und einer Länge von 150 mm ausgeführt und besteht aus Blech.
Grundelement:
Die Figuren 13a und 13b zeigen ein Grundelement 130 von unten (Fig. 13a) und von oben (Fig. 13b). Im zusammengebauten Zustand befindet sich die in Fig. 13a sichtbare Fläche außen und die in Fig. 13b sichtbare Rippenstruktur innen. Das Grundelement 130, das außen eine Oberfläche aufweist, die zur geeigneten Kraftverteilung gewölbt ist, wird zum Aufbau des (Paket) Akkumulators verwendet. Vorteilhaft ist die Oberfläche derart gewölbt, dass für den Zusammenbau später verwendete Spannbänder eine auf die Grundfläche gleichmäßige Kraftverteilung bewirken. Damit das Spannband gespannt werden kann und Spannschlösser zur Verbindung der Enden des Spannbands Platz finden, ist die Oberfläche in der Mitte konkav gewölbt. Auch dabei erfolgt eine auf die Fläche gleichmäßige Krafteinleitung. Die Oberfläche ist in der dargestellten Ausführungsform nur in einer Richtung gewölbt. In einer weiteren Ausführungsform kann die Oberfläche aber auch in beide Richtungen gewölbt sein, sodass sich eine 3D- Wölbung ergibt. Von der Oberfläche werden die Kräfte von direkt über den Spannbändern positionierten Rippen zum untersten Kühl-/Heizelement geführt. Damit die Kraftverteilung auf die Oberfläche des untersten Kühl-/Heizelements gleichmäßig erfolgt, ist eine zusätzliche, dazwischen liegende steife Platte vorteilhaft. In einer Variante wird das Deckelement gleich oder im Wesentlichen gleich wie das Grundelement 130 aufgebaut.
Anschlüsse der Zellen: Fig. 14 zeigt eine erste Ausführungsform einer Zelle 140 mit einem positiven Anschluss 141 und einem negativen Anschluss 142, über welche die elektrische Leistung zu- und abgeführt wird. Zusätzlich sind Abzweigungen 143 vorhanden, über die eine elektronische Schaltung zur Überwachung der Zelle 140 angeschlossen werden kann. Die Abzweigungen 143 können als ebene Kontakte für eine spätere leitfähige Verklebung oder als Steckerpins ausgeführt sein. Für die Verbindung mehrerer Zellen 140 sind die Anschlüsse 141 und 142 gebogen beziehungsweise gekröpft ausgeführt. Der positive Anschluss 141 ist hier in der Fig. 14 nach oben, der negative Anschluss 142 nach unten gebogen.
Damit die Zellen 140 ohne Zwischenelemente direkt miteinander verbunden werden können sind zwei Biegevarianten erforderlich - eine„linke" und eine„rechte" Variante. Fig. 15 zeigt dazu eine Zelle 150, die spiegelbildlich zur Zelle 140 aus Fig. 14 gestaltet ist. Die Zelle 150 umfasst analog einen positiven Anschluss 151 und einen negativen Anschluss 152, über welche die elektrische Leistung zu- und abgeführt wird. Der positive Anschluss 151 ist nach oben, der negative Anschluss 152 nach unten gebogen. Zusätzlich sind wiederum
Abzweigungen 153 vorhanden, über die eine elektronische Schaltung zur Überwachung der Zelle 150 angeschlossen werden können.
Im gezeigten Beispiel sind die Abzweigungen 143 und 153 sowohl bei den positiven Anschlüssen 141 und 151 als auch bei den negativen Anschlüssen 142 und 152 angeordnet. Im zusammengebauten Zustand, das heißt nach dem Stapeln der Zellen 140 und 150, sind somit doppelt so viele Abzweigungen 143 und 153 vorhanden wie eigentlich erforderlich wären. In einer alternativen Ausführungsform sind die Abzweigungen 143 und 153 daher nur bei den positiven Anschlüssen 141 und 151 oder nur bei den negativen Anschlüssen 142 und 152 angeordnet (gilt für Serienschaltung der Zellen 140 und 150).
Die Verbindung der Zellen 140 und 150 kann nun ohne weitere Elemente erfolgen, beispielsweise durch Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen beziehungsweise Ultraschallkompaktieren, oder durch chemisch, reaktive Verbindung. Die Zellen 140 und 150 sind für Serienschaltung vorgesehen. Für eine Parallelschaltung wären andere Biegevarianten vorzusehen. Die Parallelschaltung mehrerer Module (d.h. mehrerer in Serie geschalteter Zellen 140 und 150) kann auch über längere Anschlüsse oder mit Hilfe gesonderter
Brückenbleche (z.B. aus Aluminium oder Kupfer) erfolgen.
Aufbau eines Paketakkus Ausgehend vom Grundelement 130 aus Fig. 13a und 13b, gegebenenfalls einer zusätzlichen steifen Platte zur gleichmäßigeren Verteilung der Kräfte werden abwechselnd ein Kühl- /Heizelement 81 aus Fig. 8, eine Zelle 140 aus Fig. 14, ein weiteres Kühl-/Heizelement 81 und eine Zelle 150 aus Fig. 15 gestapelt. Je nach Bedarf kann diese Abfolge aus Kühl- /Heizelement 81, Zelle 140, Kühl-/Heizelement 81 und Zelle 150 beliebig oft wiederholt werden. Der erhaltene Stapel ist ohne weitere Maßnahmen durch die Verzahnung am Rand des Kühl-/Heizelements 81 stabil (siehe hierzu auch Fig. 17). Bei Versuchen konnten Stapel von etwa 1 m Höhe problemlos aufgebaut werden. Vorteilhaft können aber auch Gruppen von Kühl-/Heizelementen 81 (und Zellen 140, 150) miteinander verklebt werden, insbesondere dicht verklebt werden. Bevorzugt werden solche Module in einem vorgeschalteten
Montageschritt angefertigt, sodass bei der Endmontage des Paketakkus nur mehr wenige Module aufeinander gestapelt werden müssen.
Akkumulator- Trenn-Einheit (Battery Disconnect Unit)
Fig. 16 zeigt eine Akkumulator-Trenn-Einheit 160. Deutlich zu sehen sind die
Verstärkungsrippen im Inneren der Akkumulator-Trenn-Einheit 160, welche für eine
Kraftübertragung zwischen oberer und unterer Verbindungsfläche sorgen. Die elektrische Funktion der Akkumulator-Trenn-Einheit 160 ist an sich bekannt. Die Akkumulator-Trenn- Einheit 160 ist dafür vorgesehen, den Hochspannungskreis mit Hilfe von Relais galvanisch vom Fahrzeug oder anderen daran angeschlossenen Geräten zu trennen. Weiterhin umfasst die Akkumulator-Trenn-Einheit 160 einen Vorladekreis, welcher vor dem eigentlichen Schalten der Relais eine ohmsche Verbindung zwischen Akkumulator und Fahrzeug herstellt, um Potentialunterschiede ausgleichen zu können. Schließlich umfasst die Akkumulator-Trenn- Einheit 160 in der dargestellten Variante Stromsensoren und Spannungssensoren für
Messungen im Hochspannungsbereich und zur Überwachung der Relaisfunktion.
Fig. 17 zeigt einen halbfertigen Paketakkumulator 170, bestehend aus dem zuvor erhaltenen Stapel 171 sowie einer darauf aufgesetzten Akkumulator-Trenn-Einheit 172. Gut zu sehen ist auch die Verzahnung 173 der einzelnen Kühl-/Heizelemente sowie die verbundenen
Kontakte 174 der einzelnen Zellen. Die Akkumulator-Trenn-Einheit 172 weist auch einen Kühlkanal 175 auf, sodass das Kühlmedium von den unter der Akkumulator-Trenn- Einheit 172 angeordneten Kühl-/Heizelement in die Akkumulator-Trenn-Einheit 172 fließen kann (in der Fig. 17 sind der besseren Vorstellbarkeit halber die Achsen der Kühlkanäle eingezeichnet). Zur Versteifung weist die Akkumulator-Trenn-Einheit 172 überdies Verstärkungsrippen 176 auf, um die mitunter hohen Kräfte innerhalb des Stapels weiterleiten zu können. Alle elektrischen Verbindungen (sowohl Hochvolt als auch Niedervolt) sind vorteilhaft in einer Verbindungsebene 177 angeordnet, womit eine besonders einfache elektrische Verbindungstechnik angewandt werden kann.
Zellüberwachungs-Einheit (Cell Supervisor Circuit)
Fig. 18 zeigt einen halbfertigen Paketakkumulator 180, bestehend aus aufeinandergestapelten Kühl-/Heizelementen 181, einer darauf aufgesetzten Akkumulator- Trenn-Einheit 182 sowie weiteren Kühl-/Heizelementen 181. Ein Bereich 183 deutet an, wo später eine
Zellüberwachungs-Einheit angeordnet wird. Die Positionierung der Zellüberwachungs-Einheit erfolgt direkt zwischen den Zellanschlüssen. Dieser Bereich ist durch Stege des Kühl- /Heizelements umrandet. Diese Stege bilden, versehen mit geeigneten Rasten die Halterung der Zellüberwachungs-Einheit und enthalten vorteilhaft Elemente, die eine Kodierung bzw. sichere Positionierung der Zellüberwachungs-Einheit über den seitlich liegenden
Zellabzweigungen ermöglicht. Diese Zellabzweigungen sind für leitfähige Klebestellen oder direkt zum Stecken ausgeführt. Eine etwaige Verklebung der Zellüberwachungs-Einheit mit den Zellabzweigungen kann durch große Durchkontaktierungen in der Platine der
Zellüberwachungs-Einheit erfolgen. Sind die Zellabzweigungen sehr kurz gehalten, so besteht eine gute thermische Anbindung zum Zellkörper, wodurch die Sensoren zur
Temperaturmessung direkt auf der Platine der Zellüberwachungs-Einheit, jedoch in der Nähe der Zellabzweigungen positioniert werden können. Damit kann ein Teil der Niedervolt- Verkabelung inklusive der Stecker zu den Zellen, wie sie bei herkömmlichen Systemen erforderlich sind, entfallen. Durch den geringen Abstand der einzelnen Zellüberwachungs- Einheiten zueinander ist auch eine Anordnung von mehreren Zellüberwachungs-Einheiten auf einer einzigen (hier länglichen) Platine denkbar. Die maximale Länge wird an sich lediglich durch die thermischen Ausdehnungseigenschaften das Kühl-/Heizelement und der Platinen beziehungsweise der maximal produzierbaren Platinenlängen beschränkt. Die
Zellüberwachungs-Einheit dient im Wesentlichen dazu, Spannung und/oder Temperaturen der Zellen zu messen, das Balancing der Zellen zu ermöglichen, sowie die Kommunikation zwischen verschiedenen Zellüberwachungs-Einheiten zu gewährleisten. Vorteilhaft erfolgt die Verbindung zwischen mehreren Zellüberwachungs-Einheiten über eine ein
Spannungspotential überbrückende Verbindung, um Probleme wegen mitunter hohen
Potentialunterschieden (ein Stapel von Zellen kann mehrere hundert Volt Spannung erzeugen) zu vermeiden. Beispielsweise können die Zellüberwachungs-Einheiten über optischem Weg oder über Funk verbunden sein. Die Kommunikation kann in beiden Fällen seriell von Zellüberwachungs-Einheit zu Zellüberwachungs-Einheit aber auch von jeder
Zellüberwachungs-Einheit zu jeder anderen beliebigen Zellüberwachungs-Einheit erfolgen. Denkbar ist auch eine sternförmige Kommunikation zu einem zentralen Steuergerät.
Selbstverständlich sind auch Mischformen denkbar.
Akkumulator- Verwaltungs-Einheit (Battery Management Unit)
Fig. 19 zeigt eine Akkumulator- Verwaltungs-Einheit 190 (hier mit offenem Gehäuse dargestellt). Die Akkumulator- Verwaltungs-Einheit 190 ist im Wesentlichen dafür
vorgesehen, die Prozesse im Akkumulator zu steuern sowie die Kommunikation mit dem Fahrzeug oder einem anderen an den Akkumulator angeschlossenen Gerät zu ermöglichen. In der dargestellten Variante umfasst die Akkumulator- Verwaltungs-Einheit 190 dazu zwei Prozessoren, welche beispielsweise Messabläufe steuern, Relais zum Trennen der Batterie vom Verbraucher ansteuern, etc.
Die Akkumulator- Verwaltungs-Einheit 190 (hier ohne Abdeckung der Elektronik abgebildet) bildet das obere Abschlusselement des Paketakkus und ist wie das Grundelement oben gewölbt ausgeführt. Vorteilhaft ist die Oberfläche derart gewölbt, dass für den Zusammenbau später verwendete Spannbänder eine auf die Grundfläche gleichmäßige Kraftverteilung bewirken. Damit das Spannband gespannt werden kann und Spannschlösser zur Verbindung der Enden des Spannbands Platz finden ist die Oberfläche in der Mitte konkav gewölbt. Auch dabei erfolgt eine auf die Fläche gleichmäßige Krafteinleitung. Die Oberfläche ist in der dargestellten Ausführungsform nur in einer Richtung gewölbt. In einer weiteren
Ausführungsform kann die Oberfläche aber auch in beide Richtungen gewölbt sein, sodass sich eine 3D-Wölbung ergibt. Von der Oberfläche werden die Kräfte von direkt unter den Spannbändern positionierten Rippen zu dem unter der Akkumulator- Verwaltungs-Einheit 190 liegenden Element geführt. Damit die Kraftverteilung auf dieses Element gleichmäßig erfolgt, ist eine zusätzliche, dazwischen liegende steife Platte vorteilhaft. Bevorzugt ist das unter der Akkumulator- Verwaltungs-Einheit 190 liegenden Element ein Kühl-/Heizelement (z.B. so wie aus Fig. 8 bekannt). Über Stege oder Rippen im Gehäuse der Akkumulator- Verwaltungs- Einheit 190 wird eine elektronische Schaltung derselben beziehungsweise deren Platine gegen den Kühl-/Heizelement gedrückt, sodass ein optimaler Wärmeübergang stattfinden kann. Insbesondere kann die Akkumulator- Verwaltung s -Einheit 190 so auch Leistungs Schaltkreise enthalten. Der äußere Anschluss der Akkumulator- Verwaltungs-Einheit 190 kann über eine Steckerleiste erfolgen, die vorteilhaft in derselben Ebene wie andere Kontakte des Akkumulators liegen (nämlich in der Verbindungsebene 177 aus Fig. 17). Vorteilhaft wird die Steckerleiste der Akkumulator- Verwaltungs-Einheit 190 direkt für den Niedervolt- Anschluss des Paketakkumulators verwendet und weist dazu mindestens eine Steckerkammer (nicht abgebildet) auf, die in der besagten Ebene liegt, um die interne Niedervolt- Verbindungen zu ermöglichen. Obwohl die Akkumulator- Verwaltungs-Einheit 190 wie in Fig. 19 dargestellt vorteilhaft an der Oberseite des Paketakkumulators liegt, kann diese selbstverständlich auch als ein im Inneren des Paketakkus liegendes Modul ausgeführt sein.
Modul mit Stromsensor, Sicherung und Hochvolt-Stecker
Fig. 20 zeigt ein Sicherungsmodul 200 (hier ohne die zugehörige Elektronik abgebildet), welches zusätzlich Stromsensoren und Hochvolt-Stecker umfasst. Im Fall eines verteilten Systems (das heißt einem Zusammenschluss von mehreren Paketakkumulatoren) wird in jedem der einzelnen Paketakkumulatoren vorteilhaft ein baugleiches Sicherungsmodul 200 verbaut, um im Kurzschlussfall jeden Paketakkumulator gesondert schützen zu können. Der Stromsensor kann auch in einem anderen Modul untergebracht werden (insbesondere in der in Fig. 16 dargestellten Akkumulator-Trenn-Einheit).
Spannbänder:
Fig. 21 zeigt nun einen fertigen Paketakkumulator 210, bestehend aus einem
Grundelement 211, mehreren Kühl-/Heizelementen 212 mit innen liegenden Zellen (nicht dargestellt), einer Akkumulator-Trenn-Einheit 213, einem weiteren Kühl-/Heizelement 214, einem Sicherungsmodul 215, zusätzlich enthaltend Stromsensoren und Hochvolt-Stecker, einem weiteren Kühl-/Heizelement 216 und einer Akkumulator- Verwaltungs-Einheit 217. Im gezeigten Beispiel wird die gesamte Anordnung durch Spannbänder 218 (hier durch 4 Spannbänder 218) zusammengehalten. Zum Spannen weisen die Spannbänder 218
Spannschlösser auf, die vorteilhaft unter dem Grundelement 211 oder oberhalb der
Akkumulator- Verwaltungs-Einheit 217 geführt werden.
Die Spannbänder können aus Gummi, Stahl, Kunststoff oder faserverstärktem Kunststoff bestehen. Die Wahl des Materials ist von den zu übertragenden Kräften und von den thermischen Dehnungseigenschaften der Bänder und des Modulverbunds abhängig, das heißt die Spannbänder 218 sollten hinsichtlich ihrer Dehnungseigenschaften auf das Dehnverhalten des Modulverbunds abgestimmt sein. Die Spannbänder 218 übertragen die Presskräfte der Zellen vom Grundelement 211 zur oberen Endplatte (hier in Form der Akkumulator- Verwaltungs-Einheit 217). Zusätzlich werden Kräfte übertragen, die über die verzahnten Ränder des Kühl-/Heizelements 212, 214 und 216 wirken und dem nur zusammengesteckten Modulverbund eine Vorspannung beziehungsweise die erforderliche Stabilität verleihen.
Die äußeren Ränder der einzelnen Bauteile bilden ein starkes, vorgespanntes, festes Gehäuse für den Akkumulator. Die Begrenzungen oder Wände der Kühlflächen der Kühl- /Heizelemente 212, 214 und 216 (siehe hierzu auch Fig. 5) bilden eine innere Versteifung des Gehäuses. Bei üblichen Anzahlen von zirka 50 Zellen für einen Paketakkumulator 210 ergeben sich 100 Wände (2 je Zelle) quer durch den Akkumulator 210 so dass ein extrem steifes aber dennoch leichtes Gehäuse entsteht, ähnlich einem durch Schottwände oder Spanten versteiften Schiffs- oder Flugzeugrumpf.
Die Spannbänder 218 können am Umfang des Gehäuses zum Schutz in die Oberfläche eingelassen bzw. versenkt sein (Ausnehmung in der Oberfläche des Modul Verbunds). Der besseren Darstellbarkeit halber wurde eine Abdeckung auf der Vorderseite des
Akkumulators 210, welche die die Aufgabe von Berührungs schütz und Abdichtung übernimmt, noch nicht angebracht.
Die Länge der Spannbänder 218 kann sehr leicht verändert werden, sodass aus den einzelnen Bauteilen sehr leicht viele verschiedene Typen von Paketakkumulatoren 210 gefertigt werden können. Nichts desto Trotz sind natürlich auch andere Befestigungsmöglichkeiten denkbar. Beispielsweise kann der Akkumulator verschraubt werden. Besonders geeignet sind hier Gewindestangen, deren Länge ebenfalls leicht an verschiedene Gegebenheiten angepasst werden kann. Diese Gewindestangen werden beispielsweise durch Löcher in den Modulen geschoben. Die Befestigung erfolgt dann durch Muttern. Denkbar ist aber auch, dass oberhalb und unterhalb des Paketakkumulators 210 Brücken vorgesehen werden, die an ihren Enden Löcher für die genannte Gewindestangen aufweisen und so den Paketakkumulator 210 zusammenhalten.
Befestigungspunkte des Paketakkumulators:
Um den Paketakkumulators in einem Fahrzeug oder einem anderen, mit Energie zu versorgenden Gerät montieren zu können, sind geeignete Befestigungspunkte am Paketakkumulator erforderlich. Fig. 22 zeigt dazu den oberen Bereich eines
Paketakkumulators 220, nämlich einen Deckel 221, um den ein Spannband 222 mit einem Spannschloss 223 gelegt ist. Zwischen Deckel 221 und Spannband 222 sind
Befestigungslaschen 224 eingelegt, welche die Befestigung des Paketakkumulators 220 in zum Beispiel einem Fahrzeug ermöglichen. Vorteilhaft weisen der Deckel 221 und/oder die Laschen 224 dazu eine Verzahnung 225 auf, welche ein gegenseitiges Verrutschen verhindern oder zumindest verringern. Selbstverständlich ist es auch möglich, zusätzlich oder alternativ Laschen an der Unterseite des Paketakkumulators 220 vorzusehen. Denkbar ist natürlich auch, dass die Laschen Bestandteil des Bodens oder Deckels des Paketakkumulators 220 sind beziehungsweise auf andere Weise angebracht werden, beispielsweise durch Verschrauben. Insbesondere können die Laschen 224 zwischen Deckel 221 und den zu Fig. 21 erwähnten Brücken angeordnet sein.
Abfuhr heißer Brenngase:
Fig. 23 zeigt einen weiteren Ausschnitt aus einem Stapel 230 von Einzelzellen 231, die an ihrem Rand jeweils einen Falz 232 aufweisen, welcher dem Stapel 20 aus Fig. 2 sehr ähnlich ist. Wiederum wird der Raum 233 zwischen den Zellen 231 für die Zufuhr und/oder Abfuhr eines Kühlmediums genutzt. Bei dieser Variante ist aber ein zusätzlicher mit einem
Kühlmedium gekühlter Kanal 234 für die Abfuhr heißer Brenngase vorgesehen.
Fig. 24 zeigt einen Schnitt durch einen Stapel 240 mehrerer Einzelzellen 241 mit dazwischen angeordneten Kühl-/Heizelementen 243, welcher dem Stapel 50 aus Fig. 5 sehr ähnlich ist.. Die Einzelzellen 241 sind wiederum mit einem Falz 242 versehen. Bei dieser Variante ist ebenfalls ein zusätzlicher mit einem Kühlmedium gekühlter Kanal 244 für die Abfuhr heißer Brenngase vorgesehen. Damit die Brenngase in den Kanal 244 entweichen können, sind zwischen der Stirnseite des Falzes 242 und dem Kanal 244 im Rand des Kühl- /Heizelementen 243 Öffnungen vorgesehen. Beispielsweise ist der Rand des Kühl- /Heizelementen 243 zinnenartig geformt. In Fig. 24 sind weiterer Verbindungskanäle 245 zu den Kühl-/Heizelementen 243 vorgesehen. Dies ist aber nur beispielhaft zu sehen,
selbstverständlich sind auch anderer Ausgestaltungen des Kühl-/Heizelementen 243 und des Kanals 244 denkbar. Auch ist vorstellbar, dass die Kanäle der Kühl-/Heizelemente 243 und der Kanal 244 nicht getrennt, sondern gemeinsam ausgeführt sind. Abschließend wird festgehalten dass die Darstellungen in den Figuren teilweise unmaßstäblich sind. Weiterhin können die einzelnen in den Figuren dargestellten Varianten auch den Gegenstand einer unabhängigen Erfindung bilden.

Claims

Patentansprüche:
1. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) für einen Akkumulator (170, 180, 210), umfassend eine
Kühlfläche (32, 58, 62, 72, 83) mit einer ersten Begrenzung (13), welche zum Körperkontakt zu einer ersten Zelle (11, 21, 51, 140, 150) des Akkumulators (170, 180, 210) vorgesehen ist, und einer zweiten Begrenzung (13), welche zum Körperkontakt zu einer zweiten
Zelle (11, 21, 51, 140, 150) des Akkumulators (170, 180, 210) vorgesehen ist, wobei die beiden Begrenzungen (13) elastisch miteinander verbunden sind.
2. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Kühl- /Heizelements (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) im Bereich der Kühlfläche (32, 58, 62, 72, 83) elastische Stege (14) zur Verbindung der ersten und zweiten Begrenzung (13) vorgesehen sind.
3. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (14) geradlinig von der ersten zur zweiten Begrenzung verlaufen.
4. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (14) Krümmungsbereiche aufweisen.
5. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (14) mäanderförmig ausgestaltet sind.
6. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (14) schräg von der ersten Begrenzung (13) zur zweiten Begrenzung (13) verlaufen.
7. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch
Abstandsnoppen im Bereich der Kühlfläche (32, 58, 62, 72, 83).
8. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen starren Rand (56), welcher elastisch mit den Begrenzungen (13) des Kühl- /Heizelements (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) verbunden ist.
9. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der starre Rand (56) mindestens so hoch ist wie eine Zelle (11, 21, 51, 140, 150), die Dicke der Begrenzungen (13) und ein Mindestabstand zwischen den Begrenzungen (13).
10. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Strömungsblende (64) am Rand der Kühlfläche (32, 58, 62, 72, 83), welche einen im
Wesentlichen konstanten Zu- oder Ablauf eines Kühl-/Heizmediums unabhängig vom
Abstand zwischen erster und zweiter Begrenzung (13) gewährleistet.
11. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Strömungsblende (74) am Rand der Kühlfläche (32, 58, 62, 72, 83), welche einen Zulauf eines Kühl-/Heizmediums bei steigendem Abstand zwischen erster und zweiter
Begrenzung (13) drosselt.
12. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 11, gekennzeichnet durch eine Strömungsblende (75) am Rand der Kühlfläche (32, 58, 62, 72, 83), welche einen Ablauf eines Kühl-/Heizmediums bei sinkendem Abstand zwischen erster und zweiter
Begrenzung (13) drosselt.
13. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es stapelbar ist.
14. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl-/Heizelement eine Höhe in Stapelrichtung aufweist, die geringer ist als dessen Länge und Breite quer zur Stapelrichtung.
15. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Begrenzung (13), welche zum Körperkontakt zu einer ersten Zelle (11, 21, 51, 140, 150) des Akkumulators (170, 180, 210) vorgesehen ist, und die zweite Begrenzung (13), welche zum Körperkontakt zu einer zweiten Zelle (11, 21, 51, 140, 150) des
Akkumulators (170, 180, 210) vorgesehen ist, dazu ausgebildet sind, in flächigen Kontakt mit Flachzellen zu treten.
16. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Verzahnung (85, 173) an dessen zum Stapeln vorgesehenen Grenzflächen aufweist.
17. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch einen Zulauf (31, 54, 61, 71, 82) und/oder Ablauf (33, 55, 63, 73, 84), welcher in einem Stapel mit einem Zulauf (31, 54, 61, 71, 82) und/oder Ablauf (33, 55, 63, 73, 84) eines benachbarten Kühl-/Heizelements (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) zusammenwirkt, bevorzugt unmittelbar zusammenwirkt.
18. Kühl-/Heizelement (12, 30, 30a, 30b, 40, 53, 60, 60a, 60b, 70, 70a, 70b, 81,
90, 181, 212, 214, 216) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch zumindest einen mit einem Kühlmedium gekühlten Kanal zur Abfuhr heißer Brenngase aus einer Zelle (11, 21, 51, 140, 150).
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