WO2012136439A1 - Elektrischer energiespeicher mit mehreren zellen und wenigstens einem zwischen den zellen angeordneten kühlelement - Google Patents

Elektrischer energiespeicher mit mehreren zellen und wenigstens einem zwischen den zellen angeordneten kühlelement Download PDF

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WO2012136439A1
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cooling
cells
cell stack
heat
energy storage
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PCT/EP2012/054006
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Hans-Georg Schweiger
Peter Birke
Michael Schiemann
Axel Rudorff
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Continental Automotive Gmbh
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Electric energy storage device having a plurality of cells and at least one cooling element arranged between the cells
  • the invention relates to an electrical energy storage device, such as in particular a rechargeable battery, having a plurality of arranged to at least one cell stack cells ( ⁇ battery cells).
  • ⁇ battery cells cell stack cells
  • Such electrochemical energy storage find z. B. in motor vehicles with a hybrid or electric drive use and serve here to supply energy to an electric drive (traction battery) and / or to supply a vehicle electrical system. Furthermore, these z. B. also use as stationary energy storage, z. In connection with photovoltaic systems or for emergency power supply (eg for hospitals). Such electrochemical energy storage devices must often be able to provide high voltages of more than 100 V and / or high currents of more than 100 A.
  • a common design of such energy storage is the arrangement of up to several hundred cells to one or more cell stacks (cell blocks), wherein the individual cells by means of electrically connected in parallel and / or series connection
  • the inventive electrical or electrochemical Ener ⁇ gie official comprises a plurality of at least arranged a cell stack cells. At least one cooling element is arranged between at least two cells adjacent to the cell stack, this cooling element having a heat conduction section located between the cells (eg substantially plate-shaped) for heat conduction and at least one laterally (ie transversely to the axial extent or stacking direction of the cell stack). From the cell stack outstanding cooling section for the heat output has.
  • Such a cooling element may have a plurality of cooling sections have, z. B. can protrude at different locations from the cell stack.
  • the cell stack comprises a plurality of cooling elements. Regardless of a specific number of cooling elements and / or cooling sections per cooling element, the following explanations are to be understood as generally valid explanations.
  • An essential idea of the invention is to first transport the heat released in the cells and hence in the interior of a cell stack by heat conduction from the inside to the outside via the heat conduction section (heat dissipation due to an existing temperature gradient) and there via the at least one cooling section to the environment or to a z.
  • B. gaseous Temper istsmedium which may be in particular air, give (heat transfer by heat conduction or convection and / or thermal radiation, as explained in more detail below).
  • the cooling section of the cooling element can be designed in a special way with regard to a good heat release (which may be, for example, the area size, the surface design, the surface shape (eg corrugated), the surface texture (eg rough) and / or may include the color).
  • extensions, cooling fins or the like may be attached to the cooling section of the cooling element.
  • the heat output from the cells built into a cell stack is considerably improved compared to the known concepts. Namely, large heat exchange surfaces or cooling surfaces for heat dissipation to the environment or to a Temper michsmedium be provided and used while z. B. in the above-mentioned embodiment with spacers between the cells only relatively small areas, namely the faces of the spaced cells, can be used for heat dissipation. Furthermore, the above-explained spacers between the cells can be omitted, so that with the same storage capacity (electrical capacity), the axial length of a cell stack can be reduced (more compact design) or with the same length in the axial direction more cells can be arranged (increase in capacity).
  • the cells are designed as so-called "soft-pack cells", ie with a relatively thin and flexible casing (eg made of plastic film material).
  • a further advantage is that, in a preferred embodiment, effective cooling of the energy store according to the invention succeeds only with ambient air or a gaseous tempering medium.
  • a heat exchanger liquid, as well as flow lines (eg hoses), pumps and a heat exchanger for this heat exchanger liquid are therefore not required, which weight, space and cost can be saved.
  • Weight, space and cost advantages arise especially for smaller energy storage with few cells and / or a small capacity, where typically flow lines, pumps, heat exchangers and the like are in an unfavorable weight, space and cost ratio.
  • the invention thus allows, without space, weight and / or cost disadvantages, a change from a liquid-cooled to a gas-cooled electrochemical energy storage, with the advantages explained above.
  • the at least one cooling element can also serve to introduce the heat in the reverse manner.
  • This z. B. individual or all combined into a cell stack b cells are heated or heated by supplying heat through the at least one cooling element to a specific operating temperature to z. B. to increase the starting power.
  • both a heat dissipation and a heat input can take place via the at least one cooling element. This can also be done in a control loop to z. B. to keep the cells during operation in an optimal temperature range.
  • one lb of individual cooling element or a plurality of cooling elements can be arranged between two adjacent cells of a cell stack.
  • cooling elements In the case of a plurality of cooling elements, these can be arranged laterally next to one another in a plane and / or be stacked in an axial direction, eg. B. as a heat sink package, as explained in more detail below.
  • the cooling elements can, for. B. form a flat 20 extended ("plate-shaped") heat pipe section whose format is adapted to the end faces of the both sides adjacent cells.
  • At least one cooling element is arranged between all cells of a 2b cell stack (alternating stacking). It can further be provided that, starting from one end face of the cell stack, regularly after every second, every third, every fourth, etc. cell or regularly according to a specific pattern (eg 2-3-2 etc.) 30 respectively at least one cooling element is arranged between adjacent cells. Likewise, an irregular arrangement may be provided, the z. B. oriented at different local thermal conditions. In addition, an arrangement of at least one cooling element on at least one Front side of the cell stack possible.
  • the cooling elements installed in a cell stack can be identical or different and can be arranged with the same or different orientation in the cell stack.
  • the cells are polygonal and in particular z. B. are formed as a square flat cells, so that a cell stack formed by these cells by stacking a prismatic and in particular a cuboid shape.
  • the cooling section (s) can protrude from such a cell stack on one side or on several sides.
  • cooling elements their cooling sections preferably protrude from the cell stack on the same side (s). It can likewise be provided that the cooling sections are guided wech ⁇ balance one another out. It can also be provided that the cooling element / the cooling elements has / have a plurality of cooling sections, which all protrude from the cell stack on one side. Likewise, it can be provided that the cooling element / the cooling elements has at least one cooling section on ⁇ / have, of / / protrude on several sides and in particular on at least peripherally projecting part of the periphery or from the cell stack. In addition, further arrangement and design options are conceivable within the scope of the invention.
  • the cooling section of a cooling element with respect to a plan view in the normal direction on a quadrangular and in particular a rectangular surface shape.
  • other surface shapes are conceivable, such.
  • about the surface shape and / or the area size can, inter alia, the possible Heat output can be adjusted.
  • This film can, for. B. be formed as a one-sided adhesive film, which is at least partially adhered to the cooling element or on the heat conduction portion or on the end face of the cell during assembly. This also facilitates the assembly of the electrical or electrochemical energy storage device according to the invention. Likewise, it may be a double-sided adhesive film, wherein the brought about by such a film bonding of the cooling element and cell can also bring about the cohesion of the cell stack at the junction or at least support.
  • At least the heat-conducting section of the cooling element which comes into contact with the cell is coated with an electrically insulating but highly thermally conductive lacquer (eg a protective or insulating lacquer).
  • an electrically insulating but highly thermally conductive lacquer eg a protective or insulating lacquer.
  • a film possibly also several films, or a paint does not preclude that the adjacent cell is isolated separately as a unit and z.
  • a sheathing plastic film is welded (eg in a "soft pack" version of the cell).
  • one or more tie rods are provided for clamping the cells arranged to form a cell stack.
  • Cooling elements can each be provided with one or more holes or recesses such that the tie rods can be used to clamp the cell stack therein.
  • Such holes or recesses can z. B. in a transition region between the heat conduction portion and the cooling section (outside of the area claimed by the adjacent cells surface area) may be arranged, for. B. on at least two opposite sides of the cell stack.
  • the heat is released via the cooling section of the cooling element to the environment or to a tempering medium typically by convection (as explained in more detail below) and / or by thermal radiation.
  • z. B. be at least partially blackened at least at least one cooling section of a cooling element.
  • blackening the heat radiation can be ver ⁇ improves the cooling section in particular.
  • the cooling element may for example be formed from an aluminum material and be black anodized in the region of the cooling section. A blackening can also be done by painting. Blackening may also protect the cooling section from any corrosive attack.
  • the cooling element is preferably a cooling plate, the z. B. may be formed as a one-piece forming part of a metallic sheet material.
  • sheet materials are good heat conducting metals or metal alloys such.
  • metal materials come principle, other highly thermally conductive materials in Be ⁇ costume.
  • a particularly preferred development of the invention provides that between at least two adjacent in the cell stack is ⁇ cells arranged a cooling plate package of a plurality of cooling plates is arranged, the side of the cell stack forth ⁇ projecting cooling portions of these cooling plates are designed differently.
  • a heat sink package may comprise 2 to 15, preferably 5 to 10 and more preferably 3 to 7 cooling plates.
  • a different configuration of the cooling sections can, for. B. be achieved by the degree of bending of the cooling sections relative to the heat pipe sections.
  • the protruding from the cell stack cooling sections of belonging to a heat sink assembly cooling plates are different bring ⁇ angles, a fan-like arrangement can be achieved, whereby a small space is provided a relatively large heat exchange surface or cooling surface.
  • Such a fan-like arrangement may be referred to as cooling compartments.
  • a cooling lamination stack preferably has at least one cooling fan which projects laterally out of the cell stack.
  • a different embodiment of the cooling sections can also on the area size, the surface design (for example, curved surface portions and / or incorporated ⁇ brought profiles) and / or the surface shape of the cooling sections, as well as the surface texture and / or color (see, for. example above explanations of a blackened cooling section) can be accomplished. Furthermore, a different embodiment can also be accomplished by extensions, plug-in attachments and / or cooling fins, which can also be designed differently and / or arranged irregularly. The previously explained measures can be combined with each other. In addition, further measures are conceivable within the scope of the invention.
  • the cooling plates belonging to a cooling plate package are stacked and lie against each other in the axial direction of the cell stack (stacking direction).
  • a cohesion of the cooling plates can be brought about by gluing, screwing, bracing, soldering, welding or the like.
  • between at least two adjacent cooling plates of a cooling plate package may be at least a heat-conducting foil, which in particular ⁇ sondere an adhesive film (see the explanations above), a thermal grease, a Filiermaterial, a mica material (eg. As a mica sheet) or the like to compensate for tolerances and unevenness and / or to improve the heat conduction, and optionally also for electrical insulation, is arranged.
  • a heat sink package is a prefabricated construction ⁇ unit.
  • Another embodiment of the invention provides a plurality of cooling elements and / or cooling lamination packages which, taking into account local thermal conditions, have different configurations and / or are arranged irregularly in the cell stack.
  • an individual adaptation with regard to the heat output from individual cells or cell groups succeeds (in the following, further measures for individual adaptation with regard to the heat output from individual cells or cell groups are explained, which can alternatively or mutually complement each other).
  • a goal can be z. Example, to allow the achievement of a uniform temperature in the cells of the cell stack.
  • An irregular arrangement can, for. B. be achieved by varying the number and / or distribution of cooling elements and / ordeblechpakten in the cell stack.
  • a different embodiment of cooling elements and cooling plate packages can be achieved in particular on the different configuration of the cooling sections, for which reference is made to the relevant preceding explanations.
  • a different embodiment of cooling plate packages can also be achieved by varying the number of cooling plates in the cooling plate package.
  • a housing may, for. B. be designed as a soft case.
  • a housing is preferably designed as a stable hardcase.
  • the cell stack is arranged in such a housing, wherein for the purpose of heat dissipation at least one cooling section we- at least one cooling element, the housing is passed through passing outwards.
  • the cooling section can thus deliver heat to the environment or to a Temperleitersmedium, the cell stack is arranged protected even in the housing.
  • the at least arranged a cell stack cells are arranged in a housing, wherein at least one cooling section of at least one cooling element present in the cell stack, at least from ⁇ section-wise, located in a in this housing or formed in said housing flow channel extends for a Tempe ⁇ r michsmedium.
  • a housing which is designed in particular as a stable hardcase, the cell stack provides good protection.
  • a good heat output from the cell stack is made possible by forcibly passing a tempering medium flowing through the flow channel past the cooling section of the cooling element, thereby absorbing the heat discharged from the cell block through the cooling section.
  • the flow of Temperianssmediums in the flow channel may be a free flow, wherein such a free flow through a suitable and z. B. the later installation position of the energy ⁇ memory considering channel guidance can be supported.
  • Can to produce a flow of Temper michsmediums in Strö ⁇ flow duct or to also support at least one pumping means, or ventilation means may be provided which z. B. may also be arranged in the housing.
  • Increasing heating of the tempering medium along the flow path can be taken into account by the above-described measures and / or by built-in devices for targeted deflection and / or distribution of the tempering medium (as explained in more detail below).
  • a housing has a plurality of flow channels for a temperature control medium.
  • Particularly preferred is a structure in which all the cooling sections of the cooling elements located in the cell stack, at least section wise ⁇ , extend into a flow channel or in different flow channels.
  • the space available in a flow channel should be used optimally.
  • Optimum utilization can be achieved by designing the cooling sections (which may include, for example, the area size, the surface design, the surface shape, the surface texture and / or the coloration) and a mutual adaptation of the cooling section and flow channel, taking into account production possibilities and influences on the flow behavior respectively. This may require a compromise.
  • An optimal cooling section which may include, for example, the area size, the surface design, the surface shape, the surface texture and / or the coloration
  • Space utilization can also be achieved by attached to the cooling sections of the cooling elements extensions, plug-in, cooling fins or the like.
  • At least one device for deflecting and / or distributing the tempering medium is preferably provided, which is arranged in the housing and in particular in a flow channel for the tempering medium.
  • the temperature control medium z. B. directed into flow channels or directed and / or distributed within a flow channel so that each located in the flow channel cooling section is flowing according to requirements or all located in the flow channel cooling sections are uniformly flowed.
  • pressure and flow conditions targeted ⁇ set adjusted and / or harmonized It is preferably provided that this device, for. From a controller, is controllable. Incidentally, by using deflection and / or distribution devices, an individual adaptation with regard to the heat output from individual cells or cell groups is also possible.
  • pumping or ventilation devices are conceivable to z. B. to improve the flow of a single cooling section or a plurality of cooling sections and / or adjust as required. Also hereby z. As pressure and flow conditions targeted and / or harmonized.
  • Such pumping or ventilation device can, for. B. by a controller, be controlled.
  • pumping and ventilating means individual adaptation to heat dissipation from individual cells or cell groups can also be achieved.
  • Ener ⁇ gie prayer has at least one latent heat storage.
  • An additionally introduced into the energy storage latent heat storage allows z. B. advantageously a buffering of heat and / or cold peaks.
  • the latent heat storage device preferably comprises a material which can store and release thermal energy in the relevant temperature range through a reversible phase transition.
  • a material is in particular a wax material.
  • the wax material may at ⁇ play, in the form of wax film on at least a cooling element or cooling fan (for this particular the spaces between the adjacent cooling sections are) applied to or (z. B. in the region of the heat pipe portion) may be introduced into a cooling plate package into appropriate spaces. When a critical temperature is exceeded, this wax material melts and absorbs heat energy, whereby z. B. prevents short-term overheating of cells can be.
  • Such latent heat storage can be used only in critical areas such as only in the range of thermally sensitive cells.
  • a traction battery for a motor vehicle with a hybrid or electric drive which comprises at least one electrical energy store according to the invention.
  • Traction battery mainly serves as an energy source for the drive of the motor vehicle.
  • the nominal operating voltage can z. B. more than 100 V (eg in the range of a few 100 V).
  • the operational maximum flowing current can, for. B. in the range of about 100 A to 300 A, with short-term higher peak currents (eg up to about 1000 A) are not excluded.
  • Fig. 1 shows a cell in a front view and in a
  • Fig. 2 shows a single cooling element in a perspective
  • FIG. 3 shows the connection of a cell with a plurality of cooling elements in a perspective front view and in a plan view
  • Fig. 5 shows an embodiment of an electrochemical energy storage device according to the invention in one
  • FIG. 6 shows a further embodiment of an OF INVENTION ⁇ to the invention electrochemical energy storage device in a plan view.
  • FIG. 7 is a sectional view of the electrochemical energy storage device of FIG. 6; FIG. and
  • Fig. 8 shows another embodiment of an inventions ⁇ to the invention electrochemical energy storage in a plan view.
  • Fig. La shows a front view of a generally designated 10 cell in flat construction.
  • the cell 10 is an electrochemical battery cell, which may for example be designed as a lithium-ion cell.
  • the cell 10 comprises by default two electrodes 11 (anode and cathode) and a separator located between the electrodes 11, which are welded in a sheath 12 of a foil material (so-called "soft-pack cell”).
  • Reference numbers 13 and 14 denote the terminal lugs of the electrodes 11 which, starting from the electrodes 11, are guided through the sheath 12 to the outside and which serve for the electrical contacting of the cell 10. With 15 visible in the figure end face of the cell 10 is designated.
  • FIG. 1b shows a section through the cell 10 according to the sectional profile AA indicated in FIG. 1a.
  • the electrolyte solution located inside the cell 10 is shown hatched and designated 16.
  • the electrodes also located inside the cell 10 and the separator are not shown in Fig. Lb.
  • An electrochemical energy store according to the invention comprises a multiplicity of such cells 10, which are combined in a stack arrangement to form at least one cell stack. Between at least two adjacent cells in the cell stack 10, a cooling element is arranged at least, which serves to heat from ⁇ brin supply of released in the cell stack heat.
  • such a cooling element has a heat conduction section located between the cells 10 and at least one cooling section projecting laterally (ie transversely to the stacking direction of the cell stack) out of the cell stack.
  • a cooling element will be explained in more detail in a preferred embodiment.
  • Fig. 2a shows a generally designated 20 cooling element.
  • the cooling element 20 is a one-piece formed part of a metallic sheet material.
  • the cooling element 20 can also be referred to as a cooling plate.
  • the term cooling plate is used.
  • the cooling plate 20 comprises a central rectangular surface portion 21, which serves as a heat conduction section, as explained in more detail below.
  • the cooling plate 20 further comprises two smaller lateral surface portions 23 and 25, which adjoin on opposite sides of the central surface portion 21 like a wing.
  • the side surface portions 23 and 25 serve as cooling sections, as described below in greater detail, he explained ⁇ .
  • 26 denotes a plurality of holes in the central surface section 21 for the passage of tie rods for clamping the cell stack. In addition to the circular shape shown, the holes 26 can be made in any other shape, which is particularly adapted to the tie rod to be performed.
  • the two symmetrically formed lateral surface portions 23 and 25 are along straight bending lines 22 and 24 with respect to the central surface portion 21 symmetrically and angled in the same direction.
  • the lateral surface portions 23 and 25 may also be asymmetrical, asymmetrically angled and / or in different
  • the lateral surface portions 23 and 25 may also have a different surface shape than the rectangular shape shown.
  • the lateral surface portions 23 and 25 may also be formed with a curvature or other spatial shape (see Figures 4b, 4d and 4e).
  • the lateral surface sections 23 and 25 also adjoin the other side (possibly also only on one side) of the central surface section 21 and / or are formed only in sections along one side of the centralommenab- section 21.
  • further placement and design possibilities are conceivable within the scope of it ⁇ making.
  • FIG. 2b shows, in a plan view, according to the viewing direction B indicated in FIG. 2a, a plurality of cooling plates 20-1 to 20-4, the lateral surface portions of which are angled to varying degrees.
  • the left in Fig. 2b cooling plate 20-1 is formed without bending and the rightmost heat sink 20-4 is exemplified with an angled portion of about 45 °.
  • the cooling plates 20-1 to 20-4 can be inexpensively manufactured from a sheet material with simple tools as one-piece punched and bent parts.
  • the different angling of the lateral surface portions (cooling surfaces) can, for. B. be achieved by simple tool and / or process adjustments during bending.
  • the holes 26 can also be formed in a simple manner by means of a stamping process.
  • the cooling plates may also be formed in several pieces, wherein the individual surface sections z. B. pressed together, can be soldered, welded and / or glued.
  • FIG. 3 a shows how a plurality of cooling plates 20 with differently angled lateral surface sections 23 and 25 can be combined by stacking to form a cooling lamination packet 30 and connected to a cell 10.
  • the connection with the cell 10 takes place in such a way that the end face 15 of the cell 10 lies flat against the central surface section 21 of the adjacent cooling plate. It can be provided that between the cell 10 and the immediately adjacent cooling plate, a heat-conducting and electrically insulating film is arranged, which has a direct mechanical contact between it
  • a plurality of cells 10 and cooling plates 20 and / or prefabricated cooling plate packages 30 are collected alternately or in a defined sequence in a stack arrangement and braced with tie rods 40, as shown in FIG. 3b.
  • the bends of the side surface portions 23 and 25 on the heat sinks 20 shown in Figure 3a do not match the bends shown in Figures 2b and 3b.
  • the cells 10 and the cooling plates 20 and / or the cooling lamination packs 30 are pushed onto the tie rods 40 and subsequently clamped, wherein the cooling plates 20 and / or the cooling lamination packets 30 clamped between the cells 10 and damage-free in this way be fixed.
  • pressure plates or plungers may be provided, which serve the tie rods as an abutment (see Fig. 5).
  • the cooling plates 20 and / or the cooling plate packages 30 composed of the cooling plates 20 serve to disperse the heat released during charging and discharging in the cells 10 of the cell stack.
  • the central portions 21 of the cooling plates 20 function as heat conduction portions that receive the heat released in the interior of the cell stack by touching contact and transport to the outside, while from the
  • Cell stack outstanding side surface portions 23 and 25 of the cooling plates 20 act as cooling sections through which the heat transported to the outside is discharged to the environment or to a Temper michsmedium. This can be clearly understood with reference to FIG. 3b.
  • the heat transfer via the cooling sections 23 and 25 takes place by heat conduction or
  • Cooling sections 25-1 to 25-4 of the heat sinks combined to the heat sink 30 30-1 to 20-4 leads to a fan-like arrangement 31 of these cooling sections.
  • FIGS. 4a, 4b, 4d and 4e show other possible embodiments of the invention
  • Cooling sections of combined to a heat sink package 30 cooling plates (including curved versions). This also fan-like arrangements or cooling fan 31a, 31b, 31c and 31e arise, with which a small space relatively large heat exchange surface or cooling surface be ⁇ reither.
  • Fig. 4c shows an imple mentation form with a single non-angled cooling plate 20c, in which an enlargement of the heat exchange surface or cooling surface of the illustrateddeab ⁇ section 25c is achieved by profiled attachments 27c.
  • the essays 27c can z. B. soldered to the cooling section 25c, welded and / or glued.
  • FIG. 5 shows an electrical energy store 100 with a cell stack which comprises a plurality of cells 10 (as shown in FIG. 1) which are braced with one another.
  • the cell stack is held together by clamping with a plurality of tie rods 40 (cf., for example, also Fig. 3b).
  • tie rods 40 cf., for example, also Fig. 3b.
  • plungers or printing plates are referred to, which are arranged on the end faces of the cell stack and serve as Wi ⁇ derlager for the tie rods 40.
  • a bond can be provided.
  • 60 contact elements are referred to connect the cells 10 electrically.
  • the contact elements 60 with the Ranfähnchen 13 and 14 of the cells 10 are welded, soldered and / or jammed.
  • the pole terminals 70 are supported on the pressing pieces 50.
  • Energy storage 100 is designed as a self-supporting construction (this also applies to the exemplary embodiments explained below).
  • a heat sink stack 30 is arranged in each case of a plurality of cooling plates.
  • the cooling plates of the cooling plate packs 30 each have two cooling sections (cf., FIGS. 2 and 3) which are laterally spaced on opposite sides (i.e., transversely to the axial extension or longitudinal direction).
  • Stacking direction of the cell stack protrude from the cell stack and form cooling compartments 31, as explained above.
  • the heat released during charging and discharging of the cells 10 in the interior of the cell stack is transported from the inside to the outside by heat conduction in the cooling plates or cooling plate packages 30 and is released there via the cooling compartments 31 to the environment.
  • the heat output can z. B. done by free convection.
  • the cooling compartments 31 can also be flown in purposefully in order to achieve forced convection. Furthermore, the heat output can be improved by blackening the cooling sections.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of an electrochemical energy store 100 in which the cell stack (according to the design shown in FIG. 5) is arranged in a housing 80.
  • the housing 80 has two flow channels 81 and 82 for a Tem ⁇ per istsmedium. 84 with an outlet for the Tempe ⁇ r michsmedium is designated.
  • the cooling compartments 31 projecting laterally out of the cell stack extend into the flow channels 81 and 82.
  • heat-dissipating temperature control medium is forced past the cooling sections of the cooling fan 31, a very good heat transfer ⁇ can be reached at the temperature control medium.
  • the flow channels 81 and 82 may be divided by partitions 89 (see flow channel 82), which may be useful in several respects. For example, this allows a harmonization of the flow can be achieved. Furthermore, can about this z. B. an individual adaptation with regard to the heat output from individual cells 10 or groups of cells are made possible.
  • FIG. 7 shows a section according to the sectional profile CC indicated in FIG. 6, which releases the view into the flow channel 82.
  • a ventilation device 85 is arranged to generate a flow.
  • Such a ventilation device may alternatively or additionally also elsewhere outside the housing 80 or in the housing 80, z. B. in the outlet, be arranged.
  • the inlet 83, a distributing section (manifold) 87 is followed in the flow direction of approximately Temperie ⁇ medium.
  • a plurality of deflection and / or distribution devices are arranged in the form of baffles 86, which here by way of example ensure that the flow channel 82 visible in the figure is uniformly charged with the temperature control medium.
  • Such deflection and / or distribution devices can be arranged with different objectives in other places in the housing 80. For example, a standardization of flow and / or pressure conditions can hereby be brought about. Furthermore, an individual adaptation with regard to the heat output from individual cells 10 or cell groups can be made possible.
  • Flow through the flow channel 82 is indicated in the figure with several arrows.
  • the cooling sections of the cooling compartments 31 deliver the particles which are discharged from the interior of the cell stack. transported heat to the passing tempering medium, which is heated in the sequence.
  • the Temper istsmediums when flowing through the flow channel 82, in an inventive
  • Cooling compartments 31 are formed in the flow direction with increasingly larger heat exchange surfaces or cooling surfaces.
  • the preceding statements apply analogously.
  • the in the flow channels 81 and 82 warmed Temperie ⁇ approximately medium collects in a collection area (collector) 88, and is fed from there to the outlet 84th
  • the inlet 83 is below lying advantageous and the outlet 84 is arranged ⁇ overhead in order to utilize a following from the heating of the suction effect Temper michsmediums (chimney effect), which increases the efficiency.
  • a ventilation device 85 can be dispensed with, resulting in weight, space and cost advantages.
  • the outlet 84 and preferably also the collector 88 are formed with relatively large cross sections in order to provide favorable flow conditions and in particular to avoid back pressures in Temper GmbHsmedium.
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of an electrical energy store 100.
  • the cooling elements 20 arranged between the cells 10 are designed, for example, from a sheet metal material, such that they have hollow chambers. These hollow chambers can be filled with air (as shown in FIG. 8) or else with a heat-conducting medium.
  • the cooling elements 20 can also without hollow chambers, z. B. as a simple sheet metal sections, be formed.
  • the cooling sections of the cooling elements 20 led out of the cell stack by way of example only on one side are thermally conductive with at least one Heat sink 28 is connected, which is provided on the side facing away from the cell stack side with a plurality of cooling fins 29.
  • the connections between the cooling elements 20 and the heat sink 28 may, for. B. by pressing, soldering, welding and / or gluing done.
  • the heat sink 28 may, for. B. as a casting, integrally formed with the cooling fins 29.
  • the cooling fins 29 are formed as sheet metal parts and fixed to the plate-like heat sink 28 according to at least one of the aforementioned joining methods.
  • the cooling elements 20, the heat sink 28 and the cooling fins 29 in one piece, z. B. are formed as a casting.
  • the cells 10 can be inserted into the space between the cooling elements 20 comb-like spaces. To facilitate this insertion and in this case to avoid damage to the cells 10, the cooling elements 20 may be formed rounded at their leading away from the heat sink 28 ends.
  • An inventive electrical energy storage 100 can be assembled easily and quickly. During assembly, individual specifications (eg dimensions, capacities, cooling capacities, etc.) and / or other given requirements (eg thermal ambient conditions) can be taken into account by adaptation and variation of the components to be installed without great effort.
  • the invention thus enables the

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen, insbesondere elektrochemischen Energiespeicher (100) mit mehreren zu wenigstens einem Zellstapel angeordneten Zellen (10). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen wenigstens zwei im Zellstapel benachbarten Zellen (10) wenigstens ein Kühlelement (30) angeordnet ist, wobei dieses Kühlelement (30) einen zwischen den Zellen (10) befindlichen Wärmeleitungsabschnitt und wenigstens einen seitlich aus dem Zellstapel herausragenden Kühlabschnitt (31) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner auch eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybrid oder Elektroantrieb, die wenigstens einen solchen elektrischen Energiespeicher (100) umfasst.

Description

Beschreibung
Elektrischer Energiespeicher mit mehreren Zellen und wenigstens einem zwischen den Zellen angeordneten Kühlelement
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, wie insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, mit mehreren zu wenigstens einem Zellstapel angeordneten Zellen (Batterie¬ zellen) .
In letzter Zeit wuchs der Bedarf an wiederaufladbaren, hochenergetischen und leistungsstarken elektrochemischen Energiespeichern sprunghaft an. Solche elektrochemischen Energiespeicher finden z. B. in Kraftfahrzeugen mit einem Hybrid- oder Elektroantrieb Verwendung und dienen hier zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebs (Traktionsbatterie) und/oder zur Versorgung eines Fahrzeugbordnetzes. Ferner finden diese z. B. auch Verwendung als stationäre Energiespeicher, z. B. in Verbindung mit photovoltaischen Anlagen oder zur Not- Stromversorgung (z. B. für Krankenhäuser) . Derartige elektrochemische Energiespeicher müssen oftmals hohe Spannungen von mehr als 100 V und/oder hohe Ströme von mehr als 100 A bereitstellen können. Eine gängige Bauform solcher Energiespeicher ist die Anordnung von bis zu mehreren Hundert Zellen zu einem oder mehreren Zellstapeln (Zellblöcken) , wobei die einzelnen Zellen mittels in Parallel- und/oder Reihenschaltung elektrisch verbunden
(kontaktiert) sind. Gängige Zellentypen sind Blei-, Nickel- Metallhydrid-, Lithium-Luft-, Zink-Luft- und Lithium-Ionen- Zellen, die hier lediglich beispielhaft genannt sind.
Beim Aufladen und Entladen dieser elektrischen Energiespeicher wird Wärme freigesetzt, was den energetischen Wirkungsgrad herabsetzt. Ferner kann die Wärmefreisetzung zu hohen Temperaturen in den Zellen führen, was im Hinblick auf die Lebensdauer, Funktion und Sicherheit kritisch ist. Um Wärme aus den Zellen eines Zellstapels abzuführen, sind aus dem Stand der Technik z. B. Abstandshalter bekannt, die zwischen zwei benachbarte Zellen angeordnet werden. Durch derartige Abstandshalter werden zwischen den Zellen Strömungskanäle geschaffen, über die die freigesetzte Wärme mit einem Strömungsmedium (typischerweise einer Wärmetauscherflüssigkeit) abgeführt werden kann. Die erzielten Ergebnisse sind jedoch nicht immer zufrieden stellend.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, bei einem elektrischen, insbesondere elektrochemischen Energiespeicher der eingangs genannten Art die Wärmeausbringung aus den Zellen des Zellstapels zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen elektrischen und insbesondere elektrochemischen Energiespeicher nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Mit dem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe insbesondere auch auf eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybrid- oder Elektroantrieb.
Der erfindungsgemäße elektrische bzw. elektrochemische Ener¬ giespeicher umfasst mehrere zu wenigstens einem Zellstapel angeordnete Zellen. Zwischen wenigstens zwei im Zellstapel benachbarten Zellen ist wenigstens ein Kühlelement angeordnet, wobei dieses Kühlelement einen zwischen den Zellen befindlichen Wärmeleitungsabschnitt (z. B. im Wesentlichen plattenförmig) für die Wärmeausleitung und wenigstens einen seitlich (d. h. quer zur axialen Erstreckung bzw. Stapelrichtung des Zellstapels) aus dem Zellstapel herausragenden Kühlabschnitt für die Wärmabgabe aufweist. Ein solches Kühlelement kann mehrere Kühlabschnitte aufweisen, die z. B. an verschiedenen Stellen aus dem Zellstapel herausragen können. Bevorzugt umfasst der Zellstapel mehrere Kühlelemente. Ungeachtet einer bestimmten Anzahl von Kühlelementen und/oder Kühlabschnitten pro Kühlelement sind die nachfolgenden Erläuterungen als allgemein gültige Erläuterungen aufzufassen .
Eine wesentliche Idee der Erfindung ist es, die in den Zellen und damit im Inneren eines Zellstapels freigesetzte Wärme zunächst durch Wärmeleitung über den Wärmeleitungsabschnitt von innen nach außen zu transportieren (Wärmeausleitung aufgrund eines bestehenden Temperaturgefälles) und dort über den wenigstens einen Kühlabschnitt an die Umgebung oder an ein z. B. gasförmiges Temperierungsmedium, wobei es sich insbesondere um Luft handeln kann, abzugeben (Wärmeabgabe durch Wärmeleitung bzw. Konvektion und/oder Wärmestrahlung, wie nachfolgend noch näher erläutert) . Der Kühlabschnitt des Kühlelements kann im Hinblick auf eine gute Wärmeabgabe in besonderer Weise ausgestaltet sein (was z. B. die Flächengröße, die Flächengestaltung, die Flächenform (z. B. korrugiert) , die Oberflächenbeschaffenheit (z. B. rau) und/oder die Farbgebung umfassen kann) . Ergänzend können Verlängerungen, Kühlrippen oder dergleichen am Kühlabschnitt des Kühlelements angebracht sein.
Beim erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher ist gegenüber den bekannten Konzepten die Wärmeausbringung aus den zu einem Zellstapel verbauten Zellen erheblich verbessert. Es können nämlich große Wärmetauschflächen bzw. Kühlflächen zur Wärmeabgabe an die Umgebung oder an ein Temperierungsmedium bereitgestellt und genutzt werden, während z. B. bei der oben erläuterten Ausführung mit Abstandshaltern zwischen den Zellen nur verhältnismäßig kleine Flächen, nämlich die Stirnflächen der beabstandeten Zellen, zur Wärmeabgabe genutzt werden können. Ferner können die oben erläuterten Abstandshalter zwischen den Zellen entfallen, so dass bei gleicher Speicherfähigkeit (elektrische Kapazität) die axiale Baulänge eines Zellstapels reduziert werden kann (kompakterer Aufbau) oder bei gleicher Baulänge in axialer Richtung mehr Zellen angeordnet werden können (Erhöhung der Kapazität) . Beim erfindungsgemäßen Energiespeicher kann auch eine oftmals zu beobachtende Beschädigung der Zellen durch die Abstandshalter, die sich z. B. infolge von aufgebrachten Spannkräften in die Zellen hineindrücken und Schäden hervorrufen können, vermieden werden. Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form sind die Zellen als so genannte "Softpackzellen" ausgebildet, d. h. mit einer relativ dünnen und flexiblen Ummantelung (z. B. aus Kunststofffolienmaterial ) .
Ein weiterer Vorteil ist, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform eine effektive Kühlung des erfindungsgemäßen Energiespeichers nur mit Umgebungsluft bzw. einem gasförmigen Temperierungsmedium gelingt. Eine Wärmetauscherflüssigkeit, sowie Strömungsleitungen (z. B. Schläuche), Pumpen und ein Wärmetauscher für diese Wärmetauscherflüssigkeit sind somit nicht erforderlich, wodurch Gewicht, Bauraum und Kosten eingespart werden können. Gewichts-, Bauraum- und Kostenvorteile ergeben sich insbesondere für kleinere Energiespeicher mit wenigen Zellen und/oder einer geringen Kapazität, bei denen typischerweise Strömungsleitungen, Pumpen, Wärmetauscher und dergleichen in einem ungünstigen Gewichts-, Bauraum- und Kostenverhältnis stehen. Bei Kühlung mit Umgebungsluft oder einem gasförmigen Temperierungsmedium besteht zudem nicht die Gefahr, dass Wärmetauscherflüssigkeit durch Leckagen austritt, wodurch die Sicherheit erhöht wird. Die Erfindung ermöglicht somit, ohne Bauraum-, Gewichts- und/oder Kostennachteile, einen Wechsel von einem flüssiggekühlten zu einem gasgekühlten elektrochemischen Energiespeicher, mit den zuvor erläuterten Vorteilen . r
b
Beim erfindungsgemäßen elektrischen bzw. elektrochemischen Energiespeicher kann im Übrigen das wenigstens eine Kühlelement in umgekehrter Wirkweise auch der Wärmeeinbringung dienen. Hierbei können z. B. einzelne oder alle zu einem Zellstapel b zusammengefasste Zellen durch Wärmezufuhr über das wenigstens eine Kühlelement auf eine bestimmte Betriebstemperatur angewärmt oder aufgeheizt werden, um z. B. die Startleistung zu erhöhen. Ebenso ist denkbar, dass situationserforderlich sowohl eine Wärmeausbringung als auch eine Wärmeeinbringung über das we- 10 nigstens eine Kühlelement erfolgen kann. Dies kann auch in einem Regelkreis erfolgen, um z. B. die Zellen während des Betriebs in einem optimalen Temperaturbereich zu halten.
Zwischen zwei benachbarten Zellen eines Zellstapels können ein lb einzelnes Kühlelement oder mehrere Kühlelemente angeordnet sein.
Bei mehreren Kühlelementen können diese in einer Ebene seitlich nebeneinander angeordnet und/oder in einer axialen Richtung gestapelt sein, z. B. als Kühlblechpaket, wie nachfolgend noch näher erläutert. Die Kühlelemente können z. B. einen flächig 20 ausgedehnten ( "plattenförmigen" ) Wärmeleitungsabschnitt ausbilden, dessen Format an die Stirnseiten der beiderseits benachbarten Zellen angepasst ist.
Es kann vorgesehen sein, dass zwischen allen Zellen eines 2b Zellstapels jeweils wenigstens ein Kühlelement angeordnet ist (abwechselnde Stapelung) . Ferner kann vorgesehen sein, dass, ausgehend von einer Stirnseite des Zellstapels, regelmäßig nach jeder zweiten, jeder dritten, jeder vierten, usw. Zelle oder regelmäßig nach einem bestimmten Muster (z. B. 2-3-2-usw.) 30 jeweils wenigstens ein Kühlelement zwischen benachbarten Zellen angeordnet ist. Ebenso kann eine unregelmäßige Anordnung vorgesehen sein, die sich z. B. an unterschiedlichen lokalen thermischen Bedingungen orientiert. Ergänzend ist auch eine Anordnung wenigstens eines Kühlelements an wenigstens einer Stirnseite des Zellstapels möglich. Die in einem Zellstapel verbauten Kühlelemente können identisch oder verschieden ausgebildet sein und mit gleicher oder unterschiedlicher Orientierung im Zellstapel angeordnet sein.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Zellen als mehreckige und insbesondere z. B. als viereckige Flachzellen ausgebildet sind, so dass ein aus diesen Zellen durch Stapelanordnung gebildeter Zellstapel eine prismatische und insbesondere eine quaderförmige Gestalt aufweist. Je nach Ausgestaltung des Kühlelements bzw. der Kühlelemente kann der Kühlabschnitt/können die Kühlabschnitte an einer Seite oder an mehreren Seiten aus einem solchen Zellstapel herausragen .
Bei mehreren Kühlelementen ragen deren Kühlabschnitte bevorzugt an der selben Seite/den selben Seiten aus dem Zellstapel heraus. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Kühlabschnitte wech¬ selseitig nach außen geführt sind. Auch kann vorgesehen sein, dass das Kühlelement/die Kühlelemente mehrere Kühlabschnitte aufweist/aufweisen, die alle an einer Seite aus dem Zellstapel herausragen. Ebenso kann vorgesehen sein, dass das Kühlelement/die Kühlelemente wenigstens einen Kühlabschnitt auf¬ weist/aufweisen, der/die an mehreren Seiten und insbesondere über zumindest einen Teil des Umfangs oder umlaufend aus dem Zellstapel herausragt/herausragen. Daneben sind im Rahmen der Erfindung weitere Anordnungs- und Gestaltungsmöglichkeiten denkbar .
Bevorzugt weist der Kühlabschnitt eines Kühlelements bezüglich einer Draufsicht in Normalenrichtung eine viereckige und insbesondere eine rechteckige Flächenform auf. Im Rahmen der Erfindung sind auch andere Flächenformen denkbar, wie z. B. Dreiecksformen, Halbrundformen, Trapezformen usw. Über die Flächenform und/oder die Flächengröße kann u. a. die mögliche Wärmeabgabe eingestellt werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kühlabschnitt eines Kühlelements gegenüber der betreffenden Seitenfläche des Zellstapels und bezogen auf einen gemittelten Durchmesser dieses Zellstapels um 5 % bis 70 %, insbesondere um 10 % bis 50 % und insbesondere bevorzugt um 15 % bis 30 % übersteht. Dieser Überstand bezieht sich auf eine äußere Kante des Kühlabschnitts.
Es kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Wärmeleitungsabschnitt des Kühlelements und wenigstens einer angrenzenden Zelle wenigstens eine wärmeleitende und elektrisch isolierende Folie angeordnet ist, die einen direkten mechanischen Kontakt zwischen dem Kühlelement und der Zelle verhindert. Diese Folie kann z. B. als einseitige Klebefolie ausgebildet sein, die bei der Montage zumindest bereichsweise auf das Kühlelement bzw. auf dessen Wärmeleitungsabschnitt oder auf die Stirnfläche der Zelle aufgeklebt wird. Dies erleichtert auch den Zusammenbau des erfindungsgemäßen elektrischen bzw. elektrochemischen Energiespeichers. Ebenso kann es sich um eine doppelseitig klebende Folie handeln, wobei die durch eine solche Folie herbeigeführte Verklebung von Kühlelement und Zelle auch den Zusammenhalt des Zellstapels an der Verbindungsstelle herbeiführen oder zumindest unterstützen kann.
Ferner ist denkbar, dass zumindest der mit der Zelle in Kontakt kommende Wärmeleitungsabschnitt des Kühlelements mit einem elektrisch isolierenden aber gut wärmeleitenden Lack (z. B. ein Schutz- oder Isolierlack) beschichtet ist. Der Verwendung einer Folie, gegebenenfalls auch mehrerer Folien, oder eines Lacks steht nicht entgegen, dass die angrenzende Zelle als Baueinheit separat isoliert und z. B. in einer ummantelnden Kunststofffolie eingeschweißt ist (z. B. in einer "Softpack"-Ausführung der Zelle) . Bevorzugt ist ein oder sind mehrere Zuganker zum Verspannen der zu einem Zellstapel angeordneten Zellen vorgesehen. Die
Kühlelemente können jeweils mit einem oder mehreren Löchern oder Ausnehmungen derart versehen sein, dass darin die Zuganker zum Verspannen des Zellstapels eingesetzt werden können. Derartige Löcher oder Ausnehmungen können z. B. in einem Übergangsbereich zwischen dem Wärmeleitungsabschnitt und dem Kühlabschnitt (außerhalb des von den benachbarten Zellen beanspruchten Flächenbereiches) angeordnet sein, z. B. an wenigstens zwei einander entgegengesetzten Seiten des Zellstapels.
Die Wärmeabgabe über den Kühlabschnitt des Kühlelements an die Umgebung oder an ein Temperierungsmedium erfolgt typischerweise durch Konvektion (wie nachfolgend noch näher erläutert) und/oder durch Wärmestrahlung. Um die Wärmeabgabe zu verbessern, kann z. B. zumindest wenigstens ein Kühlabschnitt eines Kühlelements zumindest bereichsweise geschwärzt sein. Durch das Schwärzen kann insbesondere die Wärmeabstrahlung am Kühlabschnitt ver¬ bessert werden. Das Kühlelement kann beispielsweise aus einem Aluminiummaterial gebildet und im Bereich des Kühlabschnitts schwarz eloxiert sein. Eine Schwärzung kann aber auch durch Farbauftrag erfolgen. Eine Schwärzung kann den Kühlabschnitt auch vor etwaigen korrosiven Angriffen schützen.
Bei dem Kühlelement handelt es sich bevorzugt um ein Kühlblech, das z. B. als einstückiges Umformteil aus einem metallischen Blechmaterial gebildet sein kann. Als Blechmaterialien kommen gut wärmeleitende Metalle oder Metalllegierungen, wie z. B. Kupfer und Kupferlegierungen (auch Messing) oder Aluminium und Aluminiumlegierungen in Betracht, die als Blechhalbzeuge er¬ hältlich sind und aus denen ein Kühlblech insbesondere als Biege- und/oder Stanzteil mit einfachen Werkzeugen kostengünstig hergestellt werden kann. Neben Metallwerkstoffen kommen prinzipiell auch andere gut wärmeleitende Werkstoffe in Be¬ tracht .
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen wenigstens zwei im Zellstapel benachbart ange¬ ordneten Zellen ein Kühlblechpaket aus mehreren Kühlblechen angeordnet ist, wobei die seitlich aus dem Zellstapel her¬ ausragenden Kühlabschnitte dieser Kühlbleche unterschiedlich ausgestaltet sind. Durch den Einsatz solcher Kühlblechpakete gelingt es, nahezu ohne nachteiligen Einfluss auf den Bauraum, die Wärmeausbringung aus den zu einem Zellstapel verbauten Zellen weitergehend zu verbessern, da sowohl für die Wärmeausleitung ein größerer Leitungsquerschnitt als vor allem auch für die Wärmeabgabe (an die Umgebung oder an ein Temperierungsmedium) eine insgesamt größere Wärmetauschfläche bzw. Kühlfläche bereit¬ gestellt wird. Ein Kühlblechpaket kann 2 bis 15, bevorzugt 5 bis 10 und insbesondere bevorzugt 3 bis 7 Kühlbleche umfassen.
Eine unterschiedliche Ausgestaltung der Kühlabschnitte kann z. B. durch den Grad der Abwinklung der Kühlabschnitte gegenüber den Wärmeleitungsabschnitten erreicht werden. Indem z. B. die aus dem Zellstapel herausragenden Kühlabschnitte der zu einem Kühlblechpaket gehörenden Kühlbleche unterschiedlich abge¬ winkelt sind, kann eine fächerartige Anordnung erreicht werden, wodurch bei geringem Bauraum eine verhältnismäßig große Wärmetauschfläche bzw. Kühlfläche bereitgestellt wird. Eine solche fächerartige Anordnung kann als Kühlfächer bezeichnet werden. Bevorzugt weist ein Kühlblechpaket wenigstens einen Kühlfächer auf, der seitlich aus dem Zellstapel herausragt . Im weiteren wird diesbezüglich auf die nachfolgenden Erläuterungen mit Bezug auf die Zeichnungen verwiesen.
Eine unterschiedliche Ausgestaltung der Kühlabschnitte kann ferner auch über die Flächengröße, die Flächengestaltung (beispielsweise gekrümmte Flächenabschnitte und/oder einge¬ brachte Profilierungen) und/oder die Flächenform der Kühlabschnitte, sowie durch deren Oberflächenbeschaffenheit und/oder Farbgebung (siehe z. B. obenstehende Erläuterungen zu einem geschwärzten Kühlabschnitt ) bewerkstelligt werden . Des weiteren kann eine unterschiedliche Ausgestaltung ferner durch Verlängerungen, Steckaufsätze und/oder Kühlrippen bewerkstelligt werden, die auch unterschiedlich ausgebildet und/oder unregelmäßig angeordnet sein können. Die zuvor erläuterten Maßnahmen können miteinander kombiniert werden. Daneben sind im Rahmen der Erfindung weitere Maßnahmen denkbar.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die zu einem Kühlblechpaket gehörenden Kühlbleche gestapelt sind und in der axialen Richtung des Zellstapels (Stapelrichtung) aneinander liegen. Ein Zusammenhalt der Kühlbleche kann durch Verkleben, Verschrauben, Verspannen, Verlöten, Verschweißen oder dergleichen herbeigeführt werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass zwischen wenigsten zwei aneinanderliegenden Kühlblechen eines Kühlblechpakets wenigstens eine wärmeleitende Folie, die insbe¬ sondere eine Klebefolie sein kann (siehe hierzu die obenstehenden Erläuterungen) , eine Wärmeleitpaste, ein Filiermaterial, ein Glimmermaterial (z. B. eine Kunstglimmerfolie) oder dergleichen zum Ausgleich von Toleranzen und Unebenheiten und/oder zur Verbesserung der Wärmeleitung, sowie gegebenenfalls auch zur elektrischen Isolierung, angeordnet ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Kühlblechpaket eine vorgefertigte Bau¬ einheit ist.
Eine ebenfalls besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht mehrere Kühlelemente und/oder Kühlblechpakete vor, die unter Berücksichtigung lokaler thermischer Bedingungen unterschiedlich ausgestaltet und/oder unregelmäßig im Zellstapel angeordnet sind. Kommt z. B. ein Temperierungsmedium zum Einsatz, so kann durch die unterschiedliche Ausgestaltung und/oder unregelmäßige Anordnung von Kühlelementen und/oder Kühlblechpaketen im Zellstapel auf die zunehmende Erwärmung dieses Temperierungsmediums entlang dessen Strömungsweges reagiert werden. Ferner gelingt eine individuelle Anpassung im Hinblick auf die Wärmeausbringung aus einzelnen Zellen oder Zellgruppen (nachfolgend werden weitere Maßnahmen zur individuellen Anpassung im Hinblick auf die Wärmeausbringung aus einzelnen Zellen oder Zellgruppen erläutert, die alternativ oder sich gegenseitig ergänzend umgesetzt werden können) . Ebenso kann auf ungünstige klimatische Umgebungsbedingungen reagiert werden. Ein Ziel kann z. B. sein, das Erreichen einer einheitlichen Temperatur in den Zellen des Zellstapels zu ermöglichen .
Eine unregelmäßige Anordnung kann z. B. durch Variation der Anzahl und/oder der Verteilung von Kühlelementen und/oder Kühlblechpakten im Zellstapel erreicht werden. Eine unterschiedliche Ausgestaltung von Kühlelementen und Kühlblechpaketen kann insbesondere über die unterschiedliche Ausgestaltung von deren Kühlabschnitten erreicht werden, wozu auf die diesbezüglichen vorausgehenden Erläuterungen verwiesen wird. Eine unterschiedliche Ausgestaltung von Kühlblechpaketen kann des weiteren auch durch Variation der Anzahl von Kühlblechen im Kühlblechpaket erreicht werden.
Bevorzugt sind die zu wenigstens einem Zellstapel angeordneten Zellen eines erfindungsgemäßen elektrischen bzw. elektrochemischen Energiespeichers in einem zugehörigen Gehäuse ange¬ ordnet. Ein solches Gehäuse kann z. B. als Softcase ausgebildet sein. Bevorzugt ist ein solches Gehäuse jedoch als stabiles Hardcase ausgebildet. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Zellstapel in einem solchen Gehäuse angeordnet ist, wobei zum Zwecke der Wärmeausbringung wenigstens ein Kühlabschnitt we- nigstens eines Kühlelements das Gehäuse durchsetzend nach außen geführt ist. Der Kühlabschnitt kann also Wärme an die Umgebung oder an ein Temperierungsmedium abgeben, wobei der Zellstapel selbst im Gehäuse geschützt angeordnet ist.
Besonders bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die zu wenigstens einem Zellstapel angeordneten Zellen in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei sich wenigstens ein Kühlabschnitt wenigstens eines im Zellstapel befindlichen Kühlelements, zumindest ab¬ schnittsweise, in einen in diesem Gehäuse befindlichen bzw. in diesem Gehäuse ausgebildeten Strömungskanal für ein Tempe¬ rierungsmedium hinein erstreckt. Einerseits bietet ein solches Gehäuse, das insbesondere als stabiles Hardcase ausgebildet ist, dem Zellstapel einen guten Schutz. Andererseits wird eine gute Wärmausbringung aus dem Zellstapel ermöglicht, indem ein durch den Strömungskanal strömendes Temperierungsmedium zwangsweise am Kühlabschnitt des Kühlelements vorbeigeführt wird und hierbei durch vom Kühlabschnitt die aus dem Zellblock ausgeleitete Wärme aufnimmt .
Die Strömung des Temperierungsmediums im Strömungskanal kann eine freie Strömung sein, wobei eine solche freie Strömung durch eine geeignete und z. B. die spätere Verbaulage des Energie¬ speichers berücksichtigende Kanalführung unerstützt werden kann. Um eine Strömung des Temperierungsmediums im Strö¬ mungskanal zu erzeugen oder zu unterstützen kann auch wenigstens eine Pumpeinrichtung oder Ventilationseinrichtung vorgesehen sein, die z. B. ebenfalls im Gehäuse angeordnet sein kann. Eine zunehmende Erwärmung des Temperierungsmediums entlang des Strömungswegs kann durch die oben erläuterten Maßnahmen und/oder durch verbaute Einrichtungen zur gezielten Umlenkung und/oder Verteilung des Temperierungsmediums (wie nachfolgend noch näher erläutert) berücksichtigt werden. Es kann vorgesehen sein, dass ein solches Gehäuse mehrere Strömungskanäle für ein Temperierungsmedium aufweist. Besonders bevorzugt ist ein Aufbau, bei dem sich alle Kühlabschnitte der im Zellstapel befindlichen Kühlelemente, zumindest abschnitts¬ weise, in einen Strömungskanal oder auch in unterschiedliche Strömungskanäle hinein erstrecken. Hierfür gelten analog die vorausgehenden Erläuterungen.
Der in einem Strömungskanal zur Verfügung stehende Raum sollte optimal genutzt werden. Eine optimale Nutzung kann durch Ausgestaltung der Kühlabschnitte (was z. B. die Flächengröße, die Flächengestaltung, die Flächenform, die Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Farbgebung umfassen kann) und einer gegenseitigen Anpassung von Kühlabschnitt und Strömungskanal unter Berücksichtigung von Fertigungsmöglichkeiten und Einflüssen auf das Strömungsverhalten erfolgen. Hierbei ist gegebenenfalls ein Kompromiss erforderlich. Eine optimale
Raumnutzung kann auch durch an den Kühlabschnitten der Kühlelemente angebrachte Verlängerungen, Steckaufsätze, Kühlrippen oder dergleichen erzielt werden.
Ferner ist bevorzugt wenigstens eine Einrichtung zur Umlenkung und/oder Verteilung des Temperierungsmediums vorgesehen, die in dem Gehäuse und insbesondere in einem Strömungskanal für das Temperierungsmedium angeordnet ist. Mit einer derartigen Einrichtung kann das Temperierungsmedium z. B. zielgerichtet in Strömungskanäle gelenkt oder innerhalb eines Strömungskanals so gelenkt und/oder verteilt werden, dass jeder im Strömungskanal befindliche Kühlabschnitt anforderungsgemäß angeströmt wird oder das alle im Strömungskanal befindlichen Kühlabschnitte gleichmäßig angeströmt werden. Auch können mit einer solchen Einrichtung z. B. Druck- und Strömungsverhältnisse zielge¬ richtet eingestellt und/oder harmonisiert werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass diese Einrichtung, z. B. von einem Regler, ansteuerbar ist. Durch Verwendung von Umlenk- und/oder Verteilungseinrichtungen gelingt im übrigen auch eine individuelle Anpassung im Hinblick auf die Wärmeausbringung aus einzelnen Zellen oder Zellgruppen.
Ferner ist alternativ oder auch ergänzend der gezielte Einsatz von Pump- oder Ventilationseinrichtungen denkbar, um z. B. die Anströmung eines einzelnen Kühlabschnitts oder einer Vielzahl von Kühlabschnitten zu verbessern und/oder anforderungsgemäß anzupassen. Auch können hiermit z. B. Druck- und Strömungsverhältnisse zielgerichtet eingestellt und/oder harmonisiert werden. Solche Pump- oder Ventilationseinrichtung können, z. B. von einem Regler, ansteuerbar sein. Durch Verwendung von Pump- und Ventilationseinrichtungen kann ebenfalls eine individuelle Anpassung im Hinblick auf die Wärmeausbringung aus einzelnen Zellen oder Zellgruppen gelingen.
Gemäß einer Weiterbildung weist der erfindungsgemäße Ener¬ giespeicher wenigstens einen Latentwärmespeicher auf. Ein zusätzlich in den Energiespeicher eingebrachter Latentwärmespeicher ermöglicht z. B. vorteilhaft eine Pufferung von Wärme- und/oder Kältespitzen. Bevorzugt umfasst der Latentwärme¬ speicher ein Material, welches im relevanten Temperaturbereich thermische Energie durch einen reversiblen Phasenübergang speichern und wieder abgegeben kann. Ein solches Material ist insbesondere ein Wachsmaterial. Das Wachmaterial kann bei¬ spielsweise in Form von Wachsfolien auf wenigstens einem Kühlelement oder Kühlfächer (hierfür eignen sich insbesondere die Zwischenräume zwischen den benachbarten Kühlabschnitten) aufgebracht oder in dafür vorgesehene Zwischenräume (z. B. im Bereich des Wärmeleitungsabschnitts) in einem Kühlblechpaket eingebracht sein. Bei Überschreiten einer kritischen Temperatur schmilzt dieses Wachsmaterial und nimmt dabei Wärmeenergie auf, wodurch z. B. eine kurzzeitige Überhitzung von Zellen verhindert werden kann. Solche Latentwärmespeicher können auch nur in kritischen Bereichen wie beispielsweise lediglich im Bereich von thermisch besonders gefährdeten Zellen eingesetzt werden.
Die Lösung der obenstehenden Aufgabe erstreckt sich auch auf eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybrid- oder Elektroantrieb, die wenigstens einen erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher umfasst. Eine solche
Traktionsbatterie dient hauptsächlich als Energiequelle für den Antrieb des Kraftfahrzeugs. Die Nenn-Betriebsspannung kann z. B. mehr als 100 V betragen (z. B. im Bereich von einigen 100 V) . Der betriebsmäßig maximal fließende Strom kann z. B. im Bereich von etwa 100 A bis 300 A liegen, wobei kurzzeitig auch höhere Spitzenströme (z. B. bis etwa 1000 A) nicht ausgeschlossen sind.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen schematisch und nicht maß- stabsgerecht dar:
Fig. 1 eine Zelle in einer Vorderansicht und in einer
Schnittansieht ;
Fig. 2 ein einzelnes Kühlelement in einer perspektivischen
Vorderansicht und mehrere unterschiedlich ausge¬ bildete Kühlelemente in einer Draufsicht;
Fig. 3 die Verbindung einer Zelle mit mehreren Kühlelementen in einer perspektivischen Vorderansicht und in einer Draufsicht;
Fig. 4 mehrere Ausgestaltungsmöglichkeiten von Kühlfä- ehern in einer Draufsicht; Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers in einer
Draufsicht ;
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers in einer Draufsicht;
Fig. 7 eine Schnittansicht des elektrochemischen Energiespeichers aus Fig. 6; und
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers in einer Draufsicht.
Fig. la zeigt in einer Vorderansicht eine insgesamt mit 10 bezeichnete Zelle in Flachbauweise. Bei der Zelle 10 handelt es sich um eine elektrochemische Batteriezelle, die beispielsweise als Lithium-Ionen-Zelle ausgeführt sein kann. Die Zelle 10 umfasst standardmäßig zwei Elektroden 11 (Anode und Kathode) und einen zwischen den Elektroden 11 befindlichen Separator, die in einer Ummantelung 12 aus einem Folienmaterial eingeschweißt sind (so genannte "Softpackzelle" ) . Mit 13 und 14 sind die An¬ schlussfähnchen der Elektroden 11 bezeichnet, die ausgehend von den Elektroden 11 durch die Ummantelung 12 hindurch nach außen geführt sind und die der elektrischen Kontaktierung der Zelle 10 dienen. Mit 15 ist die in der Figur sichtbare Stirnfläche der Zelle 10 bezeichnet.
Fig. lb zeigt einen Schnitt durch die Zelle 10 gemäß dem in Fig. la angegebenen Schnittverlauf A-A. Die im Inneren der Zelle 10 befindliche Elektrolytlösung ist schraffiert dargestellt und mit 16 bezeichnet. Die ebenfalls im Inneren der Zelle 10 befindlichen Elektroden und der Separator sind in Fig. lb nicht dargestellt. Ein erfindungsgemäßer elektrochemischer Energiespeicher umfasst eine Vielzahl solcher Zellen 10, die in einer Stapelanordnung zumindest zu einem Zellstapel zusammengefasst sind. Zwischen wenigstens zwei im Zellstapel benachbarten Zellen 10 ist we- nigstens ein Kühlelement angeordnet, welches der Wärmeaus¬ bringung von im Zellstapel freigesetzter Wärme dient. Hierzu weist ein solches Kühlelement einen zwischen den Zellen 10 befindlichen Wärmeleitungsabschnitt und wenigstens einen seitlich (d. h. quer zur Stapelrichtung des Zellstapels) aus dem Zellstapel herausragenden Kühlabschnitt auf. Nachfolgend wird mit Bezug auf Fig. 2 ein solches Kühlelement in einer bevorzugten Aus führungs form näher erläutert.
Fig. 2a zeigt ein insgesamt mit 20 bezeichnetes Kühlelement. Bei dem Kühlelement 20 handelt es sich um ein einstückiges Umformteil aus einem metallischen Blechmaterial. Das Kühlelement 20 kann insofern auch als Kühlblech bezeichnet werden. Im weiteren wird daher die Bezeichnung Kühlblech verwendet. Das Kühlblech 20 umfasst einen zentralen rechteckigen Flächenabschnitt 21, der als Wärmeleitungsabschnitt dient, wie nachfolgend noch näher erläutert . Das Kühlblech 20 umfasst ferner zwei kleinere seitliche Flächeabschnitte 23 und 25, die sich an gegenüberliegenden Seiten des zentralen Flächenabschnitts 21 flügelartig anschließen. Die seitlichen Flächenabschnitte 23 und 25 dienen als Kühlabschnitte, wie nachfolgend noch näher er¬ läutert. Mit 26 sind mehrere Löcher im zentralen Flächenabschnitt 21 zur Durchführung von Zugankern für das Verspannen des Zellstapels bezeichnet. Neben der gezeigten Kreisform können die Löcher 26 in jeder anderen Form, die insbesondere an den durchzuführenden Zuganker angepasst ist, ausgeführt werden.
Die beiden symmetrisch ausgebildeten seitlichen Flächenabschnitte 23 und 25 sind entlang von geraden Biegelinien 22 und 24 gegenüber dem zentralen Flächenabschnitt 21 symmetrisch und in derselben Richtung abgewinkelt. Die seitlichen Flächenabschnitte 23 und 25 können auch unsymmetrisch ausgebildet, unsymmetrisch abgewinkelt und/oder in unterschiedlichen
Richtungen abgewinkelt sein. Auch sind gekrümmte Biegelinien denkbar. Ferner können die seitlichen Flächeabschnitte 23 und 25 auch eine andere Flächenform als die gezeigte Rechteckform aufweisen. Des weiteren können die seitlichen Flächenabschnitte 23 und 25 auch mit einer Wölbung oder sonstigen räumlichen Formgebung ausgebildet sein (vgl. Fig. 4b, 4d und 4e) . Ebenso ist denkbar, dass sich die seitlichen Flächenabschnitte 23 und 25 auch an anderen Seiten (gegebenenfalls auch nur an einer Seite) des zentralen Flächenabschnitts 21 anschließen und/oder nur abschnittsweise entlang einer Seite des zentralen Flächenab- Schnitts 21 ausgebildet sind. Daneben sind im Rahmen der Er¬ findung weitere Anordnungs- und Gestaltungsmöglichkeiten denkbar .
Fig. 2b zeigt in einer Draufsicht, gemäß der in Fig. 2a an- gegebenen Blickrichtung B, mehrere Kühlbleche 20-1 bis 20-4, deren seitliche Flächeabschnitte in unterschiedlichem Maße abgewinkelt sind. Das in Fig. 2b linke Kühlblech 20-1 ist ohne Abwinklung ausgebildet und das ganz rechte Kühlblech 20-4 ist beispielhaft mit einer Abwinklung von etwa 45° ausgebildet.
Die Kühlbleche 20-1 bis 20-4 können aus einem Blechmaterial mit einfachen Werkzeugen kostengünstig als einstückige Stanz- und Biegeteile hergestellt werden. Die unterschiedliche Abwinklung der seitlichen Flächenabschnitte (Kühlflächen) kann z. B. durch einfache Werkzeug- und/oder Verfahrensanpassungen beim Biegen erreicht werden. Mit einem Stanzprozess können gewünschtenfalls auch die Löcher 26 in einfacher Weise ausgebildet werden. Die Kühlbleche können auch mehrstückig ausgebildet sein, wobei die einzelnen Flächenabschnitte z. B. miteinander verpresst, verlötet, verschweißt und/oder verklebt sein können.
In Fig. 3a ist gezeigt, wie mehrere Kühlbleche 20 mit unter- schiedlich abgewinkelten seitlichen Flächenabschnitten 23 und 25 durch Stapelung zu einem Kühlblechpaket 30 zusammengefasst und mit einer Zelle 10 verbunden werden können. Die Verbindung mit der Zelle 10 erfolgt derart, dass die Stirnfläche 15 der Zelle 10 flächig am zentralen Flächeabschnitt 21 des angrenzenden Kühlblechs anliegt. Es kann vorgesehen sein, dass zwischen der Zelle 10 und dem unmittelbar angrenzenden Kühlblech eine wärmeleitende und elektrisch isolierende Folie angeordnet wird, die einen direkten mechanischen Kontakt zwischen diesem
Kühlblech und der Zelle 10 verhindert. Folien oder dergleichen können auch zwischen den Kühlblechen, die das Kühlblechpaket 30 bilden, angeordnet sein.
Zur Herstellung eines Zellstapels werden mehrere Zellen 10 und Kühlbleche 20 und/oder vorgefertigten Kühlblechpakete 30 ab- wechselnd oder in einer definierten Abfolge in einer Stapelanordnung zusammengefasst und mit Zugankern 40 verspannt, wie in Fig. 3b gezeigt. (Zum Zwecke der Veranschaulichung stimmen die in Fig. 3a gezeigten Abwinklungen der seitlichen Flächenabschnitte 23 und 25 an den Kühlblechen 20 nicht mit den in den Fig. 2b und 3b gezeigten Abwinklungen überein) . In einfacher und schnell auszuführender Weise werden hierzu die Zellen 10 und die Kühlbleche 20 und/oder die Kühlblechpakete 30 auf die Zuganker 40 aufgeschoben und nachfolgend verspannt, wobei die Kühlbleche 20 und/oder die Kühlblechpakete 30 zwischen den Zellen 10 eingeklemmt und auf diese Weise beschädigungsfrei fixiert werden. Durch das Einklemmen wird ferner ein für die Wärmeübertragung zwischen der Zelle 10 und dem Kühlblech 20 bzw. dem Kühlblechpaket 30 förderlicher Flächenberührungskontakt her¬ beigeführt. An den Stirnseiten des Zellstapels können Druck- platten oder Druckstücke vorgesehen sein, die den Zugankern als Widerlager dienen (vgl. Fig. 5) .
Die Kühlbleche 20 und/oder die aus den Kühlblechen 20 zusam- mengesetzten Kühlblechpakete 30 dienen dazu, die beim Aufladen und Entladen in den Zellen 10 des Zellstapels freigesetzte Wärme auszubringen. Hierbei fungieren die zentralen Abschnitte 21 der Kühlbleche 20 als Wärmeleitungsabschnitte, die die im Inneren des Zellstapels freigesetzte Wärme durch Berührungskontakt auf- nehmen und nach außen transportieren, während die aus dem
Zellstapel herausragenden seitlichen Flächenabschnitte 23 und 25 der Kühlbleche 20 als Kühlabschnitte fungieren, über die die nach außen transportierte Wärme an die Umgebung oder an ein Temperierungsmedium abgegeben wird. Dies kann anschaulich anhand der Fig. 3b nachvollzogen werden. Die Wärmeabgabe über die Kühlabschnitte 23 und 25 erfolgt durch Wärmeleitung bzw.
Konvektion und/oder Wärmestrahlung.
In Fig. 3b ist ferner gut zu erkennen, dass die unterschiedlichen Abwinklungen der seitlich aus dem Zellstapel herausragenden
Kühlabschnitte 25-1 bis 25-4 der zu dem Kühlblechpaket 30 zusammengefassten Kühlbleche 20-1 bis 20-4 (siehe Fig. 2b) zu einer fächerartige Anordnung 31 dieser Kühlabschnitte führt.
Hierdurch wird bei geringem Bauraum eine verhältnismäßig große Wärmetauschfläche bzw. Kühlfläche bereitgestellt. Im weiteren wird für eine solche fächerartige Anordnung 31 die Bezeichnung
Kühlfächer verwendet.
In Anlehnung an die Darstellung in Fig. 3b zeigen die Fig. 4a, 4b, 4d und 4e andere Ausgestaltungsmöglichkeiten für die
Kühlabschnitte von zu einem Kühlblechpaket 30 zusammengefassten Kühlblechen (darunter auch gewölbte Ausführungen) . Hiermit ergeben sich ebenso fächerartige Anordnungen bzw. Kühlfächer 31a, 31b, 31c und 31e, mit denen bei geringem Bauraum eine verhältnismäßig große Wärmetauschfläche bzw. Kühlfläche be¬ reitgestellt werden kann.
Fig. 4c zeigt eine Aus führungs form mit einem einzelnen nicht abgewinkelten Kühlblech 20c, bei der eine Vergrößerung der Wärmetauschfläche bzw. Kühlfläche des dargestellten Kühlab¬ schnitts 25c durch profilierte Aufsätze 27c erreicht wird. Die Aufsätze 27c können z. B. am Kühlabschnitt 25c angelötet, angeschweißt und/oder angeklebt sein.
Fig. 5 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 100 mit einem Zellstapel, der mehrere miteinander verspannte Zellen 10 (gemäß Fig. 1) umfasst. Der Zellstapel wird durch Verspannen mit mehreren Zugankern 40 zusammengehalten (vgl. z. B. auch Fig. 3b) . Mit 50 sind Druckstücke bzw. Druckplatten bezeichnet, die an den Stirnseiten des Zellstapels angeordnet sind und die als Wi¬ derlager für die Zuganker 40 dienen. Ergänzend kann eine Verklebung vorgesehen sein. Mit 60 sind Kontaktelemente bezeichnet, die die Zellen 10 elektrisch verbinden. Hierzu sind die Kontaktelemente 60 mit den Anschlussfähnchen 13 und 14 der Zellen 10 verschweißt, verlötet und/oder verklemmt. Die Polklemmen 70 sind an den Drückstücken 50 abgestützt. Der elektrische
Energiespeicher 100 ist als selbstragende Konstruktion ausgeführt (dies gilt auch für die nachfolgend erläuterten Aus- führungsbeispiele ) .
Zwischen den im Zellstapel benachbarten Zellen 10 ist jeweils ein Kühlblechpaket 30 aus mehreren Kühlblechen angeordnet. Die Kühlbleche der Kühlblechpakete 30 weisen jeweils zwei Kühl- abschnitte auf (vgl. Fig. 2 und 3) die an gegenüberliegenden Seiten seitlich (d. h. quer zur axialen Erstreckung bzw.
Stapelrichtung des Zellstapels) aus dem Zellstapel herausragen und Kühlfächer 31 ausbilden, wie obenstehend erläutert. Die beim Laden und Entladen der Zellen 10 im Inneren des Zellstapels freigesetzte Wärme wird durch Wärmeleitung in den Kühlblechen bzw. Kühlblechpaketen 30 von innen nach außen transportiert und dort über die Kühlfächer 31 an die Umgebung abgegeben. Die Wärmeabgabe kann z. B. durch freie Konvektion erfolgen. Um die Wärmeabgabe zu verbessern, können die Kühlfächer 31 auch gezielt angeströmt werden, um eine erzwungene Konvektion zu erreichen. Ferner lässt sich die Wärmeabgabe durch Schwärzen der Kühlabschnitte verbessern.
Durch eine unterschiedliche Ausgestaltung und/oder eine unregelmäßige Anordnung der Kühlbleche 20 oder Kühlblechpakete 30 im Zellstapel kann auf unterschiedliche lokale thermische Bedingungen reagiert werden. Ferner kann eine individuelle Anpassung im Hinblick auf die Wärmeausbringung aus einzelnen Zellen 10 oder Zellgruppen ermöglicht werden.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Energiespeichers 100, bei dem der Zellstapel (gemäß dem in Fig. 5 gezeigten Aufbau) in einem Gehäuse 80 angeordnet ist. Das Gehäuse 80 weist zwei Strömungskanäle 81 und 82 für ein Tem¬ perierungsmedium auf. Mit 84 ist ein Auslass für das Tempe¬ rierungsmedium bezeichnet.
Die seitlich aus dem Zellstapel herausragenden Kühlfächer 31 erstrecken sich in die Strömungskanäle 81 und 82 hinein. Indem ein durch die Strömungskanäle strömendes wärmeabführendes Temperierungsmedium zwangsweise an den Kühlabschnitten der Kühlfächer 31 vorbeigeführt wird, kann eine sehr gute Wärme¬ übertragung an das Temperierungsmedium erreicht werden. Die Strömungskanäle 81 und 82 können durch Trennwände 89 unterteilt sein (siehe Strömungskanal 82), was in mehrerlei Hinsicht zweckmäßig sein kann. Beispielsweise kann hierdurch eine Harmonisierung der Strömung erreicht werden. Ferner kann hierüber z. B. auch eine individuelle Anpassung im Hinblick auf die Wärmeausbringung aus einzelnen Zellen 10 oder Zellgruppen ermöglicht werden.
Fig. 7 zeigt einen Schnitt gemäß dem in Fig. 6 angegebenen Schnittverlauf C-C, der den Blick in den Strömungskanal 82 freigibt. Die Zuführung des Temperierungsmediums erfolgt über den untenliegenden Einlass 83. Im Einlassbereich des Gehäuses 80 ist eine Ventilationseinrichtung 85 zur Erzeugung einer Strömung angeordnet. Eine solche Ventilationseinrichtung kann alternativ oder ergänzend auch an anderer Stelle außerhalb des Gehäuses 80 oder im Gehäuse 80, z. B. im Auslassbereich, angeordnet sein. Dem Einlass 83 schließt sich in Strömungsrichtung des Temperie¬ rungsmediums ein Verteilbereich (Verteiler) 87 an.
Im Verteilbereich 87 sind mehrere Umlenk- und/oder Verteileinrichtungen in Form von Leitblechen 86 angeordnet, die hier beispielhaft dafür sorgen, dass der in der Figur sichtbare Strömungskanal 82 gleichmäßig mit dem Temperierungsmedium beaufschlagt wird. Derartige Umlenk- und/oder Verteileinrichtungen können mit verschiedenen Zielsetzungen auch an anderen Stellen im Gehäuse 80 angeordnet sein. Beispielsweise kann hiermit auch eine Vereinheitlichung von Strömungs- und/oder Druckverhältnissen herbeigeführt werden. Ferner kann eine individuelle Anpassung im Hinblick auf die Wärmeausbringung aus einzelnen Zellen 10 oder Zellgruppen ermöglicht werden.
Das durch den sichtbaren Strömungskanal 82 strömende Tempe¬ rierungsmedium wird zwangsweise an den Kühlfächern 31
vorbeigeführt, die im Strömungskanal 82 eine Art Kühlfeld ausbilden, was sehr gut aus Fig. 7 ersichtlich ist. Die
Durchströmung des Strömungskanals 82 ist in der Figur mit mehreren Pfeilen angedeutet. Hierbei geben die Kühlabschnitte der Kühlfächer 31 die aus dem Inneren des Zellstapels ab- transportierte Wärme an das vorbeiströmende Temperierungsmedium ab, das in der Folge erwärmt wird. Um der zunehmenden Erwärmung des Temperierungsmediums beim Durchströmen des Strömungskanals 82 Rechnung zu tragen, kann bei einem erfindungsgemäßen
Energiespeicher vorgesehen sein, dass die Kühlfächer 31 in Strömungsrichtung mit zunehmend größer werdenden Wärmetauschflächen bzw. Kühlflächen ausgebildet sind. Für den in Fig. 7 nicht sichtbaren Strömungskanal 81 gelten die vorausgehenden Ausführungen analog.
Das in den Strömungskanälen 81 und 82 aufgewärmte Temperie¬ rungsmedium sammelt sich in einem Sammelbereich (Sammler) 88 an und wird von dort dem Auslass 84 zugeführt. Vorteilhaft ist der Einlass 83 untenliegend und der Auslass 84 obenliegend ange¬ ordnet, um einen aus der Erwärmung des Temperierungsmediums folgenden Sogeffekt (Kamineffekt) auszunutzen, was die Effizienz erhöht. Gegebenenfalls kann sogar auf eine Ventilationsein¬ richtung 85 verzichtet werden, woraus sich Gewichts-, Bauraum- und Kostenvorteile ergeben. Der Auslass 84 und bevorzugt auch der Sammler 88 sind mit verhältnismäßig großen Querschnitten ausgebildet, um günstige Strömungsverhältnisse zu schaffen und insbesondere um Staudrücke im Temperierungsmedium zu vermeiden.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Energiespeichers 100. Die zwischen den Zellen 10 angeordneten Kühlelemente 20 sind, beispielsweise aus einem Blechmaterial, derart ausgebildet, dass diese Hohlkammern aufweisen. Diese Hohlkammern können mit Luft (wie in Fig. 8 gezeigt) oder aber auch mit einem wärmeleitenden Medium gefüllt sein. Die Kühlelemente 20 können auch ohne Hohlkammern, z. B. als einfache Blechabschnitte, ausgebildet sein. Die lediglich beispielhaft an einer Seite aus dem Zellstapel herausgeführten Kühlabschnitte der Kühlelemente 20 sind thermisch leitend mit wenigstens einem Kühlkörper 28 verbunden, der auf der vom Zellstapel abgewandeten Seite mit einer Vielzahl von Kühlrippen 29 versehen ist.
Die Verbindungen zwischen den Kühlelementen 20 und dem Kühlkörper 28 können z. B. durch Verpressen, Verlöten, Verschweißen und/oder Verkleben erfolgen. Der Kühlkörper 28 kann, z. B. als Gussteil, einstückig mit den Kühlrippen 29 ausgebildet sein. Ebenso ist denkbar, dass die Kühlrippen 29 als Blechteile ausgebildet und nach wenigstens einem der vorausgehend genannten Fügeverfahren am plattenartigen Kühlkörper 28 befestigt sind. Ferner ist denkbar, dass die Kühlelemente 20, der Kühlkörper 28 und die Kühlrippen 29 einstückig, z. B. als Gussteil, ausgebildet sind . Zur Montage bzw. für den Zusammenbau des gezeigten Zellstapels können die Zellen 10 in die zwischen den Kühlelementen 20 kammartig ausgebildeten Zwischenräume eingeschoben werden. Um dieses Einschieben zu erleichtern und hierbei eine Beschädigung der Zellen 10 zu vermeiden, können die Kühlelemente 20 an ihren vom Kühlkörper 28 wegweisenden Enden verrundet ausgebildet sein.
Ein erfindungsgemäßer elektrischer Energiespeicher 100 lässt sich einfach und schnell zusammenbauen. Beim Zusammenbau können ohne größeren Aufwand individuelle Vorgaben (z. B. Baumaße, Kapazitäten, Kühlleistungen, etc.) und/oder sonstige gegebene Anforderungen (z. B. thermische Umgebungsbedingungen) durch Anpassung und Variation der zu verbauenden Komponenten berücksichtigt werden. Die Erfindung ermöglicht somit die
Schaffung eines Baukasten-Systems zur Herstellung von elekt- rischen und insbesondere elektrochemischen Energiespeichern der eingangs genannten Art.

Claims
Elektrischer Energiespeicher (100), insbesondere elektrochemischer Energiespeicher, mit mehreren zu wenigstens einem Zellstapel angeordneten Zellen (10), dadurch ge kennze ichnet, dass zwischen wenigstens zwei im Zellstapel benachbarten Zellen (10) wenigstens ein Kühlelement (20) angeordnet ist, wobei dieses Kühlelement (20) einen zwischen den Zellen (10) befindlichen Wärmeleitungsabschnitt (21) und wenigstens einen seitlich aus dem Zellstapel herausragenden Kühlabschnitt (23; 25) aufweist.
Elektrischer Energiespeicher (100) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen dem Wärmeleitungsabschnitt (23; 25) des Kühlelements (20) und wenigstens einer angrenzenden Zelle (10) wenigstens eine wärmeleitende und elektrisch isolierende Folie angeordnet ist, die einen direkten mechanischen Kontakt zwischen dem Kühlelement (20) und der Zelle (10) verhindert.
Elektrischer Energiespeicher (100) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zumindest der Kühlabschnitt (23; 25) des Kühlelements (20) geschwärzt ist .
Elektrischer Energiespeicher (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Kühlelement (20) wenigstens ein Kühlblech aus einem metallischen Blechmaterial umfasst. Elektrischer Energiespeicher (100) nach Anspruch 4, dadurch ge kennze ichnet, dass zwischen wenigstens zwei im Zellstapel benachbart angeordneten Zellen (10) ein Kühlblechpaket (30) aus mehreren Kühlblechen (20) angeordnet ist, wobei die seitlich aus dem Zellstapel herausragenden Kühlabschnitte (23; 25) dieser Kühlbleche (20) unter¬ schiedlich ausgestaltet sind.
Elektrischer Energiespeicher (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kühlelemente (20) und/oder Kühlblechpakete (30) vorgesehen sind, die unter Berücksichtigung lokaler thermischer Bedingungen unterschiedlich ausgestaltet und/oder unregelmäßig im Zellstapel angeordnet sind.
Elektrischer Energiespeicher (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadur ch g e ke nn z e i chne t, dass die zu wenigstens einem Zellstapel angeordneten Zellen (10) in einem Gehäuse (80) angeordnet sind, wobei sich wenigstens ein Kühlab¬ schnitt (23; 25) wenigstens eines Kühlelements (20) in einen im Gehäuse (80) ausgebildeten Strömungskanal (81; 82) für ein Temperierungsmedium hinein erstreckt.
Elektrischer Energiespeicher (100) nach Anspruch 7, dadur ch ge kenn z e i chne t, dass dieser wenigstens eine Einrichtung (86) zur Umlenkung und/oder Verteilung des Temperierungsmediums aufweist.
9. Elektrischer Energiespeicher (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, da du r c h g e k e nn z e i c hn e t, dass ein oder mehrere Zuganker (40) zum Verspannen der zu einem Zellstapel angeordneten Zellen (10) vorgesehen ist/sind.
10. Elektrischer Energiespeicher (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadur ch ge kenn z e i chne t, dass dieser wenigstens einen Latentwärmespeicher zur Pufferung von Wärme- und/oder Kältespitzen aufweist.
11. Elektrischer Energiespeicher (100) nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Latentwärmespeicher aus einem Wachsmaterial gebildet ist, welches thermische Energie durch einen reversiblen Pha¬ senübergang speichern und wieder abgegeben kann.
12. Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybrid¬ oder Elektroantrieb, umfassend wenigstens einen elektri¬ schen Energiespeicher (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche .
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