WO2016045855A1 - Ausgleichsvorrichtung und akkumulatormodul mit derselben - Google Patents

Ausgleichsvorrichtung und akkumulatormodul mit derselben Download PDF

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WO2016045855A1
WO2016045855A1 PCT/EP2015/068052 EP2015068052W WO2016045855A1 WO 2016045855 A1 WO2016045855 A1 WO 2016045855A1 EP 2015068052 W EP2015068052 W EP 2015068052W WO 2016045855 A1 WO2016045855 A1 WO 2016045855A1
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spring element
pressure plates
pressure
balancing device
stacking direction
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PCT/EP2015/068052
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Ingo Kerkamm
Reiner Ramsayer
Markus Kohlberger
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a compensating device according to the
  • the preamble of claim 1 for heat transfer and for compensating for expansion of stacked accumulator cells in the stacking direction in an accumulator module having at least one spring element and at least two
  • the present invention further relates to an accumulator module, in particular a solid-state accumulator module with a compensating device according to the invention.
  • accumulators such as, for example, lithium ion accumulators are known. Due to their high energy density, thermal stability and their very low memory effect, they are now widely used in mobile electronic devices.
  • Batteries with liquid electrolyte there are also accumulators with solid electrolyte, so-called solid state batteries.
  • solid state batteries In the case of lithium-ion accumulators, these are, for example, modern lithium-air batteries or solid-state accumulators with intercalation or
  • Conversion cathode material are characterized in particular by their particularly high energy density.
  • current lithium ion solid state batteries as a secondary battery for automobiles may have an energy density of more than 400Wh / kg.
  • solid-state accumulators have the safety-relevant advantage that they have no liquid electrolyte.
  • Cathode active material and electronic conductivity additive e.g.
  • Carbon-based) existing accumulator cells during a charging relatively strong (geometric) expand and shrink accordingly during a discharge process. That is, conditioned by their internal structure and their
  • solid state accumulators such as lithium-ion solid-state accumulators compared to known lithium-ion cells with liquid electrolyte increased
  • Expansion or shrinkage during charging and discharging of the battery cell when the anode is a pure lithium foil or pure lithium metal is used. Depending on the cell structure, this can be in the range of 10 to 40% elongation.
  • JP H08-321329 it is proposed to provide a partially wave-shaped heat dissipation plate between two battery cells.
  • This is proposed to provide a partially wave-shaped heat dissipation plate between two battery cells.
  • This is proposed to provide a partially wave-shaped heat dissipation plate between two battery cells.
  • This is proposed to provide a partially wave-shaped heat dissipation plate between two battery cells.
  • This is proposed to provide a partially wave-shaped heat dissipation plate between two battery cells.
  • This is proposed to provide a partially wave-shaped heat dissipation plate between two battery cells.
  • This is proposed to provide a partially wave-shaped heat dissipation plate between two battery cells.
  • This is proposed to provide a partially wave-shaped heat dissipation plate between two battery cells.
  • This is proposed to provide a partially wave-shaped heat dissipation plate between two battery cells.
  • This is proposed to provide a partially wave-shaped heat dissipation plate between two battery
  • Part firmly connected and has such flexibility that it can adapt to the shape of the wave-shaped part and press in at a pressurization. That is, when the wave-shaped part deforms, it also deforms the plate-shaped part.
  • the object of the present invention to at least partially avoid the disadvantages described above in the case of an accumulator module, in particular in the case of a solid-state accumulator module.
  • Accumulator module and in each case vice versa, so that with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always reciprocal reference is or can be.
  • the invention is not limited to lithium-ion batteries or solid-state accumulators.
  • Balancing device for heat transport and for compensation of an expansion of stacked accumulator cells in the stacking direction provided in an accumulator module with at least one spring element and at least two pressure plates, wherein the at least one spring element between the at least two pressure plates is received and the spring element at a pressurization in the stacking direction relative to at least one Pressure plate is movable. That the spring element is movable relative to at least one pressure plate means that at least a part of the spring element relative to
  • Pressure plate essentially orthogonal to it, shifts.
  • the spring element is preferably applied to at least one of the pressure plates and in particular is frictionally movable relative to the at least one pressure plate.
  • pressure plates can be provided, which are particularly suitable for homogenizing the force transmission during expansion or shrinkage and for planar introduction of the force into the accumulator cell or the accumulator module.
  • the serve is particularly suitable for homogenizing the force transmission during expansion or shrinkage and for planar introduction of the force into the accumulator cell or the accumulator module.
  • Pressure plates to increase the rigidity of the overall construction. Furthermore, it is provided to make the cooling or heating of the battery cells via the pressure plates. For the homogenization of the
  • the printing plates for weight reduction from a plastic, which may be provided with additives to increase the thermal conductivity, e.g. a metal or a ceramic provided.
  • a plastic which may be provided with additives to increase the thermal conductivity, e.g. a metal or a ceramic provided.
  • the printing plates Under the necessary condition that the printing plates are suitable for homogeneous transmission of force, they can also be designed as thin films (for example ⁇ 1 mm) which can be used as a band through the
  • the spring element may extend beyond the pressure plates at a pressurization.
  • the spring element can be made of any spring material.
  • plastics for the spring element are conceivable.
  • Balancing device preferably at least two opposing and connected to the spring element profiles with projections and recesses, which are arranged offset and configured so that when a pressure in the stacking direction, the projections of one profile move frictionally in the recesses of the other profile and the profiles move relative to each other.
  • the direction of the transmission can be varied depending on the design of the profiles or their projections and recesses.
  • the profile may be designed, for example, as a sawtooth or wave-shaped. Depending on the slope of the tooth edges, a higher or lower resistance can be set. In a wave-shaped configuration of the profiles, a non-linear
  • the spring element and the at least two pressure plates may be formed in one piece, of uniform material and / or monolithic.
  • the spring element and the pressure plates are not provided as separate units and then connected to each other, but are made for example of an endless belt, which fulfills by appropriate forming or folding both the function of the spring element and the function of the printing plates.
  • This has the advantage that an otherwise necessary assembly step can be saved and thus a more cost-effective compensation device can be provided.
  • Such a one-piece compensating element can also be particularly easily placed between the battery cells, since the spring element is always located at the predetermined correct position relative to the printing plates in between.
  • At least one of the pressure plates has an internal cooling or heating structure through which, in particular, a cooling or heating medium can be guided. It can
  • channels in the printing plates closed with a liquid medium such as water or oil, or be performed open with a gaseous medium such as air.
  • Spring element comprise an electrically conductive material.
  • cells can be heated by an electric current in the spring element or in the entire compensation element when the spring element is actively energized and thus forms a resistance heater.
  • the current can, for example, in one of the two
  • This embodiment also provides a particularly effective cooling or heating structure, in which the cooling or heating of the battery cells can be actively better controlled than with compensation systems with spring elements that theirdetial. Heating properties immutable given by their material composition.
  • Compensation device be designed such that it can be used between at least three battery cells. Similar to the previous one
  • the entire pressure plate and spring element structure of the accumulator module can thus be produced in one piece. This can then be set very quickly and easily in a corresponding accumulator module, so that subsequently only the individual accumulator cells must be inserted in between.
  • the accumulator modules can be assembled faster and the assembly and alignment process is reduced
  • Spring element can be replaced quickly and easily in the event of malfunction, without replacing, for example, the printing plates with. Furthermore, it is also conceivable to equip the accumulator module as required with differently shaped spring elements at different locations between the accumulator cells.
  • Compensation device having a stamped plate which forms a pressure plate and the at least one spring element.
  • a stamped plate is very easy to produce and preferably in particular the cooling or heating with a gaseous medium, such as air, since the at least one spring element acts as a cooling or heating rib.
  • a plurality of spring elements are partially cut out of the stamped plate, so that these spring elements are evenly distributed to the pressure plate over this.
  • an accumulator module in particular a solid-state accumulator module, with a plurality of
  • the accumulator cells can be configured as a solid-state Li-ion battery / accumulator module which has at least one (or all) anode as a pure lithium foil and / or lithium metal.
  • Fig. 1 is a schematic view of a first embodiment of the
  • Fig. 3 is a schematic view of a third embodiment of
  • Fig. 4 is a plan view and a sectional side view of a
  • Fig. 5 is a schematic view of a fourth embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 to 5 Elements with the same function and mode of operation are each provided in FIGS. 1 to 5 with the same reference number.
  • FIG. 1 schematically illustrates a compensation device 10 according to the invention in an accumulator module 100.
  • the illustrated in Figure 1 is a compensation device 10 according to the invention in an accumulator module 100. The illustrated in Figure 1
  • Compensating device 10 essentially has two pressure plates 14 and the spring element 12 sandwiched between them.
  • printing plates 14 are preferably arranged as a separate component to the respective battery cells 110, but can also be used as part of Accumulator cells are provided.
  • pressure is applied in the stacking direction D (see arrow)
  • the spring element 12 is compressed in the stacking direction D and correspondingly extends in the direction orthogonal to the stacking direction. In this case, the spring element 12 moves in the direction orthogonal to
  • FIG. 2 shows a compensating device 10 according to a second embodiment
  • Compensating device 10 at least two opposite and connected to the spring element 12 profiles 20, 22 with projections 24 and
  • the profiles have at least one side with a wave-shaped or sawtooth-shaped region.
  • the profiles 20, 22 are offset and arranged such that at a pressurization in the stacking direction D, the projections 24 of one profile move frictionally in the recesses 26 of the other profile and the profiles 20, 22 thereby move relative to each other.
  • the spring element 12 shown in Figure 2 need not necessarily be designed C-shaped, but may also have any other shape that is suitable for resilient storage and connecting the two profiles 20, 22.
  • the slope (translation x x ') can be done by adjusting the profile geometry.
  • a rear side of a sawtooth profile 20 is connected to a pressure plate 14.
  • This connection can be made for example by means of welding, soldering, gluing or another non-positive connection method.
  • the two profiles 20, 22, the spring element 12 and the one pressure plate 14 in one piece, so as a single, monolithic unit, are provided. It is crucial that at least part of the
  • FIG. 3 shows a compensating device 10 according to a third embodiment of the present invention.
  • both the spring element 12 and the pressure plate 14 are provided in the form of a stamped plate, for example as a stamped and bent part.
  • a plurality of spring elements 12 are known as the
  • the corresponding punching process can be carried out with known in the prior art punching tools. It is crucial that the punched out areas, i.e. the spring elements 12, are not completely released from the base plate.
  • the stamped areas can be arbitrarily shaped as long as they have a spring function. In addition to the rectangular stamped plate shown in Figure 4, of course, other plate cross-sections are conceivable. These may be preferred to the required shape in the
  • Accumulator module can be adjusted.
  • the thickness of the stamped plate can also be selected as needed.
  • FIG. 5 shows a compensation device 10 according to a fourth
  • both the at least two pressure plates 14 and the spring element are provided in one piece. In this case, all are preferably in one
  • Accumulator module 100 provided pressure plates 14 and spring elements 12 as a single unit made of an endless belt and inserted between the battery cells 110.
  • this unit is not limited to the wavy configuration shown in FIG.
  • corresponding one-piece compensating devices 10 with a serrated spring element 12 contained therein are also conceivable.
  • the spring element 12 and / or the pressure plates 14 are provided with a special coating or alloy after the forming or folding process in order to obtain corresponding spring, expansion compensation, heating or cooling properties. It is also conceivable to give certain sections with targeted heat treatment corresponding properties.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgleichsvorrichtung (10) zum Wärmetransport und zur Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten Akkumulatorzellen (110) in Stapelrichtung in einem Akkumulatormodul (100), mit wenigstens einem Federelement (12) und wenigstens zwei Druckplatten (14), wobei das wenigstens eine Federelement (12) zwischen den wenigstens zwei Druckplatten (14) aufgenommen ist und bei einer Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung (D) relativ zu wenigstens einer Druckplatte (14) bewegbar ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Akkumulatormodul, insbesondere ein Festkörper-Akkumulatormodul mit einer derartigen Ausgleichsvorrichtung. Durch die vorliegende Erfindung sind eine Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten Akkumulatorzellen in Stapelrichtung in dem Akkumulatormodul und/oder ein wechselwirkender Wärmetransport zwischen den Akkumulatorzellen auf effiziente und homogene Art und Weise realisierbar.

Description

Beschreibung
Titel
Ausgleichsvorrichtung und Akkumulatormodul mit derselben Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgleichsvorrichtung nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1 zum Wärmetransport und zur Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten Akkumulatorzellen in Stapelrichtung in einem Akkumulatormodul, mit wenigstens einem Federelement und wenigstens zwei
Druckplatten, wobei das wenigstens eine Federelement zwischen den wenigstens zwei Druckplatten aufgenommen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Akkumulatormodul, insbesondere ein Festkörper- Akkumulatormodul mit einer erfindungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung.
STAND DER TECHNI K
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Akkumulatoren wie beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren bekannt. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte, der thermischen Stabilität und ihres sehr geringen Memory- Effekts sind sie bei mobilen elektronischen Geräten mittlerweile weit verbreitet. Neben
Akkumulatoren mit flüssigem Elektrolyt gibt es auch Akkumulatoren mit festem Elektrolyt, sogenannte Festkörperakkumulatoren. Bei Lithium-Ionen- Akkumulatoren sind dies beispielsweise moderne Lithium-Luft-Akkumulatoren oder Festkörperakkumulatoren mit Interkalations- oder
Konversionskathodenmaterial. Diese zeichnen sich insbesondere durch ihre besonders hohe Energiedichte aus. Aktuelle Lithium-Ionen- Festkörperakkumulatoren als Sekundärbatterie für Kraftfahrzeuge können beispielsweise eine Energiedichte von mehr als 400Wh/kg aufweisen. Darüber hinaus haben derartige Festkörperakkumulatoren den sicherheitsrelevanten Vorteil, dass sie keinen flüssigen Elektrolyt aufweisen.
Problematisch bei aktuellen Festkörperakkumulatoren ist jedoch, dass sich die einzelnen und im Wesentlichen aus Lithium, -Festkörperionenleiter,
Kathodenaktivmaterial und elektronischem Leitfähigkeitsadditiv (z.B. auf
Kohlenstoffbasis) bestehenden Akkumulatorzellen bei einem Ladevorgang relativ stark (geometrisch) ausdehnen und bei einem Entladevorgang entsprechend schrumpfen. Das heißt, bedingt durch ihren inneren Aufbau und ihre
Funktionsweise (Ein-/Ablagerung von Lithium) haben Festkörperakkumulatoren, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Festkörperakkumulatoren eine im Vergleich zu bekannten Lithium-Ionen Zellen mit flüssigem Elektrolyt eine erhöhte
Ausdehnung bzw. Schrumpfung beim Laden und Entladen der Akkumulatorzelle, wenn als Anode eine reine Lithium-Folie bzw. reines Lithium-Metall eingesetzt wird. Diese kann je nach Zellaufbau im Bereich von 10 bis 40 % Dehnung liegen.
Deshalb ist es insbesondere bei diesen Zellkonzepten von großer Bedeutung, diese Dehnung aufzufangen bzw. zu kompensieren. Gleichzeitig besteht die Anforderung, diese Zellen im Betrieb zu heizen bzw. in bestimmten
Betriebszuständen zu kühlen.
In der JP H08-321329 wird beispielsweise vorgeschlagen, eine teilweise wellenförmig ausgebildete Wärmeableitplatte zwischen zwei Akkumulatorzellen bereitzustellen. Diese Wärmeableitplatte besteht im Wesentlichen aus einem wellenförmigen Teil mit elastisch verformbaren Vorsprüngen sowie einem plattenförmigen Teil. Der plattenförmige Teil ist dabei mit dem wellenförmigen
Teil fest verbunden und weist eine derartige Flexibilität auf, dass er sich bei einer Druckbeaufschlagung der Form des wellenförmigen Teils anpassen und sich darin einpressen kann. Das heißt, wenn sich der wellenförmige Teil verformt, verformt sich damit auch der plattenförmige Teil.
Dadurch ist ein Mittel geschaffen, über welches die Ausdehnung bzw.
Schrumpfung der Akkumulatorzellen bis zu einem gewissen Grad kompensiert werden kann. Aufgrund der elastischen Verformbarkeit des plattenförmigen Teils können die Kräfte der Akkumulatorzellen bei einer Ausdehnung derselben jedoch nicht besonders homogen übertragen werden. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Akkumulatormodul, insbesondere bei einem Festkörper-Akkumulatormodul zumindest teilweise zu vermeiden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ausgleichsvorrichtung sowie ein Akkumulatormodul, welches eine erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung enthält, zu schaffen, mittels welcher die Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten Akkumulatorzellen in Stapelrichtung in dem Akkumulatormodul und/oder der wechselwirkende Wärmetransport zwischen den Akkumulatorzellen auf effizientere und homogenere Art und Weise realisierbar sind.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Ausgleichsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Akkumulatormodul nach Anspruch 10 mit der erfindungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Ausgleichsvorrichtung beschrieben werden, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Akkumulatormodul und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, bzw. werden kann. Die Erfindung ist dabei nicht auf Lithium-Ionen- Akkumulatoren oder Festkörperakkumulatoren beschränkt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine
Ausgleichsvorrichtung zum Wärmetransport und zur Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten Akkumulatorzellen in Stapelrichtung in einem Akkumulatormodul mit wenigstens einem Federelement und wenigstens zwei Druckplatten bereitgestellt, wobei das wenigstens eine Federelement zwischen den wenigstens zwei Druckplatten aufgenommen ist und das Federelement bei einer Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung relativ zu wenigstens einer Druckplatte bewegbar ist. Dass das Federelement relativ zu wenigstens einer Druckplatte bewegbar ist bedeutet, dass sich wenigstens ein Teil des Federelements relativ zur
Druckplatte, im Wesentlichen orthogonal zu ihr, verschiebt. Hierbei liegt das Federelement bevorzugt an wenigstens einer der Druckplatten an und ist dabei insbesondere reibschlüssig zu der wenigstens einen Druckplatte bewegbar.
Dadurch, dass das Federelement von wenigstens einer Druckplatte entkoppelt ist, können Druckplatten bereitgestellt werden, welche auf besonders vorteilhafte Weise für eine Homogenisierung der Kraftübertragung bei einer Ausdehnung bzw. Schrumpfung und zur flächigen Einleitung der Kraft in die Akkumulatorzelle bzw. das Akkumulatormodul geeignet sind. Darüber hinaus dienen die
Druckplatten zur Erhöhung der Steifigkeit der Gesamtkonstruktion. Des Weiteren ist es vorgesehen, über die Druckplatten auch die Kühlung bzw. die Heizung der Akkumulatorzellen vorzunehmen. Zur Homogenisierung der
Temperaturverteilung ist es dabei besonders vorteilhaft, die Druckplatten aus einem thermisch gut leitfähigen Material herzustellen, wie beispielsweise
Aluminium, Stahl oder Kupfer. Es ist aber auch denkbar, die Druckplatten zur Gewichtsreduzierung aus einem Kunststoff herzustellen, welcher ggf. mit Additiven zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit, z.B. einem Metall oder einer Keramik, versehen ist. Unter der notwendigen Bedingung, dass die Druckplatten zur homogenen Kraftübertragung geeignet sind, können sie auch als dünne Folien (z.B. < 1 mm) ausgestaltet sein, die als Band durch die
Akkumulatorzellen gezogen werden. Dies ist insbesondere dann eine vorteilhafte Ausgestaltung, wenn kleinere thermische Leistungen erforderlich sind. Als Material eigenen sich hier durch die gute thermische Leitfähigkeit insbesondere Aluminium- oder Kupferwerkstoffe.
Darüber hinaus können durch die Ausgleichsvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt hohe Kräfte auf kurzem Weg realisiert werden, da sich das Federelement bei einer Druckbeaufschlagung über die Druckplatten hinaus erstrecken kann. Das Federelement kann dabei aus einem beliebigen Federwerkstoff hergestellt sein. Zur Gewichtsreduzierung sind beispielsweise auch Kunststoffe für das Federelement denkbar.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die
Ausgleichsvorrichtung bevorzugt wenigstens zwei sich gegenüberliegende und mit dem Federelement verbundene Profile mit Vorsprüngen und Rücksprüngen auf, die derart versetzt zueinander angeordnet und ausgestaltet sind, dass sich bei einer Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung die Vorsprünge des einen Profils reibschlüssig in die Rücksprünge des anderen Profils bewegen und sich die Profile dabei relativ zueinander verschieben. Durch eine derartige
Ausgestaltung können besonders hohe Kräfte auf kurzem Weg realisiert werden. Die Richtung der Kraftübertragung kann dabei je nach Gestaltung der Profile bzw. deren Vorsprünge und Rücksprünge variiert werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Profil beispielsweise sägezahnförmig oder wellenförmig ausgestaltet sein. Je nach Steigung der Zahnkanten kann ein höherer oder geringerer Widerstand eingestellt werden. Bei einer wellenförmigen Ausgestaltung der Profile kann eine nichtlineare
Kraftübertragung realisiert werden. Somit kann auf einfache Weise je nach Ausdehnungs- bzw. Schrumpfverhalten der Akkumulatorzellen ein dazu passendes Federelement geschaffen werden.
Ferner können bei der vorliegenden Erfindung das Federelement und die wenigstens zwei Druckplatten einstückig, stoffeinheitlich und/oder monolithisch ausgebildet sein. Das bedeutet, das Federelement und die Druckplatten werden nicht als separate Einheiten bereitgestellt und anschließend miteinander verbunden, sondern werden beispielsweise aus einem Endlosband hergestellt, das durch entsprechendes Umformen oder Falten sowohl die Funktion des Federelements als auch die Funktion der Druckplatten erfüllt. Dies hat den Vorteil, dass ein sonst nötiger Zusammenbauschritt eingespart und somit eine kostengünstigere Ausgleichsvorrichtung bereitgestellt werden kann. Ein solches einstückiges Ausgleichselement lässt sich auch besonders einfach zwischen den Akkumulatorzellen setzten, da das Federelement relativ zu den Druckplatten immer an der vorher festgelegten richtigen Position dazwischen liegt.
Des Weiteren ist es bei der vorliegenden Erfindung denkbar, dass wenigstens eine der Druckplatten eine innere Kühl- bzw. Heizstruktur aufweist, durch welche insbesondere ein Kühl- bzw. Heizmedium führbar ist. Dabei können
beispielsweise Kanäle in den Druckplatten geschlossen mit einem flüssigen Medium wie Wasser oder Öl, oder offen mit einem gasförmigen Medium wie Luft ausgeführt werden. Durch eine derartige Ausgestaltung der Druckplatten kann eine besonders effektive Kühl- bzw. Heizstruktur geschaffen werden, in welcher das Kühlen bzw. Heizen der Akkumulatorzellen aktiv besser gesteuert werden kann als bei Druckplatten, die ihre Kühl- bzw. Heizeigenschaften unveränderbar durch ihre Materialzusammensetzung vorgegeben haben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das
Federelement ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Dadurch können Zellen durch einen elektrischen Strom im Federelement bzw. im gesamten Ausgleichselement geheizt werden, wenn das Federelement aktiv bestromt wird und somit eine Widerstandsheizung bildet. In einer bevorzugten
Ausführungsform, kann der Strom dabei zum Beispiel in eine der beiden
Druckplatten ein- und über das entsprechend entkoppelte Federelement als Heizdraht und die zweite Druckplatte wieder ausgeleitet werden. Auch dieses Ausführungsbeispiel schafft eine besonders effektive Kühl- bzw. Heizstruktur, in welcher das Kühlen bzw. Heizen der Akkumulatorzellen aktiv besser gesteuert werden kann als bei Ausgleichssystemen mit Federelementen, die ihre Kühlbzw. Heizeigenschaften unveränderbar durch ihre Materialzusammensetzung vorgegeben haben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die
Ausgleichsvorrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie zwischen wenigstens drei Akkumulatorzellen einsetzbar ist. Ähnlich wie bereits vorstehend
beschrieben, können dabei eine Mehrzahl von Druckplatten sowie eine Mehrzahl von Federelementen beispielsweise aus einem Endlosband hergestellt werden, das durch entsprechendes Umformen oder Falten die Funktionen der
Federelemente und der Druckplatten erfüllt. Bevorzugt kann so die gesamte Druckplatten- und Federelementstruktur des Akkumulatormoduls einstückig hergestellt werden. Diese lässt sich dann besonders schnell und einfach in ein entsprechendes Akkumulatormodul setzen, so dass anschließend nur noch die einzelnen Akkumulatorzellen dazwischen eingefügt werden müssen. Dadurch, dass sämtliche Druckplatten sowie Federelemente aus einer einzigen Einheit bestehen, können die Akkumulatormodule schneller zusammengebaut werden und der Zusammenbau- und Ausrichtungsprozess weist eine geringere
Fehleranfälligkeit auf. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das
Federelement wellenförmig, mäanderförmig oder zackenförmig ausgebildet und zwischen den wenigstens zwei Druckplatten sandwichartig aufgenommen sein. Dies stellt ein besonders einfach zu realisierendes und kostengünstiges
Ausführungsbeispiel dar. Vorteilhaft ist hierbei insbesondere, dass jedes einzelne
Federelement im Falle einer Fehlfunktion schnell und einfach ausgetauscht werden kann, ohne beispielsweise auch die Druckplatten mit zu ersetzen. Des Weiteren ist es auch denkbar, das Akkumulatormodul je nach Bedarf mit verschieden geformten Federelementen an verschiedenen Stellen zwischen den Akkumulatorzellen zu bestücken.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die
Ausgleichsvorrichtung eine gestanzte Platte aufweisen, welche eine Druckplatte sowie das wenigstens eine Federelement bildet. Eine solche gestanzte Platte ist sehr einfach herzustellen und bevorzugt insbesondere die Kühlung bzw. Heizung mit einem gasförmigen Medium, wie beispielsweise Luft, da das wenigstens eine Federelement als Kühl- bzw. Heizrippe wirkt. Bevorzugt werden aus der gestanzten Platte eine Mehrzahl von Federelementen teilweise herausgetrennt, so dass diese Federelemente gleichmäßig an der Druckplatte anliegend über diese verteilt sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Akkumulatormodul, insbesondere ein Festkörper-Akkumulatormodul, mit einer Mehrzahl von
Akkumulatorzellen und einer vorstehend beschriebenen Ausgleichsvorrichtung bereitgestellt. In einem derartigen Akkumulatormodul liegen die jeweiligen
Federelemente in Stapelrichtung betrachtet insbesondere im Bereich der Akkumulatorzellen vor. Das heißt, die Druckplatten erstrecken sich in einer bevorzugten Ausführungsform sowohl über die Akkumulatorzellen als auch über die jeweiligen Federelemente hinweg. Die Akkumulatorzellen können als Festkörper Li-Ionen Batterie / Akkumulatormodul ausgestaltet sein, welches zumindest eine (oder sämtliche) Anode als reine Lithium-Folie und/oder Lithium- Metall aufweist.
BEVORZUGTE AUSFUHRU NGSBEISPI ELE Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen
Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 eine Draufsicht sowie eine geschnittene Seitenansicht einer
gestanzten Platte gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 5 jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung 10 in einem Akkumulatormodul 100 dargestellt. Die in Figur 1 dargestellte
Ausgleichvorrichtung 10 weist im Wesentlichen zwei Druckplatten 14 sowie das dazwischen sandwichartig aufgenommene Federelement 12 auf. Die
Druckplatten 14 sind zwar bevorzugt als separates Bauteil zu den jeweiligen Akkumulatorzellen 110 angeordnet, können jedoch auch als Teil der Akkumulatorzellen bereitgestellt werden. Bei einer Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung D (s. Pfeil), wenn sich beispielsweise die Akkumulatorzellen 110 ausdehnen, wird das Federelement 12 in Stapelrichtung D zusammengedrückt und streckt sich entsprechend in Richtung orthogonal zur Stapelrichtung aus. Hierbei bewegt sich das Federelement 12 in Richtung orthogonal zur
Stapelrichtung D reibschlüssig entlang der beiden Druckplatten 14.
Figur 2 zeigt eine Ausgleichsvorrichtung 10 gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei weist die
Ausgleichsvorrichtung 10 wenigstens zwei sich gegenüberliegende und mit dem Federelement 12 verbundene Profile 20, 22 mit Vorsprüngen 24 und
Rücksprüngen 26 auf. Das heißt, die Profile weisen zumindest eine Seite mit einem wellenförmigen oder sägezahnförmigen Bereich auf. Neben den in Figur 2 dargestellten Profilen sind auch Profile denkbar, die nur eine einzige Zacke oder eine einzige Welle bzw. entsprechend gebogene Fläche bilden. Dabei sind die Profile 20, 22 derart versetzt zueinander angeordnet und ausgestaltet, dass sich bei einer Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung D die Vorsprünge 24 des einen Profils reibschlüssig in die Rücksprünge 26 des anderen Profils bewegen und sich die Profile 20, 22 dabei relativ zueinander verschieben. Das in Figur 2 dargestellte Federelement 12 muss dabei nicht zwangsweise C-förmig ausgestaltet sein, sondern kann auch jede andere Form aufweisen, die zum federnden Lagern und Verbinden der beiden Profile 20, 22 geeignet ist. Die Steigung (Übersetzung x x') kann dabei durch Anpassen der Profilgeometrie erfolgen. Bei einem wellenförmigen Profildesign wäre auch eine nichtlineare Zuordnung realisierbar. In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist eine Rückseite eines Sägezahnprofils 20 mit einer Druckplatte 14 verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise mittels Schweißen, Löten, Kleben oder eine andere kraftschlüssige Verbindungsmethode hergestellt werden. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass die beiden Profile 20, 22, das Federelement 12 sowie die eine Druckplatte 14 einstückig, also als eine einzige, monolithische Einheit, bereitgestellt werden. Entscheidend ist, dass wenigstens ein Teil des
Federelements bei einer Druckbeaufschlagung bzw. Kraftübertragung in
Stapelrichtung D relativ zu wenigstens einer Druckplatte 14 reibschlüssig bewegbar ist. Figur 3 zeigt eine Ausgleichsvorrichtung 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform werden sowohl das Federelement 12 als auch die Druckplatte 14 in Form einer gestanzten Platte, beispielsweise als Stanz- Biegeteil, bereitgestellt. In der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Federelementen 12 aus der als
Druckplatte 14 dienenden Platte gestanzt. Der entsprechende Stanzvorgang kann mit im Stand der Technik bekannten Stanzwerkzeugen durchgeführt werden. Dabei ist es entscheidend, dass die ausgestanzten Bereiche, d.h., die Federelemente 12, nicht vollständig aus der Grundplatte gelöst werden. Die ausgestanzten Bereiche können beliebig geformt werden, solange sie eine Federfunktion aufweisen. Neben der in Figur 4 dargestellten rechteckigen gestanzten Platte sind selbstverständlich auch andere Plattenquerschnitte denkbar. Diese können bevorzugt an die erforderliche Form im
Akkumulatormodul angepasst werden. Auch die Dicke der gestanzten Platte kann je nach Bedarf ausgewählt werden.
Figur 5 zeigt eine Ausgleichsvorrichtung 10 gemäß einer vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform sind sowohl die wenigstens beiden Druckplatten 14 als auch das Federelement einstückig bereitgestellt. Bevorzugt sind hierbei sämtliche in einem
Akkumulatormodul 100 bereitgestellte Druckplatten 14 und Federelemente 12 als eine einzige Einheit aus einem Endlosband hergestellt und zwischen den Akkumulatorzellen 110 eingefügt. Diese Einheit ist jedoch nicht auf die in Figur 5 gezeigte wellenförmige Ausgestaltung beschränkt. So sind beispielsweise auch entsprechende einstückige Ausgleichsvorrichtungen 10 mit einem darin enthaltenen zackenförmigen Federelement 12 denkbar. Ferner ist es denkbar, dass das Federelement 12 und/oder die Druckplatten 14 nach dem Umformoder Faltprozess mit einer speziellen Beschichtung oder Legierung versehen werden, um entsprechende Feder-, Ausdehnungskompensations-, Heiz-, oder Kühleigenschaften zu erlangen. Es ist auch denkbar, bestimmten Abschnitten mit gezielter Wärmebehandlung entsprechende Eigenschafften zu verleihen.

Claims

Ansprüche
1. Ausgleichsvorrichtung (10) zum Wärmetransport und zur Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten Akkumulatorzellen (110) in
Stapelrichtung (D) in einem Akkumulatormodul (100), mit wenigstens einem Federelement (12) und wenigstens zwei Druckplatten (14), wobei das wenigstens eine Federelement (12) zwischen den wenigstens zwei Druckplatten (14) aufgenommen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federelement (12) bei einer Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung (D) relativ zu wenigstens einer Druckplatte (14) bewegbar ist.
2. Ausgleichsvorrichtung (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgleichsvorrichtung (10) wenigstens zwei sich gegenüberliegende und mit dem Federelement (12) verbundene Profile (20, 22) mit
Vorsprüngen (24) und Rücksprüngen (26) aufweist, die derart versetzt zueinander angeordnet und ausgestaltet sind, dass sich bei einer
Druckbeaufschlagung in Stapelrichtung (D) die Vorsprünge (24) des einen Profils reibschlüssig in die Rücksprünge (26) des anderen Profils bewegen und sich die Profile (20, 22) dabei relativ zueinander verschieben.
3. Ausgleichsvorrichtung (10) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die sich gegenüberliegenden Profile ein Wellenprofil oder ein
Sägezahnprofil aufweisen.
4. Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federelement (12) und die wenigstens zwei Druckplatten (14) einstückig, stoffeinheitlich und/oder monolithisch ausgebildet sind.
5. Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Druckplatten (14) eine innere Kühl- bzw. Heizstruktur (16) aufweist, durch welche insbesondere ein Kühl- bzw. Heizmedium führbar ist.
6. Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federelement (12) ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, welches insbesondere elektrisch heizbar ist.
7. Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgleichsvorrichtung (10) derart ausgestaltet ist, dass sie zwischen wenigstens drei Akkumulatorzellen (110) einsetzbar ist.
8. Ausgleichsvorrichtung (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federelement wellenförmig, mäanderförmig oder zackenförmig ausgebildet ist und zwischen den wenigstens zwei Druckplatten (14) sandwichartig aufgenommen ist.
9. Ausgleichsvorrichtung (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgleichsvorrichtung (10) zumindest eine gestanzte Platte aufweist, welche zumindest eine Druckplatte (14) oder ein Federelement (12) bildet.
10. Akkumulatormodul (100), insbesondere Festkörper-Akkumulatormodul (100), mit einer Mehrzahl von Akkumulatorzellen (110) und einer
Ausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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