WO2018172162A1 - Verfahren zum erzeugen eines energiespeichers und energiespeicher - Google Patents

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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 invention relates to a method for producing a
  • the invention is therefore based on the object, the above
  • each cell stack is laminated on its own, the cells being mechanically held together by the lamination, and at the same time the cells Shell is formed.
  • the shell is already prefabricated, a substantially complete enclosure can be ensured according to the invention.
  • individual cell stacks are no longer compulsory housed in the same place and / or in a predetermined arrangement to each other.
  • any air pockets or even gaps between the individual memory cells and / or the shell are eliminated. This can be done by the process of attaching the envelope and / or using a filling material.
  • Energy storage is the small size in which this can be done. By eliminating a large, common housing, the individual energy storage in their position can be distributed more freely. This is particularly advantageous for vehicles and aircraft of all kinds.
  • precipitating condensate usually has a temperature above 0 ° C and below 30 ° C.
  • the energy storage are thus heated or cooled to exactly this temperature range when stored in bilge water, which represents ideal conditions for the majority of conventional storage cells.
  • a filler introduced into the shell or the cell stack this may additionally have various properties that have a positive effect on the energy storage. These properties can be advantageous individually, but also in various combinations. An advantageous combination of these properties can
  • Thermal conductivity of at least 0.7 W / mK This embodiment is particularly advantageous for transporting heat from the interior of the cell stack to the outside.
  • This property of the filling material can be particularly advantageous if the energy store itself is in a material which conducts heat well, such as in the bilge water mentioned above.
  • the filling material is designed as a possibly mechanically stabilizing, one- or multi-part jacket. This embodiment is
  • Memory cells are about cells that are susceptible to deformation, such as pouch cells. A possible combination
  • Silicone elastomers are known which have a thermal conductivity of more than 3 W / mK.
  • Embodiments in which a jacket and a separate filler material are combined are also conceivable.
  • the memory cells can also be cast with the filling material.
  • Filling materials are, for example, non-crosslinking,
  • Memory cells with a cylindrical or prismatic shape such as
  • round cells or prismatic cells advantageous because the production of a matching coat, which also extends into the interstices, can be associated with high costs.
  • a potted filling material can have a high thermal conductivity and / or a stabilizing
  • the thickness of the filling material can be changed. So can possible
  • the lamination is carried out at temperatures below 100 ° C, in particular below 50 ° C, preferably below 25 ° C.
  • temperatures below 100 ° C in particular below 50 ° C, preferably below 25 ° C.
  • the sheath is electrically insulating. This is important for the one hand Operational safety and on the other hand, for example, in an impact, the cell stacks are deformed or crushed. at
  • Another measure for protecting the memory cells may be to provide an electrically conductive layer in the envelope. This acts as a shield against electrical and electromagnetic
  • This protective measure can be done, for example, by incorporating a conductive fiber fabric (e.g., carbon fiber), a metallic mesh, a foil, or a conductive ink.
  • a conductive fiber fabric e.g., carbon fiber
  • metallic mesh e.g., aluminum mesh
  • foil e.g., aluminum foil
  • the shell contains a fiber-reinforced plastic, in particular a
  • Fiber-reinforced plastics are particularly advantageous for the method according to the invention or the energy store according to the invention, since they can be laminated easily and have high strength and low weight. Thus, both the life of the battery and the safety in the operation of the battery can be positively influenced.
  • the shell can also be made thermally insulating in some areas. This makes it possible to prevent cells at the edge of the stack from being cooled much better than cells further inside. This can be advantageous if differently good cooling can lead to uneven loading or charging and / or discharging of the memory cells, which can be disadvantageous for the long-term operation of the energy store. Further preferred embodiments of the invention are the subject of the remaining dependent claims.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the invention in which pouch cells are lined up as memory cells to form a first variant of a cell stack
  • FIG. 2 shows a development of the embodiment of FIG. 1, in which there is an additional filling material between the pouch cells, FIG.
  • FIG. 3 shows a cell stack corresponding to FIG. 1 or FIG. 2 with a jacket placed around the cell stack
  • Fig. 4 shows the cell stack of Fig. 3 with an electronics and a
  • Fig. 5 shows a first embodiment of a finished laminated
  • Fig. 6 shows a second embodiment of a finished laminated
  • Fig. 7 shows another embodiment of the invention, in which
  • Prism cells are strung together to form a second variant of a cell stack
  • Round cells are strung together to form a third variant of a cell stack
  • Fig. 9 shows the cell stack of Fig. 7 with an electronics and a
  • Fig. 10 shows the cell stack of Fig. 7 with an electronics, a
  • FIG. 11 shows the cell stack of FIG. 8 with an electronics and a symbolically represented, multilayer, ready for laminating
  • Fig. 12 shows a possible sequence of a method according to the invention
  • FIG. 14 shows a side view of the energy storage system of FIG. 13, in which the energy stores are arranged in a cooling / heating medium.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the invention in which
  • Pouch cells as memory cells 1 to a first variant of a
  • Cell stack 2 are strung together. To the cell stack 2 can then be placed as a filler 3 in the consequence.
  • pouch which forms an outer wall of the pouch cell, are welded together.
  • pouch cells are easily deformable due to their structure with a flexible outer skin, which under certain circumstances can lead to damage to the memory cells 1.
  • the sheath 3 shown in Fig. 1 therefore has ribs 5, between which the edges 4 can be arranged.
  • the jacket 3 can thus give the memory cells 1 stability.
  • the shell 3 as a filler good heat conducting, so that heat from the storage cells can be transported to the outside.
  • the filling material 6 shown in Fig. 2 is formed in the form of mats. But it could also be applied, for example, in pasty form between the individual memory cells 1. For the purposes of the invention also form, as shown in Fig. 2, with intermediate elements as Rail 6 juxtaposed memory cells 1 a
  • Memory cells 1 arranged filling material 6 can be selected is, preferably elastic, compressibility. So, in operation
  • the filler also acts as a buffer between the memory cells.
  • FIG. 3 shows the cell stack 2 of FIG. 1 or FIG. 2 with the jacket 3 placed around the cell stack. It can be seen that contacts 8 of FIG. 3
  • Memory cells 1 protrude through recesses in the jacket 3 out of this. These can later be provided with connections and / or connected to an electronic unit 9 (shown symbolically in FIG. 4).
  • the electronics 9 can contain both circuits that with the
  • Electronics for monitoring the energy storage device may also have corresponding sensors, such as temperature sensors or pressure sensors.
  • means for storing correspondingly collected data and / or reading out or transmitting via a fixed or wireless connection can of course also be provided.
  • wireless transmission methods may be preferred.
  • FIG. 4 shows two enveloping elements 7 a, 7 b of a shell 7 (FIG. 5), which are laminated in sequence around the cell stack 2.
  • the sheath 7 may have multiple layers with different properties. This can, as shown by way of example on the enveloping element 7a in FIG. 4, take place in that the enveloping elements 7a, 7b have a plurality of layers 11 to 16, and / or that the envelope 7 is produced successively from a plurality of layers of enveloping elements.
  • a multilayer structure of the shell 7 can be used for various purposes
  • the cell stack 2 and optionally the electronics 9 are electrically insulated from the environment. At the same time, however, a shield against electromagnetic fields is desirable to the electronics before
  • electromagnetic fields do not emit. Both can be simultaneously effected in a multilayer design of the shell 7, for example, if a further inside, so closer to the
  • Memory cells, lying layer is electrically insulating and a further outer layer, for example, a metallic
  • an outermost layer for example, be made of a UV or salt water particularly resistant material.
  • Layers lying further inwards can, for example, comprise fabrics which protect the envelope 7 against piercing with sharp or pointed objects. This is especially important if it is in the memory cells 1 are pouch cells, since they have no own protection against such damage. If a pouch cell is pierced, for example, by a sharp edge, at least partially, the separating layer within the pouch cell can be damaged. This results in an acceleration of the exothermic reaction within the pouch cell, whereupon the resulting heat can no longer be sufficiently dissipated. As a result, it comes to the passage of the cell, causing explosions and
  • Fig. 5 shows a first embodiment of a finished
  • Energy storage 20 with a laminated around the cell stack 2 and the electronics 9 case 7. It can be seen at the top of the energy storage ports 17, 18, 19, e.g. in the form of plugs. About the terminals 18, 19, the energy storage energy can be supplied or removed. Furthermore, there is a connection 17, via which it is possible to communicate with the electronics 9 in order, for example, to read out the status of the energy store 20 or to control charging and / or discharging of the energy store 20. All connections 17, 18, 19 are tightly laminated in the shell 7.
  • Screws also have other shapes. For example, hooks or projections which engage in counterparts at the place of assembly are conceivable.
  • a selection of the shape and position of such assembly aids 21 can be selected by the skilled person according to the application of the energy storage. If the assembly aids 21, as provided according to a preferred embodiment of the invention, laminated into the shell 7, the position of the assembly aids 21 on the shell 7 can be chosen completely free, as they do not have to be aligned or fixed to structures within the shell.
  • FIG. 6 shows a second embodiment of a fully laminated energy store 20.
  • the connections in the form of cables 22, 23, 24 are executed.
  • This embodiment is especially then particularly advantageous if the energy storage 20 is to be mounted / stored in an environment that is particularly harmful to the connections, such as in the bilge water of a boat.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the invention, in which memory cells 25 lead to a second variant of a cell stack
  • Memory cells 25 prism cells.
  • FIG. 1 A third alternative embodiment of the invention is shown in FIG.
  • this memory cells 26 are round cells.
  • the jacket 27 is made in this form accordingly as a block with recesses for the round cells.
  • Embodiments in which a pasty or liquid, optionally curing, filling material is brought between the round cells, are of course also conceivable.
  • FIGS. 9 and 10 show the embodiment of FIG. 7 with the electronics 9 and the enveloping elements 7a, 7b ready for lamination.
  • a sheath 28 is placed around the cell stack 2 analogously to the embodiment of FIGS. 1 to 4.
  • Fig. 11 shows the embodiment of Fig. 8 with the electronics 9 and the lamination elements 7a, 7b ready for lamination.
  • Fig. 12 is a possible sequence of an inventive
  • a first step 31 memory cells are strung together to form a cell stack.
  • a filling material is placed between the storage cells and then, in a third step 33, a casing is laid around the cell stack. If it is a liquid or pasty filling material, it may be useful, first put a coat around the cell stack and then introduce the filler. In this case, for example, the jacket could serve as a frame for casting the filler material.
  • these two steps are optional since, according to the invention, it is also possible to produce an energy store without sheath and / or filling material (cf. also FIG. 9).
  • a fourth step 34 an electronic system of the energy store is arranged on the cell stack and / or on the jacket or filling material. This step is optional because the electronics are also separate from the
  • a fifth step 35 the terminals of the memory cells are arranged and prepared for lamination. This step may also involve connecting to the electronics.
  • the sixth step 36, the seventh step 37 and the eighth step 38 involve laminating and curing the envelope with the optional intermediate step of applying possible ones
  • Steps may be repeated at the discretion of the skilled person. Depending on which means, in particular resins, are chosen for lamination, it may be necessary for curing to take place already between individual lamination processes. It is essential that the shell is formed only in the course of lamination or the repeated laminating processes and so a gapless and tight enclosure of the cell stack is ensured.
  • FIG. 13 shows an isometric view of an energy storage system in which a plurality of cell stacks 2 assembled and laminated to energy stores 20 are arranged in a suitable manner and the connections 22 to 24 are brought together to form an electronics box 29.
  • FIG. 14 shows a side view of the energy storage system of FIG. 13, in which the energy stores 2 are arranged in a cooling / heating medium 30, for example water.
  • Cooling / heating medium 30 Energy storage are damaged by the cooling / heating medium 30, as well as that the cooling / heating medium 30 is contaminated by possible ingredients of the memory cells 1.
  • the cooling / heating medium 30 also substances can be used that are in contact with the environment, or be exchanged with this, such as seawater or river water on a boat.

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Abstract

Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Energiespeichers und Energiespeicher mit wenigstens zwei Speicherzellen (1), wobei die Speicherzellen (1) zunächst zu einem Zellstapel (2) gereiht werden, und eine Hülle (7) des Energiespeichers (2) durch Laminieren von Hüllmaterial um den Zellstapel (2) gebildet wird.

Description

VERFAHREN ZUM ERZEUGEN EINES ENERGIESPEICHERS ENERGIESPEICHER
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines
Energiespeichers und einen Energiespeicher.
Seit elektrische Energiespeicher verwendet werden, besteht auch das Bedürfnis, diese in vielseitigen Umgebungen zu verwenden. Insbesondere Nässe stellt dabei eine große Hürde dar. Bestrebungen, eine für den Gebrauch in U-Booten geeignete Batterie zur Verfügung zu stellen, die entsprechend wasserfest gebaut ist, zeigt zum Beispiel bereits die 1912 veröffentlichte US 1,027,088 A. Gleichzeitig veranschaulicht diese Schrift aber auch das grundsätzliche Problem bei der Erzeugung von gegen Umwelteinflüsse geschützten elektrischen Energiespeichern. Es werden Gehäuse benötigt, um die Energiespeicher zu schützen, die jedoch in der Praxis meist unflexibel und je nach Materialwahl auch schwer sind. Weiters müssen innerhalb eines solchen Gehäuses unter Umständen eigene Vorrichtungen vorgesehen sein, um die Temperatur im Gehäuse zu regulieren. Bei bestimmten Typen von Energiespeichern kann es zudem zu Zellentgasung kommen. Um diese Gase gezielt abzuführen oder den Druckanstieg zu kompensieren, benötigt ein derartiges Gehäuse daher weitere Einrichtungen. Derartige Einrichtungen, die
üblicherweise dem Druckausgleich dienen, stellen wiederum eine mögliche Schwachstelle in der Abdichtung des Energiespeichers dar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die oben
beschriebenen Nachteile zu überwinden und einen verbesserten
Energiespeicher zur Verfügung zu stellen, der für den Einsatz in ungünstigen Bedingungen geeignet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Energiespeichers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Energiespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Statt wie bisher mehrere Zellstapel in einem großen, gemeinsamen Gehäuse zu verstauen, wie es im Stand der Technik gehandhabt wird, wird jeder Zellstapel für sich einlaminiert, wobei die Zellen durch das Laminieren mechanisch zusammengehalten werden und gleichzeitig die Hülle gebildet wird. Im Gegensatz zu Verfahren, bei denen die Hülle bereits vorgefertigt ist, kann erfindungsgemäß eine im Wesentlichen lückenlose Umhüllung gewährleistet werden. Weiters müssen die
einzelnen Zellstapel nicht mehr zwingend am selben Ort und/oder in einer vorgegebenen Anordnung zueinander untergebracht werden.
Gemäß einer bevorzugten Aus- und Durchführungsform der Erfindung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens werden eventuelle Lufteinschlüsse oder auch Lücken zwischen den einzelnen Speicherzellen und/oder der Hülle eliminiert. Dies kann durch den Vorgang des Anbringens der Hülle und/oder unter Verwendung eines Füllmaterials erfolgen.
Durch das Eliminieren von Lufteinschlüssen kann dem Ausgasen der Speicherzellen entgegengewirkt werden und die Verwendung von Mitteln zum Ausgleich für Atmosphärendruckschwankungen, welche die Integrität der Hülle nachteilig beeinflussen, kann so vermieden werden.
Ein weiterer großer Vorteil eines erfindungsgemäß gefertigten
Energiespeichers ist die geringe Größe, in der dieser ausgeführt werden kann. Durch den Wegfall eines großen, gemeinsamen Gehäuses können die einzelnen Energiespeicher in ihrer Position freier verteilt werden. Dies ist insbesondere bei Fahr- und Flugzeugen aller Art von Vorteil .
So ist zum Beispiel in einem Hybrid- oder Elektroauto kein großer Speicherblock mehr notwendig, der beispielweise das Kofferraumvolumen beeinträchtigt, sondern die einzelnen Energiespeicher können
vorteilhaft im Fahrzeug verteilt werden, beispielsweise über den Rädern .
Besonders vorteilhaft ist eine Verteilung der Energiespeicher auch bei elektrisch betriebenen Flugzeugen bzw. Drohnen. Durch die freiere Gewichtsverteilung kann die Flugstabilität positiv beeinflusst werden.
Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich bei der Verwendung
erfindungsgemäß gefertigter Energiespeicher in Wasserfahrzeugen. Die wasserbeständige und dabei gleichzeitig platzsparende und weitgehend flexible Bauweise ermöglicht eine Lagerung/Installation der Energiespeicher direkt im Kiel. Das hier üblicherweise angesammelte Bilgewasser (beispielsweise durch Regen, Wassereintritt oder
herabrinnendes Kondensat) hat in der Regel eine Temperatur von über 0°C und unter 30°C. Die Energiespeicher werden bei einer Lagerung im Bilgewasser folglich auf genau diesen Temperaturbereich erwärmt oder gekühlt, was für den Großteil der üblichen Speicherzellen ideale Bedingungen darstellt.
Wird ein Füllmaterial in die Hülle bzw. den Zellstapel eingebracht, kann dieses zusätzlich verschiedene Eigenschaften aufweisen, die sich positiv auf den Energiespeicher auswirken. Diese Eigenschaften können jede für sich, aber auch in verschiedenen Kombinationen, vorteilhaft sein. Eine vorteilhafte Kombination dieser Eigenschaften kann
entsprechend den Anforderungen an den Energiespeicher vom Fachmann ausgewählt werden. Nachstehend werden einige besonders bevorzugte und vorteilhafte Varianten erläutert.
In einer ersten bevorzugten Variante der Erfindung ist das
Füllmaterial gut wärmeleitend, das heißt, es hat eine
Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 0,7 W/mK. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, um Wärme vom Inneren des Zellstapels nach außen zu transportieren. Besonders vorteilhaft kann diese Eigenschaft des Füllmaterials zur Geltung kommen, wenn sich der Energiespeicher selbst in einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise im weiter oben angeführten Bilgewasser, befindet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Füllmaterial als gegebenenfalls mechanisch stabilisierender, ein- oder mehrteiliger Mantel ausgeführt. Diese Ausführungsform ist
beispielsweise dann besonders vorteilhaft, wenn es sich bei den
Speicherzellen um Zellen handelt, die für Verformung anfällig sind, wie beispielsweise Pouchzellen. Eine mögliche Kombination
verschiedener Eigenschaften kann in diesem Fall beispielsweise realisiert werden, wenn der Mantel aus einem
vernetzenden 2-Komponenten Silikonelastomer gefertigt ist und
gegebenenfalls auch zwischen die Zellen reicht. Es sind beispielsweise Silikonelastomere bekannt, die eine Wärmeleitfähigkeit von über 3 W/mK aufweisen. Ausführungsformen, bei denen ein Mantel und ein separates Füllmaterial kombiniert werden, sind ebenfalls denkbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Speicherzellen auch mit dem Füllmaterial vergossen werden. Als
Füllmaterialien bieten sich beispielsweise nichtvernetzende,
einkomponentige Wärmeleitpasten an. Dies ist vor allem bei
Speicherzellen mit zylindrischer oder prismatischer Form, wie
beispielsweise Rundzellen oder Prismazellen, von Vorteil, da die Fertigung eines passenden Mantels, der auch in die Zwischenräume reicht, mit hohen Kosten verbunden sein kann.
Selbstverständlich kann auch ein vergossenes Füllmaterial eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und/oder zu einem stabilisierenden
Element aushärten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann die Dicke des Füllmaterials veränderbar sein. So können mögliche
Änderungen des Volumens der Speicherzellen während der Verwendung kompensiert werden.
Weitere vorteilhafte und bevorzugte Verbesserungen der Erfindung lassen sich mittels der Hülle bzw. beim Laminieren der Hülle
realisieren. Auch diese positiven und vorteilhaften Aus- und
Durchführungsformen lassen sich vom Fachmann kombinieren.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Durchführungsform der Erfindung erfolgt das Laminieren bei Temperaturen unter 100°C, insbesondere unter 50°C, bevorzugt unter 25°C. Durch ein Laminieren bei besonders niedrigen Temperaturen wird eine Schädigung der Speicherzellen vermieden, was die Lebensdauer der fertigen Energiespeicher erhöht. Ein Durchführungsbeispiel für ein Laminieren unter 25°C ist zum
Beispiel das Laminieren unter Verwendung von UV-härtendem Epoxidharz,
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Hülle elektrisch isolierend. Dies ist einerseits wichtig für die Betriebssicherheit und andererseits können beispielsweise bei einem Aufprall die Zellstapel verformt oder gequetscht werden. Bei
herkömmlichen Zellstapel-Gehäusen aus Aluminium führt dies oft zu gefährlichen Zellkurzschlüssen, die einen Batteriebrand auslösen können. Aufgrund der erfindungsgemäßen Vermeidung von metallischen Werkstoffen im Gehäuse ist diese Gefahr weitgehend eliminiert.
Eine weitere Maßnahme zum Schutz der Speicherzellen kann sein, in der Hülle eine elektrisch leitfähige Schicht vorzusehen. Diese fungiert als Schirmung gegenüber elektrischen und elektromagnetischen
Störeinflüssen, also als EMV-Maßnähme . Diese Schutzmaßnahme kann beispielsweise durch das Einarbeiten eines leitfähigen Fasergewebes (z.B. Kohlefaser), eines metallischen Gitternetzes, einer Folie oder eines Leitlacks erfolgen. Hierzu kann entweder das Hüllmaterial mehrlagig gefertigt sein oder das Laminieren erfolgt in mehreren Schichten, von denen eine das leitfähige Material enthält.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Hülle einen faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einen
Glasfaser-, Kohlefaser-, Aramidfaser- , Siliziumfaser-, Hanffaser-, Basaltfaser-, Borfaser-, Keramikfaser-, Quarzfaser- , Kieselsäurefaser- , Polyesterfaser-, Nylonfaser-, PE-Faser-, PMMA-Faser-, Flachsfaser, Holzfaser-, Sisalfaser-, PPBO-Faser- oder Mischfaser-Kunststoff.
Faserverstärkte Kunststoffe sind für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. den erfindungsgemäßen Energiespeicher besonders vorteilhaft, da sich diese leicht laminieren lassen und dabei eine große Festigkeit bei geringem Gewicht aufweisen. So kann sowohl die Lebensdauer der Batterie als auch die Sicherheit beim Betrieb der Batterie positiv beeinflusst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Hülle auch bereichsweise thermisch isolierend gestaltet werden. Damit kann verhindert werden, dass Zellen am Rand des Stapels deutlich besser gekühlt werden als Zellen weiter innen. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn unterschiedlich gute Kühlung zu ungleichmäßiger Belastung bzw. Auf- und/oder Entladung der Speicherzellen führen kann, was für den Langzeitbetrieb des Energiespeichers nachteilig sein kann. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Gleiche Bauteile in
unterschiedlichen Ausführungen sind dabei der Übersicht halber mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt, in zum Teil stark
schematisierter Darstellung:
Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Pouchzellen als Speicherzellen zu einer ersten Variante eines Zellstapels aneinander gereiht werden,
Fig. 2 eine Weiterbildung der Ausführungsform von Fig. 1, bei welcher sich zwischen den Pouchzellen ein zusätzliches Füllmaterial befindet ,
Fig. 3 einen Zellstapel entsprechend Fig. 1 oder Fig. 2 mit einem um den Zellstapel gelegten Mantel,
Fig. 4 den Zellstapel von Fig. 3 mit einer Elektronik und einem
symbolisch dargestellten, mehrlagigen, zum Laminieren bereiten
Hüllmaterial ,
Fig. 5 eine erste Ausführungsform eines fertig laminierten
EnergieSpeichers ,
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform eines fertig laminierten
EnergieSpeichers ,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher
Prismazellen zu einer zweiten Variante eines Zellstapels aneinander gereiht werden,
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher
Rundzellen zu einer dritten Variante eines Zellstapels aneinander gereiht werden,
Fig. 9 den Zellstapel von Fig. 7 mit einer Elektronik und einem
symbolisch dargestellten, mehrlagigen, zum Laminieren bereiten
Hüllmaterial ,
Fig. 10 den Zellstapel von Fig. 7 mit einer Elektronik, einem
symbolisch dargestellten, mehrlagigen, zum Laminieren bereiten Hüllmaterial und einem zusätzlichen Mantel,
Fig. 11 den Zellstapel von Fig. 8 mit einer Elektronik und einem symbolisch dargestellten, mehrlagigen, zum Laminieren bereiten
Hüllmaterial ,
Fig. 12 einen möglichen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand eines Flussdiagramms,
Fig. 13 ein Energiespeichersystem mit mehreren erfindungsgemäßen
Energiespeichern und
Fig. 14 eine Seitenansicht des Energiespeichersystems von Fig. 13, bei welchem die Energiespeicher in einem Kühl-/Heizmedium angeordnet sind .
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher
Pouchzellen als Speicherzellen 1 zu einer ersten Variante eines
Zellstapels 2 aneinander gereiht werden. Um den Zellstapel 2 kann dann in der Folge ein Mantel 3 als Füllmaterial gelegt werden.
Für die Gestaltung des Mantels 3 wurden einige wesentliche
Eigenschaften von Pouchzellen berücksichtigt. Zum einen haben diese in der Regel einen Rand 4, an welchem zwei Wandfolien eines Beutels
(=Pouch) , welcher eine Außenwand der Pouchzelle bildet, miteinander verschweißt sind. Zum anderen sind Pouchzellen aufgrund ihres Aufbaus mit einer flexiblen Außenhaut leicht verformbar, was unter Umständen zu einer Schädigung der Speicherzellen 1 führen kann.
Unabhängig von der Art der gewählten Speicherzellen ist es zusätzlich vorteilhaft, wenn eine gute Abfuhr von Wärme gegeben ist, da es sonst im Betrieb des Energiespeichers zu einem sogenannten thermischen
Durchgehen kommen kann.
Der in Fig. 1 dargestellte Mantel 3 weist daher Rippen 5 auf, zwischen denen die Ränder 4 angeordnet werden können. Der Mantel 3 kann den Speicherzellen 1 somit Stabilität geben. Weiters ist der Mantel 3 als Füllmaterial gut wärmeleitend, sodass Wärme aus den Speicherzellen nach außen transportiert werden kann.
Wird, wie in Fig. 2 dargestellt, zwischen den Speicherzellen 1 ein zusätzliches Füllmaterial 6 angeordnet, kann beim Betrieb entstehende Wärme noch besser abtransportiert werden. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn das Füllmaterial 6 ebenfalls gut wärmeleitend ist. Unter „gut wärmeleitend" wird im Sinne der Erfindung eine thermische
Leitfähigkeit von wenigstens 0,7 W/mK verstanden.
Das in Fig. 2 dargestellte Füllmaterial 6 ist in Form von Matten ausgebildet. Es könnte aber beispielsweise auch in pastöser Form zwischen den einzelnen Speicherzellen 1 aufgebracht sein. Im Sinne der Erfindung bilden auch, wie in Fig. 2 gezeigt, mit Zwischenelementen als Füllmetarial 6 aneinander gereihte Speicherzellen 1 einen
Zellstapel 2.
Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft, die für zwischen den
Speicherzellen 1 angeordnetes Füllmaterial 6 gewählt werden kann, ist, vorzugsweise elastische, Kompressibilität. So können im Betrieb
entstehende Schwankungen des Volumens der Speicherzellen 1
ausgeglichen werden, ohne dass eine Hülle 7 (siehe beispielsweise Fig. 4) des Energiespeichers (siehe beispielsweise Fig. 5) elastisch
gefertigt ist. In diesem Fall fungiert das Füllmaterial zusätzlich als Puffer zwischen den Speicherzellen.
Fig. 3 zeigt den Zellstapel 2 von Fig. 1 oder Fig. 2 mit dem um den Zellstapel gelegten Mantel 3. Man kann sehen, dass Kontakte 8 der
Speicherzellen 1 durch Ausnehmungen im Mantel 3 aus diesem heraus ragen. Diese können später mit Anschlüssen versehen und/oder mit einer Elektronik 9 (symbolisch dargestellt in Fig. 4) verbunden werden.
Die Elektronik 9 kann sowohl Schaltungen enthalten, die mit der
Nutzung des Energiespeichers direkt zu tun haben, wie beispielweise Wechselrichter oder eine Ladesteuerung, als auch Schaltungen enthalten, die beispielsweise den Zustand des Energiespeichers überwachen
und/oder speichern, wie beispielsweise Elektronik zum Überwachen der Temperatur oder des Speicherstandes des Energiespeichers. Elektronik zum Überwachen des Energiespeichers kann auch entsprechende Sensoren, wie beispielsweise Temperaturfühler oder Drucksensoren, aufweisen.
Mittel, um entsprechend erhobene Daten zu speichern und/oder über eine feste oder drahtlose Verbindung auszulesen oder zu übermitteln, können selbstverständlich auch vorgesehen sein. Im Sinne einer möglichst geschlossenen Hülle können drahtlose Übertragungsmethoden bevorzugt sein .
Weiters zeigt Fig. 4 zwei Hüllelemente 7a, 7b einer Hülle 7 (Fig. 5), welche in der Folge um den Zellstapel 2 laminiert werden. Die Hülle 7 kann mehrere Schichten mit verschiedenen Eigenschaften aufweisen. Dies kann, wie beispielhaft am Hüllelement 7a in Fig. 4 dargestellt, dadurch erfolgen, dass die Hüllelemente 7a, 7b mehrere Lagen 11 bis 16 aufweisen, und/oder dass die Hülle 7 aufeinanderfolgend aus mehreren Schichten von Hüllelementen gefertigt ist.
Ein mehrschichtiger Aufbau der Hülle 7 kann für verschiedene,
vorteilhafte Eigenschaften genutzt werden, da für die verschiedenen Schichten unterschiedliche Materialien mit jeweils für sich
vorteilhaften und einander ergänzenden Eigenschaften gewählt werden können .
So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn der Zellstapel 2 und gegebenenfalls die Elektronik 9 gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert sind. Gleichzeitig ist aber auch eine Abschirmung gegen elektromagnetische Felder wünschenswert, um die Elektronik vor
Störungen zu schützen, beziehungsweise um weitergeleitete
elektromagnetische Störfelder nicht zu emittieren. Beides kann bei einer mehrlagigen Gestaltung der Hülle 7 gleichzeitigt bewirkt werden, wenn beispielsweise eine weiter innen, also näher bei den
Speicherzellen, liegende Schicht elektrisch isolierend ist und eine weiter außen liegende Schicht beispielsweise ein metallisches
Drahtgewebe enthält, welches als Faraday' scher Käfig wirkt.
Weiters können einzelne Lagen 11 bis 16 genutzt werden, um die
Stabilität der Hülle 7 gegen verschiedene Einflüsse zu schützen. So kann eine äußerste Lage 11 beispielsweise aus einem gegen UV-Strahlung oder Salzwasser besonders beständigen Material gefertigt werden.
Weiter innen liegende Lagen können beispielsweise Gewebe aufweisen, welche die Hülle 7 gegen ein Durchstoßen mit scharfen oder spitzen Gegenständen schützen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn es sich bei den Speicherzellen 1 um Pouchzellen handelt, da diese keinen eigenen Schutz gegen derartige Beschädigungen aufweisen. Wird eine Pouchzelle beispielsweise durch eine scharfe Kante, wenigstens teilweise, durchstoßen, kann es zu einer Beschädigung der Trennschicht innerhalb der Pouchzelle kommen. Dies hat eine Beschleunigung der exothermen Reaktion innerhalb der Pouchzelle zur Folge, woraufhin die entstehende Wärme nicht mehr ausreichend abgeführt werden kann. In der Folge kommt es zum Durchgehen der Zelle, was zu Explosionen und
Bränden führen kann.
Fig. 5 zeigt eine erste Ausführungsform eines fertigen
Energiespeichers 20 mit einer um den Zellstapel 2 und die Elektronik 9 laminierten Hülle 7. Man erkennt an der Oberseite des Energiespeichers Anschlüsse 17, 18, 19, z.B. in Form von Steckern. Über die Anschlüsse 18, 19 kann dem Energiespeicher Energie zugeführt oder entnommen werden. Weiters gibt es einen Anschluss 17, über welchen mit der Elektronik 9 kommuniziert werden kann, um beispielsweise den Status des Energiespeichers 20 auszulesen oder Laden und/oder Entladen des Energiespeichers 20 zu steuern. Alle Anschlüsse 17, 18, 19 sind dabei dicht in die Hülle 7 einlaminiert.
Im unteren Bereich des Energiespeichers 20 sind in der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform Montagehilfen 21 angeordnet. Diese können neben den dargestellten Ausnehmungen, beispielsweise für
Schrauben, auch andere Formen haben. So sind beispielsweise Haken oder Vorsprünge, die in Gegenstücke am Ort der Montage eingreifen, denkbar. Eine Auswahl von Form und Position solcher Montagehilfen 21 kann vom Fachmann entsprechend der Anwendung des Energiespeichers gewählt werden. Werden die Montagehilfen 21, wie gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, in die Hülle 7 einlaminiert, kann die Lage der Montagehilfen 21 an der Hülle 7 vollkommen frei gewählt werden, da diese nicht an Strukturen innerhalb der Hülle ausgerichtet oder befestigt werden müssen.
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform eines fertig laminierten Energiespeichers 20. Bei dieser sind die Anschlüsse in Form von Kabeln 22, 23, 24 ausgeführt. Diese Ausführungsform ist vor allem dann besonders vorteilhaft, wenn der Energiespeicher 20 in einer Umgebung montiert/und oder gelagert werden soll, die für die Anschlüsse besonders schädlich ist, wie beispielsweise im Bilgewasser eines Bootes .
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Speicherzellen 25 zu einer zweiten Variante eines Zellstapels
aneinander gereiht werden. Bei dieser Ausführungsform sind die
Speicherzellen 25 Prismazellen.
Eine dritte alternative Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 8 gezeigt. In dieser sind die Speicherzellen 26 Rundzellen. Der Mantel 27 ist in dieser Form entsprechend als Block mit Ausnehmungen für die Rundzellen gefertigt. Ausführungsformen, bei denen ein pastöses oder flüssiges, gegebenenfalls aushärtendes, Füllmaterial zwischen die Rundzellen gebracht wird, sind selbstverständlich ebenso denkbar.
Fig. 9 und Fig. 10 zeigen die Ausführungsform von Fig. 7 mit der Elektronik 9 und den zum Laminieren bereiten Hüllelementen 7a, 7b. In der Ausführungsform von Fig. 10 ist dabei analog zur Ausführungsform von Fig. 1 bis Fig. 4 ein Mantel 28 um den Zellstapel 2 gelegt.
Fig. 11 zeigt die Ausführungsform von Fig. 8 mit der Elektronik 9 und den zum Laminieren bereiten Hüllelementen 7a, 7b.
In Fig. 12 wird ein möglicher Ablauf eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Erzeugen eines Energiespeichers anhand eines
Flussdiagrams veranschaulicht. Einige Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch in anderer Reihenfolge erfolgen und vom
Fachmann frei gewählt werden, ohne von der eigentlichen Erfindung abzuweichen .
In einem ersten Schritt 31 werden Speicherzellen zu einem Zellstapel aneinander gereiht. In einem zweiten Schritt 32 wird ein Füllmaterial zwischen die Speicherzellen gebracht und dann wird in einem dritten Schritt 33 ein Mantel um den Zellstapel gelegt. Handelt es sich um ein flüssiges oder pastöses Füllmaterial, kann es auch sinnvoll sein, erst einen Mantel um den Zellstapel zu legen und dann das Füllmaterial einzubringen. In diesem Fall könnte der Mantel beispielsweise als Rahmen zum Gießen des Füllmaterials dienen. Grundsätzlich sind diese beiden Schritte optional, da es erfindungsgemäß auch möglich ist, einen Energiespeicher ohne Mantel und/oder Füllmaterial zu erzeugen (vgl. auch Fig. 9) .
In einem vierten Schritt 34 wird eine Elektronik des Energiespeichers am Zellstapel und/oder am Mantel bzw. Füllmaterial angeordnet. Dieser Schritt ist optional, da die Elektronik auch separat vom
Energiespeicher, beispielsweise in einer Steuereinheit, die
gegebenenfalls auch mehrere Energiespeicher überwacht und/oder kontrolliert, untergebracht sein kann.
In einem fünften Schritt 35 werden die Anschlüsse der Speicherzellen arrangiert und für das Laminieren vorbereitet. Dieser Schritt kann auch das Verbinden mit der Elektronik beinhalten.
Der sechste Schritt 36, der siebte Schritt 37 und der achte Schritt 38 beinhalten das Laminieren und Härten der Hülle mit dem optionalen Zwischenschritt des Ein- bzw. Aufbringens von möglichen
Zwischenschichten, Montageeinrichtungen und dergleichen. Diese
Schritte können nach dem Ermessen des Fachmannes wiederholt werden. Je nachdem, welche Mittel, insbesondere Harze, zum Laminieren gewählt werden, kann es erforderlich sein, dass zwischen einzelnen Laminier- Vorgängen bereits ein Aushärten erfolgt. Wesentlich ist, dass die Hülle erst im Zuge des Laminierens bzw. der wiederholten Laminier- Vorgänge entsteht und so ein lückenloses und dichtes Umschließen des Zellstapels sichergestellt wird.
Fig. 13 zeigt eine isometrische Ansicht eines Energiespeichersystems, bei dem mehrere, zu Energiespeichern 20 zusammengefügte und laminierte Zellstapel 2 in geeigneter Weise angeordnet und die Anschlüsse 22 bis 24 zu einer Elektronik-Box 29 zusammengeführt werden. Wurde in den Energiespeichern bereits alle erforderliche Elektronik 9 zum Betrieb der Energiespeicher 2 eingebaut, kann an Stelle der Elektronik-Box 29 bereits ein Verbraucher angeordnet sein. Fig. 14 zeigt eine Seitenansicht des Energiespeichersystems von Fig. 13, bei welchem die Energiespeicher 2 in einem Kühl-/Heizmedium 30, beispielsweise Wasser, angeordnet sind. Durch die dicht versiegelte Hülle der Energiespeicher wird sowohl vermieden, dass die
Energiespeicher durch das Kühl-/Heizmedium 30 beschädigt werden, als auch, dass das Kühl-/Heizmedium 30 durch mögliche Inhaltsstoffe der Speicherzellen 1 kontaminiert wird. So können für das Kühl-/Heizmedium 30 auch Substanzen verwendet werden, die mit der Umwelt in Kontakt stehen, bzw. mit dieser ausgetauscht werden, wie beispielsweise Meeroder Flusswasser auf einem Boot.
Bezugszeichenliste :
1 Speicherzellen (Pouchzellen)
2 Zellstapel
3 Mantel (für Pouchzellen)
4 Rand
5 Rippen
6 Füllmaterial
7 Hülle
7a, b Hüllelemente
8 Kontakte
9 Elektronik
10 frei
11-16 Lagen (der Hülle)
17-19 Anschlüsse
20 Energiespeicher
21 Montagehilfe
22-24 (alternative) Anschlüsse
25 Speicherzellen (Prismazellen)
26 Speicherzellen (Rundzellen)
27 Mantel (für Rundzellen)
28 Mantel (für Prismazellen)
29 Elektronik-Box
30 Kühl-/Heizmedium (Wasser)
31 Speicherzellen zu Zellstapel reihen und elektrisch verbinden
32 (optional) Füllmaterial einbringen
33 (optional) Mantel umlegen
34 (optional) Elektronik anordnen
35 Anschlüsse arrangieren
36 Laminieren
37 (optional) Montageeinrichtungen/ Zwischenschichten aufbringen
38 Aushärten

Claims

Ansprüche :
1. Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Energiespeichers (20)
mit wenigstens zwei Speicherzellen (1), wobei die Speicherzellen (1) zunächst zu einem Zellstapel (2) gereiht werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hülle (7) des Energiespeichers (20) durch Laminieren von Hüllmaterial um den Zellstapel (2) gebildet wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem
Laminieren Lufteinschlüsse zwischen den Speicherzellen (1) des Zellstapels (2) und/oder zwischen dem Hüllmaterial und dem
Zellstapel (2) entfernt oder ausgefüllt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellstapel (2) vor dem Laminieren wenigstens bereichsweise mit einem Füllmaterial (6) versehen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
Füllmaterial (6) als gegebenenfalls mechanisch stabilisierender oder dämpfender, ein- oder mehrteiliger Mantel (3) ausgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (6) eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 0,7 W/ (m*K) hat.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (1) im Füllmaterial (6) vergossen werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminieren und das Aushärten des Laminats bei
Temperaturen unter 100°C, insbesondere unter 50°C, bevorzugt unter 25°C, erfolgt.
8. Energiespeicher (20) mit einem Zellstapel (2) aus wenigstens zwei Speicherzellen (1), wobei der Energiespeicher (20) von einer Hülle (7) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (7) eine um den Zellstapel (2) laminierte Hülle (7) ist.
Energiespeicher (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (7) den Zellstapel (2) luft- und wasserdicht umschließt.
10. Energiespeicher (20) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, dass Anschlüsse (17, 18, 19) des Energiespeichers (20) in die Hülle (7) laminiert sind.
11. Energiespeicher (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, das ein ein- oder mehrteiliger, thermischer Mantel (3) innerhalb der Hüllschicht wenigstens bereichsweise um den Zellstapel (2) angeordnet ist.
12. Energiespeicher (20) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Mantel (3) eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 0,7 W/ (m*K) aufweist.
13. Energiespeicher (20) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, dass der thermische Mantel (3) elektrisch
isolierend ist.
14. Energiespeicher (20) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Mantel (3) elastisch
kompressibel ist.
15. Energiespeicher (20) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Mantel (3) aus hydrophobem Material besteht.
16. Energiespeicher (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den Speicherzellen (1) eine wärmeleitende Paste befindet.
17. Energiespeicher (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den Speicherzellen (1) ein Puffer, insbesondere eine Matte oder ein Schaumstoff, befindet.
18. Energiespeicher (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Montageeinrichtungen des Energiespeichers in der Hülle (7) integriert, insbesondere einlaminiert, sind.
19. Energiespeicher (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (7) einen faserverstärkten
Kunststoff enthält, insbesondere einen Glasfaser-, Kohlefaser-, Aramidfaser- , Siliziumfaser-, Hanffaser-, Basaltfaser-, Borfaser-, Keramikfaser-, Quarzfaser- , Kieselsäurefaser- , Polyesterfaser-, Nylonfaser-, PE-Faser-, PMMA-Faser-, Flachsfaser, Holzfaser-, Sisalfaser-, PPBO-Faser- oder Mischfaser-Kunststoff.
20. Energiespeicher (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (7) ein brandhemmendes Material enthält .
21. Energiespeicher (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (7) bereichsweise wärmeisolierend ist .
22. Energiespeicher (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (7) elektrisch isolierend ist.
23. Energiespeicher (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher eine Elektronik (9), insbesondere Relais, Sicherungen und/oder Mikrokontroller, aufweist, insbesondere, dass diese Elektronik (9) in der Hülle (7) einlaminiert ist.
24. Energiespeicher (20), dadurch gekennzeichnet, dass er nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gefertigt ist.
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