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Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher und eine Anordnung einer Mehrzahl solcher elektrochemischen Energiespeicher.
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Zahlreiche Anwendungen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere Anwendungen im Zusammenhang mit elektrisch oder hybrid angetriebenen Fahrzeugen, erfordern eine kompakte und gleichzeitig flexible Anordnung einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern und deren flexible elektrische Zusammenschaltung zu Reihen- und/oder Parallelschaltungen, wodurch aus den Spannungen einzelner elektrochemischer Energiespeicher die jeweils für die Anwendung benötigte Spannung bereitgestellt werden kann.
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Die räumliche Anordnung der einzelnen Energiespeicher in der Anordnung wird dabei häufig durch die konstruktiven Umstände, insbesondere die Verfügbarkeit von Bauraum in der jeweiligen Anwendung beeinflusst. Wünschenswert sind daher elektrochemische Energiespeicher, die räumlich flexibel so angeordnet werden können, wie es die jeweilige Anwendungssituation zulässt und dabei gleichzeitig auf möglichst einfache Weise zu einer Reihen- und/oder Parallelschaltungen zusammengeschaltet werden können, welche die von der jeweiligen Anwendung benötigte Spannung bereitstellt.
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Zum Stand der Technik gehören unterschiedliche Beschreibungen von Anordnungen einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern mit unterschiedlichen Eigenschaften, Vorteilen und Beschränkungen.
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So offenbart bereits die
DE 569865 von 1932 einen Batteriebehälter für den Betrieb in Räumen mit explosiven Stoffen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass derselbe durch eine oder mehre Zwischenwände in Schotten aufgeteilt wird, die gegeneinander schlagwettersicher abgeschlossen sind.
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Die
EP 0 362 083 A1 beschreibt einen Batterieschrank, in dem mehrere Batterien nebeneinander in Zeilen und zeilenweise übereinander angeordnet sind.
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Die
EP 0 575 060 B1 beschreibt eine modulare Batteriefacheinheit, die eine Vielzahl von Batteriefächern umfasst, die übereinander gestapelt und miteinander verbunden sind, wobei jedes Batteriefach einen hinteren Abschnitt und einander gegenüberliegende seitliche Abschnitte umfasst, die so angeordnet sind, dass über eine dem hinteren Abschnitt gegenüberliegende offene Seite ein Zugang möglich ist, wobei wenigstens zwei der Abschnitte wenigstens eine Batteriekammer enthalten, eine Halteeinrichtung, die an dem Batteriefach angebracht ist und eine Batterie in der Batteriekammer hält, sowie Anbringungseinrichtungen, die zu jedem der Batteriefächer gehören und der Anbringung eines Batteriefachs an einem anderen der Batteriefächer dienen.
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Die
US 5,140,744 offenbart eine mehrere Zellen umfassende Speicherbatterie, wobei die Zellen so angeordnet werden können, dass verschiedene Raum- und Platzbedingungen mit Hilfe von standardisierten Multizell-Modulen berücksichtigt werden können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Energiespeicher anzugeben, der sich besonders zum Aufbau einer Anordnung einer Mehrzahl solcher elektrochemischen Energiespeicher eignet. Diese Aufgabe wird durch ein Erzeugnis nach einem der unabhängigen Erzeugnisansprüche und durch ein Verfahren nach einem der unabhängigen Verfahrensansprüche gelöst. Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung unter Schutz.
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Die Erfindung sieht einen elektrochemischer Energiespeicher mit einem Gehäuse und wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen vor, dessen Gehäuse im Wesentlichen die Form eines raumfüllenden Polyeders mit wenigstens einer Gehäusefläche aufweist, auf, an oder in welcher diese elektrischen Anschlüsse so angeordnet sind, dass beim Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher elektrochemischen Energiespeicher eine elektrische Zusammenschaltung dieser Energiespeicher zu einer elektrischen Reihen- und oder Parallelschaltung solcher Energiespeicher erfolgt oder durch das Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung sich jeweils gegenüberliegender Anschlüsse benachbarter Energiespeicher bewirkt werden kann.
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Im Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden Begriffe verwendet, die nachstehend erläutert werden:
Unter einem elektrochemischen Energiespeicher soll jede Art von Energiespeicher verstanden werden, dem elektrische Energie entnommen werden kann, wobei eine elektrochemische Reaktion im Innern des Energiespeichers abläuft. Der Begriff umfasst insbesondere galvanische Zellen aller Art, insbesondere Primärzellen, Sekundärzellen und Zusammenschaltungen solcher Zellen zu Batterien aus solchen Zellen. Solche elektrochemischen Energiespeicher weisen üblicherweise negative und positive Elektroden auf, die durch einen sogenannten Separator getrennt sind. Zwischen den Elektroden findet ein Ionentransport durch einen Elektrolyten statt. Die Elektroden jeweils einer Polarität werden mit elektrischen Ableitern leitend verbunden, die durch die Wandungen des Gehäuses nach außen geführt und mit den elektrischen Anschlüssen des Energiespeichers verbunden werden.
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Ein (dreidimensionales) Polyeder (auch Vielflach, Vielflächner oder Ebenflächner) ist ein Teil des dreidimensionalen Raumes, der ausschließlich von geraden Flächen (Ebenen) begrenzt wird, beispielsweise ein Würfel oder ein Oktant eines (dreidimensionalen) Koordinatensystems. Beispiele für Polyeder aus dem Alltag sind (in ihrer üblichen Bauweise) Schränke, Pyramiden, Häuser, Kristalle oder Spielwürfel. Keine Polyeder sind Kugeln, Kegel, Flaschen, Tortenstücke, da sie krumme Randflächen besitzen. Die wichtigsten Polyeder in der geometrischen Anwendung sind Quader, Prismen, Pyramiden und Spate (Parallelepipede).
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Unter einem raumfüllenden Polyeder soll ein dreidimensionales Polyeder verstanden werden, das so geformt ist, dass beim Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher Polyeder ein dreidimensionaler Körper ohne Lücken oder Zwischenräume zwischen benachbarten Polyedern aufgebaut werden kann. Beispiele für raumfüllende Polyeder sind der Quader, insbesondere also der Würfel oder die sogenannten Parallelepipede. Unter einem Parallelepiped (Synonyme: Spat, Parallelflach, Parallelotop) versteht man einen geometrischen Körper, der von sechs paarweise kongruenten (deckungsgleichen) in parallelen Ebenen liegenden Parallelogrammen begrenzt wird. Die Bezeichnung Spat rührt vom Kalkspat (Calcit, chemisch: CaCO3) her, dessen Kristalle die Form eines Parallelflachs aufweisen.
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Weitere Beispiele für raumfüllende Polyeder sind diejenigen Polyeder, welche als sogenannte Elementarzellen zur Charakterisierung eines Kristallgitters geeignet sind. Eine Elementarzelle (manchmal auch Einheitszelle genannt) ist eine Einheit, aus der durch wiederholte Translation in drei Richtungen eine Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Sie wird durch sechs Gitterparameter (Gitterkonstanten a, b und c sowie die dazwischen liegenden Winkel α, β und γ) definiert und enthält alle vorhandenen Symmetrieelemente. Für eine gegebene Kristallstruktur gibt es jedoch nicht nur eine, sondern unendlich viele Möglichkeiten, eine Elementarzelle zu definieren.
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Unter einem Körper, welcher im Wesentlichen die Form eines raumfüllenden Polyeders aufweist ist ein dreidimensionaler Körper zu verstehen mit der Eigenschaft, dass durch ein Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher Körper eine erste Anordnung solcher Körper hergestellt werden kann, in der jeder einzelne Körper dieser ersten Anordnung im Wesentlichen die gleiche Position einnimmt, die ein solches raumfüllendes Polyeder, dessen Form dieser Körper im Wesentlichen aufweist oder aufweisen soll, in einer zweiten Anordnung einnehmen würde, die durch ein entsprechendes Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen einer Mehrzahl dieser raumfüllenden Polyeder ohne Lücken oder Zwischenräume entstünde. Ein solcher Körper muss nicht notwendig konvex sein. Ein Körper heißt konvex, wenn für je 2 Punkte des Körpers die Verbindungsstrecke zwischen diesen Punkten vollständig im Körper liegt.
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Beispiele für solche Körper sind (in ihrer üblichen Bauweise) im Wesentlichen quaderförmige Ziegelsteine oder im Wesentlichen quaderförmige Klemmbausteine mit einer Anordnung einer Mehrzahl von Noppen an einer Außenfläche (der „Oberseite”), die so angeordnet sind, dass diese Noppen beim Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen der Klemmbausteine in einen Hohlraum in der der „Oberseite” gegenüberliegenden Außenfläche eingreifen. Klemmbausteine oder hohle Ziegelsteine sind (in ihrer üblichen Bauweise) Beispiele für nicht konvexe Körper, die im Wesentlichen die Form eines raumfüllenden Polyeders aufweisen. Unter anderem wegen dieser Noppen weisen solche Klemmbausteine nur „im Wesentlichen” die Form eines raumfüllenden Polyeders auf, der im Fall der im Wesentlichen quaderförmigen Klemmbausteine eben durch den ihre Form charakterisierenden Quader gegeben wäre.
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Unter einem Gehäuse, welches im Wesentlichen die Form eines raumfüllenden Polyeders aufweist ist ein Gehäuse zu verstehen, dessen äußere Form im Wesentlichen die Form eines Körpers ist, der im Wesentlichen die Form eines raumfüllenden Polyeders aufweist.
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Unter dem Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen einer Mehrzahl von Körpern, die im Wesentlichen die Form eines raumfüllenden Polyeders aufweisen, insbesondere einer Mehrzahl von solchen Gehäusen, soll der Aufbau einer ersten Anordnung von solchen Körpern verstanden werden, in der jeder einzelne Körper dieser ersten Anordnung im Wesentlichen die gleiche Position einnimmt, die ein solches raumfüllendes Polyeder, dessen Form dieser Körper im Wesentlichen aufweist oder aufweisen soll, in einer zweiten Anordnung einnehmen würde, die durch ein entsprechendes Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen einer Mehrzahl dieser raumfüllenden Polyeder ohne Lücken oder Zwischenräume entstünde. Durch ein derartiges Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen einer Mehrzahl von Körpern, die im Wesentlichen die Form eines raumfüllenden Polyeders aufweisen, entstehen also Anordnungen solcher Körper, insbesondere solcher Gehäuse, die einer dichten oder raumfüllenden Packung der Polyeder entsprechen, deren Form die Körper im Wesentlichen aufweisen.
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Beispiele für solche Anordnungen sind Wände (in ihrer üblichen Bauweise) oder Blöcke (beispielsweise Pyramiden) aus Ziegelsteinen oder Klemmbausteinen. Die Position der Ziegelsteine oder Klemmbausteine in solchen (ersten, realen) Anordnungen ist durch die Position des sie jeweils repräsentierenden Polyeders (beispielsweise eines Quaders) in einer entsprechenden (zweiten, gedachten) Anordnung solcher Polyeder bedingt, in der diese Polyeder ohne Lücken oder Zwischenräume zwischen ihren Flächen, aber ansonsten in beliebiger Weise angeordnet sein können.
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Durch ein Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen – im hier definierten Sinn – einer Mehrzahl von Körpern, die im Wesentlichen die Form eines raumfüllenden Polyeders aufweisen, entsteht also eine reale (erste) Anordnung dieser Körper, die nicht unbedingt frei von Lücken oder Zwischenräumen ist. Frei von Lücken oder Zwischenräumen ist aber die entsprechende gedachte (zweite) Anordnung, die durch ein entsprechendes Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen der raumfüllenden Polyeder entstünde, deren Form die Körper im Wesentlichen aufweisen.
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Bevorzugt sind insbesondere Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das Gehäuse wenigstens ein erstes Formelement aufweist, das derart ausgestaltet ist, dass ein bestimmungswidriges Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher elektrochemischen Energiespeicher nicht möglich ist oder zu einer nicht raumfüllenden Anordnung führt. Beispiele für solche ersten Formelemente sind symmetriebrechende Formelemente, die bewirken, dass eine ohne solche ersten Formelemente beispielsweise vorhandene Drehsymmetrie eines Gehäuses gebrochen, also beseitigt wird. Hierdurch wird bei einem versehentlichen Verdrehen eines Gehäuses gegen seine bestimmungsgemäße Ausrichtung beim Aufbau einer Anordnung einer Mehrzahl solcher Gehäuse das Entstehen eines lückenlosen oder von Zwischenräumen freien Aufbaus verhindert. Dies bleibt regelmäßig nicht unbemerkt und kann dazu beitragen, ein bestimmungswidriges Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher elektrochemischen Energiespeicher und die daraus möglicherweise entstehenden Beschädigungen oder Gefahren zu vermeiden.
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Solche ersten Formelemente haben vorzugsweise die Form von Noppen oder Kerben, die auf, an oder in einer Gehäusefläche angebracht sind. Diese Formelemente können aber auch durch die Form und/oder Anordnung der Anschlüsse verwirklicht werden, sofern beispielsweise diese Anschlüsse selbst die Form solcher Noppen oder Kerben aufweisen, oder sofern beispielsweise die Anordnung der Anschlüsse zu der erforderlichen Symmetriebrechung führt.
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Ist beispielsweise bei anderen Ausführungsformen das Polyeder, dessen Form das Gehäuse im Wesentlichen aufweist, selbst nicht drehsymmetrisch, beispielsweise symmetrisch unter Drehungen um eine seiner Achsen um 90 Grad, dann können diese ersten Formelemente auch durch die Wahl eines unsymmetrischen Polyeders als Grundform für das Gehäuse verwirklicht werden. In diesen Fällen weist also das Gehäuse im Wesentlichen die Form eines unsymmetrischen Polyeders auf, der nur auf eine einzige Weise, nämlich in einer einzigen räumlichen Orientierung relativ zu anderen benachbarten Polyedern mit einer Mehrzahl solcher Polyeder zu einem raumfüllenden, also lückenlosen und zwischenraumfreien Gebilde zusammengesetzt werden kann.
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Bevorzugt sind auch weitere Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das Gehäuse wenigstens ein zweites Formelement aufweist, das derart ausgestaltet ist, dass wenigstens ein Befestigungsmittel durch das Gehäuse geschoben werden kann, welches zur mechanischen Stabilisierung einer raumfüllenden Anordnung einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern beiträgt. Solche zweiten Formelemente werden vorzugsweise durch Ausnehmungen, Bohrungen oder ähnliche Abweichungen der Gehäuseform von der Form eines idealen Polyeders verwirklicht. Durch solche Ausnehmungen oder Bohrungen können beispielsweise Zuganker oder Bolzen oder ähnliche Befestigungsmittel geführt werden.
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Bevorzugt sind auch weitere Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das Gehäuse eine Klemmeinrichtung zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung sich jeweils gegenüberliegender Anschlüsse benachbarter Energiespeicher aufweist, Solche Klemmeinrichtungen weisen vorzugsweise elastische Komponenten, wie beispielsweise Federn auf, welche die zur elektrisch leitenden Verbindung der Anschlüsse verwendeten Komponenten mit einer gewissen Kraft gegeneinander drücken, so dass diese Komponenten gegen eine unbeabsichtigte Trennung ihrer Verbindung in einem gewissen Maße geschützt sind.
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Diese elastischen Komponenten sind vorzugsweise in dafür vorgesehenen Hohlräumen des Gehäuses gelagert und mit Spannvorrichtungen, beispielsweise mit Spannhebeln, derart versehen, dass diese elastischen Komponenten beim Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen benachbarter Gehäuse vom Monteur durch Betätigung der Spannvorrichtungen leicht gespannt werden können. Beim Freigeben der Spannvorrichtungen wird somit die elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen den gegenüberliegenden Anschlüssen benachbarter Energiespeicher hergestellt.
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Bevorzugt sind auch weitere Ausführungsformen der Erfindung, bei denen in das Gehäuse wenigstens eine Kühleinrichtung integriert ist. Zur Verwirklichung solcher Ausführungsformen wird das Gehäuse oder ein Teil seiner Wandungen vorzugsweise aus einem wärmeleitfähigen Material gefertigt, das zur Erhöhung des Wärmeübergangs an die Umgebung vorzugsweise mit Kanälen für den Durchfluss eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels ausgestattet ist. Diese Kanäle sind vorzugsweise so angeordnet, dass beim Aneinanderfügen und/oder beim Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher Gehäuse die Öffnungen der Kanäle benachbarter Gehäuse möglichst dicht miteinander abschließen, was wiederum vorzugsweise mit Hilfe von an diesen Öffnungen angebrachten elastischen Dichtungen verwirklicht werden kann.
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Auf diese Weise entsteht beim Aneinanderfügen und/oder beim Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher Gehäuse aus den Kühlkanälen einzelner Gehäuse ein Netz solcher Kühlkanäle, welches sich vorzugsweise über die gesamte Anordnung erstreckt und eine wirksame Kühlung aller Energiespeicher der Anordnung ermöglicht. Anstelle von Kühlkanälen in den Gehäusen können vorzugsweise auch Ausnehmungen in vorzugsweise wärmeleitfähigen Gehäusewänden so gestaltet sein, dass sich beim Aneinanderfügen und/oder beim Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher Gehäuse ein Netz von Strömungskanälen für ein vorzugsweise gasförmiges Kühlmittel, beispielsweise Luft, ausbildet.
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Bevorzugt sind auch weitere Ausführungsformen der Erfindung, bei denen an wenigstens einer Gehäusefläche wenigstens eine Kühleinrichtung angebracht ist. Auch bei diesen Ausführungsformen wird das Gehäuse oder ein Teil seiner Wandungen vorzugsweise aus einem wärmeleitfähigen Material gefertigt. Diese Gehäusewand ist jedoch vorzugsweise derart geformt, dass sie in einen guten Wärmeleitkontakt mit einer Kühleinrichtung gebracht werden kann, die von außen an dieser Wand angebracht werden kann. Das so entstehende Gebilde aus dem ursprünglichen Gehäuse und der daran angebrachten Kühleinrichtung kann dann als Gehäuse im Sinne der Beschreibung vorhergehender und anderer Ausführungsbeispiele angesehen und entsprechend zum Aufbau einer Anordnung durch Aneinanderfügen und/oder beim Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher Gehäuse verwendet werden.
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Die Merkmale vorstehend beschriebener Ausführungsformen und weiterer Ausführungsformen der Erfindung können auch in vorteilhafter Weise miteinander kombiniert werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mit Hilfe der Figuren näher beschrieben.
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Dabei zeigt
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers mit elektrischen Anschlüssen an zwei Gehäuseflächen;
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers mit elektrischen Anschlüssen an drei Gehäuseflächen;
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3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung von erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichern;
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4 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Anordnung von erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichern;
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5 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Anordnung von erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichern;
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6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers mit elektrischen Anschlüssen an drei Gehäuseflächen und Bohrungen für Befestigungsmittel;
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7 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers mit elektrischen Anschlüssen an drei Gehäuseflächen und einer Kühleinrichtung;
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8 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers mit elektrischen Anschlüssen an drei Gehäuseflächen, Bohrungen für Befestigungsmittel und einer Kühleinrichtung.
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Der in 1 gezeigte elektrochemische Energiespeicher mit einem Gehäuse und zwei, auf zwei Gehäuseflächen angebrachten Gruppen 102, 103 von noppenförmigen elektrischen Anschlüssen hat im Wesentlichen die Form eines Würfels oder eines Quaders, somit im Wesentlichen die Form raumfüllenden Polyeders. In dem hier gezeigten Beispiel sind die Abweichungen der Gehäuseform von der Form eines idealen raumfüllenden Polyeders, nämlich eines Würfels oder Quaders durch die noppenförmigen elektrischen Anschlüsse bedingt. Es sind aber auch andere Gehäuseformen denkbar, bei denen diese Abweichungen der Gehäuseform von der Form eines idealen raumfüllenden Polyeders auch durch weitere oder andere Formelemente, wie beispielsweise Ausnehmungen oder Montagestrukturen bedingt sind.
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Auf den Gehäuseflächen sind diese elektrischen Anschlüsse so angeordnet, dass beim Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher elektrochemischen Energiespeicher eine elektrische Zusammenschaltung dieser Energiespeicher zu einer elektrischen Reihen- und oder Parallelschaltung solcher Energiespeicher erfolgt oder durch das Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung sich jeweils gegenüberliegender Anschlüsse benachbarter Energiespeicher bewirkt werden kann.
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Dazu sind auf in den in der 1 nicht sichtbaren, verdeckten Gehäuseflächen, die den die noppenförmigen Anschlüsse 102, 103 tragenden Gehäuseflächen auf demselben Würfel oder Quader gegenüber liegen, zu diesen Anschlüssen 102, 103 passende Anschlüsse vorgesehen, die vorzugsweise die Form von zylindrischen Vertiefungen in diesen Gehäuseflächen aufweisen, und in welche die vorzugsweise zylindrisch noppenförmigen Anschlusselemente 102, 103 des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels eines elektrochemischen Energiespeichers aufgenommen werden, sobald eine Mehrzahl solcher Energiespeicher mit der richtigen Ausrichtung aneinandergefügt oder aufeinandergefügt wird.
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Eine mögliche dabei entstehende Anordnung einer Mehrzahl von solchen Energiespeichern zeigt 3. Die Anschlüsse eines Energiespeichers 311, ..., 333 ragen jeweils in die entsprechenden, in der Figur nicht dargestellten Vertiefungen des ihm seitlich oder vertikal benachbarten Energiespeichers hinein und können dabei elektrisch in Kontakt mit in diesen Vertiefungen angelegten Anschlusselementen des jeweils benachbarten Energiespeichers treten.
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Durch eine geeignete elektrische Verdrahtung der Anschlusselemente eines Energiespeichers ist es nun möglich, je nach den Anforderungen einer technischen Anwendung, eine benötigte Reihen- und/oder Parallelschaltung der Energiespeicher in der Anordnung zu verwirklichen. Dabei hat eine reine Reihenschaltung von Energiespeichern eine Addition der von diesen Energiespeichern erzeugten elektrischen Spannung zur Folge, während eine reine Parallelschaltung die Spannung unverändert lässt aber die elektrische Kapazität entsprechend vervielfacht. Durch geeignete Kombinationen von Reihen- und/oder Parallelschaltungen kann somit praktisch jede benötigte Spannung mit der benötigten elektrischen Kapazität zur Verfügung gestellt werden.
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Die erfindungsgemäßen Energiespeicher werden daher vorzugsweise in unterschiedlichen Verdrahtungsvarianten zur Verfügung gestellt, bei denen ein Aneinanderfügen bzw. ein Aufeinanderfügen solcher Energiespeicher mit der dadurch bewirkten Kontaktierung sich direkt gegenüberliegender Anschlusselemente jeweils mit einer Reihenschaltung bzw. einer Parallelschaltung direkt benachbarter aneinandergefügter oder aufeinandergefügter Energiespeicher verbunden ist.
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Die elektrische Kontaktierung sich beim Aneinanderfügen oder beim Aufeinanderfügen direkt gegenüberliegender Anschlüsse kann dabei vorzugsweise automatisch, also beispielsweise durch einfaches Ineinanderschieben erfolgen, oder mit Hilfe von Verbindungselementen hergestellt werden. Als solche Verbindungselemente kommen vorzugsweise kleine Leiterstücke, beispielsweise in der Form von metallischen Klemmen, Röhren oder von elektrisch leitfähigen, vorzugsweise ein Metallpulver enthaltenden Silikondichtungen in Betracht, die zwischen die direkt gegenüberliegender Anschlüsse gelegt werden können. Diese elektrisch leitfähigen, vorzugsweise ein Metallpulver enthaltenden Silikondichtungen sind zudem mit dem Vorteil verbunden, dass sie eine elastische Lagerung der Energiespeicher bewirken.
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Der in 2 gezeigte elektrochemische Energiespeicher besitz ein Gehäuse, das wenigstens ein erstes Formelement (205) aufweist, das derart ausgestaltet ist, dass ein bestimmungswidriges Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher elektrochemischen Energiespeicher nicht möglich ist oder zu einer nicht raumfüllenden Anordnung führt. Außerdem weist sein Gehäuse drei nicht koplanare Gehäuseflächen mit vorzugsweise noppenförmigen Anschlüssen 202, 203, 204 auf, denen dazu passende Anschlüsse auf den in dieser Figur nicht sichtbaren, verdeckten Gehäuseflächen entsprechen.
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Durch ein Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen der in 2 gezeigten elektrochemischen Energiespeicher können beispielsweise die in den 4 und 5 gezeigten Anordnungen einer Mehrzahl von solchen elektrochemischen Energiespeichern aufgebaut werden. Alle diese Anordnungen sind raumfüllend in dem Sinn, dass zwischen den die Gehäuse repräsentierenden benachbarten (gedachten) Polyedern keine Lücken oder Zwischenräume vorhanden sind, obwohl zwischen den realen benachbarten Gehäusen aufgrund von Abweichungen von der idealen Polyederform, beispielsweise aufgrund von Ausnehmungen in den Gehäuseflächen oder Gehäusekanten sehr wohl Lücken und Zwischenräume vorhanden sein können. Diese Anordnungen sind, wie das in 5 gezeigte Beispiel zeigt, nicht notwendig konvex, denn nicht jeder Punkt auf jeder beliebigen Verbindungsgeraden zweier Punkte dieser Anordnungen muss notwendig in der Anordnung liegen.
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Das in 2 gezeigte erste Formelement (205) ist beispielsweise eine Noppe an einer der Gehäuseflächen sowie eine dazu passende Vertiefung in einer gegenüberliegenden, nicht dargestellten, verdeckten Gehäusefläche, die so angeordnet sind, dass sie möglicherweise ansonsten vorhandene Symmetrieeigenschaften des Gehäuses brechen, beispielsweise eine Invarianz des Gehäuses unter Drehungen um eine Achse um beispielsweise 90 Grad. Bei entsprechender symmetriebrechender Anordnung und Ausgestaltung der Anschlüsse eines erfindungsgemäßen Energiespeichers kann aber sogar auf eigens diesem Zweck dienende Formelemente verzichtet werden, weil die Anschlüsse selbst bereits ein solches erstes Formelement darstellen.
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Diese und andere Ausführungsformen der Erfindung können mit den Merkmalen weiterer, beispielsweise in den 6 und 8 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden, bei denen das Gehäuse wenigstens ein zweites Formelement (605, 805) aufweist, das derart ausgestaltet ist, dass wenigstens ein Befestigungsmittel durch das Gehäuse geschoben werden kann, welches zur mechanischen Stabilisierung einer raumfüllenden Anordnung einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern beiträgt. Solche zweiten Formelemente können als Bohrungen durch das Gehäuse, beispielsweise durch periphere Teile des Gehäuses, wie beispielsweise durch die Wände des Gehäuses ausgeführt sein. Anstelle von Bohrungen sind auch anders geformte Ausnehmungen oder Hohlschrauben denkbar. Durch solche Bohrungen oder Ausnehmungen können Stangen, Bolzen, Zuganker oder ähnliche Befestigungsmittel durch das Gehäuse und durch die Gehäuse benachbarter Energiespeicher geschoben oder in sie eingeschraubt werden.
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Diese und andere Ausführungsformen der Erfindung können mit den Merkmalen weiterer Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden, bei denen das Gehäuse eine Klemmeinrichtung zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung sich jeweils gegenüberliegender Anschlüsse benachbarter Energiespeicher aufweist. Solche Klemmeinrichtungen weisen vorzugsweise elastische Komponenten, wie beispielsweise Federn auf, welche die zur elektrisch leitenden Verbindung der Anschlüsse verwendeten Komponenten mit einer gewissen Kraft gegeneinander drücken, so dass diese Komponenten gegen eine unbeabsichtigte Trennung ihrer Verbindung in einem gewissen Maße geschützt sind. Diese elastischen Komponenten sind vorzugsweise in dafür vorgesehenen Hohlräumen des Gehäuses gelagert und mit Spannvorrichtungen, beispielsweise mit Spannhebeln, derart versehen, dass diese elastischen Komponenten beim Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen benachbarter Gehäuse vom Monteur durch Betätigung der Spannvorrichtungen leicht gespannt werden können. Beim Freigeben der Spannvorrichtungen wird somit die elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen den gegenüberliegenden Anschlüssen benachbarter Energiespeicher hergestellt.
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Diese und andere Ausführungsformen der Erfindung können mit den Merkmalen weiterer Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden, bei denen in das Gehäuse wenigstens eine Kühleinrichtung (706, 806) integriert ist. Zur Verwirklichung solcher Ausführungsformen wird das Gehäuse oder ein Teil seiner Wandungen vorzugsweise aus einem wärmeleitfähigen Material gefertigt, das zur Erhöhung des Wärmeübergangs an die Umgebung vorzugsweise mit Kanälen für den Durchfluss eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels ausgestattet ist. Diese Kanäle sind vorzugsweise so angeordnet, dass beim Aneinanderfügen und/oder beim Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher Gehäuse die Öffnungen der Kanäle benachbarter Gehäuse möglichst dicht miteinander abschließen, was wiederum vorzugsweise mit Hilfe von an diesen Öffnungen angebrachten elastischen Dichtungen verwirklicht werden kann.
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Auf diese Weise entsteht beim Aneinanderfügen und/oder beim Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher Gehäuse aus den Kühlkanälen einzelner Gehäuse ein Netz solcher Kühlkanäle, welches sich vorzugsweise über die gesamte Anordnung erstreckt und eine wirksame Kühlung aller Energiespeicher der Anordnung ermöglicht. Anstelle von Kühlkanälen in den Gehäusen können vorzugsweise auch Ausnehmungen in vorzugsweise wärmeleitfähigen Gehäusewänden so gestaltet sein, dass sich beim Aneinanderfügen und/oder beim Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher Gehäuse ein Netz von Strömungskanälen für ein vorzugsweise gasförmiges Kühlmittel, beispielsweise Luft, ausbildet.
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Diese und andere Ausführungsformen der Erfindung können mit den Merkmalen weiterer Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden, bei denen an wenigstens einer Gehäusefläche wenigstens eine Kühleinrichtung (706, 806) angebracht ist. Auch bei diesen Ausführungsformen wird das Gehäuse oder ein Teil seiner Wandungen vorzugsweise aus einem wärmeleitfähigen Material gefertigt. Diese Gehäusewand ist jedoch vorzugsweise derart geformt, dass sie in einen guten Wärmeleitkontakt mit einer Kühleinrichtung gebracht werden kann, die von außen an dieser Wand angebracht werden kann. Das so entstehende Gebilde aus dem ursprünglichen Gehäuse und der daran angebrachten Kühleinrichtung kann dann als Gehäuse im Sinne der Beschreibung vorhergehender und anderer Ausführungsbeispiele angesehen und entsprechend zum Aufbau einer Anordnung durch Aneinanderfügen und/oder beim Aufeinanderfügen einer Mehrzahl solcher Gehäuse verwendet werden.
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Die Module (Batterien, Zellen) einer erfindungsgemäßen Anordnung können beispielsweise abwechselnd mit Wärmeleitplatten gestapelt werden. Die Kontaktierung der Module wird dabei vorzugsweise mit Hilfe von Kontaktierungshülsen vorgenommen, die vorzugsweise durch entsprechende Ausschnitte in den Wärmeleitplatten geführt werden können,
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Die 3, 4 und 5 zeigen nur einige wenige beispielhafte Möglichkeiten zum Aufbau einer Anordnung einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichern, beispielsweise nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen. Je nach der verwendeten Ausführungsform von erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichern ist insbesondere der Aufbau von Anordnungen möglich, die sich flexibel und raumsparend den Platzverhältnissen einer gegebenen Anwendung anpassen, beispielsweise bei der raumsparenden Unterbringung von Traktionsbatterien in konstruktionsbedingt vorhandenen Hohlräumen von Elektrofahrzeugen. Durch ein entsprechendes reihen und Stapeln erfindungsgemäßer Energiespeicher können so auch komplexe Bauräume verschiedener Anwendungsumgebungen wirkungsvoll genutzt werden. Hierbei können mit Vorteil Gehäuse aus sogenannten Polygon-Strangprofilen eingesetzt werden, die vorzugsweise mit Klemmverbindungen ausgerüstet sind. Die Erfindung ermöglicht eine große Variabilität in der Gruppierung der einzelnen Speichermodule oder der Zellen innerhalb eines Gehäuses, beispielsweise eine Reihen- und/oder Parallelschaltung in Gruppen, wodurch breite Spannungsbereiche abgedeckt werden können.
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Bei einer Gruppierung der Zellen in ganzzahligen Zweierpotenzen, bei denen also die Anzahl der Zellen in einem Basismodul eine ganzzahlige Potenz von zwei ist, können durch unterschiedliche Reihen- und/oder Parallelschaltung unterschiedliche Spannungen zur Verfügung gestellt werden: Beispielsweise 28,8 V bei 8 Zellen in Reihe, 14,4 V bei einer Parallelschaltung von 2 Reihen von je 4 Zellen, 7,2 V bei einer Reihenschaltung von 2 Gruppen von je 4 parallelen Zellen und 3,6 V bei einer Parallelschaltung von 8 Zellen. Auf diese Weise sind Anordnungen möglich, die kompatibel mit den unterschiedlichsten industriellen oder fahrzeugtechnischen Anwendungen sind, wie beispielsweise mit den Anforderungen von Akku-Rasenmähern, einer Kraftfahrzeugelektrik, oder den Anforderungen von Gartengeräten.
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Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichern, beispielsweise nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen, bei dem beim Aneinanderfügen und/oder Aufeinanderfügen einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern eine elektrische Zusammenschaltung dieser Energiespeicher zu einer elektrischen Reihen- und oder Parallelschaltung solcher Energiespeicher erfolgt oder durch das Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung sich jeweils gegenüberliegender Anschlüsse benachbarter Energiespeicher bewirkt wird. Dazu werden diese Energiespeicher so zusammengefügt, dass die je nach den Anforderungen einer gegebenen Anwendung benötigten elektrischen Reihen- und oder Parallelschaltungen solcher Energiespeicher entstehen oder durch das Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung sich jeweils gegenüberliegender Anschlüsse benachbarter Energiespeicher bewirkt wird. Hier können auch die bereits erwähnten Klemmverbindungen vorteilhaft zum Einsatz kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 569865 [0005]
- EP 0362083 A1 [0006]
- EP 0575060 B1 [0007]
- US 5140744 [0008]