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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit einer Anzahl von Zellmodulen, wobei jedes Zellmodul eine Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen aufweist.
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Aus der
DE 10 2011 015 152 A1 ist eine Energiespeichervorrichtung mit einer Mehrzahl von Speicherzellen und einer Temperiereinrichtung zum Temperieren der Speicherzellen oder eines durch die Speicherzellen gebildeten Zellverbundes bekannt. Dabei sind zwischen einer Speicherzelle und einem anderen Bauelement elastische Mittel zur stoßdämpfenden Lagerung oder Beabstandung vorgesehen, wobei das andere Bauelement eine andere Speicherzelle oder ein Halteelement oder ein sonstiges Gehäuseteil oder ein Wärmeleitelement ist. Die elastischen Mittel sind als funktionaler Bestandteil der Temperiereinrichtung ausgelegt und eingerichtet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen elektrischen Energiespeicher anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Energiespeicher gelöst, welcher die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein elektrischer Energiespeicher umfasst eine Anzahl von Zellmodulen, wobei jedes Zellmodul eine Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einzelzellen jedes Zellmoduls in einer zylindrischen Aufnahme einer Schaumhalterung des jeweiligen Zellmoduls form- und/oder kraftschlüssig, beispielsweise auch über Haftreibung an den Zellmantelflächen, angeordnet sind. Darüber hinaus ist in einer Anzahl von Zwischenwandungen der Schaumhalterung zumindest ein stabförmiger Zuganker parallel zur Längsachse der Einzelzellen angeordnet und Außenwandungen der Schaumhalterung weisen eine zumindest partiell geringere Wandstärke auf, als die die Aufnahmen voneinander separierenden Zwischenwandungen.
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Mittels der Schaumhalterung und des Zugankers ist eine vergleichsweise einfache Handhabung des Zellmoduls mit einem konventionellen Greifersystem, insbesondere bei einem Zusammenbau des elektrischen Energiespeichers, möglich. Dabei ist eine Handhabung des jeweiligen Zellmoduls beispielsweise mittels einer trivialen Greiferkonstruktion, welche robotergeführt oder an Portalachsen angebunden ist, realisierbar. Der jeweilige Zuganker ist platzneutral in eine Zwischenwandung der Schaumhalterung eingebracht, so dass kein zusätzlicher Bauraum zur Anordnung der Zuganker erforderlich ist. Durch Verwendung der Schaumhalterungen kann ein Bauraum bei einer Montage des Energiespeichers ohne Bauraumverlust optimal ausgenutzt werden.
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Die in die jeweilige Schaumhalterung eingebrachten Zuganker, welche insbesondere für die Anordnung der Zellmodule in ein Gehäuse des elektrischen Energiespeichers mittels des Greifersystems vorgesehen sind, können in der Schaumhalterung verbleiben und wiederverwendet werden. Beispielsweise können die Zuganker im Reparaturfall des Energiespeichers, beispielsweise für einen Austausch eines Zellmoduls, wiederverwendet werden, wodurch der Austausch vereinfacht durchführbar ist.
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Ist vorgesehen, in den jeweiligen Zuganker eine Öse zur verbesserten Handhabung des Zellmoduls einzuschrauben, so können diese nach einer Montage des Zellmoduls von dem Zuganker entfernt werden, so dass ein Aufbau der Einzelzellen mit Zellverbindern etc. uneingeschränkt möglich ist.
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Eine solche Schaumhalterung kann für alle Ausführungsformen von Einzelzellen, insbesondere für Einzelzellen mit zylindrischem Zellgehäuse, verwendet werden.
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Mittels der Schaumhalterung, in deren Aufnahmen Einzelzellen form- und/oder kraftschlüssig und fixiert angeordnet sind, ist eine kompakte Baueinheit gebildet, mittels welcher ein verhältnismäßig dichter Verbau in Bezug auf den elektrischen Energiespeicher möglich ist, und somit eine Energiedichte im Fahrzeug optimiert werden kann.
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Die Anordnung der Einzelzellen und der Zuganker in der Schaumhalterung ist verhältnismäßig einfach in einen Produktionsumfang zur Herstellung des elektrischen Energiespeichers, insbesondere ohne Mehraufwand, integrierbar.
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Da die Einzelzellen in den Aufnahmen der Schaumhalterung vergleichsweise gut fixiert sind, wirken kaum bis keine Kräfte bei der Handhabung des Zellmoduls auf weitere Bauteile, wie beispielsweise einen auf Einzelzellen aufgeschweißten Zellverbinder.
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Mittels der Schaumhalterung kann eine Modulbauweise des elektrischen Energiespeichers vergleichsweise stark vereinfacht werden, wobei eine Modulgröße, insbesondere eine Anzahl der Einzelzellen pro Zellmodul, im Wesentlichen frei gewählt werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Rahmens eines elektrischen Energiespeichers mit einem eingesetzten Zellmodul und einem weiteren Zellmodul bei seinem Einsetzen in den Rahmen nach dem Stand der Technik,
- 2 schematisch eine Draufsicht eines Zellmoduls mit Schaumhalterung,
- 3 schematisch eine Schnittdarstellung des Zellmoduls,
- 4 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt einer Schnittdarstellung eines Zellmoduls,
- 5 schematisch eine Draufsicht zwei nebeneinander angeordneter Zellmodule,
- 6 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes bei einem Einsetzen eines Zellmoduls in den Rahmen und
- 7 schematisch eine Draufsicht eines Greifersystems mit einem Zellmodul beim Einsetzen in den Rahmen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rahmens 1 eines nicht näher dargestellten elektrischen Energiespeichers mit einem eingesetzten Zellmodul 2 und einem weiteren Zellmodul 2 bei seinem Einsetzen in den Rahmen 1 nach dem Stand der Technik. Zudem ist ein Koordinatensystem gezeigt, wobei eine x-Achse in Richtung einer Längsachse, eine y-Achse in Richtung einer Querachse und eine z-Achse in Richtung einer Hochachse des elektrischen Energiespeichers und auch des Zellmoduls 2 verläuft.
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Das Einsetzen des Zellmoduls 2 in den Rahmen 1 erfolgt mittels eines konventionellen Greifersystems 3, welches zur Handhabung des Zellmoduls 2 seitlich an diesem ansetzt. Die Handhabung des Zellmoduls 2 mittels eines solchen Greifersystems 3 erfordert wegen eines Herein- und Herausfahrens des Greifersystems 3 aufgrund des seitlichen Ansetzens zusätzlichen Bauraum. Dadurch können die Zellmodule 2 nicht direkt, sondern nur mit Bauraumverlust, aneinander angeordnet werden.
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Ein elektrischer Energiespeicher, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug umfasst eine vorgegebene Anzahl solcher Zellmodule 2. Das jeweilige Zellmodul 2 weist eine vorgegebene Anzahl von Einzelzellen 4 auf, die gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der 1 bis 7 ein zylindrisches Zellgehäuse umfassen. Derartig ausgebildete Einzelzellen 4 werden auch als Rundzellen bezeichnet. Die Einzelzellen 4 sind in vorgegebener Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet, wobei hierzu insbesondere nicht näher gezeigte Zellverbinder eingesetzt werden.
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Um einen Bauraum des Rahmens 1 und eines Gehäuses des elektrischen Energiespeichers optimiert nutzen zu können, ist im Folgenden eine Schaumhalterung 5, welche eine Komponente des jeweiligen Zellmoduls 2 darstellt, vorgesehen.
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2 zeigt eine Draufsicht eines Zellmoduls 2 mit Schaumhalterung 5, beispielsweise zum Einsetzen in einen Rahmen 1 des elektrischen Energiespeichers.
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Die Schaumhalterung 5 weist eine vorgegebene Anzahl von Aufnahmen 5.1 auf. Dabei ist jede Aufnahme 5.1 zur Anordnung einer Einzelzelle 4 ausgebildet. Die Einzelzellen 4 werden in die Aufnahmen 5.1 eingeschoben. Da es sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um Einzelzellen 4 mit zylindrischem Zellgehäuse handelt, sind auch die Aufnahmen 5.1 korrespondierend mit den Einzelzellen 4 ausgebildet. Die jeweilige Aufnahme 5.1 der Schaumhalterung 5.1 kann auch als Hohlkern bezeichnet werden.
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Die Aufnahmen 5.1 der Schaumhalterung 5 können bodenseitig geschlossen sein, so dass die in den Aufnahmen 5.1 angeordneten Einzelzellen 4 bei Montage, das heißt beim Einsetzen, in den Rahmen 1 aus der Schaumhalterung 5 nicht nach unten herausfallen können. Die Aufnahmen 5.1 können aber ebenso nach unten hin geöffnet sein, wobei ein Herausfallen der Einzelzellen 4 bei der Montage lediglich durch Kraftschluss beziehungsweise Haftreibung zwischen Wandungen der einzelnen Aufnahmen 5.1 der Schaumhalterung 5 sowie den Mantelflächen der Einzelzellen 4 verhindert wird.
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Mittels der Schaumhalterung 5 und dadurch, dass die Einzelzellen 4 in den Aufnahmen 5.1 elektrisch und im Wesentlichen thermisch voneinander separiert sind, kann eine Ausbreitung eines thermischen Durchgehens unter den Einzelzellen 4 eines Zellmoduls 2, aber auch benachbarter Zellmodule 2, weitestgehend verhindert werden. Bei einem Schaum, aus welchem die Schaumhalterung 5 gebildet ist, handelt es sich insbesondere zumindest um einen elektrisch isolierenden sowie hitzebeständigen Schaum.
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In vorgegebenen regelmäßigen Abständen ist jeweils ein stabförmiger Zuganker 6 in eine Zwischenwandung Z der Schaumhalterung 5 eingebracht. Dabei erstreckt sich der jeweilige Zuganker 6 parallel zur Längsachse der Einzelzellen 4 und somit auch der Aufnahmen 5.1. Die Zuganker 6 sind in Bezug auf ein Gewicht und Lastfälle anpassbar, wobei die Zuganker 6 beispielsweise aus Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff und/oder Metall gebildet sein können.
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Die Zuganker 6 sind insbesondere zum Greifen des Zellmoduls 2 mittels eines Greifersystems 3 vorgesehen, welches beispielhaft in 7 gezeigt ist. Das Zellmodul 2, das heißt die Zuganker 6 werden von einem in z-Richtung über dem Zellmodul 2 angeordneten Greifersystem 3, insbesondere zum Einsetzen des Zellmoduls 2 in den Rahmen 1, gegriffen. Das Greifersystem 3 hebt dann das Zellmodul 2 an und positioniert dieses in dem Rahmen 1. Dabei wirkt eine Zugkraft F auf die Zuganker 6.
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In einer möglichen Ausführung verbleiben die Zuganker 6 an der Schaumhalterung 5 und können somit, insbesondere zur Handhabung des Zellmoduls 2, wieder verwendet werden.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung des Zellmoduls 2 mit vier Einzelzellen 4, der Schaumhalterung 5 und zwei Zugankern 6 und in 4 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Zellmoduls 2 gezeigt.
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In einer weiteren Ausführung weisen die Zuganker 6 zumindest abschnittsweise, insbesondere an einem freiliegenden Ende, ein Innengewinde auf. Eine in 4 dargestellte Öse 7, welche ein mit dem Innengewinde korrespondierendes Außengewinde aufweist, kann somit in den Zuganker 6 eingeschraubt werden. Sofern die jeweilige Öse 7 einen Zusammenbau und einen Betrieb des elektrischen Energiespeichers nicht beeinträchtigt, können die Ösen 7 an dem Zellmodul 2 verbleiben. Auch können die Ösen 7 nach einem Verbau des Zellmoduls 2 entfernt werden und bei Bedarf, insbesondere im Reparaturfall, beispielsweise zum Austausch des Zellmoduls 2, erneut in die Zuganker 6 eingeschraubt werden.
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Eine Draufsicht zweier nebeneinander angeordneter Zellmodule 2 mit jeweils einer Anzahl von Einzelzellen 4, die in einer jeweiligen Schaumhalterung 5 mit Zugankern 6 angeordnet ist, ist in 5 dargestellt.
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Um einen Bauraumbedarf der nebeneinander angeordneten Zellmodule 2 zu verringern, sieht eine Ausbildung der Schaumhalterung 5 vor, dass eine Kontur der Schaumhalterung 5 vorgebende, gestrichelt dargestellte Außenwandungen A eine geringere Wandstärke aufweisen, als zwischen den Aufnahmen 5.1 verlaufende Zwischenwandungen Z. Zumindest mittels der Zwischenwandungen Z sind die einzelnen Aufnahmen 5.1 für die Einzelzellen 4 voneinander separiert.
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6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes benachbarter Zellmodule 2 bei einem Einsetzen eines Zellmoduls 2 in den Rahmen 1. Insbesondere zeigt 6 eine zusätzliche oder alternative Ausführungsform, bei welcher die Außenwandungen A, insbesondere die an Außenwandungen A eines benachbarten Zellmoduls 2 angrenzenden Außenwandungen A der Schaumhalterungen 5, derart ausgebildet sind, dass die Außenwandungen A benachbarter Schaumhalterungen 5 zumindest abschnittsweise formschlüssig ineinander greifen. Hierzu weisen die Außenwandungen A der einen Schaumhalterung 5 Einbuchtungen E und Ausbuchtungen B auf, die mit Einbuchtungen E und Ausbuchtungen B der Außenwandung A der Schaumhalterung 5 des benachbarten Zellmoduls 2 korrespondieren. Beispielsweise sind die Einbuchtungen E und Ausbuchtungen B der jeweiligen Außenwandung A rasterförmig ausgebildet. Auch können die Einbuchtungen E und Ausbuchtungen B rillenförmig ausgebildet sein und umfangsseitig oder in Richtung der z-Achse verlaufen. Nebeneinander angeordnete Zellmodule 2 können durch eine derartige Ausbildung der Außenwandungen A seitlich ineinander gesteckt werden. In Abhängigkeit einer Höhe der Ausbuchtungen B und einer Tiefe der Einbuchtungen E kann ein Abstand zwischen benachbarten Zellmodulen 2, insbesondere der außenwandungsseitig angeordneten Einzelzellen 4 der benachbarten Zellmodule 2 eingestellt werden.
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7 zeigt eine Draufsicht eines Ausschnittes eines Zellmoduls 2 mit einem teilweise oberhalb des Zellmoduls 2 verfahrbar angeordneten Greifersystems 3. Dabei ist mittels eines Pfeiles P eine Verfahrrichtung des Greifersystems 3 dargestellt. Sowohl die in die Zuganker 6 eingeschraubten Ösen 7 als auch die Greifer 3.1 des Greifsystems 3 sind teiltransparent dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rahmen
- 2
- Zellmodul
- 3
- Greifersystem
- 3.1
- Greifer
- 4
- Einzelzelle
- 5
- Schaumhalterung
- 5.1
- Aufnahme
- 6
- Zuganker
- 7
- Öse
- A
- Außenwandung
- B
- Ausbuchtung
- E
- Einbuchtung
- F
- Zugkraft
- P
- Pfeil
- Z
- Zwischenwandung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011015152 A1 [0002]