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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus der
DE 10 2011 118 686 A1 ist eine Batterie mit einer Mehrzahl an Batterieeinzelzellen, deren Pole mittels einer Stromschiene elektrisch miteinander verbunden sind, offenbart, wobei die Stromschiene von einem Kühlmittel durchströmbar ist.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Energiespeicher derart weiterzuentwickeln, dass eine Kontaktierung an Zellverbinder besonders effizient ausgestaltet ist. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen elektrische Energiespeicher bereitzustellen, dessen mindestens ein Zellverbinder durch seine geometrischen Abmessungen eine verbesserte Kühlmöglichkeit von Batteriezellen ermöglichen kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Energiespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Merkmale und Weiterbildungen sind aus den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher insbesondere für einen Kraftwagen, insbesondere für einen wenigstens teilweise elektrisch betreibbaren Kraftwagen, welcher ein Gehäuse aufweist, sowie in dem Gehäuse angeordnete Batteriezellen und wenigstens einen die Batteriezellen an einem Pol verbindenden Zellverbinder für eine Übertragung von elektrischer Energie.
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Um die Aufgabe der Erfindung zu lösen, ist es vorgesehen, dass sich ein erster Bereich des Zellverbinders zwischen einer länglichen Erstreckungsrichtung der Batteriezellen, beispielsweise eine z-Richtung, erstreckt und sich ein zweiter Bereich des Zellverbinders senkrecht zum ersten Bereich, beispielsweise in eine y-Richtung, und die Batteriepole der Batteriezellen kontaktierend erstreckt.
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In anderen Worten besteht ein elektrischer Energiespeicher aus einem Gehäuse, in dem eine Mehrzahl von Batteriezellen, beispielsweise eine Mehrzahl von Rundzellen, bei denen die Pole an einer Frontseite angeordnet sind, angeordnet sind, sowie wenigstens ein Zellverbinder, der die Batteriezellen an wenigstens einem Pol verbindet, um elektrische Energie zu übertragen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Ausgestaltung, dass sich ein erster Bereich des Zellverbinders entlang der länglichen Erstreckungsrichtung der Batteriezellen erstreckt, während sich ein zweiter Bereich des Zellverbinders senkrecht zum ersten Bereich erstreckt und die Batteriepole der Batteriezellen kontaktiert bzw. berührt. Dieser elektrische Energiespeicher weist zahlreiche Vorteile auf, wie beispielsweise den Wegfall oder die Reduzierung von aufwendigen Versteifungsstrukturen und Kühlelementen, was zu einer Gewichtsreduzierung des gesamten Kraftwagens bzw. Fahrzeugs führt. Auch der Materialeinsatz und somit die Kosten können reduziert werden. Darüber hinaus verringert sich der benötigte Bauraum, während die Kühl- und Temperiereigenschaften des elektrischen Energiespeichers bzw. der Batterie verbessert werden. Besonders geeignet ist der erfindungsgemäße elektrische Energiespeicher für den Einsatz in reinen Elektroautos oder anderen Fahrzeugen mit größeren Batteriemodulen, bei denen die Fahrzeugbatterie eine strukturelle Rolle einnimmt. Die flexible Verschaltungsmöglichkeit und Anordnung erlauben zudem insbesondere vielfältige Einsatzmöglichkeiten.
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Die Integration in Produktionsprozesse gestaltet sich zudem auch noch besonders einfach, ohne besondere Änderungen in Abfolgen oder Anlagentechnik. Konventionelle Fügetechniken wie Kleben, Schrauben oder Schweißen, beispielsweise Laserschweißen, können zur Anbindung der Zellverbinder, beispielsweise an die Batteriezellenpole und/oder an das Batteriezellenghäuse, genutzt werden. Die Fertigung kann beispielsweise aus einem Strangpressprofil erfolgen, das gegebenenfalls nachbearbeitet werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Bereich in seiner inneren Struktur einen Kühlkanal aufweist, wodurch eine verbesserte Temperierung innerhalb des Gehäuses ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass sich der Kühlkanal wenigstens entlang der gesamten Länge des ersten Bereichs, beispielsweise entlang einer x-Richtung, erstreckt, wodurch ebenfalls eine verbesserte Temperierung innerhalb des Gehäuses ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Batteriezellen in Reihen aus einer Mehrzahl von Batteriezellen angeordnet sind. Die Reihen von Batteriezellen sind beispielsweise in einer x-Richtung zueinander versetzt angeordnet, so dass ein Platz, den die Batteriezellen im Zellgehäuse einnehmen, ideal ausgenützt werden kann. Der Kühlkanal kann sich beispielsweise zwischen zwei Reihen durchschlängeln. Anders ausgedrückt kann der Kühlkanal schlangenartig zwischen den benachbarten Reihen von Batteriezellen hindurchgeführt sein. Eine Außenfläche des ersten Bereichs mit dem Kühlkanal kann mit zumindest einem Teilbereich eines Gehäuses einer jeweiligen Batteriezelle in einer Reihe in Kontakt stehen. Der erste Bereich des Zellverbinders mit dem Kühlkanal kann beispielsweise eine Länge aufweisen, die kleiner als eine Länge einer Längsausdehnung einer Batteriezelle ist, beispielsweise eine Länge aufweisen, die etwa 10 %, 20 %, 30%, 40 % oder 50 % der Gesamtlänge einer Batteriezelle entspricht. Der erste Bereich des Zellverbinders mit dem Kühlkanal kann beispielsweise eine Länge aufweisen, die zu der Länge der Batteriezellen in der länglichen Erstreckungsrichtung der Batteriezellen korrespondiert, beispielsweise annähernd gleich lang ausgeführt sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Bereich des Zellverbinders zumindest einen Flächenkontakt mit einem Teilbereich eines Batteriegehäuses aufweist, so dass eine effiziente Wärmeaustauschfläche zwischen Batteriezelle und Zellverbinder und/oder Kühlkanal realisiert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Kühlkanal eine innenumfangsseitige Isolationsschicht aufweist. Diese Eigenschaft verhindert das Austreten des Kühlmittels im Gehäuse und schützt vor möglichen Korrosionen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Bereich aufweisend den Kühlkanal schlangenförmig bzw. mäanderförmig um die Batteriezellen angeordnet bzw. positioniert ist. Anders ausgedrückt kann der erste Bereich und der Kühlkanal im ersten Bereich des Zellverbinders entlang einer Achse, beispielsweise einer x-Achse, alternierend bogenförmige Verläufe aufweisen, welche zu einem Außenflächenverlauf der Batteriezellengehäuse korrespondiert. Beispielsweise kann ein Radius des ersten Bereichs mit dem Kühlkanal zu einem Außenradius eines Batteriegehäuses in Teilabschnitten des ersten Bereichs des Zellverbinders korrespondieren.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass sich der erste Bereich mit dem Kühlkanal entlang der gesamten Länge des ersten Bereichs schlangenförmig bzw. mäanderförmig um Batteriezellen, beispielsweise bei einer Draufsicht auf die Batteriezellen, erstreckt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der zweite Bereich des Zellverbinders stoffschlüssig, beispielsweise mittels einer Schweißnaht, beispielsweise mittels einer Laserschweißnaht, mit der Mehrzahl von ersten Batteriepolen der Batteriezellen verbunden ist, was beispielsweise zu einer Parallelschaltung der Batteriezellen korrespondieren kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Zellverbinders ist wenigstens eine knautschfähige Struktur, beispielsweise eine Crashstruktur, in Richtung des Gehäuses angeordnet. Anders ausgedrückt kann zwischen der Mehrzahl von Zellverbinder und dem Gehäuse eine Knautschstruktur vorgesehen sein. Diese Struktur absorbiert Energie im Falle eines Unfalls und erhöht somit die Sicherheit des elektrischen Energiespeichers.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Querschnitt durch den Zellverbinder eine T-förmige Ausgestaltung entlang einer Richtung des zweiten Bereichs, beispielsweise entlang einer y-Richtung, aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Zellverbinder quer zu einer länglichen Erstreckungsrichtung des Zellverbinders eine T-förmige Ausgestaltung aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Kühlkanal beispielsweise eine Rechteckform, beispielsweise mit abgerundeten Innenecken, aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der elektrische Energiespeicher eine Mehrzahl von Zellverbinder, beispielsweise innerhalb des Gehäuses, aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der elektrische Energiespeicher eine Mehrzahl von Zellverbindern aufweist, bei denen die Zellverbinder an ihren Enden mit dem Gehäuse gekoppelt, beispielsweise verbunden, sind. Dadurch kann eine hohe Steifigkeit des Gehäuses erreicht werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer möglichen Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers; und
- 2 schematisch eine weitere Draufsicht auf eine Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine Draufsicht und einen Querschnitt einer möglichen Ausführungsform eines elektrischen Energiespeichers 10 für einen Kraftwagen, mit einem Gehäuse 12 und mit in dem Gehäuse 12 angeordneten Batteriezellen 14, welche mittels eines Zellverbinders 16 für eine Übertragung von elektrischer Energie miteinander elektrisch gekoppelt, beispielsweise elektrisch verbunden, sind. Eine jeweilige Batteriezelle 14 weist erste Batteriepole 14a und zweite Batteriepole 14b auf.
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In anderen Worten besteht der elektrische Energiespeicher 10 aus einem Gehäuse 12, in dem eine Mehrzahl von Batteriezellen 14 angeordnet bzw. positioniert ist. Diese Batteriezellen 14, beispielsweise erste Batteriepole 14a der Batteriezellen 14, sind mittels eines Zellverbinders 16 elektrisch miteinander verbunden, um eine Übertragung von elektrischer Energie zu ermöglichen.
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Es ist vorgesehen, dass sich ein erster Bereich 18 des Zellverbinders 16 zwischen einer länglichen Erstreckungsrichtung z der Batteriezellen 14 erstreckt. Ein zweiter Bereich 20 des Zellverbinders 16 erstreckt sich senkrecht zu dem ersten Bereich 18 und einseitig die ersten Batteriepole 14a der Batteriezellen 14 jeweils kontaktierend.
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Es ist vorgesehen, dass ein erster Bereich 18 des Zellverbinders 16 in Hochrichtung z der Batteriezellen 14 verläuft. Ein zweiter Bereich 20 des Zellverbinders 16 erstreckt sich senkrecht zu dem ersten Bereich 18 und berührt einseitig die ersten Batteriepole 14a der Batteriezellen 14. Diese beiden Bereiche 18, 20, also der erste und der zweite Bereich, weisen die Form eines T-Profils auf. Der Zellverbinder 16 umfasst vielfältige Funktionen: Neben der elektrischen Verbindung der Batteriezellen 14 und/oder Module ermöglicht die besondere Gestaltung als T-Profil im ersten Bereich 18 eine Durchströmung mit einem Kühlmittel zur Temperierung der Batteriezellen 14. Gleichzeitig trägt diese Anbindung des Zellverbinders 16 an den Rahmen oder das Gehäuse 12 zur mechanischen Stabilität des Kraftwagens bei, besonders im Fall eines Crashs bzw. Unfalls.
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Es kann vorgesehen sein, dass der erste Bereich 18 in seiner inneren Struktur ein Kühlkanal 26 aufweist. Das bedeutet, dass der innere Aufbau des ersten Bereichs 18 einen Kühlkanal 26 aufweist. Die Anordnung eines solchen Kühlkanals 26 bietet vielfältige Vorteile, wie beispielsweise das effektive Kühlen der Batteriezellen 14 und weitere thermische Regulierungen innerhalb des Gehäuses 12. In dem Kühlkanal 26 kann zumindest eine Flüssigkeit zirkulieren und eingesetzt werden, um Wärme von den Batteriezellen abzutransportieren. Der Kühlkanal 26 kann beispielsweise in einer „Schlangenform“ angelegt sein, wodurch er zugleich als Abstandshalter zu den runden Batteriezellen 14 ausgebildet sein kann. Durch direkten und großflächigen Kontakt mit bspw. einem Zellmantel jeweiliger Batteriezellen 14 werden verbesserte Kühl- und Temperiereigenschaften erzielt. Darüber hinaus erfolgt eine unmittelbare Kühlung beispielsweise der geschweißten Kontaktstellen, was zu einer verbesserten Kühlleistung bzw. Temperierleistung führt.
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Der Kühlkanal 26 erstreckt sich annähernd über eine gesamte Länge des ersten Bereichs 18 und ermöglicht dadurch die Kühlung aller mit dem Zellverbinder verbundenen Batteriezellen 14 zumindest teilweise. Es ist auch möglich, dass der Kühlkanal 26 sich teilweise in den zweiten Bereich 20 und/oder den dritten Bereich 22 erstreckt. Dies verbessert die Kühlung an den Kontaktpunkten des Zellverbinders 16 mit den jeweiligen Polen 14a und 14b. Auf diese Weise wird eine effiziente Kühlung der Batteriezellen 14 sowie der Verbindungspunkte ermöglicht.
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Der Kühlkanal 26 kann mit einer inneren Isolationsschicht 28 aus einem Isolatormaterial versehen sein. Diese Isolationsschicht 28 hat den Zweck, das Kühlmittel innerhalb des Kühlkanals 26 einzuschließen und potenzielle Gefahrensituationen zu verhindern. Damit können das Austreten des Kühlmittels sowie mögliche Korrosionen am Zellverbinder 16 verhindert werden. Durch das Hinzufügen des Isolatormaterials können Zellverbinder 16 im profilartigen Aufbau, beispielsweise im T-Profil, elektrisch vom Gehäuse 12 und je nach Verschaltung möglicherweise auch untereinander isoliert werden. Dies dient der Absicherung gegen Kurzschlüsse. Die Verbindung kann durch Schraub- und/oder Klebverbindungen starr mit dem Rahmen verbunden werden. Zusätzlich ist der Hohlraum, der vom Kühlmittel durchflossen wird, durch das Einbringen eines Isolatormaterials, wie zum Beispiel Isolationslack oder Ähnliches, vom Stromkreis entkoppelt.
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Des Weiteren ist in der 1 schematisch ein Querschnitt des Zellverbinders 16 mit dem ersten Bereich 18 und dem zweiten Bereich 20 sowie dem Kühlkanal 26 veranschaulicht. Es werden in der 1 schematisch die Materialstärke bzw. Dicke 32 des zweiten Bereichs 20 und die Breite 34 des ersten Bereichs 18 dargestellt. Eine Dicke 32 des zweiten Bereichs 20 kann beispielsweise einen Wert in einem Wertebereich von etwa 0,15 mm bis 4,0 mm aufweisen, beispielsweise einen Wert von 2 mm oder 3 mm. Eine Breite 34 kann einen Wert in einem Wertebereich von etwa 0,20 mm bis 7,5 mm aufweisen, beispielsweise 2 mm, 3 mm, 4 mm oder 5 mm. Der Kühlkanal 26 ist innerhalb der Breite 34 des ersten Bereichs 18 positioniert und ermöglicht somit die Temperierung der Batteriezellen 14, so wie es schematisch in der 1 veranschaulicht ist.
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2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des elektrischen Energiespeichers 10.
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2 veranschaulicht, dass zumindest eine Knautschstruktur 30 am Zellverbinder 16 in Richtung des Gehäuses 12 angeordnet sein kann. Die knautschfähigen Strukturen bzw. die Knautschstruktur 30 kann bei einem Unfall zumindest eine kinetische Energie bzw. auf das Gehäuse 12 wirkende Kraft F bei einer Kollision teilweise absorbieren, um die Sicherheit des elektrischen Energiespeichers 10 zu erhöhen. Die Zellverbinder 16 können somit Profile aufweisen, die Knautschstrukturen 30 aufweisen. Bei einem Querschnitt durch den elektrischen Energiespeicher 10 kann somit zwischen dem Gehäuse 12 und zumindest einem Zellverbinder 16 zumindest eine Knautschstruktur 30 an einem ersten und/oder zweiten Randbereich des Zellverbinders 16 hin zu dem Gehäuse 12 vorhanden sein. Darüber hinaus können an allen Seiten des elektrischen Energiespeichers 10 zusätzliche Knautschstrukturen 30 oder -zonen angebracht sein/werden.
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Um die Steifigkeit weiter zu erhöhen, können die Zellverbinder 16 untereinander isoliert miteinander verbunden werden. Dadurch ergibt sich eine noch stabilere Konstruktion. Dies kann durch Integralstromschienen aus Kupfer- oder Aluminiumwerkstoff realisiert werden, wobei sich insbesondere bearbeitete Strangpressprofile aus Aluminiumwerkstoffen als besonders geeignet erweisen.
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Zusammenfassend beschreibt die Erfindung einen multifunktionalen Zellverbinder 16.
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Die hierin in Bezug auf einen Zellverbinder beschriebenen Merkmale und dessen Vorteile können sich ebenso auf einen hierin beschriebenen Energiespeicher beziehen und umgekehrt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energiespeicher
- 12
- Gehäuse
- 14
- Batteriezellen
- 14a
- erste Batteriepole
- 14b
- zweite Batteriepole
- 16
- Zellverbinder
- 18
- erster Bereich
- 20
- zweiter Bereich
- 26
- Kühlkanal
- 28
- Isolationsschicht
- 30
- Knautschstruktur
- 32
- Dicke
- 34
- Breite
- x
- Längsrichtung
- y
- Querrichtung
- z
- Hochrichtung
- F
- Kraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2011 118 686 A1 [0002]