DE102009016866A1

DE102009016866A1 - Elektroenergie-Speichervorrichtung mit Flachzellen und Kühlkörpern

Info

Publication number: DE102009016866A1
Application number: DE200910016866
Authority: DE
Inventors: Claus-Rupert Dr. Hohenthanner; Torsten Schmidt; Andreas Dr. Gutsch
Original assignee: Li Tec Battery GmbH
Current assignee: Li Tec Battery GmbH
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2010-10-14
Also published as: US20120171545A1; KR20120027226A; JP2012523652A; CN102428601A; EP2417667A1; WO2010115490A8; BRPI1011714A2; WO2010115490A1

Abstract

Eine Elektroenergie-Speichervorrichtung weist auf: eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie mit gegenüberliegenden, flachen Stromableitern, eine Mehrzahl von Abstandselementen zum Einhalten eines vorbestimmten Abstands zwischen den Speicherzellen, und ein Spannmittel zum Verspannen der Zellen zu einem Stapel, wobei Zellen jeweils an ihren Stromableitern zwischen Abstandselementen mittels Kraftschluss durch das Spannmittel eingespannt sind, wobei wenigstens einige der Abstandselemente als Kühlkörper ausgebildet sind. Die Kühlkörper weisen Rippen an. Alternativ sind die Kühlkörper über ein weiches thermisch verbunden. In einer weiteren Alternative sind zwischen benachbarten Stromableitern zwei Kühlkörper angeordnet. In einer letzten Alternative weisen die Abstandselemente Entlastungsbohrungen zur Gewichtserleichterung auf. Die Alternativen können kombiniert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektroenergie-Speichervorrichtung mit Flachzellen und Kühlkörpern.
Es ist bekannt, Elektroenergie-Speicherzellen in Form flacher und rechteckig gebauter Speicherelemente aufzubauen. Solche Elektroenergie-Speicherzellen sind z. B. sogenannte Pouch- oder Coffeebag-Zellen, als flach und rechteckig gebaute Speicherzellen für Elektroenergie (Batteriezellen, Akkumulatorzellen, Kondensatoren, ...), deren elektrochemisch aktiver Teil von einer folienartigen Verpackung umgeben ist, durch welche elektrische Anschlüsse (Pole) in Blechform, die sogenannten (Strom-)Ableiter geführt sind. Es ist ferner bekannt, eine Elektroenergie-Speichervorrichtung aus einer Mehrzahl solcher Elektroenergie-Speicherzellen aufzubauen, die mittels einer Spanneinrichtung zu einem Block zusammengefasst sind. Die elektrische Reihen- oder Parallelschaltung der Zellen erfolgt durch leitfähige Kontaktelemente, welche die elektrische Verbindung zwischen den entsprechenden Stromableitern benachbarter Zellen herstellen. Dabei ist es verbreitet, die Zellen, lose in einem Gestell aufgenommen oder über eine Klammer oder dergleichen zusammengepresst, in einem Stapel (auch „Zellblock” genannt) anzuordnen und die oben an einer Schmalseite der Zellen freiliegenden Pole mit geeigneten Mitteln zu verbinden.
In dem elektrochemisch aktiven Teil der Zellen entstehende Wärme wird üblicherweise über erzwungene oder natürliche Konvektion abgeführt. Bei hohen Verlustleistungen kann es jedoch zu hoher und schwierig zu beherrschender Wärmeentwicklung kommen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Wärmeableitung an einer Elektroenergie-Speicherzelle in einer aus Elektroenergie-Speicherzellen aufgebauten Elektroenergie-Speichervorrichtung zu verbessern. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektroenergie-Speichervorrichtung mit möglichst geringer Anzahl erforderlicher Bauteile zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Gewicht einer Zellenanordnung bzw. einer Elektroenergie-Speichervorrichtung zu verringern. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Elektroenergie-Speichervorrichtung bereitzustellen, in der eine Anzahl von flachen Speicherzellen platzsparend und montagefreundlich in einem stabilen Block angeordnet, sicher fixiert und zuverlässig verschaltet sind und die Abwärme der Zellen und der Ableiter wirksam und zuverlässig abzuführen ist und dabei das Gewicht der Anordnung gering zu halten ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist eine Elektroenergie-Speichervorrichtung auf: eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie mit gegenüberliegenden, flachen Stromableitern, eine Mehrzahl von Abstandselementen zum Einhalten eines vorbestimmten Abstands zwischen den Speicherzellen, und ein Spannmittel zum Verspannen der Zellen zu einem Stapel, wobei Zellen jeweils an ihren Stromableitern zwischen Abstandselementen mittels Kraftschluss durch das Spannmittel eingespannt sind, wobei wenigstens einige der Abstandselemente als Kühlkörper ausgebildet sind, und wobei die Kühlkörper Rippen aufweisen, die seitlich nach außen von dem Stapel wegragen.
Da die Stromableiter der Zellen jeweils zwischen Abstandselementen mittels Kraftschluss durch das Spannmittel eingespannt sind, wird ein vorbestimmter Abstand zwischen benachbarten Zellen eingehalten, der so eingestellt sein kann, dass auf einen elektrochemisch aktiven Teil der Zellen keine Klemmkraft ausgeübt wird. Dies hat Vorteile hinsichtlich der Funktionssicherheit und Haltbarkeit der Zellen; des Weiteren können die flachen Seiten der Zellen so Wärme an ein Wärmeträgermedium abstrahlen oder gegebenenfalls auch von diesem aufnehmen, etwa beim Start bei niedrigen Temperaturen. Durch die Kühlkörper kann zusätzlich Wärme über die Ableiter mit der Umgebung ausgetauscht werden. Diese Funktion wird durch die nach außen weisenden Rippen wirksam unterstützt, welche auch eine gezielte Führung oder Verwirbelung des Kühlmediums ermöglichen.
Nach einem zweiten Gesichtspunkt weist eine Elektroenergie-Speichervorrichtung auf: eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie mit gegenüberliegenden, flachen Stromableitern, eine Mehrzahl von Abstandselementen zum Einhalten eines vorbestimmten Abstands zwischen den Speicherzellen, und ein Spannmittel zum Verspannen der Zellen zu einem Stapel, wobei Zellen jeweils an ihren Stromableitern zwischen Abstandselementen mittels Kraftschluss durch das Spannmittel eingespannt sind, wobei wenigstens einige der Abstandselemente als Kühlkörper ausgebildet sind, und wobei die Kühlkörper über ein weiches, wärmeleitfähiges Material mit den Stromableitern thermisch verbunden sind. Die Kühlkörper nach diesem Gesichtspunkt weisen vorzugsweise Rippen auf.
Die Wirkungen entsprechen im Wesentlichen dem ersten Gesichtspunkt. Zusätzlich kann über das weiche wärmeleitende Material der Wärmeübergang zwischen Stromableiter und Kühlkörper verbessert werden, insbesondere wenn dazwischen aufgrund der kraft- bzw. formschlüssigen Anordnung Spalte vorhanden sind.
Nach einem dritten Gesichtspunkt weist eine Elektroenergie-Speichervorrichtung auf: eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie mit gegenüberliegenden, flachen Stromableitern, eine Mehrzahl von Abstandselementen zum Einhalten eines vorbestimmten Abstands zwischen den Speicherzellen, und ein Spannmittel zum Verspannen der Zellen zu einem Stapel, wobei Zellen jeweils an ihren Stromableitern zwischen Abstandselementen mittels Kraftschluss durch das Spannmittel eingespannt sind, wobei wenigstens einige der Abstandselemente als Kühlkörper ausgebildet sind, und wobei zwischen benachbarten Stromableitern zwei Kühlkörper angeordnet sind. Die Kühlkörper nach diesem Gesichtspunkt weisen vorzugsweise Rippen auf.
Die Wirkungen entsprechen im Wesentlichen dem ersten Gesichtspunkt. Zusätzlich ermöglicht die Zweiteilung der zwischen den Ableitern angeordneten Kühlkörper eine Erleichterung der Montage. Das Merkmal bedeutet nämlich, dass Kühlkörper insbesondere symmetrisch an der Ober- und Unterseite der Ableiter angeordnet sind. Es ist daher möglich, die Speicherzellen mit den symmetrisch angeordneten Kühlkörpern vorzumontieren, etwa durch Verkleben mit einem wärmeleitenden Kleber oder dergleichen.
Bei diesem Gesichtspunkt sind die Rippen an dem Kühlkörper vorzugsweise in Stapelrichtung von dem Stromableiter weg unsymmetrisch versetzt. Dadurch wird der Ort der Wärmeübertragung mit der Umgebung bzw. einem Kühlmedium von dem Ort des Wärmeübergangs mit dem Stromableiter entfernt. Wenn zusätzlich zwischen den beiden Kühlkörpern ein Zwischenstück angeordnet ist, kann einerseits ein ausreichender Abstand zwischen den Rippen der beiden Kühlkörper eingehalten werden; andererseits ist es möglich, durch Einsatz eines isolierenden Zwischenstücks eine unerwünschte Kontaktierung benachbarter Stromableiter über die Kühlkörper zu unterbinden, oder über ein leitendes Zwischenstück eine solche Kontaktierung gerade herzustellen.
Nach einem vierten Gesichtspunkt weist eine Elektroenergie-Speichervorrichtung auf: eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen zur Speiche rung und Abgabe elektrischer Energie mit gegenüberliegenden, flachen Stromableitern, eine Mehrzahl von Abstandselementen zum Einhalten eines vorbestimmten Abstands zwischen den Speicherzellen, und ein Spannmittel zum Verspannen der Zellen zu einem Stapel, wobei Zellen jeweils an ihren Stromableitern zwischen Abstandselementen mittels Kraftschluss durch das Spannmittel eingespannt sind, wobei wenigstens einige der Abstandselemente als Kühlkörper ausgebildet sind, und wobei die Abstandselemente Entlastungsbohrungen zur Gewichtserleichterung aufweisen. Die Kühlkörper nach diesem Gesichtspunkt weisen vorzugsweise Rippen auf.
Die Wirkungen entsprechen im Wesentlichen dem ersten Gesichtspunkt. Zusätzlich ermöglichen die Entlastungsbohrungen eine Reduzierung des Gesamtgewichts der Elektroenergie-Speichervorrichtung.
Eine weitere Gewichtsreduzierung ist bei allen Gesichtspunkten möglich, wenn die Kühlkörper neben Druckflächen, welche vermittels des Spannmittels Druck auf die Stromableiter ausüben, eine oder mehrere Freiflächen aufweisen, die gegenüber den Druckflächen in Stapelrichtung zurückgenommen sind. Solche Freiflächen bilden zusätzliche Wärmeübergangsflächen. Sie können auch eine strömungstechnische Kommunikation zwischen einem Inneren des Stapels und der Umgebung ermöglichen und so den Wärmetransport verbessern. Sind dazu noch die Entlastungsbohrungen des vierten Gesichtspunkt in den Freiflächen angeordnet, so bilden die Entlastungsbohrungen zusätzliche Wärmeübergangsflächen.
Die Abstandselemente können wahlweise zur elektrischen Durchkontaktierung oder zur elektrischen Isolation in Stapelrichtung eingerichtet sein. So können die Funktionen des Stapelaufbaus, also der Verspannung und Halterung der Speicherzellen, der Abstandshaltung, der Kühlung und der Verschaltung durch ein und die selben Bauteile verwirklicht werden.
Insbesondere können die Kühlkörper aus einem leitfähigen Material, wie etwa einer leitfähigen Keramik, einem leitfähigen Verbundstoff, einem metallischen Leitermaterial oder dergleichen hergestellt sein.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft auf Li-Ionen-Akkumulatoren anwendbar.
Die vorstehenden und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung deutlicher ersichtlich werden, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angefertigt wurde.
In den Zeichnungen:
ist 1 eine perspektivische Darstellung einer Zellanordnung mit einer Elektroenergie-Speicherzelle und zwei Kühlkörpern als ein erstes Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
ist 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Zellanordnung der 1;
ist 3 eine vergrößerte Darstellung einer Einzelheit „III” 1;
ist 4 eine weiter vergrößerte Darstellung der Einzelheit ”III” in Richtung eines Pfeils „IV” in 3;
ist 5 eine Darstellung einer Konkretisierung der Anordnung in 4 im Teilschnitt an einer Linie „V” in 3;
ist 6 eine perspektivische Darstellung einer Zellanordnung mit zwei Elektroenergie-Speicherzellen sowie Kühlkörpern und Isolierkörpern als ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
ist 7 eine Ansicht der Zellanordnung von 6 in Richtung eines Pfeils „VII”; und
zeigt 8 einen Kühlkörper eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Darstellung.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Darstellungen in den Figuren schematisch sind und sich auf die Wiedergabe der für das Verständnis der Erfindung wichtigsten Merkmale beschränken. Auch ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren wiedergegebenen Abmessungen und Größenverhältnisse allein der Deutlichkeit der Darstellung geschuldet sind und in keiner Weise einschränkend zu verstehen sind.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der 1 bis 5 beschrieben. Dabei ist 1 eine perspektivische Darstellung einer Zellanordnung mit einer Elektroenergie-Speicherzelle und zwei Kühlkörpern als ein erstes Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; ist 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Zellanordnung der 1; ist 3 eine vergrößerte Darstellung einer Einzelheit „III” 1; ist 4 eine weiter vergrößerte Darstellung der Einzelheit ”III” in Richtung eines Pfeils „IV” in 3; und ist 5 eine Darstellung einer Konkretisierung der Anordnung in 4 im Teilschnitt an einer Linie „V” in 3.
In 1 ist eine Anordnung mit einer Elektroenergie-Speicherzelle 2 und vier Kühlkörpern 4 perspektivisch gezeigt.
Gemäß der Darstellung in 1 sind die Kühlkörper 4 paarweise auf beiden lateralen Seiten der Elektroenergie-Speicherzelle angeordnet. Die Kühlkörper 4 weisen jeweils einen massiven Teil 6 und drei Rippen 8 auf, die von dem massiven Teil 6 von der Speicherzelle 2 weg, also nach außen hin, abragen.
2 zeigt die Anordnung von 1 zur Verdeutlichung in einer Explosionsdarstellung.
Gemäß der Darstellung in 2 sind die Speicherzellen 2 als sog. Flachzellen oder Pouch-Zellen aufgebaut mit gegenüberliegenden, flachen Stromableitern. Genauer gesagt weist jede Speicherzelle 2 einen aktiven Teil 12, eine Siegelnaht (einen Randbereich) 13 und zwei Stromableiter 14 auf. In dem aktiven Teil 10 finden die elektrochemischen Reaktionen zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie statt. Grundsätzlich kann jede Art elektrochemischer Reaktion zum Aufbau von Speicherzellen verwendet werden; die Beschreibung bezieht sich aber insbesondere auf Li-Ionen-Akkumulatoren, auf welche die Erfindung aufgrund der Anforderungen an mechanische Stabilität und Wärmehaushalt und der wirtschaftlichen Bedeutung besonders gut anwendbar ist. Der aktive Teil 12 ist von zwei Folien sandwichartig eingefasst, wobei die überstehenden Ränder der Folien miteinander gas- und flüssigkeitsdicht verschweißt sind und die sogenannte Siegelnaht 14 bilden. Von zwei gegenüberliegenden Schmalseiten der Speicherzelle 2 ragt ein positiver bzw. ein negativer Stromableiter (Zellenpol) 14 ab.
Der massive Teil 6 des Kühlkörpers 4 weist eine Druckfläche 20 auf. Die Druckflächen 20 zweier Kühlkörper 4 stehen einander gegenüber und fassen einen der Stromableiter 16 der Speicherzelle 2 ein. Dieser Sachverhalt ist in 3, die einen Ableiterbereich „III” in 1 vergrößert zeigt, und in 4, die eine noch einmal vergrößerte Darstellung dieses Bereichs aus einer anderen Perspektive, nämlich in Richtung eines Pfeils „IV” in 3 zeigt, deutlicher ersichtlich.
Zurück zu 2, sind in den Ableitern 16 jeweils drei Bohrungen 18 (nachstehend als „Polbohrungen” 18 bezeichnet) angeordnet. Die Polbohrungen 18 fluchten mit den Durchgangsbohrungen 10 in dem massiven Teil 6 der Kühlkörper 4. Durch die Bohrungen 10, 18 hindurch erstrecken sich Bolzen oder Zuganker (nicht näher dargestellt), mittels welchen die Ableiter 18 der Zelle 2 fest zwischen den Druckflächen 20 der Kühlkörper 4 eingeklemmt werden. Entspre chende Gegenlager der Verspannung, wie etwa Teile eines Gehäuses oder dergleichen, sind in der Figur ebenfalls nicht näher dargestellt.
Durch die Kühlkörper 4 wird eine verbesserte Kühlung über die Rippen 8 verwirklicht. Die Kühlung lässt sich durch eine Strömung eines Kühlfluids wie etwa Luft, Wasser oder Öl entlang den Rippen 8 weiter verbessern; dabei können die Rippen am Kühlkörper oder Teile desselben dazu dienen, das Kühlfluid zu führen bzw. gezielt zu verwirbeln. Die Kühlkörper 8 berühren mit ihren massiven Teilen 6 die Ableiter 16 der Speicherzelle 2. Es erfolgt daher ein guter Wärmeübergang und eine hoch wirksame Wärmeabgabe aus dem Inneren der Zelle 2 an die Kühlkörper 4.
Die Kühlkörper 4 dienen auch dem Einklemmen der Ableiter 16 und damit dem Halten der Speicherzellen 2 an ihrem Platz. Sie dienen ferner als Abstandshalter, d. h., sie gewährleisten einen vorbestimmten Abstand der Zelle 2 zu einem etwaigen Gehäuse oder dergleichen. So werden mechanische Einwirkungen auf den aktiven Teil 12 der Zelle 2 vermieden und auf solche zurückzuführende Beeinträchtigungen des elektrochemischen Betriebsablaufs im Inneren der Zelle wirksam verhindert. Ebenso wird eine Umströmung der Zelle 2 insgesamt durch ein Kühlmedium ermöglicht und so eine zusätzliche Kühlung sichergestellt.
Es lassen sich mehrere der Anordnungen nach 1 bis 4 verketten bzw. stapeln. So folgt auf einen Kühlkörper 4 ein weiterer Kühlkörper 4, eine weitere Zelle 2 und ein weiterer Kühlkörper 4, u. s. w. In 4 ist eine solche Fortsetzung in gestrichelten Linien angedeutet. Es ist zu bemerken, dass die Rippen 8 einseitig zu der dem Ableiter 16 abgewandten Seite hin angeordnet sind. Im dargestellten Beispiel ist eine erste der Rippen 8 von der Druckfläche 20 abgesetzt, während die letzte der Rippen 8 mit der der Druckfläche 20 gegenüberliegenden Fläche 22 fluchtet. Um zu vermeiden, dass zwei Rippen 8 bei mehreren gestapelten Zellanordnungen direkt aufeinanderliegen, ist zwischen zwei aufeinanderfolgenden Flächen 22 ein Zwischenkörper 24 angeordnet.
Eine in der Praxis besonders bedeutsame Reihenschaltung mehrerer Speicherzellen 2 läßt sich durch alternierende Pollage der Ableiter 16 und deren wechselseitige Verbindung besonders einfach verwirklichen. Es sind aber auch durch entsprechende Anordnung Parallelschaltung oder Kombinationen von Parallel- und Reihenschaltungen mehrerer Zellen 2 realisierbar.
Die Kühlkörper 4 bestehen aus einem gut wärmeleitenden Material wie etwa einem Metall, einer Keramik, einem Verbundstoff oder dergleichen. Hinsichtlich der Leitungseigenschaften lässt sich das Material der Kühlkörper 4 sich in mehreren Alternativen konkretisieren.
Die Kühlkörper 4 können gleichzeitig als elektrische Kontaktelemente oder als Isolierkörper dienen, wie nachstehend anhand konkret Alternativen beschrieben wird, und so auf einfache Weise für die elektrische Verschaltung mehrerer Zellen untereinander sowie zur Herstellung des elektrischen Kontaktes zu einem Stromverbraucher oder einer Stromquelle eingesetzt werden.
In einer ersten konkreten Alternative sind die Kühlkörper 4 aus einem guten elektrischen Leiter hergestellt. Auf diese Weise kann über den Kühlkörper 4 eine direkte elektrische Verbindung mit dem entsprechenden Stromableiter 16 der Zelle 2 hergestellt werden.
In einer zweiten konkreten Alternative sind die Kühlkörper 4 aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt. Eine elektrische Verbindung wird in diesem Fall auf andere Weise, etwa durch mit eingeklemmte Drähte oder Folien oder dergleichen hergestellt; es ist jedoch eine zuverlässige elektrische Isolierung des potentialbehafteten Stromableiters 16 verwirklicht.
Die beiden Alternativen lassen sich kombinieren. 5 zeigt die Anordnung aus 4, wobei der lateral äußere Bereich des Ableiters 16 und zweier Kühlkörper in einer Ebene geschnitten sind, die durch die Durchgangsbohrung 10 in dem massiven Teil 6 der Kühlkörper 4 hindurch verläuft (vgl. Pfeil „V” in 3). Kon kret ist eine Anordnung gezeigt, in der zwei Kühlkörper 4, 4* aus unterschiedlichen Materialien verwendet werden. Der in der Zeichnung untere Kühlkörper 4 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, während der obere Kühlkörper 4* aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Mit anderen Worten, die eine (in der Zeichnung untere) Seite des Ableiters 16 ist durch den isolierenden Kühlkörper 4 elektrisch von weiter unten liegenden Bauteilen getrennt, während die andere (in der Zeichnung obere) Seite des Ableiters 16 durch den leitenden Kühlkörper 4 elektrisch mit weiter oben liegenden Bauteilen verbunden werden kann.
Wenn auf der in der Zeichnung nicht sichtbaren linken Seite der Zelle 2 die Anordnung der Kühlkörper 4, 4* anders herum, d. h., so gewählt ist, dass der isolierende Kühlkörper 4 oben und der leitende Kühlkörper 4* unten liegt, kann etwa über elektrisch leitende Gehäusehälften auf der einen Flachseite der Zelle 2 das Potential des positiven Pols und auf der anderen Flachseite der Zelle 2 das Potential des negativen Pols abgenommen werden. Auf diese Weise ist auch eine Reihenschaltung mehrerer Zellen 2 leicht zu verwirklichen, indem abwechselnd und alternierend zwischen den Ableitern 16 benachbarter Zellen 2 entweder zwei isolierende Kühlkörper 4 oder zwei leitende Kühlkörper 4* angeordnet sind. Es versteht sich, dass dann auch die Zwischenkörper 24 (bzw. 24*) entsprechend isolierend oder leitend ausgebildet sind.
In 5 ist auch konkret dargestellt, dass der Ableiter 16 im Randbereich 14 zwischen den beiden Hüllfolien 26, welche die Siegelnaht bilden, aus dem Inneren der Zelle 2 hervorragen, wo er mit dem aktiven Teil der Zelle 2 in Verbindung steht.
In 5 ist ferner ein Bolzen 28 dargestellt, der sich durch die fluchtenden Durchgangsbohrungen 10 der beiden dargestellten Kühlkörper 4 und die Polbohrung 18 der Zelle 2 hindurch erstreckt. Es ist anzumerken, dass für jede der insgesamt sechs Polbohrungen 18 mit jeweils zugehörigen Durchgangsbohrungen 10 ein solcher Bolzen 18 vorgesehen ist. Der Bolzen 18 dient als Zuganker oder als Spannelement, mittels welches die Ableiter 18 der Zelle 2 fest zwischen den Druckflächen 20 der Kühlkörper 4 eingeklemmt werden. Entsprechende Gegenlager der Verspannung, wie etwa Teile eines Gehäuses oder dergleichen, sind in der Figur nicht dargestellt, ergeben sich aber zwangsläufig.
Es ist ferner anzumerken, dass der Außendurchmesser des Bolzens 18 kleiner als der Durchmesser der Durchgangsbohrungen 10 und der Polbohrung 18 ist, sodass sich ein ringförmiger Luftspalt 30 ergibt. Alternativ oder zusätzlich kann der Bolzen 18 von einer isolierenden Beschichtung oder einer isolierenden Hülse umgeben sein.
In einer dritten konkreten Alternative sind die Kühlkörper 4 aus einem elektrisch schwach leitenden Material hergestellt. Eine elektrische Verbindung wird auch in diesem Fall auf andere Weise hergestellt. Eine zuverlässige elektrische Isolierung Stromableiters 16 ist aber durch zusätzliche Maßnahmen sicherzustellen; so können z. B. isolierende Zwischenkörper 24 verwendet werden. In diesem Fall kommt es auf die elektrische Leitfähigkeit der Kühlkörper 4 nicht an; vielmehr können die Wärmeleitungseigenschaften ohne Rücksicht auf die elektrischen Eigenschaften optimiert werden.
In 6 und 7 ist eine Anordnung zweier Elektroenergie-Speicherzellen 2 und einer Mehrzahl von Kühlkörpern 4 und Distanzstücken 32 als ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist 6 eine perspektivische Gesamtansicht und 7 eine kantenseitige Aufsicht der Anordnung in Richtung eines Pfeils „VII” in 6. Der Aufbau der Speicherzellen 2 ist mit dem im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Aufbau identisch.
Gemäß der Darstellung in 6 und 7 sind zwei Speicherzellen 2 in einer Stapelanordnung angeordnet. Die Anordnung ist für eine Reihenschaltung so gewählt, dass der positive Pol (Ableiter) der einen Zelle 2 dem negativen Pol der anderen Zelle gegenüberliegt. Die Stromableiter auf der einen lateralen Seite der Zellen 2 (rechte Seite in 7) sind durch einen Kühlkörper 4' voneinander beabstandet, und die Stromableiter auf der anderen lateralen Seite der Zellen 2 (linke Seite in 7) sind durch ein Distanzstück 32 voneinander beabstandet. In Stapelrichtung folgt jeweils auf einen Kühlkörper 4' ein Distanzstück 32 und umgekehrt.
Die Kühlkörper 4' in diesem Ausführungsbeispiel sind aus einem Leitermaterial hergestellt, während die Distanzstücke 32 aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sind. So wird auch in einer längeren Reihung einer Vielzahl von Speicherzellen 2 nach dem vorstehend beschriebenen Muster eine Reihenschaltung verwirklicht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen den Stromableitern benachbarter Speicherzellen 2 jeweils nur ein Kühlkörper 4' oder ein Distanzstück 32 angeordnet. Auf Zwischenstücke 24 wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann verzichtet werden. Es ist also die Teilezahl bei einer Anordnung einer vorgegebenen Zahl von Speicherzellen 2 gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel verringert, die Montage entsprechend vereinfacht. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind die Rippen 8 symmetrisch in Bezug auf die Stapelrichtung an den Kühlkörpern 4' ausgebildet.
In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels sind die Kühlkörper 4' aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, während die Distanzstücke 32 aus einem Leitermaterial hergestellt sind.
In einer weiteren Abwandlung des Ausführungsbeispiels oder der Abwandlung sind die Kühlkörper 4' aus einem hinsichtlich der Wärmeleitung optimierten Material ohne Rücksicht auf die elektrische Leitfähigkeit hergestellt. Die elektrische Verbindung oder die elektrische Isolierung durch einen Kühlkörper 4' wird dann gegebenenfalls über andere Maßnahmen verwirklicht.
In einer letzten Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels sind auch die Distanzstücke 32 mit Rippen versehen und dienen somit auch als Kühlkörper.
8 zeigt einen Kühlkörper 4'' als ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Darstellung.
Der Kühlkörper 4'' dieses Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Kühlkörper 4' des zweiten Ausführungsbeispiels in zwei Punkten. Nämlich ist die Dicke des Kühlkörpers 4'' in allen Bereichen außer der direkten Umgebung der Durchgangslöcher 10 reduziert. D. h., die Druckflächen 20 beschränken sich auf den unmittelbaren Bereich um die Durchgangslöcher 10, wo auch die Bolzen hindurchtreten. Im übrigen Bereich ist eine Freifläche 34 ausgebildet, die ohne Druckbeaufschlagung durch die Verspannung ist. In der Freifläche 34 sind Leerbohrungen oder Entlastungsbohrungen 36 ausgebildet, die sich parallel zu den Durchgangsbohrungen 10 erstrecken. Die Entlastungsbohrungen 34 können durchgehend oder ein- oder beidseitig als Sackbohrungen ausgebildet sein.
Die Freiflächen 34 wie die Entlastungsbohrungen 36 bewirken eine merkliche Gewichtsreduzierung des Kühlkörpers 4'' und vergrößern die Wärmeübergangsfläche zum Kühlmedium. Die Freiflächen 34 ermöglichen auch einen Austausch des Kühlmediums zwischen einem Bereich zwischen in einem Stapel oder in einer Elektroenergie-Speichervorrichtung angeordneten Speicherzellen (nicht näher dargestellt) und einer Umgebung des Stapels und somit einen noch besseren Wärmetransport.
Obschon die vorliegende Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele in ihren wesentlichen Merkmalen beschrieben wurde, versteht sich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern in dem durch die Patentansprüche vorgegebenen Umfang und Bereich abgewandelt und erweitert werden kann.
Alle in den Ausführungsbeispielen gezeigten und beschriebenen Kühlkörper und Distanzstücke können allein zur Verspannung und Aufbau eines Zellblocks verwendet werden oder in rahmenartigen Bauelementen (nicht näher dargestellt) innerhalb entsprechender Ausnehmungen aufgenommen sein. Solche Rahmenelemente bilden dann einen nach außen geometrisch abgeschlossenen Block und tragen zur Stabilisierung des Gebildes bei. Solche Rahmen können auch nur auf einer Seite eine Aussparung zur Aufnahme eines Kühlkörpers aufweisen, während auf der anderen Seite der Rahmen selbst als Distanzstück analog der Anordnung im zweiten Ausführungsbeispiel dienen.
Alle Ausführungsbeispiele sind dahin abwandelbar, dass eine elektrische Verbindung zwischen bzw. mit Ableitern 16 über spezielle Kontaktelemente erfolgt, die in den Kühlkörpern eingelassen sind. Dabei kann es sich z. B. um Hülsen handeln, welche die Bolzen 28 zusätzlich umgeben.
Der Wärmeübergang zwischen Ableiter und Kühlkörper kann durch wärmeleitfähige Vergussmassen, Klebstoffe, Pasten oder elastische Wärmeleitfolien verbessert werden. Auf diese Weise können Spalte zwischen Ableiter und Kühlkörper, die bei kraft- bzw. formschlüssiger Anbindung entstehen können, überbrückt werden.
Die Anzahl der Rippen 6 in den Ausführungsbeispielen ist nicht auf drei festgelegt. Je nach gewünschter Kühlwirkung und Abstand können auch weniger oder mehr Rippen vorgesehen sein. Insbesondere wenn mehrere Anordnungen des ersten Ausführungsbeispiels gestapelt werden, kann es sinnvoll sein, dünnere Kühlkörper mit etwa nur zwei Rippen zu verwenden, da die dort gezeigten Kühlkörper 4 mit drei Rippen 8 zu einem vergleichsweise großen Abstand zwischen benachbarten Speicherzellen 2 führt.
Es kann eine Zentriereinrichtung zur radialen Zentrierung der Zellen 2 innerhalb eines Zellblocks bzw. relativ zu den Abstandselementen vorgesehen sein. Eine solche Zentriereinrichtung kann etwa aus Pass-Stiften und Passbohrungen in den Abstandselementen und Ableitern oder andere Maßnahmen verwirklicht sein.
In einer weiteren Abwandlung werden auf jeder Seite nur zwei oder mehr als drei Zuganker verwendet.
In einer letzten Abwandlung wird anstelle von Zugankern ein Spannband zum Verspannen des Zellblocks verwendet.
In den Ausführungsbeispielen sind jeweils ein Kühlkörper oder ein Distanzstück oder mehrere zwischen Stromableitern angeordnete Kühlkörper und Zwischenstücke als ein Abstandselement im Sinne der Erfindung zu verstehen.
Es versteht sich, dass die Eigenschaften und Erläuterungen der Ausführungsbeispiele und Abwandlungen auf jeweils andere Ausführungsbeispiele und Abwandlungen anwendbar sind, sofern dies nicht ersichtlich oder ausdrücklich ausgeschlossen ist.

2: Speicherzelle
4, 4*, 4', 4'': Kühlkörper
6: massiver Teil
8: Rippe
10: Durchgangsbohrung
12: aktiver Teil von 2
14: Siegelnaht von 2
16: Stromableiter von 2 ((+) und (–))
18: Polbohrung in 14
20: Druckfläche
22: Gegenfläche
24: Zwischenstück
26: Hüllfolie von 2
28: Bolzen bzw. Zuganker
30: Spalt
32: Distanzstück
34: Freifläche von 4''
36: Entlastungsbohrung von 4''

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass vorstehende Bezugszeichenliste integraler Bestandteil der Beschreibung ist.

Claims

Elektroenergie-Speichervorrichtung, aufweisend: eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie mit gegenüberliegenden, flachen Stromableitern, eine Mehrzahl von Abstandselementen zum Einhalten eines vorbestimmten Abstands zwischen den Speicherzellen, und ein Spannmittel zum Verspannen der Zellen zu einem Stapel, wobei Zellen jeweils an ihren Stromableitern zwischen Abstandselementen mittels Kraftschluss durch das Spannmittel eingespannt sind, wobei wenigstens einige der Abstandselemente als Kühlkörper ausgebildet sind, und wobei die Kühlkörper Rippen aufweisen, die seitlich nach außen von dem Stapel wegragen.
Elektroenergie-Speichervorrichtung, aufweisend: eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie mit gegenüberliegenden, flachen Stromableitern, eine Mehrzahl von Abstandselementen zum Einhalten eines vorbestimmten Abstands zwischen den Speicherzellen, und ein Spannmittel zum Verspannen der Zellen zu einem Stapel, wobei Zellen jeweils an ihren Stromableitern zwischen Abstandselementen mittels Kraftschluss durch das Spannmittel eingespannt sind, wobei wenigstens einige der Abstandselemente als Kühlkörper ausgebildet sind, und wobei die Kühlkörper über ein weiches, wärmeleitfähiges Material mit den Stromableitern thermisch verbunden sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper Rippen aufweisen.
Elektroenergie-Speichervorrichtung, aufweisend: eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie mit gegenüberliegenden, flachen Stromableitern, eine Mehrzahl von Abstandselementen zum Einhalten eines vorbestimmten Abstands zwischen den Speicherzellen, und ein Spannmittel zum Verspannen der Zellen zu einem Stapel, wobei Zellen jeweils an ihren Stromableitern zwischen Abstandselementen mittels Kraftschluss durch das Spannmittel eingespannt sind, wobei wenigstens einige der Abstandselemente als Kühlkörper ausgebildet sind, und wobei zwischen benachbarten Stromableitern zwei Kühlkörper angeordnet sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Kühlkörper Rippen aufweist.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen an dem Kühlkörper in Stapelrichtung von dem Stromableiter weg unsymmetrisch versetzt sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Kühlkörpern ein Zwischenstück angeordnet ist.
Elektroenergie-Speichervorrichtung, aufweisend: eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie mit gegenüberliegenden, flachen Stromableitern, eine Mehrzahl von Abstandselementen zum Einhalten eines vorbestimmten Abstands zwischen den Speicherzellen, und ein Spannmittel zum Verspannen der Zellen zu einem Stapel, wobei Zellen jeweils an ihren Stromableitern zwischen Abstandselemen ten mittels Kraftschluss durch das Spannmittel eingespannt sind, wobei wenigstens einige der Abstandselemente als Kühlkörper ausgebildet sind, und wobei die Abstandselemente Entlastungsbohrungen zur Gewichtserleichterung aufweisen.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper Rippen aufweisen.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper Druckflächen aufweisen, welche vermittels des Spannmittels Druck auf die Stromableiter ausüben, und eine oder mehrere Freiflächen, die gegenüber den Druckflächen in Stapelrichtung zurückgenommen sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmittel eine Mehrzahl, vorzugsweise vier oder sechs, von Zugankern aufweist, die sich durch Bohrungen in den Stromableitern und den Abstandselementen hindurch erstrecken.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuganker mit einem elektrisch isolierenden Material ummantelt oder mit einer durchgehenden Isolierhülse umgeben sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Abstandselemente zur elektrischen Durchkontaktierung in Stapelrichtung eingerichtet sind und andere der Abstandselemente zur elektrischen Isolation in Stapelrichtung eingerichtet sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zur elektrischen Durchkontaktierung eingerichteten Abstandselemente aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zur elektrischen Durchkontaktierung eingerichteten Abstandselemente Kontaktierungselemente aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen, die in dem jeweiligen Abstandselement aufgenommen sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungselemente Hülsen sind, durch welche hindurch sich Zuganker des Spannmittels erstrecken.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zur elektrischen Isolierung eingerichteten Abstandselemente aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise einem Glas- oder Keramikmaterial, hergestellt sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper aus einem gut wärmeleitenden Material wie etwa einem Metall, einer Keramik oder einem Verbundwerkstoff hergestellt sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper zur Durchkontaktierung eingerichtet sind und insbesondere aus einem leitfähigen Material, wie etwa einer leitfähigen Keramik, einem leitfähigen Verbundstoff, einem metallischen Leitermaterial oder dergleichen hergestellt sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente in einem Rahmen aufgenommen sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel durch zwei leitfähige, vorzugsweise rahmenförmige Druckendstücke begrenzt wird, welche über das Spannmittel mit dem Stapel verspannt sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckendstücke jeweils mit einem Stromableiter der ersten bzw. letzten Zelle elektrisch verbunden sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen mit abwechselnder Pollage der Stromableiter in dem Stapel angeordnet sind und die Stromableiter benachbarter Speicherzellen abwechselnd auf einer lateralen Seite und der anderen lateralen Seite des Stapels miteinander verbunden sind.
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen Akkumulatoren sind, in denen eine elektrochemische Reaktion, insbesondere unter Beteiligung von Li-Ionen, stattfindet.