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WO2018153574A1 - Energiespeichersystem - Google Patents

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Publication number
WO2018153574A1
WO2018153574A1 PCT/EP2018/050856 EP2018050856W WO2018153574A1 WO 2018153574 A1 WO2018153574 A1 WO 2018153574A1 EP 2018050856 W EP2018050856 W EP 2018050856W WO 2018153574 A1 WO2018153574 A1 WO 2018153574A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
energy storage
storage system
memory cells
flexible
contact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/050856
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Kritzer
Reiner Dirr
Olaf Nahrwold
Rudolf Gattringer
Olivier Jeanne
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Freudenberg KG
Original Assignee
Carl Freudenberg KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Freudenberg KG filed Critical Carl Freudenberg KG
Priority to US16/487,122 priority Critical patent/US12211981B2/en
Priority to CN201880012974.8A priority patent/CN110326156B/zh
Publication of WO2018153574A1 publication Critical patent/WO2018153574A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01M10/6567—Liquids
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to an energy storage system, comprising a housing in which memory cells are arranged, wherein the memory cells is associated with a device for controlling the temperature of the memory cells.
  • Energy storage systems in particular rechargeable storage for electrical energy, are widely used, especially in mobile systems.
  • Rechargeable batteries for electrical energy are also used in portable electronic devices such as smartphones or laptops.
  • rechargeable electric energy storage devices are increasingly being used to provide power to electrically powered vehicles. Further areas of application of electrical energy storage systems are stationary applications, for example in backup systems, in
  • a commonly used energy storage system is a rechargeable storage in the form of a lithium-ion battery.
  • Lithium-ion accumulators like other rechargeable accumulators for electrical energy also, usually have a plurality of memory cells, which are installed together in a housing. Several electrically interconnected memory cells form a module.
  • the energy storage system does not only extend to lithium ion accumulators.
  • Other rechargeable battery systems such as lithium-sulfur batteries, solid-state batteries or metal-air batteries may require temperature control.
  • the energy storage system can be designed as a supercapacitor.
  • Energy storage systems in the form of rechargeable storage devices have the highest electrical capacity only in a limited temperature range. When exceeding or falling short of the optimum
  • the invention has for its object to provide an energy storage system, in which a uniform and effective temperature control of the memory cells is ensured.
  • the energy storage system comprises a housing in which variable-volume memory cells are arranged, wherein the memory cells are assigned a device for controlling the temperature of the memory cells.
  • the device has contact sections for contacting the memory cells, the contact sections adjoining the flexible regions, and the device having flexible regions for adapting the position of the contact sections to the position of the memory cells.
  • the contact portions are formed so that they rest with the largest possible contact surface on the memory cell and thus ensure the highest possible heat transfer. Thereby, a high heat flow for heating or cooling the memory cells can be realized.
  • the effect of the flexible areas of the device is that the contact sections always apply to the memory cells in such a way that they have the greatest possible size
  • Heat flow can be realized.
  • Design is prevented that a thermally insulating air gap between contact portion and memory cell is formed. Furthermore, can
  • the energy storage system has comparatively rigid contact sections for contacting the memory cells, which adjoin flexible regions for adapting the position of the contact sections to the position of the memory cells.
  • a preferred device has contact sections which are adapted to the position of the memory cells and which are connected to one another via flexible regions.
  • Contact sections are embedded island-shaped in the device.
  • the contact portions can contact bottom surfaces or end faces and / or side surfaces of memory cells.
  • a contacting of bottom surfaces or end faces is particularly advantageous in connection with memory cells in the form of round cells.
  • a contacting of side surfaces is particularly advantageous in connection with memory cells in the form of prismatic cells and pouch cells.
  • the embodiment of the invention also makes it possible to compensate for changes in shape of the memory cells during operation of the energy storage system. For example, in the case of a pouch cell, an increase in volume takes place during the charging process, which is predominantly as
  • Thickness increase A fully charged pouch cell is about 5% thicker than a discharged pouch cell, with the volume increase and decrease, respectively is reversible.
  • an irreversible volume increase also takes place over the lifetime.
  • a similar behavior but also show round cells and prismatic cells. Both the reversible and the irreversible change in volume resulting change in shape of the memory cell can by the
  • inventive design of the device can be compensated, so that always a desired temperature control of the memory cells is possible.
  • the device can be flowed through with cooling medium.
  • the cooling medium may be, for example, water or a water-glycol mixture. If the energy storage system is used in a vehicle, it is conceivable to use the cooling medium used in the vehicle in the air conditioning system as the cooling medium. With appropriate design of the device can
  • Cooling medium to be carbon dioxide.
  • the device may be connected to the air conditioning or have a separate cooling circuit.
  • the cooling medium improves the heat transfer and thus the
  • the cooling medium according to the invention can also serve to heat the memory cells. This is particularly advantageous if the energy storage system due to low
  • Ambient temperatures has a temperature which is below the optimum operating temperature range.
  • the flexible regions of the device are preferably formed by elastically deformable sections. As a result, the contact portions can be moved in the direction of the memory cells in order to achieve the greatest possible heat transfer.
  • the contact portions may be formed of a material having high thermal conductivity.
  • a high thermal conductivity in the sense of the invention results with a thermal conductivity of at least 2 W / m ⁇ K, preferably at least 5 W / m * «. This ensures a high heat transfer between the contact element and the memory cell.
  • Materials with high thermal conductivity are, for example, metals such as aluminum or copper and some plastics and ceramics.
  • the flexible regions may be formed of a material with low thermal conductivity. Thereby, a heat flow between the adjacent memory cells can be prevented. Especially in the
  • the flexible areas may be formed of plastic.
  • Memory cells can be brought.
  • the contact portions are movably mounted in the device.
  • Such plastics are
  • elastomers or thermoplastic elastomers.
  • rigid plastics such as polyamide can be used.
  • the flexible regions may alternatively be formed of metallic material. This is particularly conceivable when structurally movable areas are provided. This can be done by beads or a comparable three-dimensional design of the flexible areas. In this context, it is particularly conceivable to profile the flexible areas.
  • the contact portions are preferably made of metallic material with high thermal conductivity. In this context, it is particularly conceivable to form the contact sections of aluminum or copper. However, it is also conceivable to provide plastics with high thermal conductivity in the contact sections. Such plastics are, for example, thermally conductive thermoplastics or elastomers.
  • the contact portions may be formed of electrically insulating but thermally conductive ceramic materials such as alumina.
  • the surface of the device facing the memory cells may have electrically insulating properties. This is advantageous in particular when the surface of the memory cells represents an electrical pole.
  • the electrically insulating properties can be achieved by an additional electrically insulating layer.
  • the layer can also improve the thermal conductivity. In this
  • Relation is a coating containing thermally conductive
  • Ceramics such as aluminum oxide conceivable. Also conceivable are polymeric
  • the contact portions may be rigid and / or flexible.
  • a flexible embodiment is advantageous for changes in shape such as bulges in the contact region of the memory cell, for example, by charging or aging. Due to the flexible configuration of the contact sections, the contact sections can follow the changes in shape of the memory cells and thereby ensure a large contact area.
  • Flexible contact sections can be realized by thin metal sheets, thermoplastics, elastomers or thermoplastic elastomers.
  • the cooling medium can be pressurized. It is particularly advantageous that the flexible areas together with the
  • the contact force of the contact sections are damaged.
  • the contact sections can be moved away from the memory cells. This can be done, for example, by reducing the pressure of the cooling medium.
  • the flexible sections move the contact sections away from the memory cell, resulting in a thermally insulating gap.
  • the movement of the contact portions may be due to the restoring forces of the elastically deformed flexible portions.
  • the pressure of the cooling medium is regulated and to the respective Operating status adjusted. This can cause a complete failure of the
  • the cooling medium facing surface of the contact portions may be structured. As a result, the cooling medium assigned to the active surface can be increased, so that the heat transfer also increases.
  • the side facing away from the memory cells of the device may be formed of a thermally insulating material or with a thermal
  • the device is provided insulating layer. This ensures that a temperature control by the device takes place only in the direction of the memory cells. This is particularly advantageous if the energy storage system is arranged in an electric vehicle. In this case, the device is less susceptible to the environment, such as a hot or cold vehicle floor.
  • the energy storage system according to the invention is particularly suitable for use in a mobile system, for example in an electric vehicle, but also in aircraft and rail vehicles.
  • FIGS. show, in each case schematically:
  • FIG. 1 shows an energy storage system with memory cells in the form of
  • Fig. 3 shows a device with embedded strip-shaped
  • Fig. 4 shows a device with embedded round contact sections
  • Fig. 5 shows a device with embedded strip-shaped
  • Fig. 6 shows a device in which the memory cell on the
  • Fig. 7 is a side view of a device
  • FIG. 10 shows a device with a flexible sheath
  • Fig. 11 shows a device with different dimensions
  • Memory cells. 1 shows an energy storage system 1, comprising a housing 2, in which memory cells 3 are arranged, wherein the memory cells 3 is associated with a device 4 for controlling the temperature of the memory cells 3.
  • the energy storage system 1 is a lithium-ion battery.
  • the memory cells 3 are in the form of prismatic cells. In the upper illustration, the memory cell 3 is contacted laterally by the device 4. In the middle illustration, the memory cell 3 is arranged lying on the device 4, and in the lower illustration, the memory cell 3 is arranged standing on the device 4.
  • the lower illustration can also be used as a memory cell 3 in the form of a device 4 standing on the device 4
  • FIG. 2 shows an energy storage system 1 comprising a housing 2 in which memory cells 3 are arranged, the memory cells 3 being associated with a device 4 for controlling the temperature of the memory cells 3.
  • Energy storage system 1 is a lithium-ion battery.
  • the memory cells 3 are in the form of pouch cells.
  • FIG. 3 shows in detail a device 4 for tempering memory cells 3 of an energy storage system 1.
  • the device according to FIG. 3 has a frame 7 which is provided with a first connection 8 and a second connection 9 for the introduction or discharge of cooling medium.
  • the device 4 can be flowed through with cooling medium.
  • the cooling medium is pressurized bar.
  • contact portions 5 On a main side of the device 1 are contact portions 5 for
  • the flexible regions 6 are formed by elastically deformable sections and in the present embodiment are made of plastic, here an elastomer. The material is formed such that the flexible regions 6 have a low thermal conductivity. Due to the flexible areas 6 put the
  • the contact portions 5 are made of a high thermal material
  • FIG. 4 shows a device 4 according to FIG. 3, wherein the contact sections 5 in the present embodiment are also round in the form of round cells for adaptation to the memory cells 3.
  • FIG. 5 shows a device 4 for tempering memory cells 3 of an energy storage system 1.
  • the device according to FIG. 3 has a frame 7, which is provided with a first connection 8 and a second connection 9 for introducing or discharging cooling medium.
  • the device 4 can be flowed through with cooling medium.
  • the cooling medium can be acted upon with pressure.
  • contact portions 5 On a main side of the device 1 are contact portions 5 for
  • the flexible regions 6 are formed by elastically deformable sections and in the present embodiment are made of plastic, here a thermoplastic elastomer. As a result, the flexible regions 6 are formed as a membrane, so that the contact portions 5 are movably mounted.
  • the material is formed such that the flexible regions 6 have a low thermal conductivity. Due to the flexible regions 6, the contact sections 5 contact the memory cells 3 with increasing pressure of the cooling medium.
  • the contact portions 5 are made of a high thermal material
  • the contact portions 5 are adapted to the shape of the memory cells 3 and formed strip-shaped. Between the contact portions 5 supporting portions 10 are arranged, which form a web and are fixed to the frame 7. On the support sections 10 and on the frame 7 memory cells 3 can be stored so that they are mechanically safe the device 4 are fixed. In this case, the memory cells 3 cover the contact sections 5, which can be applied to the memory cells 3 due to the embedding in the flexible region 6 for tempering. This configuration results in a particularly stable device.
  • the flexible portion 6 is adjacent to the support portion 10 and the contact portion 5 is in turn embedded in the flexible region.
  • Figure 6 shows an embodiment according to Figure 3, wherein in the present embodiment, the device 4 is formed so that the memory cell 3 rests on the frame 7 and is mechanically stable stored.
  • FIG. 7 shows the previously described device 4 in a side view.
  • the flexible regions 6 are formed of metallic material, wherein the flexible regions 6 are formed of sheet metal with a small wall thickness and are introduced to increase the mobility beads in the sheet, so that the flexible regions 6 are profiled.
  • the cooling medium facing surface of the contact portions 5 is structured.
  • the structuring can take place in the course of shaping or subsequently by embossing or laser structuring.
  • Figure 8 shows further embodiments of the device 4.
  • Embodiment shows a device 4 in the initial state, while the middle representation of a deformed device 4 offset
  • the lower diagram shows a device 4, in which on both
  • Main sides of the device 4 contact portion 5 and flexible portions 6 are arranged.
  • Such a device 4 is particularly suitable to be arranged between the memory cells 3.
  • Figure 9 shows an embodiment of a device 4 with a thermally non-conductive back in the form of an insulating layer 11.
  • the insulating layer 11 may be integrally formed from a plastic housing.
  • the insulating layer of thermally insulating material is on the memory cells. 3
  • Figure 10 shows an embodiment of a device 4 in which the frame 7 is made entirely of flexible material.
  • a device 4 may be formed, for example, as an insert for a preformed frame or for a bottom plate.
  • the tempering is again by recesses in the bottom plate.
  • the lower side may again be configured thermally insulating, for example, by an arrangement of porous substances such as foams or nonwovens.
  • the very high flexibility of the connections is advantageous here. These can for example ensure a tolerance compensation of the piping system, which can be dispensed with transition pieces for piping.
  • FIG. 11 shows various possibilities for the arrangement of memory cells 3 on the contact sections 5 of the device 4. It is conceivable to make the contact sections 5 larger in area, equal or smaller than the contacted memory cells 3. Although a smaller area initially reduces the heat transfer, but can tolerances better

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Abstract

Energiespeichersystem (1), umfassend ein Gehäuse (2), in welchem volumenveränderliche Speicherzellen (3) angeordnet sind, wobei den Speicherzellen (3) eine Einrichtung (4) zum Temperieren der Speicherzellen (3) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) Kontaktabschnitte (5) zum Kontaktieren der Speicherzellen (3) aufweist und dass die Einrichtung (4) flexible Bereiche (6) zum Anpassen der Lage der Kontaktabschnitte (5) an die Lage der Speicherzellen (3) aufweist, wobei die Kontaktabschnitte (5) an die flexiblen Bereiche (6) angrenzen.

Description

Energiespeichersystem
Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem, umfassend ein Gehäuse, in welchem Speicherzellen angeordnet sind, wobei den Speicherzellen eine Einrichtung zum Temperieren der Speicherzellen zugeordnet ist.
Energiespeichersysteme, insbesondere wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie, sind insbesondere in mobilen Systemen weit verbreitet. Wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie werden zudem in tragbaren elektronischen Geräten wie Smartphones oder Laptops eingesetzt. Des
Weiteren werden wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie vermehrt zum Bereitstellen von Energie für elektrisch angetriebene Fahrzeuge eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete von elektrischen Energiespeichersystemen sind stationäre Anwendungen, beispielsweise in Backup-Systemen, in
Netwerkstabilisierungssystemen und zur Speicherung elektrischer Energie aus emeuerbaren Energiequellen.
Ein häufig eingesetztes Energiespeichersystem ist dabei ein wiederaufladbarer Speicher in Form eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Lithium-Ionen- Akkumulatoren weisen, wie andere wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie auch, zumeist mehrere Speicherzellen auf, welche gemeinsam in einem Gehäuse verbaut sind. Mehrere elektrisch miteinander verbundene Speicherzellen bilden dabei ein Modul. Dabei erstreckt sich das Energiespeichersystem nicht nur auf Lithium-Ionen- Akkumulatoren. Auch andere wiederaufladbare Batterie-Systeme wie Lithium- Schwefel-Batterien, Feststoff-Batterien oder Metall-Luft-Batterien können eine Temperierung benötigen. Des Weiteren kann das Energiespeichersystem als Superkondensator ausgebildet sein.
Energiespeichersysteme in Form von wiederaufladbaren Speichern weisen die höchste elektrische Kapazität nur in einem begrenzten Temperaturspektrum auf. Bei Über- bzw. Unterschreitung des optimalen
Betriebstemperaturbereiches fällt die elektrische Kapazität des Speichers stark ab, bzw. die Funktionalität des Energiespeichers ist beeinträchtigt. Darüber hinaus können zu hohe Temperaturen zu einer Schädigung des
Energiespeichersystems führen. Ferner kann eine ungleichmäßige
Temperierung zu ungleichmäßiger Alterung einzelner Speicherzellen und damit zu einem verfrühten Ausfall des Energiespeichersystems führen.
Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn das Energiespeichersystem für die Bereitstellung elektrischer Energie von elektrisch angetriebenen
Fahrzeugen dient. Zum Temperieren der Zellen des Energiespeichersystems ist es daher bereits bekannt, Kühl- oder Heizelemente zum Temperieren der Speicherzellen vorzusehen.
Aus der DE 10 2012 222 689 A1 ist es beispielsweise bekannt, Speicherzellen in eine Zellaufnahme einzubetten, welche zumindest teilweise aus einem wärmeleitenden Material ausgebildet ist. Dabei ist die Zellaufnahme starr ausgebildet, wobei die Speicherzellen in die Zellaufnahme eingesetzt sind.
Hierbei ist problematisch, dass die Speicherzellen zur Aufrechterhaltung eines größtmöglichen Wärmeübergangs zwischen Speicherzellen und Zellaufnahme während der Montage und der bestimmungsgemäßen Benutzung ihre Lage nicht verändern dürfen. Kommt es beispielsweise im Zuge der Montage zu einem Verkippen der Speicherzellen, entsteht zwischen Zellaufnahme und Speicherzelle ein Zwischenraum mit einem geringen
Wärmeübergangskoeffizienten. Hieraus resultiert ein ungleichmäßiger
Wärmeübergang und somit eine unterschiedliche Temperierung der
Speicherzellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energiespeichersystem bereitzustellen, bei welchem eine gleichmäßige und effektive Temperierung der Speicherzellen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug. Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem umfasst ein Gehäuse, in weichem volumenveränderliche Speicherzellen angeordnet sind, wobei den Speicherzellen eine Einrichtung zum Temperieren der Speicherzellen zugeordnet ist. Erfindungsgemäß weist die Einrichtung Kontaktabschnitte zum Kontaktieren der Speicherzellen auf, wobei die Kontaktabschnitte an die flexiblen Bereiche angrenzen und wobei die Einrichtung flexible Bereiche zum Anpassen der Lage der Kontaktabschnitte an die Lage der Speicherzellen aufweist.
Dabei sind die Kontaktabschnitte so ausgebildet, dass diese mit einer möglichst großen Anlagefläche an der Speicherzelle anliegen und so einen möglichst hohen Wärmeübergang gewährleisten. Dadurch kann ein hoher Wärmestrom zum Erwärmen oder zum Kühlen der Speicherzellen verwirklicht werden. Die flexiblen Bereiche der Einrichtung bewirken, dass sich die Kontaktabschnitte stets so an die Speicherzellen anlegen, dass dort ein möglichst großer
Wärmestrom realisiert werden kann. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird verhindert, dass ein thermisch isolierender Luftspalt zwischen Kontaktabschnitt und Speicherzelle entsteht. Ferner können
Lageveränderungen der Speicherzellen im Zuge der Montage oder während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Energiespeichersystems ausgeglichen werden. Dadurch, dass die Kontaktabschnitte an jeder
Speicherzelle anliegen, wird zudem eine gleichmäßige Temperierung aller Speicherzellen ermöglicht.
Insofern weist das Energiespeichersystem vergleichsweise starr ausgebildete Kontaktabschnitte zum Kontaktieren der Speicherzellen auf, welche an flexible Bereiche zum Anpassen der Lage der Kontaktabschnitte an die Lage der Speicherzellen angrenzen. Eine bevorzugte Einrichtung weist insofern an die Lage der Speicherzellen angepasste Kontaktabschnitte auf, welche über flexible Bereiche miteinander verbunden sind. In einer vorteilhaften
Ausgestaltung ist die Einrichtung flächig ausgebildet, wobei die
Kontaktabschnitte inselförmig in die Einrichtung eingebettet sind.
Dabei können die Kontaktabschnitte Bodenflächen, bzw. Stirnseiten und/oder Seitenflächen von Speicherzellen kontaktieren. Eine Kontaktierung von Bodenflächen oder Stirnseiten ist insbesondere im Zusammenhang mit Speicherzellen in Form von Rundzellen vorteilhaft. Eine Kontaktierung von Seitenflächen ist insbesondere im Zusammenhang mit Speicherzellen in Form von prismatischen Zellen und von Pouch-Zellen vorteilhaft. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht es zudem, Formänderungen der Speicherzellen während des Betriebs des Energiespeichersystems zu kompensieren. Beispielsweise erfolgt bei einer Pouch-Zelle während des Ladevorgangs eine Volumenzunahme, welche sich vorwiegend als
Dickenzunahme auswirkt. Eine vollständig geladene Pouch-Zelle ist etwa 5% dicker als eine entladene Pouch-Zelle, wobei die Volumenzu-, bzw. -abnähme reversibel ist. Darüber hinaus erfolgt bei Pouch-Zellen aber auch über die Lebensdauer betrachtet eine irreversible Volumenzunahme. Ein ähnliches Verhalten zeigen aber auch Rundzellen und prismatische Zellen. Sowohl die durch die reversible als auch die durch die irreversible Volumenänderung entstehende Formänderung der Speicherzelle kann durch die
erfindungsgemäße Ausgestaltung der Einrichtung kompensiert werden, so dass stets eine wunschgemäße Temperierung der Speicherzellen möglich ist.
Die Einrichtung kann mit Kühlmedium durchströmbar sein. Das Kühlmedium kann beispielsweise Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung sein. Kommt das Energiespeichersystem in einem Fahrzeug zum Einsatz, ist es denkbar, als Kühlmedium das in dem Fahrzeug in der Klimaanlage verwendete Kühlmedium einzusetzen. Bei entsprechender Auslegung der Einrichtung kann das
Kühlmedium auch Kohlendioxid sein. Dabei kann die Einrichtung mit der Klimaanlage verbunden sein oder einen separaten Kühlkreislauf aufweisen. Das Kühlmedium verbessert den Wärmeübergang und damit die
Leistungsfähigkeit der Einrichtung. Das Kühlmedium im Sinne der Erfindung kann auch dazu dienen, die Speicherzellen zu erwärmen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Energiespeichersystem aufgrund niedriger
Umgebungstemperaturen eine Temperatur aufweist, die unterhalb des optimalen Betriebstemperaturbereiches liegt.
Die flexiblen Bereiche der Einrichtung sind vorzugsweise durch elastisch verformbare Abschnitte gebildet. Dadurch können die Kontaktabschnitte in Richtung der Speicherzellen bewegt werden, um einen möglichst großen Wärmeübergang zu erzielen.
Die Kontaktabschnitte können aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet sein. Eine hohe thermische Leitfähigkeit im Sinne der Erfindung ergibt sich bei einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 2 W/mxK, vorzugsweise von mindestens 5 W/m*«. Dadurch ist ein hoher Wärmeübergang zwischen Kontaktelement und Speicherzelle gewährleistet. Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit sind beispielsweise Metalle wie Aluminium oder Kupfer sowie einige Kunststoffe und Keramiken.
Die flexiblen Bereiche können aus einem Material mit geringer thermischer Leitfähigkeit gebildet sein. Dadurch kann ein Wärmestrom zwischen den benachbarten Speicherzellen verhindert werden. Insbesondere im
Zusammenhang mit der Verwendung eines Kühlmediums, welches im Inneren der Einrichtung strömt, ist es vorteilhaft, wenn lediglich die Kontaktabschnitte eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen und die flexiblen Bereiche eine möglichst geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Dadurch werden lediglich die Bereiche temperiert, welche in Kontakt mit den Speicherzellen gelangen, wohingegen die übrigen Bereiche, welche keiner Temperierung bedürfen, nur einen geringen Wärmeübergang aufweisen. Dies ist auch aus
Sicherheitsaspekten vorteilhaft, da die von einer schadhaften Speicherzelle, beispielsweise infolge eines thermal runaways freigesetzte Wärme nicht über die Einrichtung auf benachbarte Speicherzellen übertragen wird. Die flexiblen Bereiche können aus Kunststoff ausgebildet sein. Bei
entsprechender Ausgestaltung sind Kunststoffe bereits von sich aus so elastisch, dass die Kontaktabschnitte zur vollständigen Anlage an die
Speicherzellen gebracht werden können. Insofern sind die Kontaktabschnitte beweglich in der Einrichtung befestigt. Derartige Kunststoffe sind
beispielsweise Elastomere oder thermoplastische Elastomere. Alternativ ist es aber auch denkbar, die flexiblen Bereiche so auszubilden, dass auch starre Kunststoffe wie Polyamid einsetzbar sind. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere denkbar, Bewegungskanten oder Sicken in den flexiblen
Bereichen vorzusehen. Die flexiblen Bereiche können alternativ auch aus metallischem Werkstoff ausgebildet sein. Dies ist insbesondere dann denkbar, wenn konstruktiv bewegliche Bereiche vorgesehen sind. Dies kann durch Sicken oder eine vergleichbare dreidimensionale Gestaltung der flexiblen Bereiche erfolgen. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere denkbar, die flexiblen Bereiche zu profilieren.
Die Kontaktabschnitte bestehen vorzugsweise aus metallischem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere denkbar, die Kontaktabschnitte aus Aluminium oder Kupfer auszubilden. Es ist aber ebenso denkbar, Kunststoffe mit hoher thermischer Leitfähigkeit in den Kontaktabschnitten vorzusehen. Derartige Kunststoffe sind beispielsweise thermisch leitfähige Thermoplaste oder Elastomere. Die Kontaktabschnitte können aus elektrisch isolierenden aber thermisch leitfähigen keramischen Werkstoffen wie Aluminiumoxid ausgebildet sein.
Die den Speicherzellen zugewandte Oberfläche der Einrichtung, insbesondere die den Speicherzellen zugewandte Oberfläche der Kontaktabschnitte kann elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Oberfläche der Speicherzellen einen elektrischen Pol darstellt. Die elektrisch isolierenden Eigenschaften können dabei durch eine zusätzliche elektrisch isolierende Schicht erzielt werden. Die Schicht kann darüber hinaus die thermische Leitfähigkeit verbessern. In diesem
Zusammenhang ist eine Beschichtung enthaltend thermisch leitfähige
Keramiken wie Aluminiumoxid denkbar. Denkbar sind ferner polymere
Beschichtungen enthaltend elektrische isolierende aber thermisch leitfähige Füllstoffe.
Die Kontaktabschnitte können starr und/oder flexibel ausgestaltet sein. Eine flexible Ausgestaltung ist vorteilhaft bei Formänderungen wie Ausbauchungen im Kontaktbereich der Speicherzelle beispielsweise durch Ladevorgänge oder Alterung. Durch die flexible Ausgestaltung der Kontaktabschnitte können die Kontaktabschnitte den Formänderungen der Speicherzellen folgen und dabei eine große Kontaktfläche sicherstellen. Flexible Kontaktabschnitte können durch dünne Metallbleche, Thermoplaste, Elastomere oder thermoplastische Elastomere realisiert werden.
Das Kühlmedium kann mit Druck beaufschlagbar sein. Hierbei ist insbesondere vorteilhaft, dass sich die flexiblen Bereiche zusammen mit den
Kontaktabschnitten bewegen, wenn das Kühlmedium mit Druck beaufschlagt wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass sich die Kontaktabschnitte an die Speicherzellen anlegen. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, den in der Einrichtung herrschenden Druck in Abhängigkeit der Temperatur und/oder des Ladezustands der Speicherzellen zu regulieren. Dadurch können die Kontaktabschnitte stets zur Anlage an die Speicherzellen gebracht werden. Gleichzeitig wird verhindert, dass die Speicherzellen durch eine zu hohe
Anlagekraft der Kontaktabschnitte beschädigt werden.
Bei einer schadhaften Speicherzelle, beispielsweise infolge eines so genannten thermal runaways, werden in kurzer Zeit sehr große Wärmemengen freigesetzt, die nicht über die Einrichtung abgeführt werden können. Um zu verhindern, dass die dabei freigesetzte Wärme zu einer Überhitzung der Einrichtung oder generell des Energiespeichersystems mit den übrigen Speicherzellen führt, können die Kontaktabschnitte von den Speicherzellen weg bewegt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, indem der Druck des Kühlmediums reduziert wird. Dabei bewegen die flexiblen Abschnitte die Kontaktabschnitte von der Speicherzelle weg, so dass ein thermisch isolierender Spalt entsteht. Die Bewegung der Kontaktabschnitte kann aufgrund der Rückstellkräfte der elastisch verformten flexiblen Abschnitte erfolgen. Bei dieser Ausgestaltung wird der Druck des Kühlmediums reguliert und an den jeweiligen Betriebszustand angepasst. Dadurch kann ein vollständiger Ausfall des
Energiespeichersystems verhindert werden.
Die dem Kühlmedium zugewandte Oberfläche der Kontaktabschnitte kann strukturiert sein. Dadurch kann die dem Kühlmedium zugeordnete aktive Oberfläche vergrößert werden, so dass sich der Wärmeübergang ebenfalls vergrößert.
Die den Speicherzellen abgewandte Seite der Einrichtung kann aus einem thermisch isolierenden Material ausgebildet oder mit einer thermisch
isolierenden Schicht versehen sein. Dadurch ist sichergestellt, dass eine Temperierung durch die Einrichtung nur in Richtung der Speicherzellen erfolgt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Energiespeichersystem in einem Elektrofahrzeug angeordnet ist. In diesem Fall ist die Einrichtung weniger anfällig gegenüber der Umgebung, beispielsweise einem heißen oder kalten Fahrzeugboden.
Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem mobilen System, beispielsweise in einem Elektrofahrzeug, aber auch in Flugzeugen und Schienenfahrzeugen.
Einige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Energiespeichersystem mit Speicherzellen in Form von
prismatischen Zellen oder Rundzellen;
Fig. 2 ein Energiespeichersystem mit Speicherzellen in Form von Pouch-
Zellen; Fig. 3 eine Einrichtung mit eingebetteten streifenförmigen
Kontaktabschnitten;
Fig. 4 eine Einrichtung mit eingebetteten runden Kontaktabschnitten; Fig. 5 eine Einrichtung mit eingebetteten streifenförmigen
Kontaktschnitten angeordnet zwischen Tragabschnitten;
Fig. 6 eine Einrichtung, bei welcher die Speicherzelle auf dem
Randabschnitt der Einrichtung aufliegt;
Fig. 7 eine Seitenansicht einer Einrichtung;
Fig. 8 verschiedene Ausgestaltungen einer Einrichtung;
Fig. 9 eine Einrichtung mit einer bodenseitigen Isolierung;
Fig. 10 eine Einrichtung mit einer flexiblen Hülle;
Fig. 11 eine Einrichtung mit unterschiedlich dimensionierten
Speicherzellen. Figur 1 zeigt ein Energiespeichersystem 1 , umfassend ein Gehäuse 2, in welchem Speicherzellen 3 angeordnet sind, wobei den Speicherzellen 3 eine Einrichtung 4 zum Temperieren der Speicherzellen 3 zugeordnet ist. Bei dem Energiespeichersystem 1 handelt es sich um einen Lithium-Ionen-Akkumulator. Die Speicherzellen 3 sind in Form von prismatischen Zellen ausgebildet. Bei der oberen Darstellung ist die Speicherzelle 3 seitlich von der Einrichtung 4 kontaktiert. Bei der mittleren Darstellung ist die Speicherzelle 3 liegend auf der Einrichtung 4 angeordnet und bei der unteren Darstellung ist die Speicherzelle 3 stehend auf der Einrichtung 4 angeordnet. Die untere Darstellung kann auch als eine auf der Einrichtung 4 stehende Speicherzelle 3 in Form einer
Rundzelle betrachtet werden.
Figur 2 zeigt ein Energiespeichersystem 1 , umfassend ein Gehäuse 2, in welchem Speicherzellen 3 angeordnet sind, wobei den Speicherzellen 3 eine Einrichtung 4 zum Temperieren der Speicherzellen 3 zugeordnet ist. Bei dem Energiespeichersystem 1 handelt es sich um einen Lithium-Ionen-Akkumulator. Die Speicherzellen 3 sind in Form von Pouch-Zellen ausgebildet.
Figur 3 zeigt im Detail eine Einrichtung 4 zum Temperieren von Speicherzellen 3 eines Energiespeichersystems 1. Die Einrichtung gemäß Figur 3 weist einem Rahmen 7 auf, welcher mit einem ersten Anschluss 8 und einem zweiten Anschluss 9 für das Einleiten bzw. Ausleiten von Kühlmedium versehen ist. Insofern ist die Einrichtung 4 mit Kühlmedium durchströmbar. Dabei ist das Kühlmedium mit Druck beaufschlag bar.
Auf einer Hauptseite der Einrichtung 1 sind Kontaktabschnitte 5 zum
Kontaktieren der Speicherzellen 3 angeordnet, wobei die Kontaktabschnitte 5 von flexiblen Bereichen 6 zum Anpassen der Lage der Kontaktabschnitte 5 an die Lage der Speicherzellen 3 umgeben sind. Die flexiblen Bereiche 6 sind durch elastisch verformbare Abschnitte gebildet und bestehen bei der vorliegenden Ausgestaltung aus Kunststoff, hier einem Elastomer. Das Material ist so ausgebildet, dass die flexiblen Bereiche 6 eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Durch die flexiblen Bereiche 6 legen sich die
Kontaktabschnitte 5 bei ansteigendem Druck des Kühlmediums an die
Speicherzellen 3 an.
Die Kontaktabschnitte 5 sind aus einem Material mit hoher thermischer
Leitfähigkeit gebildet und bestehen bei der vorliegenden Ausgestaltung aus metallischem Werkstoff.
Figur 4 zeigt eine Einrichtung 4 gemäß Figur 3, wobei die Kontaktschnitte 5 bei der vorliegenden Ausgestaltung zur Anpassung an die Speicherzellen 3 in Form von Rundzellen ebenfalls rund ausgebildet sind. Figur 5 zeigt eine Einrichtung 4 zum Temperieren von Speicherzellen 3 eines Energiespeichersystems 1. Die Einrichtung gemäß Figur 3 weist einen Rahmen 7 auf, welcher mit einem ersten Anschluss 8 und einem zweiten Anschluss 9 für das Einleiten bzw. Ausleiten von Kühlmedium versehen ist. Insofern ist die Einrichtung 4 mit Kühlmedium durchströmbar. Dabei ist das Kühlmedium mit Druck beaufschlagbar.
Auf einer Hauptseite der Einrichtung 1 sind Kontaktabschnitte 5 zum
Kontaktieren der Speicherzellen 3 angeordnet, wobei die Kontaktabschnitte 5 von flexiblen Bereichen 6 zum Anpassen der Lage der Kontaktabschnitte 5 an die Lage der Speicherzellen 3 umgeben sind. Die flexiblen Bereiche 6 sind durch elastisch verformbare Abschnitte gebildet und bestehen bei der vorliegenden Ausgestaltung aus Kunststoff, hier einem thermoplastischem Elastomer. Dadurch sind die flexiblen Bereiche 6 als Membran ausgebildet, so dass die Kontaktabschnitte 5 beweglich gelagert sind.
Das Material ist so ausgebildet, dass die flexiblen Bereiche 6 eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Durch die flexiblen Bereiche 6 legen sich die Kontaktabschnitte 5 bei ansteigendem Druck des Kühlmediums an die Speicherzellen 3 an.
Die Kontaktabschnitte 5 sind aus einem Material mit hoher thermischer
Leitfähigkeit gebildet und bestehen bei der vorliegenden Ausgestaltung aus metallischem Werkstoff.
Die Kontaktabschnitte 5 sind an die Formgebung der Speicherzellen 3 angepasst und streifenförmig ausgebildet. Zwischen den Kontaktabschnitten 5 sind Tragabschnitte 10 angeordnet, welche einen Steg bilden und an dem Rahmen 7 festgelegt sind. Auf den Tragabschnitten 10 und auf dem Rahmen 7 können Speicherzellen 3 gelagert werden, so dass diese mechanisch sicher auf der Einrichtung 4 fixiert sind. Dabei überdecken die Speicherzellen 3 die Kontaktabschnitte 5, welche sich aufgrund der Einbettung in den flexiblen Bereich 6 zum Temperieren an die Speicherzellen 3 anlegen können. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine besonders stabile Einrichtung.
Eine derartige Ausgestaltung ist auch zusammen mit Speicherzellen 3 in Form von Rundzellen denkbar. In diesem Fall sind die Tragabschnitte 10
vorzugsweise als Lochplatte ausgebildet, wobei an den Tragabschnitt 10 der flexible Bereich 6 angrenzt und der Kontaktabschnitt 5 wiederum in den flexiblen Bereich eingebettet ist.
Figur 6 zeigt eine Ausgestaltung gemäß Figur 3, wobei bei der vorliegenden Ausgestaltung die Einrichtung 4 so ausgebildet ist, dass die Speicherzelle 3 auf dem Rahmen 7 aufliegt und so mechanisch stabil gelagert ist.
Figur 7 zeigt die zuvor beschriebene Einrichtung 4 in der Seitenansicht.
Alternativ sind die die flexiblen Bereiche 6 aus metallischem Werkstoff ausgebildet, wobei die flexiblen Bereiche 6 aus Blech mit geringer Wandstärke ausgebildet sind und zur Erhöhung der Beweglichkeit Sicken in das Blech eingebracht sind, so dass die flexiblen Bereiche 6 profiliert sind.
Die dem Kühlmedium zugewandte Oberfläche der Kontaktabschnitte 5 ist strukturiert. Die Strukturierung kann im Zuge der Formgebung erfolgen oder nachträglich durch Prägen oder Laserstrukturierung.
Figur 8 zeigt weitere Ausgestaltungen der Einrichtung 4. Die obere
Ausgestaltung zeigt eine Einrichtung 4 im Ausgangszustand, während die mittlere Darstellung eine verformte Einrichtung 4 mit versetzten
Kontaktabschnitten 5 zeigt. Die untere Darstellung zeigt eine Einrichtung 4, bei welcher auf beiden
Hauptseiten der Einrichtung 4 Kontaktabschnitt 5 und flexible Bereiche 6 angeordnet sind. Eine derartige Einrichtung 4 ist insbesondere geeignet, zwischen den Speicherzellen 3 angeordnet zu werden.
Figur 9 zeigt eine Ausgestaltung einer Einrichtung 4 mit einer thermisch nicht leitenden Rückseite in Form einer Isolierschicht 11. Die Isolierschicht 11 kann einstückig aus einem Kunststoffgehäuse ausgebildet sein. Die Isolierschicht aus thermisch isolierendem Material ist auf der den Speicherzellen 3
abgewandten Hauptseite der Einrichtung 4 angeordnet und verringert den Einfluss der Umgebung auf die Leistungsfähigkeit der Einrichtung 4.
Figur 10 zeigt eine Ausgestaltung einer Einrichtung 4 bei der der Rahmen 7 vollständig aus flexiblem Material besteht. Eine derartige Einrichtung 4 kann beispielsweise als Einlegeteil für einen vorgeformten Rahmen oder für eine Bodenplatte ausgebildet sein. Die Temperierung erfolgt wiederum durch Aussparungen in der Bodenplatte. Auch hier kann wieder die untere Seite thermisch isolierend ausgestaltet sein, beispielsweise durch eine Anordnung von porösen Substanzen wie Schäumen oder Vliesstoffen. Weiterhin ist hier die sehr hohe Flexibilität der Anschlüsse vorteilhaft. Diese können beispielsweise einen Toleranzausgleich des Verrohrungssystems sicherstellen, wodurch auf Übergangsstücke zur Verrohrung verzichtet werden kann.
Figur 11 zeigt verschiedene Möglichkeiten der Anordnung von Speicherzellen 3 auf den Kontaktabschnitten 5 der Einrichtung 4. Dabei ist es denkbar, die Kontaktabschnitte 5 flächenmäßig größer, gleich oder auch kleiner als die kontaktierte Speicherzellen 3 zu gestalten. Eine kleinere Fläche verringert zwar zunächst einmal den Wärmeübergang, kann aber besser Toleranzen
ausgleichen.

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeichersystem (1 ), umfassend ein Gehäuse (2), in welchem
volumenveränderliche Speicherzellen (3) angeordnet sind, wobei den Speicherzellen (3) eine Einrichtung (4) zum Temperieren der
Speicherzellen (3) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) Kontaktabschnitte (5) zum Kontaktieren der Speicherzellen (3) aufweist und dass die Einrichtung (4) flexible Bereiche (6) zum
Anpassen der Lage der Kontaktabschnitte (5) an die Lage der
Speicherzellen (3) aufweist, wobei die Kontaktabschnitte (5) an die flexiblen Bereiche (6) angrenzen.
2. Energiespeichersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) mit Kühlmedium durchströmbar ist.
3. Energiespeichersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die flexiblen Bereiche (6) der Einrichtung (4) durch elastisch verformbare Abschnitte gebildet sind.
4. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kontaktabschnitte (5) aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet sind.
5. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die flexiblen Bereiche (6) aus einem Material mit geringer thermischer Leitfähigkeit gebildet sind.
6. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die flexiblen Bereiche (6) aus Kunststoff
ausgebildet sind.
7. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Bereiche (6) aus einem Elastomer oder aus einem thermoplastischen Elastomer ausgebildet sind.
8. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die flexiblen Bereiche (6) aus metallischem
Werkstoff ausgebildet sind.
9. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die flexiblen Bereiche (6) profiliert sind.
10. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kontaktabschnitte (5) derart flexibel ausgestaltet sind, dass die Kontaktabschnitte (5) Formänderungen der Speicherzellen
(3) folgen können.
1 1 . Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kühlmedium mit Druck beaufschlagbar ist.
12. Energiespeichersystem nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kontaktabschnitte (5) bei ansteigendem Druck des Kühlmediums an die Speicherzellen (3) anlegen.
13. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass sich die Kontaktabschnitte (5) bei fallendem Druck des Kühlmediums von den Speicherzellen (3) wegbewegen. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Kühlmedium zugewandte Oberfläche der Kontaktabschnitte (5) strukturiert ist.
Mobiles System, insbesondere Fahrzeug enthaltend ein
Energiespeichersystem nach einem der vorherigen Ansprüche.
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