Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zellanordnung, insbesondere ein Zellmodul, umfassend eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, einen Energiespeicher sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Zellanordnung.

Zellanordnungen oder Zellmodule der in Rede stehenden Art bestehen aus einer Vielzahl von Energiespeicherzellen. Mehrere derartige Zellmodule sind oftmals zusammengefasst und formen einen Energiespeicher, insbesondere einen Hochvoltspeicher, wie sie als Traktionsbatterien in elektrifizierten oder vollelektrischen Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Hierbei handelt es sich um äußerst komplexe Einheiten, nicht nur was die Fertigung betrifft, sondern auch in Bezug auf das Betriebsverhalten. Insbesondere die Wärmeentwicklung der Energiespeicherzellen im Betrieb stellt eine große Herausforderung dar.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zellanordnung, einen Energiespeicher sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Zellanordnung anzugeben, welche das Betriebsverhalten optimieren, ohne gleichzeitig die Kosten zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch eine Zellanordnung gemäß Anspruch 1 , durch einen Energiespeicher gemäß Anspruch 9 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Erfindungsgemäß umfasst eine Zellanordnung, insbesondere ein Zellmodul, eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, wobei die Zellgehäuse der Energiespeicherzellen Markierungen aufweisen, und wobei die Energiespeicherzellen entsprechend der Markierungen ausgerichtet oder positioniert sind. Mit Vorteil erfolgt die Anordnung der Energiespeicherzellen also nicht ungerichtet oder zufällig, sondern einem vorgegebenen Schema, wobei dieses Schema durch die Markierungen vorgegeben ist oder wird. Die Energiespeicherzellen sind beispielsweise Litium-Ionen-Zellen oder Lithium-Schwefel-Zellen. Vorteilhafterweise ist die Grundidee der Erfindung aber nicht auf einen bestimmten Zelltyp oder eine bestimmte Zellchemie begrenzt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigen die Markierungen das Temperaturverhalten der jeweiligen Energiespeicherzelle an. Gemäß einer Ausführungsform zeigen die Markierungen beispielsweise einen Bereich oder eine Stelle an, an welcher die jeweilige Energiespeicherzelle im Betrieb eine gewisse Temperatur aufweist, beispielsweise eine minimale oder aber auch eine maximale Temperatur. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kennzeichnen die Markierungen den jeweiligen Temperatur-Hotspot der Energiespeicherzelle. Energiespeicherzellen der in Rede stehenden Art, insbesondere Hochvolt-Batterien, beispielsweise LithiumionenakkumulatorenAbatterien, weisen thermische Hotspots auf, also Bereiche, an denen die Zellen im Betrieb maximal warm werden. Diese Hotspots werden z. B. durch innere elektrische Ableiter von Anode/Kathode zu den Zellterminals verursacht oder ggf. auch durch andere mechanische oder chemisch/elektrische Eigenschaften der Zelle. Die Energiespeicherzellen dürfen nur bis zu bestimmten Betriebs- und Sicherheitstem- peraturgrenzen betrieben werden. Je heißer die heißeste Stelle der Zelle, desto geringer sind zulässiger Strom und Leistung der Zelle. Die heißeste Stelle der Zelle limitiert somit den Betrieb. Heiße Stellen führen ebenso zu lokal erhöhter Zellalterung bis hin zu Schädigungen der Zelle oder Zellchemie. Zweckmäßigerweise können nun diese Bereiche der Energiespeicherzellen mittels der Markierungen sichtbar gemacht werden.

Bevorzugt sind die Markierungen außen an oder auf den Zellgehäusen aufgebracht. Die Markierungen können sichtbar und/oder auch zumindest maschinell erkennbar ausgebildet sein. Zum Auf- bzw. Anbringen der Markierungen gibt es die verschiedensten Möglichkeiten. Je nach Ausgestaltung des Zellgehäuses, kann die Markierung bzw. können die Markierungen auch mechanisch eingebracht werden, beispielsweise durch Prägen, Lasern, etc. Alternativ können auch Farben verwendet werden etc.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfasst die Zellanordnung ein Wärmeübertragungselement, welches ausgelegt ist, die Zellanordnung zu temperieren, und wobei die Markierungen zu dem Wärmeübertragungselement hin orientiert sind. Zweckmäßigerweise kann durch die entsprechend der Markierung ausgerichteten Energiespeicherzellen eine optimale Temperierung, insbesondere Kühlung, erreicht werden, da insbesondere die heißesten Stellen der Energiespeicherzellen zu dem Wärmeübertragungselement hin orientiert sind. Dies hat deutliche Vorteile gegenüber einer zufälligen Orientierung der Energiespeicherzellen, bei welcher eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass die hinsichtlich der auftretenden Temperaturen kritischen Bereiche oder Abschnitte der Energiespeicherzellen überhaupt nicht gekühlt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kontaktieren die Markierungen bzw. die Bereiche der Energiespeicherzellen, auf welchen die Markierungen aufgebracht sind, das Wärmeübertragungselement unmittelbar bzw. direkt. Insbesondere umfasst das Wärmeübertragungselement eine Kühlfläche, welche die Energiespeicherzellen bzw. deren Zellgehäuse direkt bzw. unmittelbar kontaktiert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kontaktieren die Wärmeübertragungselemente die Energiespeicherzelle einseitig. Durch die gezielte Anordnung der Energiespeicherzellen wird trotz der nur einseitigen Anordnung eine optimale Kühlwirkung erzielt.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Wärmeübertragungselement von einem Fluid zur Wärmeübertragung durchströmt bzw. kann durchströmt werden. Bevorzugt ist das Wärmeübertragungselement zur Kühlung vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ kann das Wärmeübertragungselement auch zum Heizen bzw. zum Erwärmen des Zellmoduls verwendet werden. Mit Vorteil geben Form und Lage des Wärmeübertragungselements eine Ausrichtung und Positionierung der Energiespeicherzellen vor.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Zellgehäuse feste Zellgehäuse. Derartige feste Zellgehäuse können beispielsweise als prismatische Zellgehäuse ausgebildet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Zellgehäuse Rundzellengehäuse, wobei die Markierungen an den Mantel- oder Umfangsflächen der Rundzellengehäuse angeordnet sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Zellmodul ein Rundzellmodul mit Seitenkühlung. Das Wärmeübertragungselement ist dabei zweckmäßigerweise als Kühlschlange ausgebildet, welche die Energiespeicherzellen einseitig berührt. Alternativ können die Energiespeicherzellen auch von zwei Seiten mit einer Kühlschlange kontaktiert sein. Entscheidend ist, dass auf Basis der Markierungen die Rundzellen mit Vorteil so orientiert werden können, dass die heißeste Stelle, insbesondere also die markierte Stelle des Zellgehäuses, direkt bzw. unmittelbar zur Kühlfläche der Kühlschlange bzw. des Kühlelements bzw. des Wärmeübertragungselements hin ausgerichtet ist bzw. dieses kontaktiert.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind die Zellgehäuse weiche Zellgehäuse, insbesondere beispielsweise sogenannte Softpacks. Der Grundgedanke der Erfindung ist auf jeden Zelltyp anwendbar und nicht auf eine spezielle Gehäuseform oder auf eine vorbestimmte Zellchemie beschränkt. Erfindungsgemäß umfasst ein Energiespeicher, insbesondere ein Hochvoltspeicher, zumindest eine erfindungsgemäße Zellanordnung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Zellanordnung eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, wobei die Energiespeicherzellen als Lithium-Ionen-Zellen oder Lithium-Schwefel-Zellen ausgebildet sind.

Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Zellanordnung, umfassend eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, umfassend die Schritte:

Bereitstellen einer Vielzahl von Energiespeicherzellen;

- Aufbringen von Markierungen auf die Zellgehäuse der Energiespeicherzellen;

- Anordnen oder Ausrichten der Energiespeicherzellen beim Aufbau der Zellanordnung entsprechend der Markierungen.

Bevorzugt handelt es sich bei den Energiespeicherzellen um sogenannte Rundzellen. Jede der Energiespeicherzellen ist zweckmäßigerweise mit einer, bevorzugt genau einer, Markierung versehen, welche ein Temperaturverhalten der jeweiligen Energiespeicherzelle im Betrieb kennzeichnet. Insbesondere gibt die Markierung jeweils den Temperaturhotspot der jeweiligen Energiespeicherzelle an. Mit Vorteil können nun die Energiespeicherzellen entsprechend ihrer Markierungen exakt so ausgerichtet werden, dass die heißesten Stellen der Energiespeicherzellen bzw. der Zellgehäuse optimal gekühlt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass diese Stellen insbesondere direkt oder unmittelbar mit dem jeweiligen Kühlelement des Zellmoduls kontaktiert werden.

Zweckmäßigerweise umfasst die Zellanordnung ein Wärmeübertragungselement, wobei die Markierungen den jeweiligen Temperaturhotspot der Energiespeicherzellen anzeigen. Bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt:

- Anordnen der Zellgehäuse derart, dass die Zellgehäuse zu dem Wärmeübertragungselement hin orientiert sind und/oder unmittelbar an diesem anliegen.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt: Simulatives Ermitteln oder Erfassen der Temperaturhotspots.

Bevorzugt umfasst das Verfahren allgemein den Schritt des simulativen Ermittelns oder Erfassens des Temperatur- bzw. Betriebsverhaltens der Energiespeicherzelle. Damit kann ermittelt werden, an welcher Stelle bzw. Position die Markierung angebracht werden muss. Alternativ wird die Anordnung der jeweiligen Markierung auf Basis des Zellaufbaus bestimmt, wobei hierbei entsprechend Erfahrungswerte verwendet werden können.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:

Maschinelles Erfassen oder Erkennen der Markierung bzw. der Markierungen; Maschinelles Anordnen und Positionieren der Zellgehäuse bzw. der Energiespeicherzellen.

Mit Vorteil können die Erkennung sowie die Anordnung und Ausrichtung der Zellgehäuse automatisiert und maschinell, beispielsweise unter Einsatz eines Industrieroboters, durchgeführt werden. Alternativ können die vorgenannten Verfahrensschritte auch von Hand durchgeführt werden.

Vorteilhafterweise können vorliegend sowohl bei der manuellen, wie auch bei der automatischen Platzierung und Orientierung der Energiespeicherzellen die Hotspots direkt einer Kühlfläche zugeordnet werden. Die lokale Wärme kann in der Folge vorteilhafterweise direkt abgeführt werden. Die Zelle bleibt an dieser Stelle kühler. Die Hotspots werden reduziert oder ganz beseitigt. Die Zelle hat insgesamt eine homogenere Temperatur im Betrieb und somit eine gleichmäße und eine nicht lokale Alterung. Niedrige Temperaturen in den betroffenen Bereichen verlängern die Lebensdauer der Zellen. Teilweise werden Zelltemperaturen und Temperatur-Spreizungen von Zellen beim Betrieb in Software-Modellen im Batteriemanagementsystem berechnet und auf Basis eines Temperaturmodells höchste Temperaturen ermittelt. Auch wenn z. B. heißeste Stellen an der Seite einer Zelle im Modul oftmals nicht direkt gemessen werden, weil die Temperatursensoren z. B. an den Terminals oben oder unten an der Zelle angebracht sind, muss beim Betrieb der heißeste Punkt über eine Modellbildung oder einen Offset berücksichtigt werden. Auch hier kann die vorliegende Idee den Aufwand für ein Modell reduzieren bzw. den notwendigen Temperaturoffset bei der Temperaturerfassung und -Auswertung reduzieren.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform einer Zellanordnung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.

Es zeigen:

Fig. 1 : eine Zellanordnung mit zufällig angeordneten Energiespeicherzellen;

Fig. 2: eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zellanordnung.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht, entlang einer Längsachse L gesehen, eine Zellanordnung, umfassend eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, wobei deren Zellgehäuse 10 als Rundzellen ausgebildet sind. Deren Mantel- bzw. Umfangsflächen erstrecken sich entlang der Längsachse L. Die Zellgehäuse 10 der Energiespeicherzellen weisen Temperatur- hotspots 12 auf. Mit dem Bezugszeichen 20 ist schematisch ein Wärmeübertragungselement skizziert. Zu erkennen ist, dass durch die zufällige Anordnung der Energiespeicherzellen bzw. der Zellgehäuse 10 die Temperaturhotspots 12 nicht ideal gekühlt werden können.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zellanordnung. Die wesentli- chen technischen Merkmale sind bereits aus der Fig. 1 bekannt. Entscheidend ist vorliegend, dass die Zellgehäuse 10 vorliegend mit Markierungen 14, vorliegend schematisch in der Form von Kreisen, versehen sind, welche die Temperaturhotspots 12 der Zellgehäuse 10 bzw. der Energiespeicherzellen anzeigen. Dadurch ist es möglich, die Zellgehäuse 10 derart auszurichten bzw. zu positionieren, dass ein Wärmeübertragungselement 20 möglichst direkt kontaktiert wird. Insbesondere liegen die Kühlflächen des Wärmeübertragungselements 20 also direkt an den Bereichen der Zellgehäuse 10 an, welche im Betrieb die höchsten Temperaturen aufweisen bzw. aufweisen würden.

Bezugszeichenliste

10 Zellgehäuse 12 Temperatur-Hotspot

14 Markierung

20 Wärmeübertragungselement

L Längsachse