Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeicherzelle für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energiespeicherzelle. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Energiespeicherzelle, die zur elektrischen Versorgung eines elektrischen Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird.

Im Stand der Technik sind elektrische Energiespeicherzellen allgemein bekannt und werden bei Kraftfahrzeugen als Teil eines elektrischen Energiespeichers für ein elektrisches Antriebsaggregat eingesetzt.

Damit die Energiespeicherzellen des elektrischen Energiespeichers über ihre Lebensdauer hinweg zuverlässig arbeiten, ist es notwendig, die Energiespeicherzellen beispielsweise während des Betriebes des Kraftfahrzeuges zu kühlen oder in einer Startphase gegebenenfalls aufzuheizen.

Um dies zu bewerkstelligen, werden im Stand der Technik Kühl-/Heizsysteme mit entsprechenden Kühl-/Heizelementen eingesetzt, die räumlich auf einer Außenseite der Energiespeicherzellen bzw. des gesamten Energiespeichers angeordnet sind. Solche Kühl-/Heizsysteme belegen zusammen mit ihren Kühl-/Heizelementen wertvollen Bauraum innerhalb des Kraftfahrzeuges.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Energiespeicherzelle und ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicherzelle zu schaffen, die eine Bauraumoptimierung zulassen.

Diese Aufgabe wird mit einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß Patentanspruch 1 und einem Verfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine elektrische Energiespeicherzelle für ein Kraftfahrzeug ein Gehäuse, das einen Innenraum festlegt, in dem elektrochemische Komponenten der Energiespeicherzelle aufgenommen sind, und eine durch den Innenraum verlaufende Leitung, über die ein Kühl- oder Heizmedium durch den Innenraum geleitet werden kann. Die erfindungsgemäße elektrische Energiespeicherzelle betrifft insbesondere eine solche, die einen Teil eines elektrischen Energiespeichers für ein elektrisches Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges bildet. Bevorzugt ist ein solcher Energiespeicher aus einer Vielzahl von Speichermodulen aufgebaut, wobei jedes der Speichermodule wiederum eine Vielzahl erfindungsgemäßer Energiespeicherzellen beinhaltet, die in einer gewünschten Konfiguration zusammengeschaltet sind.

Bei den elektrochemischen Komponenten handelt es sich bevorzugt um einen Aufbau zweier Elektrodenstreifen, die jeweils mit einer entsprechenden Elektrode elektrisch verbunden und durch einen Separator voneinander getrennt sind. Die genannten Elektroden sind beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium ausgebildet und mit einem jeweiligen Kontaktierungspol, der außerhalb der elektrischen Energiespeicherzelle zum Anschließen der Energiespeicherzelle zugänglich ist, elektrisch verbunden.

Zumindest die Elektrodenstreifen und der Separator haben bevorzugt in dem Innenraum eine gewickelte Struktur, die dadurch erhalten wird, dass die Elektrodenstreifen und der Separator außerhalb des Gehäuses aufeinander gelegt und zusammengerollt werden. Die so außerhalb des Gehäuses erhaltene gewickelte Struktur wird dann anschließend in den Innenraum des Gehäuses eingesetzt.

Bevorzugt ist die erfindungsgemäße elektrische Energiespeicherzelle eine Lithiumionen-Energiespeicherzelle. In diesem Fall ist einer der Elektrodenstreifen eine Übergangsmetallstruktur und der andere der Elektrodenstreifen eine Kohlenstoff - Struktur, wobei beide Strukturen durch den Separator voneinander getrennt sind. Darüber hinaus ist in den Innenraum des Gehäuses eine nicht-wässrige Elektrolytlösung gefüllt, die das Wandern der Lithiumionen bei Laden/Entladen der elektrischen Energiespeicherzelle ermöglicht.

Erfindungsgemäß verläuft die genannte Leitung durch den Innenraum des Gehäuses der Energiespeicherzelle, sodass das Kühl-/Heizmedium durch den Innenraum der Energiespeicherzelle geleitet werden kann. Bei dem genannten Medium handelt es sich bevorzugt um eine Kühlflüssigkeit. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Leitung innerhalb des Gehäuses steht wertvoller Bauraum außerhalb der Energiespeicherzelle anderen Komponenten zur Verfügung, d.h. erfindungsgemäß kann eine Bauraumoptimierung erzielt werden.

Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Leitung das Kühl-/Heizmedium an den entscheidenden Bereich der Energiespeicherzelle, der entweder einer Kühlung oder einer Aufheizung bedarf, geleitet. Dies hat beispielsweise positive Auswirkungen auf die Lebensdauer der Energiespeicherzelle und ermöglicht die Vermeidung von kältebedingten Reichweitenverlusten.

Bevorzugt ist die erfindungsgemäße elektrische Energiespeicherzelle so ausgestaltet, dass die Leitung durch den Innenraum geradlinig oder gebogen verläuft.

Bevorzugt ist die Leitung aus einem elektrisch nicht-leitenden oder einem elektrisch schlecht-leitenden Material gebildet.

Beispiele hierfür sind Kunststoffe oder auch beispielsweise Titan. Besonders bevorzugt sind Materialien die eine elektrische Leitfähigkeit kleiner gleich 2,8 ^* 106 S/m haben.

Das Gehäuse der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle ist bevorzugt ein Quader mit einer Vielzahl von Außenflächen, die den Quader festlegen, wobei die Leitung an einer Außenfläche der Vielzahl von Außenflächen in das Gehäuse eintritt, in dem Innenraum verläuft und an der Außenfläche wieder aus dem Gehäuse austritt.

Mit anderen Worten befindet sich der Bereich, an dem die Leitung in das Gehäuse eintritt, und der Bereich, an dem die Leitung aus dem Gehäuse austritt, auf derselben Außenfläche, die eine der den Quader festlegenden Außenflächen ist. Hierdurch lässt sich bevorzugt das Kühl-/Heizsystem auf einer der Außenflächen des Quaders anschließen.

Innerhalb des Gehäuses, d.h. in dem Innenraum verläuft die Leitung bevorzugt durch die elektrochemischen Komponenten, beispielsweise durch die erläuterte gewickelte Struktur hindurch.

Bevorzugt wird die Außenfläche der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle durch einen Deckel gebildet, der das Gehäuse verschließt.

Hierdurch ergeben sich beispielsweise Fertigungsvorteile.

Das Gehäuse der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle ist bevorzugt ein Quader mit einer Vielzahl von Außenflächen, die den Quader festlegen, wobei die Leitung an einer Außenfläche der Vielzahl von Außenflächen in das Gehäuse eintritt, in dem Innenraum verläuft und an einer anderen Außenfläche der Vielzahl von Außenflächen wieder aus dem Gehäuse austritt.

Bevorzugt ist die elektrische Energiespeicherzelle wie vorstehend erläutert ausgebildet, wobei die Außenfläche, an der die Leitung in das Gehäuse eintritt durch einen Deckel gebildet ist, der das Gehäuse verschließt. Die Leitung verläuft bevorzugt geradlinig durch den Innenraum und tritt an der anderen Außenfläche wieder aus dem Gehäuse aus. Die genannte andere Außenfläche ist die dem Deckel gegenüberliegende Seite der Energiespeicherzelle, die beispielsweise den Boden bildet.

Alternativ kann das Gehäuse ein Rohr sein mit einer ersten Stirnseite und einer zweiten Stirnseite, wobei die Leitung an der ersten Stirnseite in das Gehäuse eintritt, in dem Innenraum verläuft und an der zweiten Stirnseite wieder aus dem Gehäuse austritt.

In diesem Fall bilden die elektrochemischen Komponenten in dem Innenraum ebenfalls bevorzugt eine gewickelte Struktur, wobei die Leitung bevorzugt geradlinig durch die gewickelte Struktur verläuft. Mit anderen Worten ist die gewickelte Struktur um die Leitung herumgewickelt.

Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße elektrische Energiespeicherzelle so ausgebildet, dass die Leitung an einem ersten Kontaktierungspol und/oder an ein einem zweiten Kontaktierungspol, an dem/denen die Energiespeicherzelle zum Anschließen an einen Verbraucher bestimmungsgemäß kontaktiert wird, in das Gehäuse eintritt oder austritt.

Der erste Kontaktierungspol und der zweite Kontaktierungspol sind - das Gehäuse durchdringend - durch entsprechende Kontaktierungselemente mit den entsprechenden Elektroden verbunden. Dies ist eine Notwendigkeit. Die hierbei zwangsläufig zu bildenden Durchbrüche durch das Gehäuse können erfindungsgemäß auch für die Verlegung der Leitung genutzt werden. Ganz besonders bevorzugt verläuft die Leitung durch den ersten und/oder zweiten Kontaktierungspol hindurch.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energiespeicherzelle eines Kraftfahrzeuges, welches folgende Verfahrensschritte aufweist:

Messen einer Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeuges und/oder einer Umgebungstemperatur der innerhalb des Kraftfahrzeuges angeordneten Energiespeicherzelle; und

Einleiten eines Mediums in einen Innenraum der Energiespeicherzelle, in dem elektrochemische Komponenten der Energiespeicherzelle aufgenommen sind, um die Energiespeicherzelle in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur entweder aufzuheizen oder zu kühlen.

Die entsprechende Energiespeicherzelle ist bevorzugt so aufgebaut, wie es im Vorhergehenden erläutert wurde. Für das Einleiten des Mediums, beispielsweise einer Flüssigkeit, ist die Energiespeicherzelle an ein entsprechendes Kühl- und/oder Heizsystem angeschlossen.

Die Umgebungstemperatur der Energiespeicherzelle kann beispielsweise dadurch gemessen werden, dass ein Temperaturfühler auf der Energiespeicherzelle angeordnet ist.

Wenn der Energiespeicher des Kraftfahrzeuges eine Vielzahl von Energiespeicherzellen beinhaltet, ist bevorzugt auf jeder Energiespeicherzelle ein Temperaturfühler angeordnet. In diesem Fall sind die den Energiespeicher aufbauenden Energiespeicherzellen über ihre Leitungen bevorzugt parallel an das genannte Kühl- und/oder Heizsystem angeschlossen, sodass jede der Energiespeicherzellen individuell gekühlt und/oder geheizt werden kann.

Alternativ kann nur eine der Vielzahl von Energiespeicherzellen mit einem Temperaturfühler ausgestattet sein, wobei die hierüber gemessene Umgebungstemperatur als Entscheidungskriterium dafür dient, ob alle oder keine der Energiespeicherzellen gekühlt bzw. aufgeheizt werden. In diesem Fall können die Leitungen der einzelnen Energiespeicherzellen in Reihe geschaltet mit dem Kühl- und/oder Heizsystem verbunden sein.

Weiterhin alternativ kann auch die Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeuges für die Entscheidung, ob die Energiespeicherzelle(n) gekühlt oder geheizt werden, herangezogen werden. In diesem Fall ist es nicht notwendig, die Energiespeicherzelle(n) mit einem Temperaturfühler auszustatten.

In dem Verfahren ist die Temperatur, auf die die Energiespeicherzelle(n) gekühlt oder geheizt werden, einstellbar.

Bevorzugt beträgt die Umgebungstemperatur, ab der eine Heizung der Energiespeicherzelle einsetzt, kleiner 10°C, bevorzugt 0°C. Dies gilt für alle Varianten der Messung der Umgebungstemperatur, d.h. an einer der Energiespeicherzellen, an jeder der Energiespeicherzellen oder nur in der Umgebung des Kraftfahrzeuges.

Bevorzugt beträgt die Umgebungstemperatur, ab der eine Kühlung der Energiespeicherzelle einsetzt, zwischen 18°C und 22°C, bevorzugt 20°C. Dies gilt für alle Varianten der Messung der Umgebungstemperatur, d.h. an einer der Energiespeicherzellen, an jeder der Energiespeicherzellen oder nur in der Umgebung des Kraftfahrzeuges. Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle unter Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert.

Figur 1 a und 1 b zeigen eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle, wobei Figur 1 a eine Schnittansicht entlang einer in Figur 1 b gezeigten Schnittlinie 1 a-1 a darstellt;

Figur 2a und 2b zeigen eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle, wobei Figur 2a eine Schnittansicht entlang einer in Figur 1 b gezeigten Schnittlinie 2a-2a darstellt;

Figur 3a und 3b zeigen eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle, wobei Figur 3a eine Schnittansicht entlang einer in Figur 3b gezeigten Schnittebene 3a-3a darstellt.

Figur 1 a und b zeigen eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle 1 , wobei diese ein Gehäuse 2 aufweist.

Das Gehäuse 2 umfasst bevorzugt einen Deckel 21 und einen Gehäusebehälter 22, der durch den Deckel 21 verschlossen wird. Der Deckel 21 und/oder der Gehäusebehälter 22 können aus einem Metall oder einem Kunststoff gebildet sein.

Das Gehäuse 2 legt einen Innenraum 23 fest, in dem elektrochemische Komponenten der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle 1 aufgenommen sind.

Bevorzugt ist die Energiespeicherzelle eine Lithiumionen-Energiespeicherzelle und beinhaltet einen ersten Elektrodenstreifen (Übergangsmetallstruktur) und einen zweiten Elektrodenstreifen (Kohlenstoff -Strukturen), wobei beide Elektrodenstreifen durch einen Separator voneinander getrennt sind. Die beiden Elektrodenstreifen sind zusammen mit dem Separator zu einer gewickelten Struktur 3 aufgewickelt und jeweils mit einer Elektrode 31 , 32 elektrisch verbunden.

Darüber hinaus ist in den Innenraum des Gehäuses 2 eine nicht-wässrige Elektrolytlösung gefüllt, die das Wandern der Lithiumionen bei Laden/Entladen der elektrischen Energiespeicherzelle ermöglicht.

Das Gehäuse 2 ist insgesamt als Quader ausgebildet, wobei der Deckel 21 eine Außenfläche einer Vielzahl von den Quader festlegenden Außenflächen bildet.

Auf dieser durch den Deckel 21 gebildeten Außenfläche sitzt ein erster Kontaktierungspol 4 und ein zweiter Kontaktierungspol 5, an denen die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle 1 bestimmungsgemäß kontaktiert bzw. angeschlossen wird. Der erste Kontaktierungspol 4 und der zweite Kontaktierungspol 5 sind, wenn der Deckel aus einem Metall gebildet ist, unter Zwischenlage von Isolatoren auf dem Deckel befestigt und durch entsprechende Durchgänge hindurch mit den Elektroden 31 , 32 jeweils elektrisch verbunden.

Erfindungsgemäß durchstößt eine Leitung 6 den ersten Kontaktierungspol 4, verläuft in dem Innenraum 3 geradlinig bis zu einer dem Deckel 21 gegenüberliegenden Seite, von dort entlang der gegenüberliegenden Seite, und ab einem bestimmten Punkt wieder geradlinig in Richtung des Deckels 21 , wo sie den zweiten Kontaktierungspol 5 ebenfalls durchstößt und nach außen mündet. Der Verlauf ist in dieser Ausführungsform so gewählt, dass die Leitung 6 in dem Innenraum 23 auf einer Außenoberfläche der gewickelten Struktur 3 verläuft und nicht durch sie hindurch.

Der Verlauf der Leitung 6 in dem Innenraum 23 könnte auch andersartig sein.

Die Leitung 6 ist bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Material oder zumindest aus einem elektrisch schlecht-leitenden Material, wie beispielsweise Titan, ausgebildet.

Figur 1 b zeigt, dass die Leitung 6 den ersten Kontaktierungspol 4 und den zweiten Kontaktierungspol 5 jeweils mittig durchstößt.

Die Leitung 6 kann bestimmungsgemäß an eine nicht gezeigtes Kühl- und/oder Heizsystem angeschlossen werden, dass zur Kühlung/Heizung der Energiespeicherzelle 1 eine Flüssigkeit durch die Leitung 6 pumpen kann.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Leitung 6 kann Bauraum außerhalb der Energiespeicherzelle 1 eingespart werden und gleichzeitig sehr gut in dem Bereich gekühlt bzw. geheizt werden, wo es notwendig ist.

Figuren 2a und b zeigen eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle 1 '. Solche Elemente, die mit denen der ersten bevorzugten Ausführungsform identisch sind, tragen dieselben Bezugszeichen und werden nicht nochmals erläutert.

Die zweite bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten insbesondere durch die Ausgestaltung der Leitung 6', die, wie in Figur 2 gezeigt den Deckel 21 in der Mitte durchstößt und geradlinig zu einer dem Deckel 21 gegenüberliegenden Seite verläuft, wo sie das Gehäuse 2 wiederum durchstößt und nach außen mündet.

Wie in der entsprechenden Figur ersichtlich ist, durch stößt die Leitung 6' keinen der Kontaktierungspol 4', 5', die deshalb keine Öffnungen aufweisen und durch einen sehr kleinen Durchbruch in dem Deckel 21 mit den jeweiligen Elektroden kontaktiert sind.

Die Figur 2b zeigt außerdem, dass in dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform die Leitung 6' durch die gewickelte Struktur 3 hindurchverläuft.

Die Figuren 3a und 3b zeigen eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle 1 ". Solche Elemente, die mit denen der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform identisch sind, tragen wiederum dieselben Bezugszeichen und werden nicht nochmals erläutert.

Der wesentliche Unterschied der dritten bevorzugten Ausführungsform besteht in der Form des Gehäuses 2", dass, wie in Figur 3 gezeigt, als Rohr ausgebildet ist. Die elektrochemischen Komponenten 3 sind in dieser bevorzugten Ausführungsform ebenfalls als gewickelte Struktur ausgebildet, sodass sie in das Rohr bündig eingeführt sind.

Die gewickelte Struktur 3 wird in dieser bevorzugten Ausführungsform ebenfalls durch eine Leitung mittig durchlaufen, wobei die Leitung 6" an einer ersten Stirnseite 24 in das Rohr eintritt und an einer zweiten Stirnseite 25 aus dem Rohr austritt.

In allen bevorzugten Ausführungsformen kann die jeweilige Leitung an das bereits erwähnte Kühl-und/oder Heizsystem angeschlossen werden, derart, dass zur Kühlung/Heizung der Energiespeicherzelle eine Flüssigkeit durch die Leitung hindurch gepumpt werden kann. Ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben der erläuterten Energiespeicherzellen kann in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur der entsprechenden Energiespeicherzelle durchgeführt werden.

Die Umgebungstemperatur wird bevorzugt durch einen nicht gezeigten Temperaturfühler, der beispielsweise auf dem Deckel 21 bzw. dem Rohr angeordnet ist, erfasst.

In Abhängigkeit von der Höhe der gemessenen Umgebungstemperatur kann eine Entscheidung getroffen werden, ob die entsprechende Energiespeicherzelle zu kühlen oder zu heizen ist.