Energiespeicher und Kontaktelement für Energiespeicher

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher sowie ein Kontaktelement für diesen Energiespeicher.

Gattungsgemäße Energiespeicher umfassen in der Regel eine oder mehrere in Reihe beschalteten Energiespeicherzellen bspw.

Doppelschichtkondensatoren und finden ihre Anwendungen in den Bereichen, wo Stromverbraucher eines Stromnetzes von einem elektrischen Energiespeicher mit einem elektrischen Strom mit einer großen Stromstärke gespeist werden. Ein typisches

Anwendungsbeispiel ist ein Energiespeicher im Automobilbereich, wo das Bordnetz des Fahrzeugs bspw. bei einer Startphase des Fahrzeugverbrennungsmotors von dem Energiespeicher einen Strom mit einer Stromstärke von mindestens 1000A über 3 Sekunden abnimmt .

Bedingt durch die physikalischen Eigenschaften bzw.

alterungsbedingt dehnen sich die Energiespeicherzellen im Laufe der Zeit bzw. während des Betriebs des Energiespeichers entlang deren Längsachse aus.

Zudem sind die Energiespeicherzellen einer ständigen

Wechselbelastung durch Lade-/Entlade-Zyklen ausgesetzt.

Durch elektrochemische Prozesse im Innern der Zellen bei Lade-/Entlade-Phasen entsteht im Innern der Zellen Wärme, welche dazu führt, dass sich die Zellen erwärmen und entlang der Längsachse ausdehnen.

Ferner sind die Energiespeicherzellen der ständigen

Temperaturveränderung vom Umfeld ausgesetzt.

So dehnen sich die Energiespeicherzellen einerseits entsprechend der relativ hohen Frequenz der ständigen Lade-/Entlade-Phasen aus, wobei das Ausmaß der Längenveränderung bei den Energiespeicherzellen hier nur einzehntel Millimeter beträgt.

Andererseits dehnen sich die Energiespeicherzellen abhängig von den Schwankungen der Umgebungstemperatur aus, wobei die

Längenveränderung hier im Vergleich zu den Lade-/Entlade-Phasen langsam verläuft.

Insgesamt dehnen sich die Energiespeicherzellen über die gesamte Lebensdauer bis zu einigen Millimetern aus.

Da das Gehäuse des Energiespeichers, in dem die

Energiespeicherzellen angeordnet sind, selbst starr und somit nicht ausdehnbar ausgeführt ist, bedarf es eine Komponente im Innen des Gehäuses, welche die Ausdehnung bei den Zellen stets ausgleichen kann.

Zudem besteht aufgrund der durch die Zellen fließenden starken Ströme die Anforderung, dass diese Komponente selbst niederohmig ist und starke Ströme mit möglichst geringer Verlustleistung weiterleiten kann.

Außerdem sollen sowohl die relativ „hochfrequenten"

Längenveränderung bei den Energiespeicherzellen infolge der ständigen Lade-/Entlade-Phasen als auch die „niederfrequenten" Längenveränderung infolge der Schwankungen der

Umgebungstemperatur sowie die Ausdehnung der

Energiespeicherzellen über die gesamte Lebensdauer der Zellen abgefangen bzw. ausgeglichen werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, ein Energiespeicher der eingangs genannten Art so zu modifizieren, dass dieser die oben genannten Anforderungen erfüllen. Ferner ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kontaktelement für den erfindungsgemäßen Energiespeicher bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mit einem Energiespeicher mit zumindest einem breitflächig und einstückig ausgeführten Kontaktelement mit zwei zueinander gegenüberliegende Bodenbereichen und zumindest zwei die beiden Bodenbereiche miteinander verbindenden, elastisch oder elastoplastisch verformbaren Federbereichen gelöst, wobei das Kontaktelement mit einem ersten Bodenbereich mit dem Minuspol der ersten Energiespeichereinheit (bzw. Energiespeicherzelle) und mit einem zweiten Bodenbereich mit dem Pluspol der zweiten Energiespeichereinheit bzw. mit einem ersten Bodenbereich mit dem Minus- bzw. Pluspol des Energiespeichers und mit einem zweiten Bodenbereich mit dem Minus- bzw. Pluspol der einen Energiespeichereinheit nämlich Energiespeicherzelle elektrisch kontaktiert ist.

Die einstückige Ausführung des Kontaktelements hat die Vorteile, dass dieses Kontaktelement in einfachen wenigen

Fertigungsschritten in den Energiespeicher eingebaut werden kann. Durch einstückige Ausführung hat das Kontaktelement bzw. der Schaltkreis zwischen den Energiezellen im Energiespeicher bzw. zwischen den Anschlüssen des Energiespeichers und der Energiezellen wenige zueinander bewegliche Kontaktübergänge, welche beim Betrieb des Energiespeichers durch bspw. Vibration voneinander losbewegen und fallen können. Zudem ist der

Übergangswiderstand bei dem Kontaktelement wesentlich geringer als bei einem nicht einstückig ausgebildeten Kontaktelement mit zueinander bspw. kraftschlüssig verbundenen Kontaktteilen.

Durch elastische bzw. elastoplastische Verformung der

Federbereiche gleicht das Kontaktelement die Längenänderung bzw. Längenausdehnung der Energiespeichereinheiten bzw. des

Energiespeichers aus. Dank der breitflächigen Ausführung ermöglicht das Kontaktelement Durchfließen eines elektrischen Stromes mit einer Stromstärke von über 1000A zwischen den Energiespeichereinheiten bzw. von den Energiespeichereinheiten zu dem Minus- bzw. Pluspol des Energiespeichers ohne

nennenswerten Leistungsverlust durch niedrigen Innenwiderstand.

Die Anordnung des Kontaktelements zwischen den beiden

Energiespeicherzellen hat die Vorteile, dass die beiden

Energiespeicherzellen in einer Seite jeweils mit dem jeweiligen Anschlusselement des Energiespeichers fest und bewegungsfrei befestigt und gelötet werden können und in anderer Seite in Längsrichtung des Energiespeichers jedoch beweglich bleiben, welche vorteilhaft für die Kompensation in Längsrichtung ist. Zudem kann am elektrisch leitenden Kontaktelement auch die Mittelspannung zwischen den beiden Energiespeicherzellen abgegriffen werden, ohne eine zusätzliche Komponente zum Mittelspannungsabgriff an einer der beiden

Energiespeicherzellen zusätzlich angebracht werden muss.

Vorzugsweise weist das Kontaktelement eine Ausformung zum Spannungsabgriff zum Messen des Spannungspotentials am

Kontaktelement auf. Dank dieser Ausformung können die

unerhofften Spannungsunterschiede zwischen den

Energiespeicherzellen erfasst und bei Bedarf mittels geeigneten Verfahren ausgeglichen werden. Dabei ist das freiliegende Ende der Ausformung mit einem niederohmigen Material wie bspw. Nickel, Kupfer oder Nickel-Kupfer-Legierung zum Schutz gegen Korrosion beschichtet .

Das Kontaktelement ist vorteilhafterweise aus einem ersten Kontaktteil und einem zweiten Kontaktteil zusammengebaut, wobei die ersten und zweiten Kontaktteile zueinander gelötet bzw. geschweißt sind. Dabei weisen der erste und zweite Kontaktteil jeweils einen Bodenbereich und zumindest zwei Federbereiche auf. Die beiden Federbereiche eines Kontaktteils und der Bodenbereich dieses Kontaktteils sind vorzugsweise einstückig ausgebildet und vorzugsweise aus einer Metallplatte bzw. Aluminiumplatte einstückig ausgestanzt. Nach dem Zusammenbau der beiden

Kontaktteile werden die beiden Bodenbereiche von den

Federbereichen zueinander gegenüberliegend gehalten. Der Abstand der beiden Bodenbereiche variiert durch die Federung der Federbereiche .

Die beiden Kontaktteile weisen an den freiliegenden Enden der Federbereiche jeweils einen im Wesentlichen parallel zu dem Bodenbereich verlaufenden breitflächigen Endbereich auf, wobei die Endbereiche der korrespondierenden Federbereiche der beiden Kontaktteile zueinander kaltgeschweißt bzw. kaltgelötet sind. Dabei sind die Boden- und Federbereiche so breitflächig ausgeführt, dass die Kontaktteile eine Übertragung von elektrischem Strom von Höhe 1000A ermöglichen.

Die Aufgabe wird ferner mit einem breitflächig und einstückig ausgeformten Kontaktelement für den Energiespeicher der eingangs genannten Art gelöst, welches zwei Bodenbereiche und zumindest zwei elastisch bzw. elastoplastisch verformbare Federbereiche aufweist, wobei das Kontaktelement mit einem ersten Bodenbereich mit dem Minuspol der ersten Energiespeichereinheit und mit einem zweiten Bodenbereich mit dem Pluspol der zweiten

Energiespeichereinheit, bzw. mit einem ersten Bodenbereich mit dem Minus- bzw. Pluspol des Energiespeichers und mit einem zweiten Bodenbereich mit dem Minus- bzw. Pluspol der einen

Energiespeichereinheit elektrisch kontaktiert ist, und durch elastische bzw. elastoplastische Verformung die Längenänderung bzw. Längenausdehnung der Energiespeichereinheiten ausgleicht, und Durchfließen eines elektrischen Stromes mit einer

Stromstärke von über 1000A zwischen den Energiespeichereinheiten bzw. von den Energiespeichereinheiten zu dem Minus- bzw. Pluspol des Energiespeichers ermöglicht.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines

Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutet. Als Ausführungsbeispiel dient ein Energiespeicher für Elektroantrieb eines Fahrzeugs. Dabei zeigt

Figur 1 den erfindungsgemäßen Energiespeicher mit zwei in

Reihe beschalteten Energiespeicherzellen in schräger

Draufsicht und ohne das Gehäuse,

Figur 2 den erfindungsgemäßen Energiespeicher ohne das

Gehäuse in Explosionsansicht. In beiden Figuren sind lediglich die Komponenten des

erfindungsgemäßen Energiespeichers dargestellt, welche für die Beschreibung der Erfindung erforderlich sind. Der

erfindungsgemäße Energiespeicher weist je nach Ausführungen mehr oder weniger weitere Komponenten wie z. B. Gehäuse, Elektronik zur Überwachung der Energiespeicherzellen.

Gemäß den beiden Figuren umfasst der Energiespeicher zwei in Reihe beschalteten Energiespeicherzellen 11, 12 und zwei Anschlusselemente 21, 22, also Minus- bzw. Pluspole des

Energiespeichers, welche die Plus- und Minuspole der jeweiligen Zellen 11, 12 mit den jeweiligen Stromanschlüssen des

Energiespeichers elektrisch verbinden. Ferner weist der Energiespeicher ein die beiden Zellen 11, 12 elektrisch verbindendes Kontaktelement 30 auf, welches erfindungsgemäß zum Ausgleichen der Ausdehnung der beiden Zellen 11, 12 in deren Längsachse dient und somit auch als

Kompensationselement bezeichnet werden kann.

Das Kontaktelement 30 besteht, wie die Explosionsansicht der Figur 2 darstellt, aus zwei zueinander weitgehend symmetrischen zueinander gegenüberliegenden Kontaktteilen 31, 32, welche jeweils einen Bodenbereich 311, 321 und vier Federarme 312, 322 aufweisen. Der eine Kontaktteil 32 weist zusätzlich eine Ausformung 40 zum Spannungsabgriff auf, womit das

Spannungspotential am Kontaktelement 30 gemessen werden kann.

Die Federarme 312, 322, der Bodenbereich 311, 321 sowie die Ausformung 40 zum Spannungsabgriff jedes Kontaktteils 31, 32 sind aus dem Walzaluminium mit wenig Materialverlust einstückig ausgestanzt und in die entsprechende Form gebogen.

Die Federarme 312, 322 sind elastisch bzw. elastoplastisch verformbar. Durch elastische bzw. elastoplastische Verformung kompensieren die Federarme 312, 322 bzw. das Kontaktelement 30 die Längenänderung bzw. Längenausdehnung der

Energiespeicherzellen 11, 12. Mit dem Bodenbereich 311 ist der Kontaktteil 31 am Minuspol der ersten Energiespeicherzelle 11 fest angeschweißt. Analog ist der andere Kontaktteil 32 am Pluspol der zweiten

Energiespeicherzelle 12 mit dem Bodenbereich 321 fest angeschweißt. Da die Anschlüsse der beiden Energiespeicherzellen 11, 12 aus Aluminium bestehen, können die Kontaktteile 31, 32, welche ebenfalls aus Aluminium hergestellt sind, mittels einfachen Schweißverfahrens an den Anschlüssen fest geschweißt werden.

So sind niederohmige Stoffschlüssige Verbindungen zwischen den Kontaktteilen 31, 32 und den Anschlüssen an den Zellen 11, 12 kostengünstig hergestellt, welche zugleich resistent gegen elektro-chemische Korrosion und Materialermüdung sind.

Die Federarme 312, 322, der Bodenbereich 311, 321 sowie die Ausformung 40 sind so breitflächig ausgeführt, dass die

Kontaktteile 31, 32 bzw. das Kontaktelement 30 niederohmig ist und einen Stromdurchfluss zwischen den beiden Zellen 11, 12 mit einer Stromstärke von 1000A über 3 Sekunden mit einer

vernachlässigbaren Verlustleistung ermöglicht.

Die freiliegenden Enden 313, 323 der Federarme 312, 322 der Kontaktteile 31, 32 sind parallel zu den jeweiligen

Bodenbereichen 311, 321 verlaufend und breitflächig gebogen. Die zueinander korrespondierenden Enden 313, 323 der Federarme 312, 322 der beiden Kontaktteile 31, 32 sind zueinander kaltgeschweißt bzw. kaltgelötet. So bilden die beiden Kontaktteile 31, 32 zusammengeschweißt das niederohmige Kontaktelement 30 zur Übertragung vom elektrischen Strom zwischen den beiden

Energiespeicherzellen 11, 12 und zugleich zur Kompensation der Längenausdehnung bei den Zellen 11, 12. Durch die Stoffschlüssige Verbindung vom Kontaktelement 30 zu den beiden Energiespeicherzellen 11, 12 aus nur Aluminium ist die elektro-chemische Korrosion zwischen verschiedenen Materialien in der feucht warmen Umgebung vermieden. Die relative große Ausdehnung der Zellen 11, 12, welche durch Alterungseffekten in den Zellen 11, 12 und thermische Ausdehnung des Wickels und durch Entstehung von Elektrolytdampfspannung verursacht wird, kann durch die elastische bzw. elastoplastische Verformung der Federarmen 312, 322 des Kontaktelements 30 einfach aufgefangen werden.

So ist ein Kontaktelement für Energiespeicher mit in Reihe beschalteten Energiespeicherzellen geschaffen, welches zugleich als „Kompensationselement" dient und sowohl die ständigen „hochfrequenten" Längenveränderung der Zellen infolge der ständigen Lade-/Entladephasen als auch die „niederfrequenten" Längenveränderung der Zellen infolge der Schwankungen der Umgebungstemperatur sowie die Ausdehnung der Zellen über die gesamte Lebensdauer ohne Materialermüdung ausgleichen kann.

Bezugzeichenliste

11, 12 Energiespeicherzelle

21, 22 Anschlusselemente bzw. Minus- bzw. Pluspole des

EnergieSpeichers

30 Kontaktelement

31, 32 Kontaktteil des Kontaktelements

311, 321 Bodenbereich des Kontaktelements

312, 322 Federarm des Kontaktelements

313, 323 Endbereich des Federarms

40 Ausformung zum Spannungsabgriff

41 Freiliegendes Ende der Ausformung