AT526985A2

AT526985A2 - Formgedächtnislegierung zur Lenkung von Gas und Partikelströmen

Info

Publication number: AT526985A2
Application number: ATA50594/2023A
Authority: AT
Inventors: Aufderklamm Dipl -Ing Karl; Brunnsteiner Mmag Dr Bernhard; Macherhammer Dipl -Ing Roland (Fh); Machold Dipl -Ing Alexander; Mehrabi Dipl -Ing Dr Kambiz
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2023-07-25
Filing date: 2023-07-25
Publication date: 2024-07-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluidleitelement (30) für eine Batteriespeichervorrichtung (100) zur Beeinflussung eines Strömungszustands eines Fluides (F, FK) in der Batteriespeicher-vorrichtung (100). Erfindungsgemäß ist das Fluidleitelement (30) zumindest abschnittsweise aus einer Formgedächtnislegierung gefertigt, oder das wenigstens eine Fluidleitelement (30) ist mit einem Stellelement, das zumindest abschnittsweise aus der Formgedächtnislegierung gefertigt ist, in einer Wirkverbindung gekoppelt, wobei sich die Formgedächtnislegierung in Abhängigkeit einer Temperatur (T) oberhalb einer Schwellwerttemperatur (Ts), welche über einem Betriebstemperaturbereich der Batteriespeichervorrichtung (100) liegt, verformt.

Description

Formgedächtnislegierung zur Lenkung von Gas und Partikelströmen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluidleitelement für eine Batteriespeichervorrichtung und eine Batteriespeichervorrichtung mit einem entsprechenden Fluidleitelement für eine temperaturabhängige Beeinflussung eines Strömungszustands eines Fluides in der Batteriespeichervorrichtung, insbesondere bei einem exothermen Notfall.

Ein Batteriespeicher ist ein elektrochemischer Speicher für elektrische Energie, der eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen umfasst, wobei diese bei größeren Speichern in der Regel in Batteriemodulen zusammengefasst sind. Beispielsweise für mobile Anwendungen wie elektrische Antriebe von Fahrzeugen werden Batteriespeicher mit hoher Leistungsdichte benötigt, die sowohl eine hohe Speicherdichte als auch hohe Leistungsdichte an Bord bereitstellen. Diese Anforderungen haben sowohl eine dichte Anordnung der Batteriezellen auf einem Bauraum als auch einen möglichst hohen Einsatz an elektrochemischen Aktivmaterial im Verhältnis zu den übrigen funktionalen Zellelementen in jeder Batteriezelle zur Folge. Die strukturelle Verdichtung in Batteriespeichern ist problematisch im Zusammenhang mit der Wärmeentwicklung beim Abruf hoher Leistungen während des Ladens oder Entladens der Batteriezellen, was angesichts der Möglichkeit einer Entzündung von brennbaren Aktivmaterialien prinzipiell risikobehaftet ist.

Es ist bekannt, dass zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit beim Laden und Entladen sowie zur Erhöhung der Sicherheit und Verbesserung der Lebensdauer Batteriespeicher mit hoher Speicher- und Leistungsdichte mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden, welche die Batteriezellen innerhalb eines bevorzugten Temperaturfensters temperiert. Derartige Kühlsysteme sind jedoch lediglich während des regulären Betriebs wirksam und fallen beispielsweise bei einem als Thermal Runaway oder als thermisches Durchgehen bezeichneten Vorfall aus, bei dem sich ein zellenübergreifender Brand in dem Batteriespeicher ausbreiten

kann.

Ferner ist es bekannt, für den Fall von derartigen exothermen Reaktionen Ablüftungskanäle vorzusehen, die eine gezielte Abfuhr heißer, austretender Gase aus einer Zelle bereitstellen, um eine Wärmelast auf benachbarte Zellen der Batteriespeichervorrichtung zu vermeiden. Je nach Ausprägung eines exothermen

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, mittels derer eine funktionale Anpassung oder Umstellung eines Strömungszustandes eines Fluides oder eines damit verbundenen Wärmestromes in dem Batteriespeicher zwischen einer Einstellung im Normalbetrieb und einer Einstellung in einem thermischen

Notfall erfolgen kann.

Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, eine solche Änderung an einem Fluid- oder Wärmestrom auch noch in einem thermischen Schadensfall vornehmen zu können, wenn eine Steuerung von Systemkomponenten des Batteriespeichers oder des umgebenden Systems infolge thermischer Schäden bereits ausgefallen ist.

Die voranstehenden Aufgaben werden gelöst durch eine Batteriespeichervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Fluidleitelement mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batteriespeichervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Fluidleitelement und jeweils umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets

wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Eine erfindungsgemäße Batteriespeichervorrichtung weist wenigstens eine Batteriezelle für eine Speicherung von elektrischer Energie und ein Gehäuse zur Aufnahme der wenigstens einen Batteriezelle, mit einem Strömungsbereich zum

Führen eines Fluides in dem Gehäuse, auf.

Analog hierzu ist erfindungsgemäß ein Fluidleitelement für eine Batteriespeichervorrichtung vorgesehen, zur Beeinflussung eines Strömungszustands eines Fluides in der Batteriespeichervorrichtung. Erfindungsgemäß ist das Fluidleitelement zumindest abschnittsweise aus einer Formgedächtnislegierung gefertigt, oder das Fluidleitelement ist mit einem Stellelement, das zumindest abschnittsweise aus der Formgedächtnislegierung gefertigt ist, in einer Wirkverbindung gekoppelt. Die Formgedächtnislegierung verformt sich in Abhängigkeit einer Temperatur oberhalb einer Schwellwerttemperatur, welche oberhalb eines Betriebstemperaturbereiches der Batteriespeichervorrichtung liegt.

Die Erfindung sieht somit erstmals einen temperatursensiblen und temperaturabhängig selbsttätigen Mechanismus für einen strömungswirksamen Eingriff in ein Fluid in einer Batteriespeichervorrichtung vor.

Als ein großer Vorteil der Erfindung wird der selbsttätige Mechanismus, der auf dem Memory-Effekt einer Formgedächtnislegierung beruht, auch noch bei hohen, d.h. für die Integrität des Systems kritischen Temperaturen ausgelöst, bei denen eine Leitungsstruktur zur Signalversorgung oder Stromversorgung eines elektrisch betätigten Stellgliedes bereits Schaden genommen hätte.

Alternativ kann, in einem funktional getrennten Aufbau, das Formteil aus oder mit der Formgedächtnislegierung ebenso als ein Stellelement bereitgestellt sein, das in einer Koppelung die Bewegung des Fluidleitelementes vollführt. In diesem Fall kann das Fluidleitelement aus einem beliebigen, ausreichend temperaturbeständigen Material und dazu strömungsoptimiert oder fertigungsoptimiert, zumindest flexibel beweglich, insbesondere einteilig mit einer Gehäusewand ausgebildet sein, während unabhängig davon das Stellelement funktionsoptimiert oder fertigungsoptimiert ausgestaltet sein kann.

Als ein weiterer Vorteil der Erfindung kann der temperaturgeführte Eingriff des selbsttätigen Mechanismus dazu genutzt werden, um eine Strömung eines heißen Abgases zu bestimmten Abschnitten eines Gehäuses mit thermisch sensiblen Elementen, wie insbesondere weiteren Batteriezellen, oder potentiell heißen Elementen, wie elektrischen Leitern, die gegebenenfalls zu einer Entzündung des Gases führen können, zu sperren, wie später im Zusammenhang mit den

Ausführungsformen beschrieben wird.

Als ein weiterer, alternativer Vorteil der Erfindung kann der temperaturgeführte Eingriff des selbsttätigen Mechanismus dazu genutzt werden, um ein Fluid wie insbesondere ein Kühlwasser aus einem Kühlkreislauf aus seiner herkömmlichen Funktion zu entnehmen, um es mit einer Zelle in einem thermisch kritischen Zustand in direkten Kontakt zu bringen. So kann eine außerordentliche Kühlung vollzogen werden, welche die Zelle schädigt, jedoch bei frühzeitiger Durchführung eine thermische Ausbreitung abwenden kann, wie später im Zusammenhang mit den Ausführungsformen beschrieben wird.

Dabei ist die erfindungsgemäße Batteriespeichervorrichtung ein Batteriepaket wie eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs oder auch ein

Batteriemodul, das als Einheit mit mehreren Batteriezellen, insbesondere eine

parallel verschaltete Einheit, einen Teil eines Batteriepaketes bildet.

Als Strömungsbereichs ist ein zumindest abschnittsweise eingegrenzter Gehäuseabschnitt gemeint, der sowohl einen Fluidstrom leiten kann als auch ein

stehendes Fluid im Sinne eines Reservoirs aufnehmen kann.

Unter dem erfindungsgemäßen Fluidleitelement ist ein bewegbar angeordneter Körper zu verstehen, insbesondere ein Flächenkörper mit einer Anströmfläche, der, je nach Winkel einer Leitposition desselben in Bezug zu einem stehenden Fluid oder einer Strömungsrichtung eines strömenden Fluides, das Fluid eingrenzt, blockierend abgrenzt, umlenkt oder abzweigt.

Selbstverständlich umfasst die Formulierung, dass ein Element zumindest abschnittsweise aus der Formgedächtnislegierung gefertigt sei, beliebige Zwischenformen in Bezug auf eine Ausgestaltung einerseits, in der ein Element, d.h. das Fluidleitelement oder ein damit gekoppeltes Stellelement, vollständig aus der Formgedächtnislegierung besteht, und einer Ausgestaltung andererseits, in der nur ein Endabschnitt oder einer Zwischenabschnitt oder mehrere Abschnitte eines Elementes aus der aus der Formgedächtnislegierung bestehen. Ebenso umfasst sind dabei Ausgestaltungen im Sinne eines Bimetall-Elementes oder eines mehrschichtigen, gegebenenfalls laminierten Elementes, bei dem ein an wenigstens einer Fläche des Elementes angefügter Abschnitt oder Schicht aus der Formgedächtnislegierung besteht.

Ein Strömungszustand kann sowohl ein dynamischer Zustand einer laminaren oder turbulenten Strömung eines Gases, Rauches, Dampfes oder einer Flüssigkeit sein, oder ein Zwischenzustand in Bezug zu diesen Strömungen, wobei sich unterschiedliche Strömungszustände insbesondere durch unterschiedliche Strömungsrichtungen auszeichnen, als auch ein statischer Zustand ohne eine maßgebliche Strömungsrichtung.

Es kann von Vorteil sein, wenn die wenigstens eine Batteriezelle einen Druckbegrenzungsabschnitt aufweist, für eine druckbegrenzende Öffnung eines Batteriezellenmantels infolge eines internen Druckanstiegs in der wenigstens einen Batteriezelle; wobei der Druckbegrenzungsabschnitt zu dem wenigstens einen Fluidleitelement hin ausgerichtet angeordnet ist. Somit kann eine thermische

Aktivierung des Memory-Effektes der Formgedächtnislegierung an dem

Fluidleitelement zielgerichteter und möglichst früh ausgelöst werden. Ferner wird ein

kontrolliertes Nachgeben eines Zellmantels bereitgestellt, der ansonsten unter

Einwirkung eines inneren Überdruckes unkontrolliert zerbersten würde.

Ferner kann es von Vorteil sein, wenn die Verformung der Formgedächtnislegierung eine zumindest abschnittsweise Krümmung an dem wenigstens einen Fluidleitelement oder an dem Stellelement ausbildet. Anhand einer Formänderung zu einer Krümmung lässt sich eine Bewegung zur Winkeländerung oder zum Verschwenken eines Elementes in eine andere Position besonders leicht integral mit dem Element realisieren oder mit dem Element koppeln.

Ebenso von Vorteil kann es sein, wenn das wenigstens eine Fluidleitelement an einem Ende an dem Gehäuse befestigt ist und ein gegenüberliegendes Ende als freies Ende verschwenkbar ausgebildet ist. Somit kann ein einfach zu fertigender und zuverlässig funktionaler Aufbau für den Mechanismus des Fluidleitelementes

umgesetzt werden.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das wenigstens eine Fluidleitelement in der zweiten Leitposition einen Strömungsquerschnitt des Strömungsbereiches des Gehäuses im Wesentlichen versperrt, für eine Umleitung des Fluides in dem Strömungsbereich. Somit können ungünstige Wärmeströme in kritischen Bereichen der Batteriespeichervorrichtung durch ein Fluid, wie insbesondere heiße Ausgasungen, unterbunden werden.

In diesem Zusammenhang kann es weiter von Vorteil sein, wenn das wenigstens eine Fluidleitelement in der zweiten Leitposition einen Abschnitt des Strömungsbereiches des Gehäuses, in dem ein elektrischer Leiter der wenigstens einen Batteriezelle angeordnet ist, im Wesentlichen absperrt. Somit kann verhindert werden, dass sich ein Gas an dem elektrischen Leiter, der hoch erhitzt sein kann,

entzündet.

In diesem Zusammenhang kann ebenso von Vorteil sein, wenn das wenigstens eine Fluidleitelement in der zweiten Leitposition einen Abschnitt des Strömungsbereiches des Gehäuses, der mit der wenigstens einen Batteriezelle, insbesondere mit einer Unterseite derselben, in Kontakt steht, im Wesentlichen absperrt. Somit kann verhindert werden, dass ein thermisch sensibler Bereich in Bezug auf eine

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thermische Ausbreitung, d.h. insbesondere benachbarte Batteriezellen, von einer

Unterseite her durch eine Wärmelast heißer Gase aufgeheizt wird.

Anderenfalls ist es von besonderem Vorteil, wenn der Strömungsbereich des Gehäuses eine Öffnung aufweist und das wenigstens eine Fluidleitelement an der Öffnung angeordnet ist; und wenn, in der ersten Leitposition, das wenigstens eine Fluidleitelement die Öffnung überdeckt, für eine Eingrenzung des Fluides in dem Strömungsbereich, und, in der zweiten Leitposition, das wenigstens eine Fluidleitelement die Öffnung im Wesentlichen freigibt, für eine Abzweigung des Fluides aus dem Strömungsbereich durch die Öffnung. Somit kann ein Löschung oder Kühlung der schafhaften Batteriezelle mit einem abgezweigten kühlenden Fluid oder speziellen Löschfluid erfolgen.

In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die Öffnung des Strömungsbereiches oberhalb der wenigstens einen Batteriezelle angeordnet ist, für eine Löschung oder Flutung der Batteriezelle in dem Gehäuse durch das abgezweigte Fluid. Somit kann das Fluid unter Ausnutzung der Schwerkraft zu der schafhaften Batteriezelle geleitet werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 einen schematischen Ausschnitt aus einer Batteriespeichervorrichtung und eines Fluidleitelementes an einem Ablüftungskanal gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, zu Beginn eines thermischen Vorfalls;

Fig. 2 einen schematischen Ausschnitt aus der Batteriespeichervorrichtung und des Fluidleitelementes aus Fig. 1 bei einer hohen Temperatur im Bereich des Fluidelementes;

Fig. 3 einen schematischen Ausschnitt aus einer Batteriespeichervorrichtung mit Fluidleitelementen an einem Ablüftungskanal gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, während eines normalen Betriebs;

Fig. 4 einen schematischen Ausschnitt aus der Batteriespeichervorrichtung mit den Fluidleitelementen aus Fig. 3 nach einem thermischen Vorfall, bei

Fig. 5 einen schematischen Ausschnitt aus einer Batteriespeichervorrichtung mit Fluidleitelementen an einem Kühlkreislauf gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, während eines normalen Betriebs; und

Fig. 6 einen schematischen Ausschnitt aus der Batteriespeichervorrichtung mit den Fluidleitelementen aus Fig. 5 nach einem thermischen Vorfall, bei dem sich eine hohe Temperatur im Bereich eines der Fluidelemente entwickelt hat.

In Fig. 1 ist ein Teil einer Batteriespeichervorrichtung 100 als Schnittdarstellung gezeigt, die mehrere hintereinander angeordnete, prismatische Batteriezellen 10 umfasst, und ein Gehäuse 20, in dem die Batteriezellen 10 umschlossen sind. In der Batteriespeichervorrichtung 100 sind die Batteriezellen 10 durch mehrere elektrische Leiter 12 miteinander verschaltet und als Potentialanschlüsse zusammengeführt, die sich durch eine Außenwand des Gehäuses 20 hindurch von einer Innenseite zu einer Außenseite der Batteriespeichervorrichtung 100 erstrecken.

Die Batteriezellen 10 weisen jeweils einen Druckbegrenzungsabschnitt 11 in einem Zellenmantel auf. Der Druckbegrenzungsabschnitt 11 ist als eine definierte Sollbruchstelle in dem Zellenmantel ausgestaltet. Alternativ ist der Druckbegrenzungsabschnitt 11 als eine Öffnung mit einer Versiegelung oder mit einem Verschluss ausgestaltet, welcher die Öffnung bei einer vorbestimmten Krafteinwirkung freigibt. Der Druckbegrenzungsabschnitt 11 jeder Batteriezelle 10 dient dazu, dass in dem Fall eines Druckanstiegs innerhalb der Batteriezelle infolge von Verbrennungsgasen, bei einem zwangsweisen Nachgeben des Zellmantels ein kontrollierter Druckausgleich zur Umgebung mittels einer definierten Größe und Position einer Öffnung in dem Zellmantel erfolgt. Der Druckbegrenzungsabschnitt 11 jeder Batteriezelle 10, insbesondere eine Ausrichtung einer Öffnung desselben, ist zu einem Strömungsbereich 21A des Gehäuses, genauer genommen in Richtung auf ein später beschriebenes Fluidleitelement 30 in dem Strömungsbereich 21A ausgerichtet.

Der Strömungsbereich 21A ist zwischen den Batteriezelle 10 und einer Außenwand des Gehäuses 20 ausgebildet und führt von einer Unterseite des Gehäuses 20 nach

an der Außenseite zusammenführt.

Das Fluidleitelement 30 ist in einem Randbereich des Strömungsbereichs 21A, in der dargestellten Ausführungsform an der linken Außenwand des Gehäuses 20, angeordnet. Alternativ kann das Fluidleitelement 30 ebenso einer anderen Gehäusewand oder sonstigem Element in einem Randbereich des Strömungsbereichs 21A angeordnet sein. Das Fluidleitelement 30 ist als ein flaches Flächenelement ausgestaltet mit einer Anströmfläche, die dem Strömungsbereich 21A zugewandt ist, wobei eine Tiefe des Fluidleitelementes 30 in der dargestellten Schnittebene einer entsprechenden Tiefe des Strömungsbereichs 21A entspricht.

Das Fluidleitelementes 30 besteht aus einer Formgedächtnislegierung, die dem bekannten physikalischen Phänomen eines temperaturabhängigen Memory-Effektes unterliegt. Fertigungstechnisch wurde das Fluidleitelement 30 mit einer Krümmung vorgeformt, und anschließend in eine gerade Erstreckung umgeformt, welche in einem Temperaturbereich unterhalb einer Schwellwerttemperatur Ts eingehalten wird. Die Schwellwerttemperatur Ts ist so gewählt, dass diese oberhalb von Betriebstemperaturen liegt, die in einem regulären Betrieb der Batteriespeichervorrichtungen 100 im Inneren des Gehäuses 20 auftreten. Die Formgedächtnislegierung ist wiederum so gewählt, dass eine Verformung unter dem Memory-Effekt oberhalb der gewählten Schwellwerttemperatur Ts einsetzt.

In dem dargestellten Zustand in Fig. 1 beginnt ein anormaler Temperaturanstieg infolge einer exothermen Verbrennungsreaktion in der gezeigten Batteriezelle 10, der mit einem Überdruck durch die Entstehung von Verbrennungsgasen im Inneren der Batteriezelle 10 einhergeht. Dabei gibt ein Zellmantel der Batteriezelle 10 in dem Druckbegrenzungsabschnitt 11 nach und öffnet sich zu dem Strömungsbereich 21A des Gehäuses 20 hin. Eine erste Entgasung, die als Fluidstrom F mit Pfeilen angezeigt ist, entweicht aus der Batteriezelle 10 und wird durch den Strömungsbereich 21A von den anderen Batteriezellen 10 hinweg abgeführt. Dabei

kühlt sich das Gas an den Gehäusewänden, die den Strömungsbereich 21A

umgeben, ab und tritt an einer Öffnung des Gehäuses 20, wie z.B. einer

Durchtrittsöffnung des elektrischen Leiters 12 oder dessen Potentialanschlusses,

nach außen aus.

Eine Temperatur T in dem Strömungsbereich 21A, insbesondere eine lokale Temperatur an dem Fluidleitelement 30, liegt in diesem Zustand, zumindest kurzfristig, noch unterhalb der Schwellwerttemperatur Ts. In diesem Temperaturbereich, d.h. ohne Eintreten des Memory-Effektes der Formgedächtnislegierung, nimmt das Fluidleitelement 30 eine erste Leitposition P1 ein, in der es sich parallel zur Außenwand des Gehäuses 20 erstreckt und mit einem unteren Ende befestigt ist. Der Fluidstrom F in Form der abgekühlten Entgasung aus der Batteriezelle 10 kann den Strömungsbereich 21A im Bereich des Fluidleitelementes 30 in der ersten Leitposition P1 passieren.

In Fig. 2 ist ein Zustand derselben Ausführungsform der Batteriespeichervorrichtung 100 gezeigt, in welcher der thermische Vorfall fortgeschritten ist, und eine Wärmelast der exothermen Verbrennungsreaktion sowie der austretenden Gase die Gehäusewände im Strömungsbereich 21A zunehmend erwärmt haben. Dabei hat eine lokale Temperatur T an dem Fluidleitelement 30 die Schwellwerttemperatur Ts überschritten. Mit zunehmender Temperatur T hat sich anschließend das Fluidleitelement 30, das aus der Formgedächtnislegierung besteht, verformt. Wie zuvor beschrieben, ist die vorgeformte Gestalt, in welche die Formgedächtnislegierung unter dem Memory-Effekt zurückkehrt, eine Krümmung. Die Krümmung verläuft in der Anströmfläche des Fluidleitelementes 30 und ist zu dem Strömungsbereich 21A hin gerichtet. Während das untere Ende des Fluidleitelementes 30 ortsfest mit dem Gehäuse 20 verbunden ist, schwenkt das obere freie Ende des Fluidleitelementes 30 in den Strömungsbereich 21A hinein. Nach einer vollständigen Verformung steht das freie Ende an einer gegenüberliegenden Gehäusewand an, wonach das Fluidleitelementes 30 eine

zweite Leitposition P2 einnimmt.

Da, wie zuvor beschrieben, auch eine Erstreckung des Fluidleitelementes 30 in der Tiefenrichtung der dargestellten Schnittebene derjenigen des Strömungsbereiches 21A entspricht, versperrt das Fluidleitelement 30 mit der dem Fluid F zugewandten Anströmfläche in der zweiten Leitposition P2 einen gesamten Querschnitt 22 des

Der elektrische Leiter 12 kann sich aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit und dem Kontakt zu der Batteriezelle 10 bereits stark erwärmt haben und möglicherweise eine so hohe Temperatur angenommen haben, dass sich das gegebenenfalls brennbare, und bereits ebenfalls sehr heiße, ausgetretene Gas des Fluidstromes F bei Kontakt mit dem elektrischen Leiter 12 entzündet. Der beschriebene Mechanismus des Fluidleitelementes 30 verhindert in der Leitposition P2, dass das bereits sehr heiße Gas mit einem Abschnitt des elektrischen Leiters 12, der sich quer durch den Strömungsbereich 21A erstreckt, in Kontakt kommt.

Der Mechanismus der beschriebenen ersten Ausführungsform in den Figuren 1 und 2, sowie gleichwirkend in der nachfolgenden Ausführungsform der Figuren 3 und 4, wird demnach aus dem Fluidleitelement 30 im Zusammenwirken mit dessen Formgedächtnislegierung gebildet. Das Fluidleitelement 30 wurde mit einer Krümmung vorgeformt und mit einer geraden Erstreckung nachträglich umgeformt, sodass sich das Fluidleitelement 30 bei niedrigeren Temperaturen in einer Leitposition P1 parallel zu einer Gehäusewand erstreckt, an der es mit einem Ende seiner Längserstreckung befestigt ist. Bei höheren Temperaturen kehrt die Formgedächtnislegierung des Fluidleitelementes 30 unter dem Memory-Effekt zu der vorgeformten Gestalt der Krümmung zurück. Bei der Rückkehr der Formgedächtnislegierung in die gekrümmte Formgebung, schwenkt das freie Ende des Fluidleitelement 30, welches nicht an dem Gehäuse 20 befestigt ist, in den Strömungsbereich 21A hinein, um diesen in der zweiten Leitposition P2 zu

versperren.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der Batteriespeichervorrichtung 100 und des Fluidleitelementes 30 gezeigt. In dieser zweiten Ausführungsform ist ein Strömungsbereich 21B des Gehäuses 20 unterhalb der Batteriezellen 10 angeordnet und ermöglicht eine Zirkulation von Luft oder Gas zur Belüftung oder Entlüftung der Batteriezellen 10 anhand von Durchbrüchen in einer Gehäusewand zur Zirkulation

Die Fluidleitelemente 30 sind in der dargestellten Ausgestaltung auf einer unteren Außenwand des Gehäuses 20 angeordnet. Alternativ können die Fluidleitelemente 30 ebenso an einer anderen Gehäusewand in dem Strömungsbereich 21B angeordnet sein. Die Fluidleitelemente 30 sind, wie in der ersten Ausführungsform, mit einem Ende an dem Gehäuse 20 befestigt, während ein freies Ende aufspreizbar oder angelenkt aufstellbar ist, um in den Strömungsbereich 21B verschenkt zu werden. In der ersten Leitposition erstrecken sich die Fluidleitelemente 30 parallel zu der Gehäusewand, so dass ein Fluidstrom F zur Zirkulation von Luft oder Gas den Strömungsbereich 21B passieren kann. Ebenso sind eine Ausgestaltung des Fluidleitelementes 30 in Bezug auf die Formgedächtnislegierung sowie eine Formgebung und Bewegung in Bezug auf den Memory-Effekt der Formgedächtnislegierung gleichartig, wie zu der ersten Ausführungsform beschrieben.

Fig. 4 zeigt einen Zustand der zweiten Ausführungsform aus Fig. 3, bei der ein exothermer Notfall in einer Batteriezelle 10 aufgetreten ist. Dabei sind über den Druckbegrenzungsabschnitt 11, der zu einem der Durchbrüche des Gehäuses 20 zwischen Batteriezelle 10 und Strömungsbereich 21B ausgerichtet ist, heiße Gas aus dem Zellmantel der Batteriezelle 10 ausgetreten. Infolge der heißen Gase in dem Strömungsbereich 21B hat eine lokale Temperatur T an den Fluidleitelementen 30 die Schwellwerttemperatur Ts überschritten. Mit einem darüber hinausgehenden Temperaturanstieg ist der Memory-Effekt der Formgedächtnislegierung an den Fluidleitelementen 30 aufgetreten, wonach sich die Fluidleitelemente 30 gekrümmt haben. Dabei sind die freien Enden der Fluidleitelemente 30 in den Strömungsbereich 21B geschwenkt und haben die zweite Leitposition P2

eingenommen.

In der zweiten Leitposition P2 versperrt eine Anströmfläche der Fluidleitelemente 30 den gesamten Querschnitt 22 des Strömungsbereiches 21B. Der mit Pfeilen

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Batteriespeichervorrichtung 100 und des Fluidleitelementes 30. Bei dieser dritten Ausführungsform ist ein Strömungsbereich 21C des Gehäuses 20 oberhalb der Batteriezellen 10 angeordnet und ermöglicht eine Zirkulation eines kühlenden Fluides FK, d.h. einer Kühlflüssigkeit zum Kühlen der Batteriezellen 10. Die Batteriezellen 10 sind in Gruppen von mehreren Batteriezellen 10 jeweils in Kammern des Gehäuses 20 aufgenommen, welche durch eine Gehäusewand von der darüber liegenden Zirkulation des kühlenden Fluides FK in dem Strömungsbereich 21C abgetrennt sind. Ferner sind in dieser Gehäusewand Öffnungen 23 zwischen dem Strömungsbereich 21C und jeder Kammer mit Batteriezellen 10 vorgesehen.

An den Öffnungen 23 sind die Fluidleitelemente 30 angeordnet, wobei jeweils eine zu der Öffnung 23 gerichtete Anströmfläche der Fluidleitelemente 30 in einer geraden Erstreckung der Fluidleitelemente 30 in der Leitposition P1 die Öffnungen 23 verschließen. Die Fluidleitelemente 30 sind mit einem Ende an dem Gehäuse 20 befestigt während ein freies Ende nach unten in die Kammer aufspreizbar oder angelenkt aufstellbar ist. Eine Ausgestaltung des Fluidleitelementes 30 in Bezug auf die Form-gedächtnislegierung sowie eine Formgebung und Bewegung in Bezug auf den Memory-Effekt der Formgedächtnislegierung entspricht den Fluidleitelementen 30 der zuvor beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform.

In dem dargestellten Zustand in Fig. 5 befindet sich die Batteriespeichervorrichtung 100 in einem normalen Betrieb und eine Temperatur T in dem Gehäuse 20, insbesondere in den Kammern der Batteriezellen 10, liegt unterhalb der Schwellwerttemperatur Ts zur Aktivierung des Memory-Effekts der Formgedächtnislegierung der Fluidleitelemente 30. Demnach sind die Öffnungen 23

durch die Fluidleitelemente 30 in der Leitposition P1 verschlossen, und das kühlende

Fluid FK zirkuliert regulär einem Kühlkreislauf durch das Gehäuse 20, der den

Strömungsbereich 21C oberhalb der Batteriezellen 10 passiert.

Fig. 6 zeigt einen Zustand der dritten Ausführungsform aus Fig. 5, bei dem in der links dargestellten Batteriezelle 10 ein exothermer Notfall aufgetreten ist. Dabei sind über den Druckbegrenzungsabschnitt 11, der zu dem darüber angeordneten Fluidleitelement 30 an einer der Öffnungen 23 ausgerichtet ist, heiße Gase aus dem Zellmantel der Batteriezelle 10 ausgetreten. Infolge der heißen Gase in der betreffenden Kammer des Gehäuses 20, hat eine lokale Temperatur T an dem der Kammer zugeordneten Fluidleitelement 30 die Schwellwerttemperatur Ts überschritten. Mit einem darüber hinausgehenden Temperaturanstieg ist der Memory-Effekt der Formgedächtnislegierung an den Fluidleitelementen 30 aufgetreten, wonach sich das Fluidleitelement 30 nach unten gekrümmt hat. Dabei hat das nach unten geschwenkte freie Ende die Anströmfläche des Fluidleitelementes 30, welche die Öffnung 23 abdichtet, zum darüber liegenden Strömungsbereich 21C geöffnet. In dieser zweiten Leitposition P2 stellt das Fluidleitelement 30 zusammen mit der zugeordneten Öffnung 23 eine Leckage in dem Kühlkreislauf des kühlenden Fluides FK her, das den Strömungsbereich 21C passiert.

Infolge der Leckage strömt ein abgezweigter Teil des kühlenden Fluides FK aus dem darüber liegenden Strömungsbereich 21 C in diejenige Kammer des Gehäuses 20, in der die schadhafte Batteriezelle 10 aufgenommen ist. Somit wird in der zweiten Leitposition P2 des betreffenden Fluidleitelementes 30 ein Kühlvorgang oder ein Löschvorgang des exothermen Vorfalls mittels einer Flutung der betreffenden Kammer des Gehäuses 20 mit dem kühlenden Fluid eingeleitet. Dadurch wird dazu beigetragen, eine thermische Ausbreitung des exothermen Vorfalls in einer Batteriezelle 10 auf weitere Batteriezellen 10 zu unterdrücken.

In einer nicht weiter dargestellten alternativen Variante aller zuvor beschriebenen Ausführungsformen, kann das Fluidleitelement 30 aus einem beliebigen, ausreichend temperaturbeständigen Material bestehen, und es kann stattdessen mit einem Stellelement aus der Formgedächtnislegierung gekoppelt sein. Dabei ist das Fluidleitelement 30 wiederum mit einem Ende an dem Gehäuse 20 aufspreizbar befestigt oder aufstellbar angelenkt, sodass ein gegenüberliegendes freies Ende

In weiteren nicht weiter dargestellten Varianten der beschriebenen Ausführungsformen kann die vorgeformte Gestalt und Umformung zwischen den Temperaturbereichen des Memory-Effektes des Fluidleitelementes 30 oder des Stellelementes umgekehrt ausgeführt sein, sodass die Formgedächtnislegierung in der Leitposition P1 des Fluidleitelementes 30 bei niedrigerer Temperatur eine gekrümmte Gestalt einnimmt und in der Leitposition P2 bei höherer Temperatur eine gerade Erstreckung einnimmt. In diesem Fall sind eine zweckmäßige Anordnung und Ausgestaltung zwischen den Gehäusewänden in dem Strömungsbereich 21A, 21B, 21C sowie die Befestigung und Ausrichtung der Schwenkbewegung des Fluidleitelementes 30 komplementär oder spiegelbildlich zu wählen.

Darüber hinaus können an dem Fluidleitelement 30 oder an einer Kontaktstelle einer Gehäusewand mit dem Fluidleitelement 30 oder an den Öffnungen 23 Dichtungselemente vorgesehen sein, welche einen Durchfluss des Fluides F in der zweiten Leitposition oder einen Abfluss des kühlenden Fluides FK in der ersten Leitposition der Fluidleitelemente 30 zusätzlich verhindern.

Ferner kann in der dritten Ausführungsform das Fluid ein Löschmittel sein, das lediglich zum Zwecke eines Löschvorgangs dient und im Sinne eines Fluidreservoirs in dem Strömungsbereich 21C oberhalb der Kammern mit den Batteriezellen 10 in

einem statischen Strömungszustand aufgenommen ist.

Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

17 Bezugszeichenliste 10 Batteriezelle 11 Druckbegrenzungsabschnitt 20 Gehäuse 21A Strömungsbereich 21B Strömungsbereich 21C Strömungsbereich 22 Strömungsquerschnitt des Strömungsbereichs 23 Öffnung im Strömungsbereichs 30 Fluidleitelement 100 Batteriespeichervorrichtung F Fluidstrom FK Fluidstrom aus Kühlmittel P1 erste Leitposition P2 zweite Leitposition T Temperatur Ts Schwellwerttemperatur

Claims

Patentansprüche

1. Batteriespeichervorrichtung (100), aufweisend:

wenigstens eine Batteriezelle (10) für eine Speicherung von elektrischer Energie;

ein Gehäuse (20) zur Aufnahme der wenigstens einen Batteriezelle (10), mit einem Strömungsbereich (21A, 21B, 21C) zum Führen eines Fluides (F, FK) in dem Gehäuse (20)

dadurch gekennzeichnet, dass

in dem Strömungsbereich (21A, 21B, 21C) wenigstens ein Fluidleitelement (30) angeordnet ist, für eine Beeinflussung eines Strömungszustands des Fluides (F, FK) in dem Strömungsbereich (21A, 21B, 21C); wobei

das wenigstens eine Fluidleitelement (30) zumindest abschnittsweise aus einer Formgedächtnislegierung gefertigt ist, oder das wenigstens eine Fluidleitelement (30) mit einem Stellelement, das zumindest abschnittsweise aus der Formgedächtnislegierung gefertigt ist, in einer Wirkverbindung gekoppelt ist, wobei sich die Formgedächtnislegierung in Abhängigkeit einer Temperatur (T) oberhalb einer Schwellwerttemperatur (Ts), welche oberhalb eines Betriebstemperaturbereiches der Batteriespeichervorrichtung (100) liegt,

verformt; und

das wenigstens eine Fluidleitelement (30) zwischen einer ersten Leitposition (P1) für einen ersten Strömungszustand des Fluides (F, FK) in dem Strömungsbereich (21A, 21B, 21C) und einer zweiten Leitposition (P2) für einen zweiten Strömungszustand des Fluides (F, FK) in dem Strömungsbereich (21A, 21B, 21C) bewegbar angeordnet ist, wobei das wenigstens eine Fluidleitelement (30) mittels Verformung der Formgedächtnislegierung zwischen der ersten Leitposition (P1) und der zweiten Leitposition (P2) bewegbar ist.

2. Batteriespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Batteriezelle (10) einen Druckbegrenzungsabschnitt (11) aufweist, für eine druckbegrenzende Öffnung eines Batteriezellenmantels infolge eines internen

3. Batteriespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verformung der Formgedächtnislegierung eine zumindest abschnittsweise Krümmung an dem wenigstens einen Fluidleitelement (30) oder an dem Stellelement ausbildet.

4. Batteriespeichervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Fluidleitelement (30) an einem Ende an dem Gehäuse (20) befestigt ist und ein gegenüberliegendes Ende als freies Ende verschwenkbar ausgebildet ist.

5. Batteriespeichervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Fluidleitelement (30) in der zweiten Leitposition (P2) einen Strömungsquerschnitt (22) des Strömungsbereiches (21A, 21B) des Gehäuses (20) im Wesentlichen versperrt, für eine Umleitung des Fluides (F) in dem Strömungsbereich (21A, 21B).

6. Batteriespeichervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Fluidleitelement (30) in der zweiten Leitposition (P2) einen Abschnitt des Strömungsbereiches (21A) des Gehäuses (20), in dem ein elektrischer Leiter (12) der wenigstens einen Batteriezelle (10) angeordnet ist, im Wesentlichen absperrt.

7. Batteriespeichervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Fluidleitelement (30) in der zweiten Leitposition (P2) einen Abschnitt des Strömungsbereiches (21B) des Gehäuses (20), der mit der wenigstens einen Batteriezelle (10), insbesondere mit einer Unterseite derselben, in Kontakt steht, im Wesentlichen absperrt.

8. Batteriespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Strömungsbereich (21C) des Gehäuses (20) eine Öffnung (23) aufweist und das wenigstens eine Fluidleitelement (30) an der Öffnung (23) angeordnet ist; und wobei,

in der ersten Leitposition (P1) das wenigstens eine Fluidleitelement (30) die Öffnung (23) überdeckt, für eine Eingrenzung des Fluides in dem Strömungsbereich (21C), und in der zweiten Leitposition (P2) das wenigstens eine Fluidleitelement (30) die Öffnung (23) im Wesentlichen freigibt, für eine Abzweigung des Fluides (F, FK) aus dem Strömungsbereich (21C) durch die Öffnung (23).

9. Batteriespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 8, wobei die Öffnung (23) des Strömungsbereiches (21C) oberhalb der wenigstens einen Batteriezelle (10) angeordnet ist, für eine Löschung oder Flutung der Batteriezelle (10) in dem Gehäuse (20) durch das abgezweigte Fluid (FK).

10. Batteriespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Fluid (F) eine Entgasung infolge einer exothermen Reaktion in der wenigstens einen Batteriezelle (10) umfasst.

11. Batteriespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Fluid (FK) ein flüssiges Kühlmittel oder ein Löschmittel umfasst, welches das Gehäuse (20) in dem Strömungsbereich (21C) durchströmt oder in dem Strömungsbereich (21C) aufgenommen ist.

12. Fluidleitelement (30) für eine Batteriespeichervorrichtung (100) zur Beeinflussung eines Strömungszustands eines Fluides (F, FK) in der Batteriespeichervorrichtung (100);

dadurch gekennzeichnet, dass

das Fluidleitelement (30) zumindest abschnittsweise aus einer Formgedächtnislegierung gefertigt ist, oder das Fluidleitelement (30) mit einem Stellelement, das zumindest abschnittsweise aus der Formgedächtnislegierung gefertigt ist, in einer Wirkverbindung gekoppelt ist, wobei sich die Formgedächtnislegierung in Abhängigkeit einer Temperatur (T) oberhalb einer Schwellwerttemperatur (Ts), welche oberhalb eines Betriebstemperaturbereiches der Batteriespeichervorrichtung (100) liegt,

verformt.

14. Fluidleitelement (30) nach Anspruch 12 oder 13, wobei das wenigstens eine Fluidleitelement (30) an einem Ende befestigt ist und ein gegenüberliegendes Ende als freies Ende verschwenkbar ausgebildet ist.