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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Speicher, der mindestens zwei miteinander in Reaktion tretende Aktivmaterialen und mindestens ein zwischen den Aktivmaterialen angeordnetes Separatorelement aufweist, und mit einer den Speicher in einem Fehlerfall deaktivierenden Schutzeinrichtung.
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Es ist bekannt Schutzeinrichtungen in elektrischen Speichern einzusetzen, um diese in einem Fehlerfall deaktivieren zu können. Elektrische Speicher bestehen meist aus einzelnen Speicherzellen. Innerhalb derartiger Speicherzellen befinden sich, insbesondere bei Hochenergie- und/oder Hochleistungsausführungen, verschiedene Aktivmaterialen, die durch ein Separatorelement getrennt sind. Zudem befindet sich zwischen dem Separatorelement und den Aktivmaterialien ein Elektrolyt, welches als Ladungsübertragungsmedium dient. Ferner besitzen die elektrischen Speicher ein Gehäuse, welches häufig als metallisches Gehäuse ausgeführt ist und in prismatischer oder zylindrischer Grundform vorliegt. In weiteren Ausführungen werden sogenannte „Pouche-Bags“ oder „Coffee-Bag-Zellen“ verwendet. Dabei handelt es sich um Speicherzellen, bei denen die Aktivmaterialien, das Separatorelement und das Elektrolyt in beidseitig kunststoffbeschichteter Aluminiumfolie eingeschweißt sind.
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Als Schutzeinrichtung für Speicherzellen ist bekannt, Sicherheitsventile einzusetzen, die zu einem kontrolliertem Ablassen von Reaktionsprodukten bei einer Überladung oder bei einem Kurzschluss des elektrischen Speichers dienen. Nachteilig hierbei ist, dass nur eine Reaktionsfolge in Form des entstehenden Überdrucks abgebaut wird. Eine Temperaturerhöhung und/oder ein Entstehen von gefährlichen Gasen oder Dämpfen wird nicht verhindert, sondern die Gase werden bei Entstehen in die unmittelbare Umgebung abgegeben. Dies führt zu einer Notwendigkeit von nachgeschalteter Sicherheitsmaßnahmen wie beispielsweise speziellen Lüftungssystemen.
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Es ist weiter bekannt, als Schutzeinrichtung Separatorelemente einzusetzen, die bei einer bestimmten Temperatur schmelzen und somit ein irreversibles Abschalten der Speicherzelle herbeiführen. Es werden ferner Separatorelemente mit besonderen Zusätzen versehen, die in einem Fehlerfall im elektrischen Speicher die Gefahr eines Brandes und/oder einer Explosion verhindern sollen. Diese Separatoren, die sowohl gegen das Durchbrennen (melt down) gesichert sind als auch über einen Abschaltmechanismus (shut down) verfügen, haben den besonderen Nachteil, dass sie über eine geringe Abriebsfestigkeit verfügen, die sich nachteilig auf die Herstellung der Separatorelemente auswirkt.
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Als weitere Maßnahme ist in Speicherzellen bekannt, additive Elektrolytzusätze („flame retardant“-Elektrolyte) einzusetzen, die die Reaktivität der Elektrolyte innerhalb der Speicherzelle hemmt. Diese steigern jedoch die Schadstoffbelastung der Umwelt bei Herstellung und Verschlechtern eine Recyclingfähigkeit der elektrischen Speicher.
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Ferner werden als Schutzeinrichtung besondere Aktivmaterialien eingesetzt, welche durch Dotierung und Beschichtungen die Stabilität der Speicherzellen bei einer Überspannung erhöhen. Diese Ausführungen der Schutzmechanismen sind sehr aufwendig und wirken sich negativ auf eine Wirtschaftlichkeit der Herstellungsprozesse aus.
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Als mechanische Schutzeinrichtung im Gehäuse ist es bekannt Sollbruchstellen vorzusehen, die ein explosionsartiges Öffnen, welches beispielsweise bei einer Überhitzung der Speicherzellen erfolgen kann, zu vermeiden.
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Auf einer Systemebene, welche eine Steuerung oder Regelung des elektrischen Speichers vornimmt, ist es vorgesehen, sogenannte Batterie-Managment-Systeme (BMS) in unterschiedlichen Ausführungen zu verwenden. Das Batterie-Managment-System steuert den elektrischen Speicher im Betrieb hinsichtlich der Entlade- und Ladeströme sowie der Spannungslage, wobei eine Speicherzellentemperatur stetig überwacht wird. Derartige Batterie-Management-Systeme sind sehr aufwendig und können nur indirekt auf einen elektrischen Speicher als Schutzeinrichtung zugreifen.
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Weiter ist bekannt, in Speicherzellen Thermoschalter einzusetzen, die beim Überschreiten einer Grenztemperatur zu einem reversiblen Abschalten der Speicherzelle führen. Der Einsatz von derartigen Thermoschalter wirkt sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit eines Herstellungsprozesses aus.
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Zudem ist bekannt, eine Reaktionsstoppflüssigkeit einzusetzen, die bei Bedarf in die Speicherzelle eingefüllt werden kann, um eine Ladungsübertragung zu unterbinden. Eine gattungsgemäße Schutzeinrichtung ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
US 4,548,878 A beschrieben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Speicher zu schaffen, der in einem Fehlerfall abschaltbar ist, wobei es vorgesehen ist, dass das Abschalten reversibel erfolgen und die Anwendung der Schutzeinrichtung einfach im Herstellungsprozess umzusetzen sein soll.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung eines elektrischen Speichers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 im Fehlerfall zwischen den Aktivmaterialien einen die Reaktion zumindest herabsetzenden Zwischenraum schafft. Die Ausbildung des Zwischenraums führt zu einem Verlöschen einer eingetretenen Fehlerreaktion, wodurch die Speicherzelle abgeschaltet wird. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Aktivmaterialien auch vom Separatorelement beabstandet werden. Es wird somit zwischen den reaktiven Aktivmaterialien ein für die Reaktion unüberwindlicher Zwischenraum geschaffen und somit eine Fehlreaktion im Fehlerfall zum Stillstand gebracht. Die Schaffung des Zwischenraums ist eine reversible Methode des Abschaltens des elektrischen Speichers, da der elektrische Speicher durch einfaches Schließen des Zwischenraums reaktiviert werden kann. Ein Auslösen der Schutzeinrichtung kann beispielsweise durch eine den elektrischen Speicher überwachende Regelung bewirkt werden. Als Auslösegrößen, also als Vergleichsgröße, die zu einem Auslösen führt, können eine Temperatur der Speicherzelle und/oder des elektrischen Speichers, ein Schwellwert von Entlade- oder Ladeströmen des elektrischen Speichers und/oder eine Spannungslage des elektrischen Speichers verwendet werden. Ein Auslösen der Schutzreinrichtung kann beispielsweise bei Erreichen einer bestimmten Temperatur, insbesondere der Temperatur der Speicherzellen durch Beaufschlagen der Schutzeinrichtung mit einer äußeren Spannung oder durch ein Lösen einer mechanischen Verbindung erfolgen. Die Abschaltung des elektrischen Speichers durch Schaffung des Zwischenraums zwischen den Aktivmaterialien führt dazu, dass keine umweltbelastenden Stoffe für den Schutzmechanismus eingesetzt werden, wodurch die Recyclingfähigkeit des elektrischen Speichers beeinträchtigt wird. Ferner kann eine derartige Schutzeinrichtung derart ausgestaltet sein, dass entsprechende Mittel zwischen die Aktivmaterialien, insbesondere zwischen Aktivmaterial und Separator eingelegt werden, wodurch ein Herstellungsprozess in einfacher Weise vorgenommen werden kann.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Aktivmaterialien für eine den Zwischenraum schaffende Abstandsvergrößerung auseinander verlagert werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es sich bei den Aktivmaterialien um Feststoffe handelt, welche durch entsprechende Mittel verlagerbar sind. Die Schaffung des Zwischenraums führt dazu, dass kein Ionenaustausch zwischen den Aktivmaterialien herbeigeführt werden kann, so dass eine Reaktion zwischen den Aktivmaterialien verhindert ist. Das Auseinanderverlagern kann auch nur bereichsweise vorgesehen sein, so dass eine Reaktion nicht vollständig unterbrochen aber beeinträchtigt wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung mindestens ein Element mit Formgedächtniseigenschaften aufweist, dass durch eine im Fehlerfall erfolgende Rückverformung die Bildung des Zwischenraums bewirkt. Dies hat den Vorteil, dass ein separater Auslöser für die Schutzeinrichtung nicht erforderlich ist. Beim Erreichen einer bestimmten Temperatur nimmt das Element, beispielsweise ein Element aus SMA-Werkstoff (Shape-Memory-Alloy-Werkstoff) eine Form an, die den Zwischenraum schafft. Dies kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass ein flaches, bandartiges Element zwischen dem Aktivmaterial und Separatorelement eingelegt ist. Das Element verformt sich bei Erwärmung vorzugsweise wellenartig, so dass die Wellen den Zwischenraum dadurch schaffen, dass ihre „Wellenkämme“ mindestens ein Aktivmaterial von dem anderen Aktivmaterial oder dem Seperator wegdrängt. Vorzugsweise sind derartige Elemente, insbesondere bandartige Elemente aus dem SMA-Werkstoff, zwischen Aktivmaterialien und Seperatorelement angeordnet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung zur Bildung des Zwischenraums mindestens einen piezoelektrischen im Fehlerfall mindestens eines der Aktivmaterialien verlagernden Aktuator aufweist. Diese können durch eine entsprechende Steuerung von außen zur Erschaffung des Zwischenraums mit einer Spannung beauftragt werden. In Abhängigkeit der Spannung dehnen sich die piezoelektrischen Aktoren aus und können die Aktivmaterialien dadurch verlagern. Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Aktoren zwischen den Aktivmaterialien, insbesondere zwischen Aktivmaterialien und Separatorelement angeordnet. Eine dem Aktuator zugeordnete Spannungssteuerung kann auf unterschiedlichste Art und Weise ausgelöst werden, so dass sich bezüglich eines Auslösegrundes eine sehr hohe Flexibilität ergibt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung mindestens zwei magnetisierbare Bereiche aufweist, die durch im Fehlerfall erfolgende gegensätzliche Polarisierung die Bildung des Zwischenraums bewirken. Die gegensätzliche Polarisation ist hierbei derart gewählt, dass sich die magnetisierbaren Bereiche voneinander abstoßen, um den Zwischenraum zu bewirken. Vorteilhaft hierbei ist, dass ein Magnetisieren der Bereiche von außen vorgenommen werden kann, so dass sich eine sehr hohe Flexibilität bei dem Auslösen der Schutzeinrichtung ergibt. Ferner sind entsprechende Bauelemente, welche zu magnetisierbaren Bereiche führen, wie beispielsweise Spulen und elektrische Magnete, auf wirtschaftliche Weise in den elektrischen Speicher integrierbar.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung mindestens zwei magnetische Bereiche aufweist, die durch eine im Fehlerfall mittels einer Verlagerung der Bereiche herbeigeführte, gegensätzliche Polarisation die Bildung des Zwischenraums bewirken. Es ist von Vorteil, dass von außen nur eine Verlagerung der Bereiche herbeigeführt werden muss. Dies kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen, wie beispielsweise mechanisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder magnetisch. Somit sind innerhalb des elektrischen Speichers magnetische, insbesondere dauermagnetische Bereiche vorgesehen, die zueinander verlagert werden können. Die Bereiche werden vorzugsweise aus einer Position verlagert in der sie derart zueinander polarisiert sind, dass die magnetischen Bereiche aneinander haften und die Aktivmaterialien und/oder den Seperator fixieren. Durch Verlagerung der magnetischen Bereiche wird ein Abstoßen der magnetischen Bereiche voneinander herbeigeführt, so dass die Aktivmaterialien und/oder den Separator voneinander beabstandet werden und der Zwischenraum geschaffen wird. Es ist von Vorteil, dass bereits eine geringe Verschiebung dazu führt, dass eine Abstoßung zwischen den magnetischen Bereichen herbeigeführt wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung mindestens ein Keilelement aufweist, dass durch eine im Fehlerfall erfolgende Verlagerung mindestens eine der Aktivmaterialien durch eine Keilwirkung verlagert und dadurch den Zwischenraum schafft. Dabei kann es vorgesehen sein, dass das Keilelement ein Teil des Separatorelements und/oder ein Teil der Aktivmaterialien ist. Somit ist es möglich durch Formveränderung bestehender Komponenten die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung zu realisieren, was zu einer besonders wirtschaftlichen Umsetzung führt. Ferner kann auf zusätzliche Materialien verzichtet werden, was die Recyclingfähigkeit des elektrischen Speichers positiv beeinflusst.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung mindestens eine Feder aufweist, die sich im Fehlerfall zumindest teilweise entspannt und dadurch mindestens eines der Aktivmaterialien zur Bildung des Zwischenraums verlagert. Die Feder kann im vorgespannten Zustand zwischen den Aktivmaterialien angeordnet sein. Der Auslöser ist vorzugsweise als Sperrelement ausgeführt, welcher eine Verlagerung der Aktivmaterialien verhindert, so dass sich durch Lösen der Sperrvorrichtung die Feder entspannen kann und dadurch eine Verlagerung der Aktivmaterialien oder mindestens eines der Aktivmaterialien und/oder des Separators herbeiführt. Ferner ist es denkbar, dass eine geometrische Aufweitung der Zwischenräume zwischen den Aktivmaterialien und dem Separatorelement durch die Feder erfolgt. Auch ist es denkbar, dass bei einer Herstellung eingebrachte Zwischenmaterialien durch die Federn geometrisch derart verformt werden, dass sich nach Auslösen der Schutzeinrichtung eine Verschiebung eines Aktivmaterials in eine Richtung und eine Abstandsänderung des anderen Aktivmaterials in eine andere Richtung ergibt
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung mindestens ein mit einem Medium auffüllbares Element aufweist, das durch im Fehlerfall erfolgendes Auffüllen seine Form verändert und dabei mindestens eines der Aktivmaterialien zur Bildung des Zwischenraums in eine neue Position drängt. Dies führt zu einer Schutzeinrichtung, die besonders dünn ausgeführt werden kann, so dass sie zwischen den Aktivmaterialien angeordnet werden kann, ohne dass diese aufgrund eines nicht ausgelösten Schutzmechanismus beabstandet werden. Es ist insbesondere vorgesehen, als Medium ein inertes Gas zu verwenden. Dieses kann von einer Gasquelle, wie beispielsweise einem Gasgenerator geliefert werden. Das auffüllbare Element kann insbesondere als Schlauchelement, Sackelement oder Kissenelement ausgebildet sein und bietet damit die Möglichkeit hoher Formflexibiltät. Dies führt dazu, dass die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung in sehr vielen und geometrisch sehr unterschiedlichen elektrischen Speichern eingesetzt werden kann.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch die Aktivmaterialien einen unter einer mechanischen Spannung stehenden Wickel bilden, der im Fehlerfall zur Bildung des Zwischenraums mindestens teilweise durch entsprechend weit erfolgendes Entwickeln entspannbar ist. Innerhalb dieses Wickels ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens zwei Aktivmaterialien miteinander aufgewickelt sind. Durch Ausnutzung der mechanischen Spannung, die beispielsweise durch eine miteingewickelte Spiralfeder erzeugt werden kann oder durch Eigenspannungen, wird im Fehlerfall ermöglicht, dass sich der Wickel entwickelt. Das Entwickeln ist hierbei derart zu verstehen, dass sich Zwischenräume zwischen den Aktivmaterialien bilden, in dem innere mechanische Spannungen des Wickels entspannt werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung im Fehlerfall ein inertes Medium in den Zwischenraum einbringbar ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Fehlreaktion zwischen den Aktivmaterialien zusätzlich gehemmt und/oder unterbrochen wird. Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Medium unter hohem Druck in die Zwischenräume eingebracht wird. Damit sich kein Überdruck innerhalb des elektrischen Speichers aufbaut, ist es vorteilhaft wenn der elektrische Speicher mindestens ein Ventil aufweist, welches einen überschüssigen Druck des inerten Mediums abbaut.
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Somit kann erfindungsgemäß die Aufgabe dadurch gelöst werden, dass sich an bestimmten Stellen zwischen Aktivmaterialien und/oder dem Separatorelement Materialien bestimmter geometrischer Gestalt befinden. Diese Materialien ermöglichen es durch physikalische Effekte, dass sich in einer sehr kurzen Zeit zwischen den Aktivmaterialien der Zwischenraum ausbildet, der zum Verlöschen der eingetretenen Fehlreaktion im Fehlerfall ausführt. Ferner ist es denkbar, dass die Schutzeinrichtung im Fehlerfall nach dem Auslösen die Kontakte (Ableiter) des elektrischen Speichers trennt. Es ist von Vorteil, wenn das für die Schutzeinrichtung verwendete Material in seiner Ausgangsform derart geformt ist, dass es sich unabhängig von der Bauform des elektrischen Speichers gut zwischen das Aktivmaterial und den Separator einbringen lässt. Insbesondere sind geometrische Gestalten der Materialien vorteilhaft, die die Form von schmalen Bändern oder rotationssymmetrisch geformten Drähten aufweisen. Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Materialien in der gesamten Länge und/oder Breite des Aktivmaterials und den Separatorelementen, oder in Teilabschnitten von diesen, bereits bei der Herstellung des elektrischen Speichers eingebracht werden. Eine weitere Möglichkeit der konstruktiven Umsetzung besteht darin, dass in bestimmten Abständen des Aktivmaterials und des Separatorelements prismatische und/oder rotationssymmetrische Teile des Materials für die Schutzeinrichtung bei der Herstellung eingebracht werden, die über eine ähnliche oder gleiche Funktionalität, wie die bereits beschriebenen Bänder oder Drähte, verfügen.
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Des Weiteren lassen sich die Erfindung und deren Weiterbildungen gut an bestehende Batterie-Management-Systeme adaptieren und belassen den elektrischen Speicher in bisher üblichen Bauformen, so dass der elektrische Speicher einfach in bestehende Systeme integriert werden kann. Somit ist eine Steigerung der Sicherheit bei Energiespeicher in sehr wirtschaftlicher Weise durchführbar.
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Die Figuren verdeutlichen die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen. Es zeigen
- 1 einen elektrischen Speicher im Querschnitt,
- 2 einen Ausschnitt des elektrischen Speichers im Querschnitt mit einer ersten Ausführungsform einer Schutzeinrichtung im nicht-ausgelösten Zustand,
- 3 den Ausschnitt der 2 mit der ersten Ausführungsform der Schutzeinrichtung im ausgelösten Zustand,
- 4 den Ausschnitt des elektrischen Speichers im Querschnitt mit einer zweiten Ausführungsform der Schutzeinrichtung im nicht-ausgelösten Zustand,
- 5 den Ausschnitt der 4 mit der zweiten Ausführungsform der Schutzeinrichtung im ausgelösten Zustand,
- 6 den Ausschnitt des elektrischen Speichers im Querschnitt mit einer dritten Ausführungsform der Schutzeinrichtung im nicht-ausgelösten Zustand,
- 7 den Ausschnitt der 6 mit der dritten Ausführungsform der Schutzeinrichtung im ausgelösten Zustand,
- 8 den Ausschnitt des elektrischen Speichers im Querschnitt mit einer vierten Ausführungsform der Schutzeinrichtung im nicht-ausgelösten Zustand,
- 9 den Ausschnitt der 8 mit der vierten Ausführungsform der Schutzeinrichtung im ausgelösten Zustand,
- 10 den Ausschnitt des elektrischen Speichers im Querschnitt mit einer fünften Ausführungsform der Schutzeinrichtung im nicht-ausgelösten Zustand,
- 11 den Ausschnitt der 10 mit der fünften Ausführungsform der Schutzeinrichtung im ausgelösten Zustand,
- 12 den Ausschnitt des elektrischen Speichers im Querschnitt mit einer sechsten Ausführungsform der Schutzeinrichtung im nicht-ausgelösten Zustand,
- 13 den Ausschnitt der 10 im Längsschnitt mit einer sechsten Ausführungsform einer Schutzeinrichtung im nicht-ausgelösten Zustand,
- 14 den Ausschnitt des elektrischen Speichers im Querschnitt mit der sechsten Ausführungsform der Schutzeinrichtung im ausgelösten Zustand,
- 15 den Ausschnitt der 14 im Längsschnitt mit der sechsten Ausführungsform der Schutzeinrichtung im ausgelösten Zustand und
- 16 einen elektrischen Speicher im Querschnitt, welcher einen Wickel aufweist.
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Die 1 zeigt einen elektrischen Speicher 1 im Querschnitt. Der elektrische Speicher 1 besteht aus Aktivmaterialien 2, welche paarweise durch ein Separatorelement 3 getrennt sind. Die folgenden 2 bis 11, 12 und 14 zeigen jeweils einen Ausschnitt 4 des elektrischen Speichers 1. Zwischen den Separatorelementen 3 und den Aktivmaterialien 2 ist Elektrolyt 3' eingebracht, welches eine Reaktion zwischen den Aktivmaterialien 2 ermöglicht. Es ist zu berücksichtigen, dass die unterschiedlichen Aktivmaterialien 2 sowohl positive als auch negative Elektroden darstellen. Aus Gründen der Einfachheit wird dies in den Figuren jedoch nicht unterschieden.
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Die 2 zeigt den Ausschnitt 4 des elektrischen Speichers 1 mit einer ersten Ausführungsform 5 einer Schutzeinrichtung 6. Die Schutzeinrichtung 6 besteht aus zwei Elementen 7 mit Formgedächtniseigenschaften, welche sich bandartig zwischen dem Separatorelement 3 und den Aktivmaterialien 2 erstrecken. Die Elemente 7 sind eben geformt, so dass sie nur einen geringen Abstand zwischen dem Separatorelement 3 und den Aktivmaterialien 2 aufgrund ihrer eigenen Dicke herbeiführen. Es ist bei der Verwendung dieser Elemente 7 darauf zu achten, dass mehrere zwischen dem Separatorelement 3 und den Aktivmaterialien 2 angeordnete Elemente voneinander derart beabstandet sind, so dass eine Reaktion, die zwischen den Aktivmaterialien 2 vorliegen soll, nicht oder so wenig wie möglich durch Überdeckung beeinträchtigt wird. In 2 sind die Elemente 7 in einem Zustand vor einem Auslösen der Schutzeinrichtung 6 dargestellt.
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Die 3 zeigt den Ausschnitt 4 aus 2 mit all seinen Merkmalen nach einem Auslösen der Schutzeinrichtung 6. Die Elemente 7 haben sich aufgrund ihrer Formgedächtniseigenschaften nach dem Auslösen durch Rückverformung in eine Urform wellenförmig ausgebildet. Aufgrund der Wellenform liegen das Separatorelement 3 jeweils einseitig des Elements 7 auf Wellenkämmen 8 des Elements 7 mit Formgedächtniseigenschaften. Auf der anderen Seite der Elemente 7 liegen jeweils die entsprechenden Aktivmaterialien 2 auf ihnen zugeordneten Wellenkämmen 9. Aufgrund dieser Struktur bildet sich ein Zwischenraum 10 zwischen den Aktivmaterialien 2, welcher durch das Separatorelement 3 getrennt ist. Der Zwischenraum 10 wird somit von zwei Elementen 7 der Schutzreinrichtung 6 herbeigeführt. Die Elemente 7 verlagern aufgrund ihrer Rückverformung die Aktivmaterialien 2 aus ihrer - in 2 dargestellten - Position in die in 3 dargestellte Position entlang von Pfeilen 11 und 12. Aufgrund dieses Zwischenraums 10 ist es nicht mehr möglich, dass eine Reaktion zwischen den Aktivmaterialien 2 über das Separatorelement 3 mittels des Elektrolyts 3' ausgeführt werden kann. Somit ist der elektrische Speicher 1 durch die Schutzeinrichtung 6 in 3 abgeschaltet. Als Auslöser für das Element 7 mit Formgedächtniseigenschaften für die Rückverformung ist es insbesondere vorgesehen, dass sich das Element 7 bei einer bestimmten Temperatureinwirkung selbständig rückverformt, um den Zwischenraum 10 zu schaffen.
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Die 4 zeigt den Ausschnitt 4 mit einer zweiten Ausführungsform 13 der Schutzeinrichtung 6. Zwischen den Aktivmaterialien 2 und dem Separatorelement 3 sind eine Mehrzahl an piezoelektrischen Aktuatoren 14 angeordnet. 4 zeigt die Schutzeinrichtung 6 in einem Zustand vor dem Auslösen.
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Die 5 zeigt den Ausschnitt 4 aus 4 mit all ihren Merkmalen. Die Schutzeinrichtung 6 ist in 5 nach einem Auslösen dargestellt. Die piezoelektrischen Aktuatoren 14 haben sich in Richtung vom Pfeilen 15 und 16, von dem Separatorelement 3 weg, ausgedehnt. Auf diese Weise schaffen die piezoelektrischen Aktuatoren 14 den Zwischenraum 10, welcher die Reaktion zwischen den Aktivmaterialen 2 unterbindet.
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Die 6 zeigt den Ausschnitt 4 des elektrischen Speichers 1 mit einer dritten Ausführungsform 17 der Schutzeinrichtung 6. Die dritte Ausführungsform 17 ist zwischen dem Separatorelement 3 und den Aktivmaterialien 2 angeordnet. Hierbei ist jedes Aktivmaterial 2 auf der Seite, welche zum Separatorelement 3 weist mit magnetischen Bereichen 18 versehen, welche mindestens abschnittweise, abwechselnd unterschiedlich polarisiert sind. Das Separatorelement 3 weist ebenfalls auf den Seiten, die zu den Aktivmaterialien 2 zeigen magnetische Bereiche 19 auf, welche ihrerseits mindestens abschnittweise, unterschiedlich abwechselnd polarisiert sind. In 6 sind die Polarisationen der magnetischen Bereiche 18 und 19 derart, dass sie sich in der gezeigten Darstellung anziehen. Somit ergibt sich, dass die Aktivmaterialien 2 mittels der magnetischen Bereiche 18 und 19 mit dem Separatorelement 3 verbunden sind. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die magnetischen Bereiche 18 und 19 als Schichten auf dem Seperatorelement 3 und/oder den Aktivmaterialien 2 aufgebracht sind.
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Die 7 zeigt den Ausschnitt 4 der 6 mit all ihren Merkmalen. Die dritte Ausführungsform 17 der Schutzeinrichtung 6 ist im Gegensatz zur 6 nach einem Auslösen dargestellt. Das Auslösen erfolgt durch Verlagerung mindestens eines der Aktivmaterialien 2 relativ zu dem Separatorelement 3 entlang von Pfeilen 20, 21 und/oder 22. Aufgrund der Verschiebung der magnetischen Bereiche 18 und 19 zueinander, ergibt es sich, dass die abwechselnde Polarisierung in eine Position verlagert wird, welche dazu führt, dass sich die magnetischen Bereiche 18 und 19 voneinander abstoßen. Auf diese Weise wird der Zwischenraum 10 gebildet, in dem die Aktivmaterialien 2 entlang von Pfeilen 23 und 24 vom Separatorelement 3 weg verlagert werden.
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Die 8 zeigt den Ausschnitt 4 mit der Schutzeinrichtung 6 in einer vierten Ausführungsform 25. Die vierte Ausführungsform 25 weist eine Verlagerungsvorrichtung 26 auf, welche zwischen den Aktivmaterialien 2 und dem Separatorelement 3 angeordnet ist. Die Verlagerungsvorrichtung 26 besteht aus zueinander verlagerbaren Teilen 27 und 28, die auf jeder Seite des Separatorelements 3 angeordnet sind. Die Teile 27 sind mit Keilelementen 29 versehen. Diese Keilelemente 29 liegen in der dargestellten Position innerhalb von Keilelementtaschen 30, welche an den Teilen 28 ausgespart sind. Die Figur zeigt die vierte Ausführungsform 25 vor einem Auslösen.
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Die 9 zeigt den Ausschnitt 4 aus 8 mit all seinen Merkmalen. Die vierte Ausführungsform 25 der Schutzeinrichtung 6 ist nach einem Auslösen dargestellt. Die Schutzeinrichtung 6 wird dadurch ausgelöst, dass das Separatorelement 3 mitsamt der Teile 28 zu den Aktivmaterialien 2 mit ihren Teilen 29 der Schutzreinrichtung 6 verlagert wird. Dies geschieht entlang von Pfeilen 31, 32 und 33. Aufgrund dieser relativen Bewegung des Separatorelements 3 zu den Aktivmaterialien 2 ergibt es sich, dass die Keilelemente 29 aus den Keilelementtaschen 30 heraus verlagert werden. Aufgrund der sich daraus ergebenden Keilwirkung werden die Aktivmaterialien 2 mitsamt der Teile 27 von dem Separatorelement 3 weggedrängt, so dass sich der Zwischenraum 10 bildet. Zum Auslösen der Schutzeinrichtung 6 ist es denkbar, einen mechanischen, magnetischen oder piezoelektrischen Aktuator einzusetzen, der hier nicht dargestellt ist.
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Die 10 zeigt den Ausschnitt 4 des elektrischen Speichers 1 in einer fünften Ausführungsform 34. Die Schutzeinrichtung 6 weist Federn 35 auf, welche zwischen dem Separatorelement 3 und den Aktivmaterialien 2 angeordnet sind. In 10 sind die Federn 35 derart vorgespannt, dass sie einen möglichst geringen Raum zwischen den Aktivmaterialien 2 und dem Separatorelement 3 einnehmen und eine Beabstandung in dieser Position zwischen Separatorelement 3 und Aktivmaterial 2 minimieren. Dieses Minimieren ist in allen Ausführungsformen vorteilhaft. Die fünfte Ausführungsform 34 ist besonders vorteilhaft mit einem Auslöser, welcher verhindert, dass sich die Aktivmaterialien 2 aufgrund der Federvorspannung ungewollt verlagern.
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Die 11 zeigt den Ausschnitt 4 der 10 mit all ihren Merkmalen nach einem Auslösen. In dieser Darstellung sind die Federn 35 zumindest teilweise entspannt, so dass sie aufgrund ihrer Federkraft die Aktivmaterialien 2 von dem Separatorelement 3 in Richtung von Pfeilen 36 und 37 wegverlagert haben, um auf diese Weise den Zwischenraum 10 zu bilden. Es ist insbesondere ein Auslöser in Form eines Sperrriegels denkbar, welcher zum Auslösen entsperrt wird. Dieser Auslöser ist in den Figuren nicht dargestellt.
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Die 12 zeigt den Ausschnitt 4 mit einer sechsten Ausführungsform 38 der Schutzeinrichtung 6. Die sechste Ausführungsform 38 besteht aus auffüllbaren Elementen 39, welche zwischen den Aktivmaterialien 2 und dem Separatorelement 3 angeordnet sind. Die Elemente 39 sind als Schlauchelemente 40 ausgeführt. 12 zeigt einen Zustand der Schutzeinrichtung 6 vor einem Auslösen.
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Die 13 zeigt einen Längsschnitt entlang einer Schnittachse A-A, welche in der 12 dargestellt ist. Die Darstellung verdeutlicht, auf welche Weise die füllbaren Elemente 39 zwischen dem Separatorelement 3 und den Aktivmaterialien 2 angeordnet sind. Dabei liegt eine Füllrichtung in der Papierebene. Es ist zu berücksichtigen, dass die Elemente 39 voneinander derart beabstandet sind, dass eine Reaktion zwischen den Aktivmaterialien 2 ungehindert ablaufen kann. Ferner wird verdeutlicht, dass die Elemente 39 zusammengedrückt vorliegen, was die elliptische Querschnittsform beispielhaft andeutet.
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Die 14 zeigt den Ausschnitt 4 aus 12 mit all seinen Merkmalen. In 14 ist die Schutzeinrichtung 6 nach einem Auslösen dargestellt. Die Elemente 39 sind mit einem Medium 41 befüllt, welches als inertes Gas 42 ausgeführt ist. Aufgrund des Befüllens sind die Elemente 39 in ihrem Volumen gewachsen, wodurch sie die Aktivmaterialien 2 von dem Separatorelement 3 weg in eine neue dargestellte Position drängen. Dies geschieht entlang von Pfeilen 43 und 44.
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Die 15 zeigt einen Längsschnitt entlang einer Schnittachse B-B, welche in 14 dargestellt ist. Es wird deutlich, auf welche Weise eine Verlagerung der Aktivmaterialien 2 in die neue Position erfolgt. Insbesondere 15 enthält sämtliche Merkmale der 14. Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Medium 41 unter hohem Druck in die Elemente 39 eingefüllt wird, um eine Verlagerung der Aktivmaterialien 2 entlang der Pfeile 43 und 44 zu erreichen, wodurch sich der Zwischenraum 10 bildet.
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Die 16 zeigt einen weiteren elektrischen Speicher 45 im Querschnitt. Der Speicher 45 ist entlang einer Längsachse 46 rotationssymmetrisch aufgebaut und besitzt Aktivmaterialien 2, welche spiralförmig um die Längsachse 46 mit einem Separatorelement 3 zu einem Wickel 47 gewickelt sind. Zwischen dem Separatorelement 3 und den Aktivmaterialien 2 sind zwei Spiralfederelemente 48 angeordnet, welche eine mechanische Spannung innerhalb des Wickels 47 erzeugen und somit eine siebte Ausführungsform 54 der Schutzeinrichtung 6 bildet. Ferner ist eine Steuereinrichtung 48' vorgesehen, welche eine elektrische Spannung und eine Temperatur des elektrischen Speichers 45 überwachen und in Abhängigkeit der Temperatur und/oder der elektrischen Spannung die Schutzeinrichtung 6 auslösen. Nach einem Auslösen der Schutzeinrichtung 6 entwickelt sich der Wickel 47, so dass sich in einem gedachten Längsschnitt betrachtet, konzentrisch zueinander angeordnete Spiralen ergeben, welche jeweils zueinander beabstandet sind. Diese Spiralen sind nicht dargestellt und bestehen aus den Aktivmaterialien 2, den Federelementen 48 und dem Separatorelement 3. Ferner weist der elektrische Speicher 45 ein Gehäuse 49 auf, innerhalb dessen eine Gasquelle 50 angeordnet ist. Diese Gasquelle 50 ist in Form eines Gastanks 51 ausgeführt, welches ein inertes Medium 52 in Form eines inerten Gases 52' nach einem Auslösen der Schutzeinrichtung 6 in das Gehäuse 49 und damit in einem nach dem Auslösen entstandenen Zwischenraum hinein freisetzt. Dieser Zustand ist in 16 nicht dargestellt. Das Gehäuse 49 weist ein Überdruckventil 53 auf, welches im Falle des freigesetzten inerten Gases 52' überschüssiges, einen Überdruck erzeugenden Teil des inerten Gases 52' nach außen entlässt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrischer Speicher
- 2
- Aktivmaterial
- 3
- Separatorelement
- 3'
- Elektrolyt
- 4
- Ausschnitt
- 5
- erste Ausführungsform
- 6
- Schutzeinrichtung
- 7
- Element
- 8
- Wellenkamm
- 9
- Wellenkamm
- 10
- Zwischenraum
- 11
- Pfeil
- 12
- Pfeil
- 13
- zweite Ausführungsform
- 14
- piezoelektrischer Aktuator
- 15
- Pfeil
- 16
- Pfeil
- 17
- dritte Ausführungsform
- 18
- magnetischer Bereich
- 19
- magnetischer Bereich
- 20
- Pfeil
- 21
- Pfeil
- 22
- Pfeil
- 23
- Pfeil
- 24
- Pfeil
- 25
- vierte Ausführungsform
- 26
- Verlagerungsvorrichtung
- 27
- Teil
- 28
- Teil
- 29
- Keilelement
- 30
- Keilelementtasche
- 31
- Pfeil
- 32
- Pfeil
- 33
- Pfeil
- 34
- fünfte Ausführungsform
- 35
- Feder
- 36
- Pfeil
- 37
- Pfeil
- 38
- sechste Ausführungsform
- 39
- Elemente
- 40
- Schlauchelemente
- 41
- Medium
- 42
- inertes Gas
- 43
- Pfeil
- 44
- Pfeil
- 45
- Elektrischer Speicher
- 46
- Längsachse
- 47
- Wickel
- 48
- Federelement
- 48'
- Steuereinrichtung
- 49
- Gehäuse
- 50
- Gasquelle
- 51
- Gastank
- 52
- inertes Medium
- 52'
- inertes Gas
- 53
- Überdruckventil
- 54
- siebte Ausführungsform
