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Die
Erfindung betrifft ein Element zur Umwandlung elektrischer Energie,
eine Speichereinheit mit einem derartigen Element, ein Verfahren
zum Betrieb der Speichereinheit und ein Fahrzeug mit einer solchen
Speichereinheit.
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Elektrische
Systeme mit Betriebsspannungen von mehr als 60 V werden zunehmend
im Fahrzeug eingesetzt. Im Wartungs- bzw. bei einem Unfall ist es
nötig,
dass keine Gefährdung
von dem elektrischen System ausgeht. Insbesondere ist die Handhabung
elektrischer Energiespeicher von Bedeutung, die in einen sicheren
Zustand mit spannungsfreien Klemmen überführt werden sollen.
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Aufgrund
gesetzlicher Bestimmungen ist dabei die Zeitdauer zwischen einer
Schalthandlung zur Überführung in
den sicheren Zustand und dem Moment des Erreichens des sicheren
Zustands begrenzt. Üblich
sind hierfür
Zeitdauern von 5 s oder von 1 s (bevorzugt z. B. weniger als 5 s).
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Aus
den in Fahrzeugen gespeicherten elektrischen Energiemengen, der
Leistung der Speicher und den vorgeschriebenen kurzen Zeiten bis
zum Erreichen des sicheren Zustands resultieren hohe Anforderungen
an die Leistungsfähigkeit
der Sicherheitselemente.
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Derzeit
werden für
das Überführen in
den sicheren Zustand elektromechanische Elemente (Schütze) verwendet,
die innerhalb des Energiespeichergehäuses alle Anschlüsse vom
eigentlichen Speicher freischalten. Für die sichere Handhabung im
Wartungsfall kann zusätzlich
ein manuell bedienbares Trennelement verwendet werden.
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Insbesondere
bei elektrischen Speichern (z. B. Kondensatoren), die sich auf eine
Spannung kleiner als 60 V bzw. bis auf 0 V entladen lassen, ist
es gebräuchlich,
die elektrische Energie sowohl im Havarie- als auch im Wartungsfall
aus dem Speicher zu transportieren. Als Entladeeinrichtungen eignen
sich elektrische Widerstände
oder Varistoren, anhand derer die elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird.
Abhängig
von der Speichergröße der elektrischen
Speicher sind dabei die Entladeelemente mit dem Energiespeicher
fest verbunden (bei kleinen Energiemengen) bzw. können die
Entladeelemente (bei mittleren und großen Energiemengen) über eine Schalteinrichtung
zugeschaltet werden. Die verwendeten elektrothermischen Energiewandler
nehmen dabei die Wärme
zumindest teilweise mit ihrer Wärmekapazität auf und
geben sie an die Umgebung ab.
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Hierbei
ist es von Nachteil, dass alle elektromechanischen Elemente nur
bedingt zuverlässig sind.
Insbesondere besteht die Gefahr, dass Kontakte hängen bleiben oder verkleben
und so im Bedarfsfall ihrer Sicherheitsfunktion nicht nachkommen.
Weiterhin sind Elemente für
trennendes Schalten unter Last aufwendig und teuer, da diese über Lichtbogenlöscheinrichtungen
verfügen
müssen.
Das manuell bedienbare Trennelement kann aufgrund einer möglichen
Gefährdung
des Bedieners durch Lichtbögen nicht
für die
Unterbrechung eines fließenden
Stromes verwendet werden.
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Bei
den bekannten Entladeschaltungen ist nachteilig, dass deren Leistungsfähigkeit
stark begrenzt ist und die elektrothermischen Energiewandler mit
der Größe des Energiespeichers
skaliert werden müssen
und deshalb bei mittleren und größeren zu entladenden
Energiemengen (z. B. 200 kJ bis 1000 kJ bei Hybridfahrzeugen) für den Fahrzeugeinsatz nicht
geeignet sind.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile
zu vermeiden und insbesondere eine Möglichkeit zu schaffen, Energie eines
elektrischen Speichers effizient und schnell abzuführen bzw.
das elektrische System mit Energiespeicher schnell und wirksam in
einen sicheren Zustand überzuführen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ein Element zur Umwandlung elektrischer Energie
angegeben mit elektrischen Kontakten, wobei zwischen den elektrischen
Kontakten zumindest teilweise ein phasenzustandsveränderndes
Material vorgesehen ist.
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Das
phasenzustandsverändernde
Material ist insbesondere ein phasenveränderbares Material (auch bezeichnet
als Phasenübergangsmaterial, Phase
Change Material, Phasenwechselmaterialien, PCM).
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Hierbei
ist es von Vorteil, dass die Veränderung
des Phasenzustands für
eine Speicherung zumindest eines Teils der elektrothermisch gewandelten
Energie einsetzbar ist.
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Es
sei angemerkt, dass das phasenzustandsverändernde Material eine Zustandsveränderung
zwischen beliebigen Phasen erfahren kann. Der hier beschriebene
Phasenwechsel des phasenzustandsverändernden Materials kann insbesondere zwischen
zwei festen Phasen oder einer festen und einer flüssigen Phase
stattfinden.
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Die
elektrische Energie wird insbesondere zunächst in eine Wärme umgewandelt,
um dann mittels des phasenzustandsverändernden Materials zumindest
teilweise für
eine Phasenumwandlung eingesetzt zu werden. Somit wird anhand des
Stroms die Energie zumindest teilweise für die Phasenumwandlung verbraucht.
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Eine
Weiterbildung ist es, dass das phasenzustandsverändernde Material ein elektrisch
leitendes Material oder ein elektrisch nichtleitendes Material ist,
wobei insbesondere das elektrisch nichtleitende Material durch eine
Veränderung
der Temperatur und/oder der Phase in ein dann zumindest teilweise elektrisch
leitendes Material umwandelbar ist.
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Hierbei
kann insbesondere ein Materialverbund eingesetzt werden umfassend
ein elektrisch leitendes und ein elektrisch nicht leitendes Material.
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Eine
andere Weiterbildung ist es, dass ein elektrischer Leiter zwischen
den Kontakten vorgesehen ist, der zumindest teilweise von dem phasenzustandsverändernden
Material umgeben ist.
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Somit
kann der elektrische Leiter als Transportmedium für die Wärme zu dem
phasenzustandsverändernden
Material dienen. Der elektrische Leiter kann z. B. auf einem Träger, z.
B. einer Platine, angeordnet sein.
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Insbesondere
ist es eine Weiterbildung, dass das Element ein Gehäuse aufweist
zur Aufnahme des phasenzustandsverändernden Materials.
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Dies
ist von Vorteil, falls das phasenzustandsverändernde Material flüchtig ist
oder ansonsten mit der Umgebung reagieren würde. Das Gehäuse kann
insbesondere dicht ausgeführt
sein.
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Auch
ist es eine Weiterbildung, dass das Element einen Träger zur
Aufnahme des phasenzustandsverändernden
Materials aufweist.
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Beispielsweise
kann ein Träger
aus Graphit oder Metall mit einer Beladung aus Paraffinen, Salzen,
Hydraten, Polymeren und/oder Zucker-Ethanol-Gemischen vorgesehen
sein.
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Ferner
ist es eine Weiterbildung, dass zwischen den Kontakten eine elektrisch
leitende Matrix vorgesehen ist, wobei in den Zwischenräumen der Matrix
zumindest teilweise das phasenzustandsverändernde Material angeordnet
ist.
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Im
Rahmen einer zusätzlichen
Weiterbildung umfasst das phasenzustandsverändernde Material mindestens
eine der folgenden Komponenten:
- – ein Metall
mit einem niedrigen Schmelzpunkt, insbesondere unterhalb von 600°C;
- – Woodmetall;
- – Zinn;
- – Lithium;
- – eine
Metall-Thermoplast-Mischung;
- – elektrisch
aktive Polymere;
- – Salze;
- – Salzhydrate;
- – Elektrolyte.
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Insbesondere
können
Metalle eingesetzt werden, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als
Aluminium haben. Auch können
Alkali- oder Erdalkalimetalle verwendet werden, die in reiner Form
in einer Sauerstoffatmosphäre
nicht stabil sind. Daher kann unter einem Metall auch ein Metall
verstanden werden, welches eine Oberflächenmodifikation aufweist.
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Aufgrund
des niedrigen Schmelzpunkts ist es möglich, dass übliche und
preisgünstige
Materialien (z. B. Kunststoffe, Glas) für die elektrische Isolation
bzw. als Gehäuse
verwendet werden können.
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Eine
nächste
Weiterbildung besteht darin, dass das Element mit einer Kühlung versehen
ist. Die Kühlung
kann an der Oberfläche
des Elements angeordnet sein. Auch kann die Kühlung einstückig mit dem Element ausgeführt sein.
Die Kühlung
kann einen Kühlkörper umfassen.
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Eine
Ausgestaltung ist es, dass die Kühlung über einen
Kühlkreislauf
eines Fahrzeugs erfolgt.
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Die
vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Speichereinheit
umfassend ein Element wie hierin beschrieben, wobei das Element
in Reihe mit einem Schalter parallel zu einem elektrischer Speicher
angeordnet ist.
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Über den
Schalter kann somit das Element den elektrischen Schalter kurzschließen und
somit in kurzer Zeit einen Abfluss der elektrischen Energie in das
Element erreichen. Dort wird, wie hier beschrieben, die elektrische
Energie in Wärme
und/oder in eine Phasenänderung
umgewandelt.
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Insbesondere
ist es eine Weiterbildung, dass im Fehlerfall oder im Wartungsfall
der Schalter den elektrischen Speicher über das Element kurzschließt.
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Der
Schalter kann als ein elektronischer oder als ein mechanischer Schalter
ausgeführt
sein. Der Schalter kann insbesondere eine Grundstellung aufweisen,
in der er geschlossen ist, also den elektrischen Speicher kurzschließt. Der
Schalter wird während
des Betriebs offen gehalten und schließt im Fehler- oder Wartungsfall,
so dass der elektrische Speicher dann entladen werden kann.
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Eine
andere Lösung
der vorstehend genannten Aufgabe besteht darin, dass ein Verfahren
vorgesehen ist zum Betrieb der hier beschriebenen Speichereinheit
mit einer Steuerung, anhand derer der Schalter im Normalbetrieb
geöffnet
wird.
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Auch
ist es eine Lösung
der oben genannten Aufgabe, dass ein Fahrzeug vorgesehen ist mit
einer hierin beschriebenen Speichereinheit.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen schematisch dargestellt
und erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Aufbau eines Energie absorbierenden Elements umfassend
ein Gehäuse,
elektrische Kontakte mit Anschlüssen,
wobei zwischen den elektrischen Kontakten ein elektrischer Widerstand
mit hoher Enthalpieänderung
in einem Arbeitstemperaturbereich angeordnet ist;
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2 ein
Diagramm, das eine absorbierte Energie (in kJ pro kg) über einer
Absorbertemperatur (in K) anhand zweiter Graphen veranschaulicht;
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3 ein
Schaltungsbeispiel für
eine Anwendung eines elektrothermischen Absorbers auf Basis eines
Graphit-Salz-Verbundes an einem elektrischen Speicher.
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Es
wird vorgeschlagen, die Leistungsfähigkeit der elektrothermischen
Energiewandler durch Verwendung von Phasenübergangsmaterialien (Phase
Change Materials, phasenzustandsverändernden Material oder Phasenwechselmaterialien,
abgekürzt: PCM)
zu erhöhen
und die Enthalpie der Veränderung von
Ordnungszuständen
(z. B. Schmelzenthalpie, Lösungsenthalpie)
zumindest für
die Speicherung eines Teils der elektrothermisch gewandelten Energie zu
nutzen.
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In
einer Ausführung
kann als PCM ein elektrischer Leiter (z. B. Metall) verwendet werden,
dessen Phasenübergangstemperatur
(z. B. Schmelztemperatur) technisch einfach zu handhaben ist. So unterliegt
der elektrische Leiter einer nur geringen Volumenänderung
bei dem Phasenübergang
in dem gewählten
Temperaturbereich, ist einfach elektrisch zu isolieren und ermöglicht eine
zuverlässige
Kontaktierbarkeit.
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Der
elektrische Leiter (z. B. als Widerstand) dient in diesem Fall als
elektrothermischer Energiewandler und als thermischer Energiespeicher.
Ein Vorteil einer derartigen Anordnung besteht darin, dass es keinen
Wärmewiderstand
zwischen dem elektrothermischem Energiewandler und dem thermischem
Speicher gibt und dadurch eine Leistungsbegrenzung entfällt. Die
Form der fest/flüssigen
Leiterbahn kann anhand eines Trägers
vorgegeben werden, welcher beispielsweise eine (deutlich) geringere elektrische
Leitfähigkeit
besitzt als das PCM und im einem Arbeitstemperaturbereich des PCM
weitgehend stabile technische Eigenschaften aufweist.
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Beispielsweise
kann der elektrische Leiter als ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt
ausgeführt
sein, z. B. als
- – Woodmetall mit einer Schmelztemperatur
Von ca. 70°C
und einer Schmelzwärme
von ca. 50 kJ/kg;
- – Zinn
mit einer Schmelztemperatur von ca. 230°C und einer Schmelzwärme von
ca. 60 kJ/kg;
- – Lithium
mit einer Schmelztemperatur von ca. 180°C und einer Schmelzwärme von
ca. 600 kJ/kg.
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Ein
niedriger Schmelzpunkt ermöglicht
die Verwendung gebräuchlicher
und preiswerter Materialien, z. B. Kunststoffe, für die elektrische
Isolation und/oder als Gehäuse.
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Die
Masse des als PCM verwendeten Materials kann an die aufzunehmende
Energiemenge, dessen Längen-
zu Querschnittverhältnis
(elektrischer Widerstand) kann an die geforderte Leistung angepasst
werden.
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Große Leiterlängen können in
Form von Wicklungen oder Faltungen (Spiralen, Mäander, etc.) räumlich kompakt
realisiert werden.
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Bei
dem Einsatz von reaktiven Materialien, z. B. Lithium, als PCM kann
das reaktives Material mit einer Passivierung umgeben werden/sein,
wodurch potentielle Reaktionspartner (z. B. Sauerstoff, Wasser)
vom reaktiven Material ferngehalten werden.
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Beispielsweise
kann die Passivierung selbst durch einen elektrisch gering oder
nicht leitfähigen Träger bereitgestellt
werden. So kann dieser Träger ein
Behältnis,
z. B. ein Glasrohr oder einen Kunststoffschlauch umfassen, dessen
(beidseitigen) Enden mit einem Stopfen oder mittels einer Verschmelzung
verschlossen sein können.
Zur Kompensation unterschiedlicher Volumenausdehnungen von PCM und
Träger
kann ein Gas in das Behältnis
eingeschlossen sein, wobei dieses Gas vorteilhaft reaktionsinert
ist.
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Entsprechend
zu dem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt können andere Materialien verwendet werden,
die beidseitig eines Phasenüberganges elektrisch
leitend sind, z. B.
- – Metall-Thermoplast-Mischungen,
- – elektrisch
aktive Polymere,
- – Salzhydrate,
- – einige
Elektrolyte.
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Auch
ist es eine Möglichkeit,
dass das Energie absorbierende Element einen elektrothermischen Energiewandler
ohne Phasenübergang
im verwendeten Temperaturbereich umfasst, wobei der elektrothermische
Energiewandler von einem elektrisch wesentlich schlechter leitenden
PCM für
die thermische Energiespeicherung umgeben und/oder durchsetzt ist.
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Beispielsweise
kann das Energie absorbierende Element einen Träger aus Graphit oder Metall mit
einer Beladung aus Paraffinen, Salzen, Hydraten, Polymeren und/oder
Zucker-Ethanol-Gemischen aufweisen.
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Derartige
Verbundmaterialien sind als Wärmespeicher
einsetzbar. Der Träger
kann nun mit elektrischen Kontakten versehen und als elektrothermischer
Energiewandler verwendet werden, die Beladung dient hierbei bevorzugt
als thermischer Speicher.
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Die
Strukturabmessungen (insbesondere die Dicken der Träger- und
Beladungsschichten) können an
eine notwendige Speicherzugriffszeit angepasst werden, d. h. die
Wärmewiderstände verursachen eine
von Null verschiedene Speicherzugriffszeit, die Wärmewiderstände und
diese Zugriffszeiten nehmen mit zunehmender Schichtdicke zu, die
erreichbare Speicherleistung sinkt dadurch ab. Die Phasenübergangstemperatur
der Beladung lässt
sich bei der Materialauswahl in einem weiten Bereich an die jeweilige
Applikation anpassen.
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau eines Energie absorbierenden Elements
umfassend ein Gehäuse 101,
elektrische Kontakte 103, 104 mit Anschlüssen 105, 106,
wobei zwischen den elektrischen Kontakten 103, 104 ein
elektrischer Widerstand 102 mit hoher Enthalpieänderung
in einem Arbeitstemperaturbereich angeordnet ist. Anstatt des Gehäuses 101 kann
auch eine elektrische Isolation oder eine Passivierung vorgesehen
sein.
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2 zeigt
ein Diagramm, das eine absorbierte Energie (in kJ pro kg) über einer
Absorbertemperatur (in K) veranschaulicht. Ein Graph 201 zeigt die
Energieaufnahme eines gebräuchlichen
Leistungswiderstands und ein Graph 202 zeigt eine Energieaufnahme
eines Energie absorbierenden Elements, z. B. eines Leistungswiderstands
basierend oder umfassend mindestens ein phasenzustandsveränderndes
Material (PCM). Die Graphen 201, 202 sind jeweils beispielhaft
ab einer Umgebungstemperatur (bis zu einer Grenztemperatur im Falle
des Graphen 201) eingezeichnet. Es ist erkennbar, dass
der Leistungswiderwiderstand gemäß Graph 202 in
einem Bereich 203 Energie absorbiert ohne sich dabei zu
erwärmen.
Durch Vergleich der Graphen 201 und 202 ist weiterhin
ersichtlich, dass das Energie absorbierende Element gemäß Graph 202 deutlich
mehr Energie absorbieren kann ohne dabei die Grenztemperatur des
Leistungswiderstands gemäß Graph 201 zu
erreichen.
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3 zeigt
ein Schaltungsbeispiel für
eine Anwendung eines elektrothermischen Absorbers 302 auf
Basis eines Graphit-Salz-Verbundes an einem elektrischen Speicher 301.
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Der
elektrische Speicher 301 umfasst schematisch eine Reihenschaltung
aus einem Kondensator C und einem Widerstand RESR,
wobei der Widerstand RESR einerseits über einen
sicherheitsgerichteten Schalter S mit dem elektrothermischen, Absorber 302 und
andererseits mit einer Steuerung 303 verbunden ist.
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Der
elektrothermische Absorber 302 umfasst einen Graphit-Salz-Verbund,
dargestellt in Form einer Parallelschaltung aus einem Widerstand
RGraphit und einem veränderbaren Widerstand RSalz. Die eine Seite des elektrothermischen
Absorbers 302 ist mit dem sicherheitsgerichteten Schalter
S verbunden und die andere Seite ist mit dem elektrischen Speicher 301 und
mit der Steuerung 303 verbunden.
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Durch
geeignete Wahl des Salzes kann die Zeitkonstante des elektrothermischen
Absorbers 302 eingestellt werden.
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Der
elektrische Speicher 301, der elektrothermische Absorber 302 und
der Schalter S sind schematisch in 3 in Form
einer Speichereinheit 304 zusammengefasst. Die Steuerung 303 kann
z. B. einen Antrieb umfassen oder als Steuerung für einen Antrieb
einsetzbar sein. Allgemein kann die Steuerung 303 auch
einem beliebigen elektrischen Netz entsprechen.
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Die
Anordnung gemäß 3 kann
beispielsweise in einem Fahrzeug, z. B. bei einem elektrifizierten
Fahrzeug (einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, insbesondere mit einem
Hybridantrieb) eingesetzt werden. Der elektrothermische Absorber 302 ist über den
sicherheitsgerichteten Schalter S mit den Hauptklemmen des elektrischen
Speichers 301 sowie der Steuerung 303 verbunden.
Ein sicherer Systemzustand entspricht dabei einer kurzgeschlossenen
elektrischen Quelle bzw. einem kurzgeschlossenen und entladenen
elektrischen Speicher. Entsprechend ist der sicherheitsgerichtete
Schalter S derart ausgeführt,
dass dieser bei Systemstörungen
schließt
und somit der Strompfad geschlossen wird. Dies kann beispielsweise
erreicht werden durch mechanische ”normally closed”-Schalter
(z. B. Schütze,
Relais) oder durch elektronische ”normally-on”-Schalter (Feldeffekttransistoren,
Static Induction Transistoren, bestimmte MOSFET, Bipolartransistoren
und Thyristoren mit Clamping des Steuerkontaktes am Kollektor bzw.
an der Anode). Entsprechende Ansteuerungen für diese Schalter sind bekannt.
Dabei ist der Schalter vorzugsweise so zu bemessen, dass er im sperrenden
Zustand nur geringe Steuer- und Sperrverluste aufweist und im leitenden
Zustand nicht überhitzt. Bei
elektronischen Schaltern kann vorzugsweise eine Montagetechnik eingesetzt
werden, die bei einer Fehlfunktion des Schalters zu einem Kurzschluss führt (z.
B. durch die aus der Thyristortechnik bekannte Presspack-Technologie). Als
Materialien für die
elektronischen Schalter eignen sich alle bekannten Materialien,
insbesondere GaAs- und SiC-Halbleiter. Diese verfügen über gute
Sperr- und Durchlasseigenschaften und eine vorteilhafte Robustheit
bei hoher Einsatztemperatur.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten:
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Auch
kann das Längen-
zu Breitenverhältnis einer
elektrischen Leiterbahn des Energie absorbierenden Elements an einen
Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten Materiales
angepasst werden, um so ein gleichmäßiges Durchwärmen des
Materiales zu unterstützen.
Für Materialien
mit negativem Temperaturkoeffizienten (elektrische Leitfähigkeit
nimmt bei zunehmender Temperatur ab; dies gilt im Allgemeinen für Metalle) sind
kleine Leiterlängen
bei großen
Leiterbreiten und geringen Leiterdicken vorteilhaft. Für Materialien
mit positiven Temperaturkoeffizienten (elektrische Leitfähigkeit
nimmt bei zunehmender Temperatur zu; dies gilt im Allgemeinen für Elektrolyte,
Polymere und bestimmte Legierungen) sind große Leiterlängen und ein gleichförmiger Leiterquerschnitt
(z. B. rund oder quadratisch) vorteilhaft um Orte starker Hitzeentwicklung
(sog. ”Hot
Spots”)
zu vermeiden.
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Ferner
kann die elektrische Leitfähigkeit
des Materials bzw. des Materialverbunds von weiteren Umgebungsbedingungen
(z. B. Spannung, Magnetfeld, Druck, Temperatur) abhängig sein,
um die elektrische Charakteristik an eine spezifische Verwendung
(z. B. als Überspannungsbegrenzer,
Strombegrenzer, Heißleiter
etc.) anzupassen. Heißleiter sind insbesondere
beim Einsatz eines Absorbers zur Entladung von Kondensatoren vorteilhaft,
da während einer
Kondensatorentladung die elektrische Spannung an dem Absorber, sowie
der elektrische Widerstand des Absorbers durch die Erwärmung abnimmt; infolge
wird der Strom-Zeitverlauf vergleichmässigt und die Auslegung des
elektrischen Kreises vereinfacht.
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Beispielsweise
wird ein Heißleiter
durch Kombination eines Trägers
aus Graphit mit Beladung aus einem Salz realisiert: Das Salz ist
unterhalb des Schmelzpunktes ein schlechter elektrischer Leiter. Mit
dem Aufschmelzen des Salzes nimmt dessen elektrische Leitfähigkeit
um mehrere Größenordnungen
zu, wodurch sich ein zum Graphit paralleler Strompfad ergibt. Der
Elektronenleiter Graphit bewirkt dabei, dass die temporäre Polarisation
des Ionenleiters Salz nach kurzer Zeit ausgeglichen und eine bleibende
Entmischung der Schmelze vermieden wird. Für die Beschleunigung des Ladungsausgleiches
kann ein zusätzlicher
Schalter in den Stromkreis eingefügt werden, welcher nach ausreichender Entladung
des elektrischen Energiespeichers das polarisierte Energie absorbierende
Element kurzschließt.
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Auch
kann das Energie absorbierende Element mit einer Kühlung bzw.
mit einer Rückkühleinrichtung
verbunden sein, um eine Wartezeit bis zu einem möglichen Wiedereinsatz zu verkürzen. So
besteht eine Möglichkeit
zur Kühlung
darin, bewegte Luft (Eigen- oder Zwangskonvektion) vorzusehen, die
an der Oberfläche
des Energie absorbierenden Elementes vorbeigeführt wird. Die Wärmeübergabe kann
verbessert werden, indem diese Oberfläche des Energie absorbierenden
Elements vergrößert wird,
z. B. mittels Kühlrippen.
Dabei können
die Kühlrippen
selbst Bestandteil des Energie absorbierenden Elements sein oder
sie können
mit dem Element körperlich
verbunden sein. Für
eine besonders effektive Wärmeübergabe
kann das Energie absorbierende Element mit einem Flüssigkeitskühlkreislauf
verbunden sein, wie er z. B. in Fahrzeugen verwendet wird.
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Insbesondere
ist es von Vorteil, dass der hier vorgestellte Ansatz eine höhere Sicherheit
für Fahrzeugnutzer
und Servicepersonal im Wartungs- und Havariefall gewährleistet.
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Auch
ist es von Vorteil, dass ein deutlich reduziertes Komponentenvolumen
und Komponentengewicht benötigt
werden. So kann beispielsweise für eine
Energiemenge von 500 kJ und eine Leistung von 100 kW ein Absorbervolumen
von ca. 1 Liter genügen,
das Gewicht variiert entsprechend der Dichte des Materials z. B.
zwischen 0,5 kg und 10 kg. Demgegenüber benötigen herkömmliche Absorberelemente gleicher
Leistungsfähigkeit
(z. B. Drahtwiderstände,
Varistoren) ein Volumen von ca. 5 Liter bzw. haben dabei ein Gewicht
von ca. 25 kg.
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Ein
weiterer Vorteil ist es, dass der Ansatz eine kostengünstige und
effiziente Möglichkeit
für die sichere
Entladung der elektrischen Energiespeicher bereitstellt.
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- 101
- Gehäuse
- 102
- Elektrischer
Widerstand mit hoher Enthalpieänderung
in einem Arbeitstemperaturbereich
- 103
- Kontakt
- 104
- Kontakt
- 105
- Anschluss
- 106
- Anschluss
- 201
- Graph:
gebräuchlicher
Leistungswiderstand
- 202
- Graph:
Energie absorbierendes Element
- 203
- Bereich
- 301
- elektrischer
Speicher
- 302
- elektrothermischer
Absorber
- 303
- Steuerung
- 304
- Speichereinheit
- C
- Kondensator
- RESR
- Innenwiderstand
des elektrischen Speichers 301
- S
- sicherheitsgerichteter
Schalter
- RGraphit
- Widerstand
des Graphit-Anteils des Graphit-Salz-Verbunds
- RSalz
- Widerstand
des Salz-Anteils des Graphit-Salz-Verbunds