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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei Speicherzellen, die unmittelbar miteinander in Reihe oder parallel geschaltet sind. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Energiespeichervorrichtung.
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Elektrisch angetriebene Fahrzeuge benötigen zum Antrieb in der Regel einen Energiespeicher mit hohem Energieinhalt. Dies betrifft insbesondere rein elektrische angetriebene Fahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge. Meist werden hier so genannte Hochvolt-Batterien eingesetzt, deren Spannung über 100 V, z. B. bei 400 V liegt. Für derartige Batterien eignen sich insbesondere Lithium-Ionen-Batterien.
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Der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in Fahrzeugen erfordern umfangreiche Maßnahmen zur Gewährleistung der Sicherheit im Fehlerfall oder bei Unfällen. Dennoch könnte es z. B. durch Überladung oder Kurzschluss zu chemischen Reaktion in den einzelnen Zellen von Batterien kommen, die einen so genannten „thermischen Event” mit möglicher Gasentwicklung, Öffnen von Zellen und Abblasen von Gasen zur Folge haben. Durch den dicht gedrängten Aufbau der Fahrzeugbatterien aufgrund des Bauraumproblems können Nachbarzellen durch den thermischen Event einer Zelle in Mitleidenschaft gezogen werden und selbst in Brand geraten.
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Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien enthalten Hardware- und Software-Maßnahmen zur Vermeidung solcher Events. Zu derartigen Maßnahmen zählen beispielsweise die elektronische Überwachung von Zellspannungen und Strömen, Schütze zum Schalten des Stroms oder mindestens eine Sicherung. Die Überladung der Batterien wird so elektronisch durch Hardware und Software verhindert. Dennoch können all diese Maßnahmen beispielsweise durch fehlerhafte oder beschädigte Bauteile oder bei einem Unfall möglicherweise versagen. Softwarefehler sind auch durch umfangreiche Tests nie ganz auszuschließen. Auch die Zellen selbst können durch fehlerhafte Fertigungsprozesse oder extreme Betriebsbedingungen beschädigt werden und so möglicherweise interne Kurzschlüsse und damit thermische Reaktionen verursachen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit dann, eine Energiespeichervorrichtung vorzuschlagen, die im Betrieb sicherer gehandhabt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, Anspruch 4 oder Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird somit bereitgestellt eine Energiespeichervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei Speicherzellen, die nebeneinander angeordnet und unmittelbar miteinander in Reihe oder parallel geschaltet sind, wobei die beiden Speicherzellen durch eine Sicherungseinrichtung elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, und die Sicherungseinrichtung durch vorgegebene Wärme oder vorgegebenen mechanischen Druck trennbar ist, so dass die beiden Speicherzellen im getrennten Zustand der Sicherungseinrichtung elektrisch und mechanisch voneinander getrennt sind.
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In vorteilhafter Weise lässt sich die Sicherungseinrichtung, die zwei benachbarte Speicherzellen der Energiespeichervorrichtung miteinander verbindet, einfach durch Zufuhr einer vorgegebenen Wärmemenge oder durch Beaufschlagen mit einem vorgegebenen mechanischen Druck ohne weitere Maßnahmen automatisch trennen. Entwickelt sich also in einer der Speicherzellen eine bestimmte Wärme, sodass sich die Sicherungseinrichtung auf ein vorbestimmtes Maß erwärmt, so schmilzt sie beispielsweise, sodass ihre Kontakte elektrisch voneinander getrennt sind. Das Gleiche gilt, wenn sich beispielsweise eine oder beide Speicherzellen ausdehnen und hierdurch einen Druck auf die Sicherungseinrichtung ausüben. Die Sicherungseinrichtung ist dann so ausgebildet, dass bei einem vorbestimmten Druck die Kontakte der Sicherungseinrichtung elektrisch getrennt werden. Beispielsweise wird ein Leiterelement der Sicherungseinrichtung mechanisch zertrennt.
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Vorzugsweise besitzt die mindestens eine Speicherzelle einen Ableiter und der Ableiter ist als die Sicherungseinrichtung ausgebildet. Damit dient der Ableiter, der Strom von der Speicherzelle abführt bzw. ihn aufnimmt, zusätzlich als Sicherungseinrichtung. Durch diese doppelte Funktionalität kann auf eine separate Sicherungseinrichtung verzichtet werden.
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Die beiden Speicherzellen können je einen Ableiter aufweisen, und die Sicherungseinrichtung kann dabei elektrisch zwischen die beiden Ableiter geschaltet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Sicherungseinrichtung exakt auf die Bedürfnisse der Sicherungsfunktion ausgerichtet sein kann.
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Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Energiespeichervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei Speicherzellen, die nebeneinander angeordnet und unmittelbar miteinander in Reihe oder parallel geschaltet sind, wobei die beiden Speicherzellen durch eine Isoliereinrichtung thermisch voneinander isoliert sind, und der Wärmewiderstand der Isoliereinrichtung deutlich höher ist als der von Luft.
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In vorteilhafter Weise sind also die beiden Speicherzellen durch eine Isoliereinrichtung thermisch voneinander getrennt, wobei der Wärmewiderstand der Isoliereinrichtung deutlich höher als der von Luft ist, zwischen den Speicherzellen also nicht nur Luft sondern ein effektiverer Isolator vorgesehen ist. Dadurch sind die Speicherzellen thermisch voneinander abgekapselt, sodass die Verlustwärme nicht sofort auf eine benachbarte Zelle übertragen wird. Damit werden intakte Zellen nicht thermisch überfordert.
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Vorzugsweise ist dabei der Wärmewiderstand der Isoliereinrichtung oberhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur deutlich höher als unterhalb. Dies hat den Vorteil, dass unter normalen Betriebsbedingungen, bei denen die Temperatur unterhalb einer bestimmten Betriebstemperatur liegt, ein Wärmeaustausch zwischen den Speicherzellen im gewünschten Maße stattfinden kann. Oberhalb der Grenztemperatur, wenn also eine übliche oder maximale Betriebstemperatur überschritten wird, steigt der Wärmewiderstand deutlich an, sodass die von einer Zelle produzierte Wärme nicht ohne weiteres zur benachbarten Zelle übertragen wird. Jedenfalls der Energieabfluss deutlich gehemmt.
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Obige Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Energiespeichervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei Speicherzellen, die nebeneinander angeordnet und über einen elektrischen Leiter miteinander in Reihe oder parallel geschaltet sind, wobei die beiden Speicherzellen durch ein Verbindungselement mechanisch miteinander verbunden sind, und das Verbindungselement so ausgebildet und angeordnet ist, dass der elektrische Leiter bei einer vorgegebenen Ausdehnung oder Erwärmung einer der Speicherzellen und/oder des Verbindungselements durchtrennt wird, wodurch die beiden Speicherzellen elektrisch voneinander getrennt werden.
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In diesem Fall sind die Speicherzellen durch ein Verbindungselement aneinander gekoppelt. Ein elektrischer Leiter, der die beiden Speicherzellen elektrisch miteinander verbindet, wird dann durch Ausdehnung oder Erwärmung des Verbindungselements durchtrennt. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass unter vorgegebene Umgebungsbedingungen automatisch eine Trennung der Speicherzellen erfolgt, ohne dass zusätzliche spezielle Hardware oder Software nötig wäre.
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Der elektrische Leiter kann ein Ableiter einer der Speicherzellen sein. Damit wirkt das Verbindungselement direkt auf einen Ableiter einer der Speicherzellen ein, sodass kein zusätzlicher Leiter für diese Funktion vorgesehen sein muss.
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Der elektrische Leiter kann auch eine Stromschiene sein, die neben den beiden Speicherzellen noch weitere Speicherzellen der Energiespeichervorrichtung elektrisch miteinander verbindet. Damit kann beispielsweise erreicht werden, dass eine schadhafte Speicherzelle von mehreren Speicherzellen automatisch abgetrennt wird.
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Günstigerweise sind die beiden Speicherzellen Lithium-Ionen-Zellen. Diese zeichnen sich durch ihre Wirtschaftlichkeit und Energiedichte aus.
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Wie oben bereits angedeutet wurde, kann die geschilderte Energiespeichervorrichtung bevorzugt in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, wobei die Energiespeichervorrichtung zur Bereitstellung einer Spannung über 100 V ausgebildet ist. Damit liegt ein besonderes Sicherheitskonzept speziell für so genannte Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterien vor.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch ein Zellmodul mit in Serie geschalteten Zellen;
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2 eine schematische Darstellung zweier Zellmodule, die elektrisch miteinander verbunden sind;
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3 die Zellmodule von 2 mit dazwischen befindlichem Trennelement; und
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4 mehrere Energiespeicherzellen, die über Verbindungselemente miteinander verbunden sind.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug kann als Energiequelle eine Lithium-Ionen-Batterie aufweisen. Derartige Batterien sind häufig modular aufgebaut. 1 zeigt einen Abschnitt eines Moduls im Längsschnitt. Ein Modul besitzt seinerseits mehrere Speicherzellen, die nachfolgend kurz Zellen 1, 2 genannt sind. Auch wenn gemäß 1 eine Batterie bzw. Energiespeichervorrichtung mehrere derartige Zellen 1, 2 aufweist, die nebeneinander angeordnet sind, beschränken sich die nachfolgenden Ausführungen nur auf die beiden in 1 rechts eingezeichneten Zellen 1, 2, die unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. Die Ausführungen gelten aber sinngemäß auch für andere Speicherzellen. Insbesondere lassen sich die Ausführungen auch auf drei und mehr Zellen übertragen.
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Die beiden Zellen 1 und 2 sind nebeneinander angeordnet. Jede dieser Zellen 1, 2 besitzt zwei Pole, von denen jeweils nur einer in 1 dargestellt ist. Die Pole 3, 4 der Zellen 1, 2 sind in der schematischen Ansicht von 4 halsförmig dargestellt. Sie stehen an der Oberseite der entsprechenden Zelle senkrecht ab. An jedem Pol 3, 4 befindet sich jeweils ein Zellableiter 5, 6. Die Zellableiter 5, 6 sind hier um eine Stromschiene 7 gebogen. Die Stromschiene 7 verläuft senkrecht zur Zeichnungsebene und verbindet mehrere Zellen elektrisch miteinander, sodass eine entsprechende Reihen- oder Parallelschaltung von Zellen entsteht.
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Die Stromschiene 7 befindet sich zwischen den Polen 3, 4 der benachbarten Zellen 1 und 2, und sie besitzt hier einen rechteckigen Querschnitt. Der aus dem Pol 4 der Zelle 2 herausragende Zellableiter 6 ist unmittelbar auf die Oberfläche der Stromschiene 7 gebogen und dort befestigt, wodurch beide elektrisch miteinander verbunden sind. Der aus dem Pol 3 der Zelle 1 herausragende Stromableiter 5 hingegen ist um 90° hin zu dem Pol 4 bzw. dem Stromableiter 6 gebogen und liegt auf letzterem auf. Dadurch entsteht wiederum elektrischer Kontakt über den Stromableiter 6 zu der Stromschiene 7.
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Einer der Zellableiter 5, 6 oder auch beide sind gezielt mit einer Schwachstelle versehen. An einer solchen Schwachstelle (in 1 nicht dargestellt) ist der Querschnitt geringer als in benachbarten Abschnitten, dadurch ist der Stromableiter an der Schwachstelle mechanisch weniger fest, und der elektrische Widerstand erhöht sich an dieser Stelle. Dadurch erhält der Ableiter an dieser Stelle in etwa den Aufbau und die Funktion einer Schmelzsicherung.
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Wird der durch die Schwachstelle fließende Strom nämlich zu hoch, schmilzt das Material an der Schwachstelle, und die elektrische Verbindung wird unterbrochen. Die Schwachstelle kann aber auch durch äußere thermische Einwirkung angeschmolzen und durchtrennt werden, wenn beispielsweise eine chemische Reaktion in einer der Zellen die entsprechende Wärmeenergie liefert. Somit kann durch die Funktion des Zellableiters bzw. der Zellableiter als elektrische oder thermische Sicherung im Fehlerfall der Stromkreis unterbrochen werden.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dort sind zwei Zellmodule 8, 9 mittels einer Sicherung 10 elektrisch miteinander verbunden. Jedes der Zellmodule 8, 9 weist üblicherweise mehrere in 2 nicht sichtbare Speicherzellen auf. Gegebenenfalls kann ein Zellmodul aber auch nur eine einzige Speicherzelle aufweisen.
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Die Sicherung 10 stellt hier ein Kontaktierungselement zwischen den Zellmodulen 8 und 9 dar. Um bei einem Unfall oder bei einem Fehler der Zellen bzw. des Moduls den Stromkreis zu unterbrechen, ist die Sicherung als mechanisch/thermische Sicherung, z. B. Schmelzsicherung, ausgeführt. Somit ist die Trennung der Sicherung sowohl bei Überschreiten einer vorgegebenen Höhe des Stroms als auch bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur vorgesehen. Brennt beispielsweise eine der Zellen, so bewirkt die dabei entstehende Wärme, dass die Sicherung schmilzt (Brandsicherung) und es kann so vermieden werden, dass die fehlerhafte Reaktion der brennenden Zelle bzw. des brennenden Moduls auf die Nachbarzelle oder das Nachbarmodul übergreift.
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3 gibt ein Ausführungsbeispiel wieder, das einer Weiterentwicklung von demjenigen von 2 entspricht. Zwischen den Zellmodulen 8, 9 befindet sich eine Isoliereinrichtung 11 aus einem thermisch isolierenden Werkstoff. Die Isoliereinrichtung 11 stellt hier ein beispielsweise plattenförmiges Trennelement dar. Über einer vorgegebenen Grenztemperatur wird die Isoliereinrichtung 11 selbst-isolierend. Dies bedeutet, dass der Wärmewiderstand temperaturabhängig ist und oberhalb der Grenztemperatur deutlich höher ist als unterhalb. Damit kann bei einer höheren Temperatur weniger Energie über die Isoliereinrichtung bzw. das Trennelement übertragen werden. Somit kann sich eine thermische Reaktion einer der Zellen bzw. Zellmodule nicht ohne weiteres zu einer Nachbarzelle bzw. einem Nachbarmodul ausbreiten. Durch den Übergang zur Selbstisolation wird so eine Einkapselung des Zellmoduls bzw. der Zelle bewirkt, in der/dem die thermische Reaktion stattfindet.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 4 schematisch wiedergegeben. Dort sind mehrere Speicherzellen 12, 13, 14 und 15 angedeutet. Jede dieser Zellen ist über einen jeweiligen Zellableiter 16 mit einer Stromschiene 17 verbunden. Zwischen jeweils zwei der Zellen 12 bis 15 befindet sich ein Verbindungselement 18, 19. Der Übersicht halber ist auf die Darstellung eines Verbindungselements zwischen den Zellen 14 und 15 verzichtet.
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Aufgrund einer chemischen bzw. thermischen Reaktion in einer der Zellen, beispielsweise in Zelle 13, kann sich diese ausdehnen. Dies ist durch die Pfeile 20 in 4 angedeutet. Die Verbindungselemente 18, 19 übertragen die entsprechenden Bewegungen bzw. Kräfte beispielsweise auf die Stromschiene 17. Diese kann so ausgebildet sein, dass sie bei solchen Bewegungen bzw. Kräften reißt und damit der entsprechende Stromkreis unterbrochen wird.
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Alternativ oder zusätzlich können die Verbindungselemente 18, 19 auch so ausgebildet sein, dass sie einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Erhöht sich dann ihre Temperatur beispielsweise aufgrund der Erwärmung der dazwischen liegenden Zelle 13, so führt die Wärmeausdehnung wiederum zu mechanischen Spannungen an der Stromschiene 17 oder aber auch an den Stromableitern 16. Die elektrischen Leiter 16, 17 können hierdurch wieder unterbrochen werden. Die Verbindungselemente 18, 19 und die Stromschiene 17 bzw. die Stromableiter 16 sind dabei geometrisch und mechanisch so auszulegen, dass bei der festgelegten Temperatur der Speicherzelle 13 automatisch aufgrund der physikalischen Gegebenheiten der Stromkreis unterbrochen wird. Es bedarf daher keiner fehleranfälligen Hardware oder Software, um die Stromkreisunterbrechung zu bewirken. Die Stromkreisunterbrechung bewirkt auch hier wieder, dass die unerwünschte Reaktion in der fehlerhaften Zelle sich nicht weiter ausbreitet oder gar zum Erlöschen kommt. Auch so kann eine Einkapselung der betroffenen Zelle bewirkt werden. Die Unterbrechung des Stromkreises verhindert also, dass weitere Elemente wie Zellen oder elektronische Bauelemente durch zu hohe Ströme geschädigt werden. Möglicherweise wird sogar die chemisch/thermische Reaktion im Entstehungsprozess eingedämmt und kommt von selbst zum Erlöschen. Zumindest besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die Auswirkungen wenigstens auf ein Zellmodul bzw. eine Zelle beschränkt bleiben. Auch die thermische Isolierung der Zellmodule voneinander soll das Übergreifen und Ausbreiten der Reaktion auf Nachbarzellen und Module verhindern.
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Die zusätzliche Maßnahme der mechanischen Trennung von Ableitern und Stromschienen durch den in der Zelle entstehenden Druck, vorzugsweise bei so genannten Pouch-Zellen, unterbricht den Stromfluss und damit eine wesentliche Quelle für das weitere Anheizen und Ausbreiten der chemischen Reaktion.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- Zellen
- 3, 4
- Pole
- 5, 6
- Zellableiter
- 7
- Stromschiene
- 8, 9
- Zellmodule
- 10
- Sicherung
- 11
- Isoliereinrichtung
- 12, 13, 14, 15
- Speicherzellen
- 16
- Zellableiter
- 17
- Stromschiene
- 18, 19
- Verbindungselement
- 20
- Pfeile
