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Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend mehrere miteinander elektrisch verbundene, elektrische Energie speichernde Energiespeicher.
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Es ist bekannt, dass in modernen Kraftfahrzeugen Energiespeicheranordnungen mit mehreren, in Serie oder insbesondere parallel geschalteten, wiederaufladbaren, auch als Zellen zu bezeichnenden Energiespeichern vorgesehen sind. Die in der Energiespeicheranordnung respektive den dieser zugehörigen Energiespeichern enthaltene elektrische Energie kann unterschiedlichen elektrische Energie verbrauchenden Verbrauchern, wie z. B. Fahrerassistenzsystemen, Multimediaeinrichtungen, Beleuchtungseinrichtungen, aber auch einem als elektrische Maschine ausgebildeten Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs, zur Verfügung gestellt werden, um diese zu betreiben.
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Dabei ist regelmäßig die im Betrieb einer solchen Energiespeicheranordnung entstehende Wärme abzuführen, d. h. die Energiespeicheranordnung hinreichend zu kühlen, um diese vor thermisch bedingten Beschädigungen zu schützen und so einen Betrieb über ihre Lebenszeit, welche z. B. auf 10 Jahre ausgelegt sein kann, sicherzustellen.
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Problematisch bei entsprechenden Energiespeicheranordnungen ist weiterhin die Gefahr des so genannten „thermischen Durchgehens” eines oder mehrerer Energiespeicher, worunter im Allgemeinen betriebsbedingte Überhitzungen zu verstehen sind, welche insbesondere deshalb zu verhindern sind, da die die Energiespeicheranordnung bildenden Energiespeicher aufgrund deren chemischer Zusammensetzung in der Regel gut brennbar sind, was in Ausnahmen sogar zu einer Brandentwicklung innerhalb einer Energiespeicheranordnung führen kann.
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Mithin besteht ein Bedarf, entsprechende Energiespeicheranordnung im Falle eines unerwünschten Erwärmens bzw. eines thermischen Durchgehens wenigstens eines der dieser zugehörigen Energiespeicher vor thermisch bedingten Beschädigungen zu schützen.
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Der Erfindung liegt insofern das Problem zugrunde, eine, insbesondere im Hinblick auf einen Schutz vor bedingt durch ein thermisches Durchgehen wenigstens eines Energiespeichers auftretenden Beschädigungen, verbesserte Energiespeicheranordnung anzugeben.
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Das Problem wird erfindungsgemäß durch eine Energiespeicheranordnung der eingangs genannten Art gelöst, welche sich dadurch auszeichnet, dass sie wenigstens eine wenigstens zwei benachbart angeordnete Energiespeicher thermisch voneinander isolierende thermische Isolationseinrichtung und wenigstens eine wenigstens einen Energiespeicher kühlende Kühleinrichtung aufweist.
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Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung ist sonach mit zwei ihrer Funktion nach unterschiedlichen Einrichtungen zum Schutze vor im Falle eines thermischen Durchgehens bzw. Überhitzens wenigstens eines der diese bildenden Energiespeicher möglicherweise auftretenden thermischen Beschädigungen ausgestattet.
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Einerseits weist die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung hierfür wenigstens eine thermische Isolationseinrichtung auf, welche eine thermische Isolierung einzelner oder mehrerer zu Gruppen zusammengefasster, beispielsweise basierend auf Lithium oder Lithiumverbindungen gebildeter Energiespeicher ermöglicht. Mithin ist es möglich, benachbart angeordnete Energiespeicher durch die Zwischenschaltung wenigstens einer thermischen Isolationseinrichtung voneinander thermisch zu isolieren bzw. zu entkoppeln, so dass im Falle einer unerwünschten Überhitzung wie im Falle eines thermischen Durchgehens eines oder mehrerer Energiespeicher die von diesem bzw. diesen ausgehende Wärme nicht auf weitere Energiespeicher übertragen werden kann, da Letztere von dem oder den sich überhitzenden oder überhitzten Energiespeichern durch entsprechende thermische Isolationseinrichtungen im Sinne einer thermischen Barriere thermisch abgeschirmt werden. Demzufolge wirkt sich durch den Einsatz entsprechender thermischer Isolationseinrichtungen die z. B. aufgrund des thermischen Durchgehens erfolgende Überhitzung eines oder mehrerer Energiespeicher nicht oder nur geringfügig auf die übrigen Energiespeicher der Energiespeicheranordnung aus.
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Andererseits weist die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung zusätzlich wenigstens eine Kühleinrichtung auf, welche, insbesondere im Falle eines thermischen Durchgehens bzw. einer Überhitzung wenigstens eines der die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung bildenden Energiespeicher, eine Kühlung wenigstens eines Energiespeichers ermöglicht und so eine Wärmeabfuhr wenigstens aus dem sich überhitzenden oder überhitzten Energiespeicher sowie gegebenenfalls zu diesem benachbart angeordneten weiteren Energiespeichern und somit der Energiespeicheranordnung insgesamt bewirkt. Die Kühleinrichtung stellt insbesondere sicher, dass die im normalen Betrieb der Energiespeicheranordnung entstehende Wärme abgeführt wird und gewährleistet sonach die ordnungsgemäße und sichere Nutzung der Energiespeicheranordnung über ihre vorgesehene Lebenszeit, welche in der Regel mindestens zehn Jahre beträgt.
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Die thermische Isolationseinrichtung ist insbesondere zwischen zwei unmittelbar benachbart angeordneten Energiespeichern angeordnet und sorgt so insbesondere für eine thermische Entkopplung der an diese angrenzend angeordneten Energiespeicher. Die Kühleinrichtung ist ebenso insbesondere zwischen zwei unmittelbar benachbart angeordneten Energiespeichern angeordnet und sorgt insbesondere für eine Kühlung der bzw. Wärmeabfuhr aus den an diese angrenzend angeordneten Energiespeichern. Es ist denkbar, dass zwischen zwei unmittelbar benachbart angeordneten Energiespeichern sowohl wenigstens eine thermische Isolationseinrichtung als auch wenigstens eine Kühleinrichtung angeordnet ist.
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Im Allgemeinen kann die Anordnung von thermischen Isolationseinrichtungen bzw. Kühleinrichtungen bezogen auf eine bestimmte Anzahl an die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung bildenden Energiespeichern regelmäßig oder unregelmäßig sein. Mit anderen Worten kann die Abfolge von zwischen entsprechenden Energiespeichern angeordneten thermischen Isolationseinrichtungen und/oder Kühleinrichtungen regelmäßig, wie z. B. im Falle wenigstens einer zwischen jedem zweiten, dritten, vierten etc. Energiespeicher angeordneten thermischen Isolationseinrichtung und/oder Kühleinrichtung, oder unregelmäßig, d. h. keiner bestimmten Reihenfolge oder Ordnung folgend sein.
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In Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass wenigstens zwei unmittelbar benachbart angeordnete Energiespeicher zu einer Energiespeichergruppe zusammengefasst sind, welche Energiespeichergruppe wenigstens eine thermische Isolationseinrichtung und wenigstens eine Kühleinrichtung umfasst. Die sonach wenigstens zwei unmittelbar benachbart angeordneten bzw. aneinander angrenzend angeordneten Energiespeicher können dabei an ihren jeweiligen gegenüber liegenden Flächen bzw. Wänden mit wenigstens einer Kühleinrichtung und an ihren nach Außenflächen bzw. Außenwänden, d. h. an den Flächen bzw. Wänden der Energiespeicher, an denen bei separater Betrachtung der Energiespeichergruppe kein weiterer Energiespeicher anschließt, mit wenigstens einer thermischen Isolationseinrichtung ausgestattet sein. Mithin bildet die wenigstens eine thermische Isolationseinrichtung die Möglichkeit einer thermischen Abschirmung bzw. Entkopplung der zu einer Energiespeichergruppe zusammengefassten wenigstens zwei Energiespeicher zumindest nach einer, gegebenenfalls, d. h. im Falle einer entsprechenden Anordnung wenigstens zweier thermischer Isolationseinrichtungen, nach zwei Seiten und somit gegenüber wenigstens einem weiteren zu diesen benachbart angeordneten bzw. an diese angrenzend angeordneten Energiespeicher bzw. gegenüber wenigstens einer weiteren zu diesen benachbart angeordneten bzw. an diese angrenzend angeordneten Energiespeichergruppe.
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Grundsätzlich kann eine entsprechende Energiespeichergruppe auch mehr als zwei unmittelbar benachbart angeordnete bzw. aneinander angrenzend angeordnete Energiespeicher umfassen. Für sämtliche Konfigurationen an Energiespeichergruppen ist es im Allgemeinen möglich, diese über die Anordnung von thermische Isolationseinrichtungen nach außen thermisch zu isolieren, d. h. von zu diesen benachbart angeordneten Energiespeichern bzw. Energiespeichergruppen respektive an diese angrenzend angeordneten Energiespeichern bzw. Energiespeichergruppen thermisch abzuschirmen oder thermisch zu entkoppeln. Es ist also möglich, über den Zusammenschluss einer bestimmten Anzahl an Energiespeichern definierte Energiespeichergruppen zu bilden.
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Geht man von einer beispielhaften Energiespeichergruppe aus zwei unmittelbar benachbart angeordneten Energiespeichern aus, ist es bevorzugt, dass wenigstens eine Kühleinrichtung zwischen den beiden Energiespeichern angeordnet ist und wenigstens eine thermische Isolationseinrichtung an einer freiliegenden Außenfläche bzw. Außenwand eines der beiden Energiespeicher der Energiespeichergruppe angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist eine entsprechende Energiespeichergruppe, indem an nur einer Außenfläche bzw. Außenwand nur eines der die Energiespeichergruppe bildenden Energiespeicher wenigstens eine thermische Isolationseinrichtung angeordnet ist, nur nach einer Seite thermisch abgeschirmt. Diese Ausführungsform ist zweckmäßig, wenn man entsprechend konfigurierte Energiespeichergruppen derart anordnet bzw. aneinander reiht, dass die mit wenigstens einer thermischen Isolationseinrichtung versehene Außenfläche bzw. Außenwand eines Energiespeichers einer ersten Energiespeichergruppe unmittelbar benachbart bzw. unmittelbar angrenzend an einer freiliegenden Außenfläche, an welcher keine thermische Isolationseinrichtung angeordnet ist, eines Energiespeichers einer weiteren Energiespeichergruppe anliegt, wodurch die erste Energiespeichergruppe von der weiteren Energiespeichergruppe thermisch abschirmt bzw. entkoppelt ist. Die etwaige Anordnung zusätzlicher Energiespeichergruppen erfolgt zweckmäßig nach demselben Prinzip. Die zwischen den beiden die Energiespeichergruppe bildenden Energiespeichern angeordnete wenigstens eine Kühleinrichtung sorgt für eine Kühlung der Energiespeichergruppe.
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Alternativ ist es in diesem Zusammenhang, d. h. ausgehend von einer beispielhaften Energiespeichergruppe aus zwei unmittelbar benachbart angeordneten Energiespeichern, möglich, dass wenigstens eine Kühleinrichtung zwischen den beiden Energiespeichern angeordnet ist und jeweils wenigstens eine thermische Isolationseinrichtung an den Außenflächen der beiden Energiespeicher der Energiespeichergruppe angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist eine entsprechenden Energiespeichergruppe, indem an den jeweiligen Außenflächen bzw. Außenwänden der beiden die Energiespeichergruppe bildenden Energiespeicher jeweils wenigstens eine thermische Isolationseinrichtung angeordnet ist, nach zwei Seiten thermisch abgeschirmt. Gleichermaßen ist es denkbar, entsprechend konfigurierte Energiespeichergruppen aufeinander folgend aneinander zu reihen, um derart die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung zu bilden. Auch hier sorgt die zwischen den beiden die Energiespeichergruppe bildenden Energiespeichern angeordnete wenigstens eine Kühleinrichtung für eine Kühlung der Energiespeichergruppe.
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In allen Fällen ist eine elektrische Verbindung bzw. Verschaltung, welche insbesondere über eine Parallelschaltung erfolgt, sowohl der eine entsprechende Energiespeichergruppe bildenden Energiespeicher als auch zwischen entsprechenden Energiespeichergruppen ohne Weiteres möglich, d. h. die Integration thermischer Isolationseinrichtungen und Kühleinrichtungen hindert die elektrische Verbindung der Energiespeicher bzw. Energiespeichergruppen untereinander nicht.
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Die thermische Isolationseinrichtung ist vorteilhaft aus wenigstens einem nicht brennbaren Material gebildet oder umfasst wenigstens ein nicht brennbares Material. Unter nicht brennbaren Materialien sind insbesondere so genannte feuerfeste Materialien zu verstehen, welche ohne thermisch bedingte Beschädigungen zu erfahren für den Einsatz bei hohen Temperaturen z. B. oberhalb 300–500°C geeignet sind. Die die thermische Isolationseinrichtung bildenden oder von dieser umfassten nicht brennbaren Materialien sind nicht oder schlecht wärmeleitfähig, d. h. weisen geringe Wärmeleitzahlen auf, was die thermische Isolierung respektive thermische Abschirmung einzelner oder mehrerer Energiespeicher voneinander ermöglicht und somit einen Wärmeübertrag zwischen diesen verhindert oder zumindest erheblich erschwert.
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Unter einem nicht brennbaren Material ist gegebenenfalls auch ein nur schwer brennbares bzw. schwer entzündbares Material zu verstehen. Entsprechende nicht brennbare Materialien sind vorteilhaft solche, die einen vergleichsweise hohen Schmelzpunkt aufweisen und ihre thermisch isolierende Wirkung auch bei Brandtemperaturen wenigstens eines Energiespeichers nicht verlieren.
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Das die thermische Isolationseinrichtung bildende oder von dieser umfasste nicht brennbare Material kann z. B. als einzelne, insbesondere kugelförmige Teilchen oder Partikel vorliegen oder aus diesen gebildet sein oder als Pulver vorliegen oder aus einem Pulver gebildet sein.
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Die thermische Isolationseinrichtung kann selbst aus einem nicht brennbaren Material gebildet sein, d. h. aus diesem bestehen oder ein solches, etwa angeordnet in einem Gehäusekörper oder dergleichen umfassen. Die Eigenschaften der thermischen Isolationseinrichtung, d. h. des nicht brennbaren Materials werden hiervon nicht beeinflusst, d. h. diese stellen in beiden Fällen eine hinreichend gute thermische Isolation entsprechender die Energiespeicheranordnung bildender Energiespeicher voneinander sicher.
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Das nicht brennbare Material ist beispielsweise ein keramisches Material und somit ein so genannter nichtmetallisch-anorganischer Werkstoff. Keramische Materialien zeichnen sich durch hohe Temperaturbeständigkeit und insbesondere schlechte Wärmeleitfähigkeit, d. h. eine vergleichsweise niedrige Wärmeleitzahl aus, weshalb diese für den Einsatz in oder als thermische Isolationseinrichtung hervorragend geeignet sind.
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Als keramisches Material kommt vorteilhaft wenigstens ein Material aus der Gruppe: oxidische Aluminiumverbindung(en), insbesondere Aluminiumoxid (Al2O3), oxidische Siliziumverbindung(en), insbesondere Siliziumoxid (SiO2), oxidische Magnesiumverbindung(en), insbesondere Magnesiumoxid (MgO), oxidische Kalziumverbindung(en), insbesondere Kalziumoxid (CaO), oxidische Zirkoniumverbindung(en), insbesondere Zirkoniumoxid (ZrO), oxidische Chromverbindung(en), insbesondere Chromoxid (CrO), Mischoxid(e) aus Aluminium, Silizium, Magnesium, Kalzium, Zirkonium, Chrom, sowie Karbid(e) bzw. Karbidverbindungen und Nitrid(e) bzw. Nitridverbindungen in Frage. Bei den meisten genannten keramischen Materialien handelt es sich im Wesentlichen um metalloxidische Verbindungen, welche auch bei erhöhten Temperaturen nicht thermisch beschädigt werden, entflammbar oder brennbar und insbesondere schlecht thermisch leitfähig sind. Die in vorstehender nicht abschließender Aufzählung genannten keramischen Materialien können gemischt werden.
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Es ist ferner denkbar, dass das die thermische Isolationseinrichtung bildende oder von dieser umfasste nicht brennbare Material aus einem Fasermaterial aus nicht brennbaren bzw. feuerfesten Fasern gebildet ist. Hier kommen insbesondere vlies- oder gewebeartige, textile Flächengebilde aus keramischen Materialien in Frage, welche, gegebenenfalls angeordnet in einem Gehäusekörper oder einer sonstigen Umhüllung, zwischen einzelnen Energiespeichern anordenbar bzw. angeordnet sind. Als entsprechende Fasern können Glasfasern oder oxidische oder nicht-oxidische keramische Fasern, wie z. B. Aluminiumoxidfasern, eingesetzt werden.
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Das die thermische Isolationseinrichtung bildende oder von dieser umfasste nicht brennbare Material kann eine gewisse Porosität aufweisen. Die Porosität liegt insbesondere im Bereich von 10 bis 90%, bevorzugt von 40 bis 60%, besonders bevorzugt oberhalb 60%.
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Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, sämtliche vorgenannten Ausführungsformen der thermischen Isolationseinrichtung miteinander zu kombinieren, d. h. die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung mit in Art und Aufbau unterschiedlichen Ausführungsformen von thermischen Isolationseinrichtungen auszustatten.
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Die konstruktive Gestaltung der thermischen Isolationseinrichtung wie auch der Kühleinrichtung ist im Allgemeinen individuell an die jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten der Energiespeicheranordnung, d. h. insbesondere den konstruktiven Gegebenheiten der diese bildenden Energiespeicher respektive der zwischen diesen vorzusehenden, als Aufnahmeräume für die thermische(n) Isolationseinrichtung(en) und Kühleinrichtung(en) dienenden Zwischenräume angepasst bzw. auf diese abgestimmt. Durch die konstruktive Anpassung der geometrischen bzw. räumlich-körperlichen Abmessungen der thermischen Isolationseinrichtung(en) und der Kühleinrichtung(en) an die Energiespeicheranordnung kann deren Aufbau im Wesentlichen unverändert bleiben, insbesondere ergeben sich für die Energiespeicheranordnung kaum zusätzliche, auf das Erfordernis zusätzlichen Bauraums zurückzuführende konstruktive Änderungen.
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Eine entsprechenden Kühleinrichtung ist zweckmäßig als aus einem thermisch gut leitfähigen, insbesondere metallischen, Material gebildetes und/oder von einem Kühlmittel durchströmbares Bauteil ausgebildet. Durch die Ausbildung der Kühleinrichtung aus einem thermisch gut leitfähigen Material, insbesondere einem thermisch gut leitfähigen metallischen Material, wie z. B. Aluminium, Magnesium, Stahl (Stahlblech) oder Kupfer, stellt dieses eine Wärmeabfuhr aus dem oder den sich im Falle eines thermischen Durchgehens erhitzenden Energiespeicher(n) sicher, was zu einer Kühlwirkung führt. Die Kühleinrichtung kann mit Wärme abführenden Strukturen, wie z. B. Kühlfinnen oder dergleichen, versehen sein. Die gegebenenfalls zusätzliche Einbringung von wenigstens einem Kühlkanal in die Kühleinrichtung, welche dazu führt, dass die Kühleinrichtung von einem fluiden Kühlmedium, wie z. B. Wasser oder Luft, durchströmbar ist, erlaubt ebenso eine Wärmeabfuhr aus dem oder den sich im Falle eines thermischen Durchgehens erhitzenden Energiespeicher(n) und stellt somit eine gewisse Kühlwirkung sicher. Selbstverständlich umfasst eine Kühleinrichtung in diesem Falle geeignete Anschlussmittel zum Anschluss an wenigstens eine wenigstens ein Kühlmittel bereitstellende Kühlmittelvorhaltung. Als Kühlmittel kommt neben Wasser und Luft beispielsweise auch Glykol, Kältegas, Öl oder eine Mischung der Genannten in Frage.
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Bevorzugt handelt es sich bei einer thermischen Isolationseinrichtung wie insbesondere auch bei einer Kühleinrichtung jeweils um ein plattenförmiges Bauelement, welches zwischen zwei unmittelbar benachbart angeordneten Energiespeichern anordenbar bzw. angeordnet ist. Als plattenförmige Bauelemente vorliegende thermische Isolationseinrichtungen oder Kühleinrichtungen sind gut geeignet, ohne größeren Aufwand in eine Energiespeicheranordnung integriert zu werden, da die die Energiespeicheranordnung bildenden Energiespeicher in der Regel ebenso als plattenförmige Bauelemente vorliegen und die Energiespeicheranordnung so aus einzelnen benachbart angeordneten bzw. aneinander gereihten plattenförmigen Bauelementen, d. h. plattenförmigen Energiespeichern, zwischen welchen plattenförmige thermische Isolationseinrichtungen und plattenförmige Kühleinrichtungen angeordnet sind, modulartig aufgebaut werden kann.
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Die Dicke der, insbesondere als plattenförmiges Bauelement ausgebildeten, thermischen Isolationseinrichtung wie auch der, insbesondere als plattenförmiges Bauelement ausgebildeten, Kühleinrichtung liegt jeweils beispielsweise im Bereich von 1 bis 25 mm, bevorzugt von 1 bis 10 mm, besonders bevorzugt unterhalb 5 mm. Mithin liegt die thermische Isolationseinrichtung sowie gegebenenfalls auch die Kühleinrichtung je als ein wenig Bauraum beanspruchende Bauelemente vor, welche ohne Weiteres zwischen den Energiespeichern der Energiespeicheranordnung angeordnet werden können respektive zwischen den Energiespeichern anordbar sind.
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Alternativ oder ergänzend kann die oder eine thermische Isolationseinrichtung als ein hohlzylindrisches Bauelement, welches zur Aufnahme wenigstens eines zylindrisch ausgebildeten Energiespeichers ausgebildet ist, ausgebildet sein. Diese geometrische Ausführungsform der thermische Isolationseinrichtung ist insbesondere in Fällen, in denen die die Energiespeicheranordnung zylindrische Energiespeicher, wie z. B. als 18650- oder 26650-Zellen bezeichnete zylindrische Energiespeicher mit einem Durchmesser von 18 bzw. 26 mm und einer Länge von 650 mm, umfasst vorteilhaft, da die zylindrischen Energiespeicher in dem durch die hohlzylindrische Form der thermischen Isolationseinrichtung begrenzten Innenvolumen anordbar sind. Mithin kann die hohlzylindrisch ausgebildete thermische Isolationseinrichtung einen oder gegebenenfalls mehrere, insbesondere axial übereinander angeordnete, zylindrische Energiespeicher aufnehmen. Selbstverständlich sind die konkreten geometrischen Abmessungen der als hohlzylindrisches Bauelement ausgebildeten thermischen Isolationseinrichtung, d. h. insbesondere des durch diese begrenzten Innenvolumens, an die geometrischen Abmessungen des oder der zylindrischen Energiespeicher angepasst, so dass insbesondere der Außendurchmesser der Energiespeicher an den Innendurchmesser der hohlzylindrischen thermischen Isolationseinrichtung angepasst ist.
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Die thermische Isolationseinrichtung muss nicht zwangsläufig als komplett hohlzylindrisches Bauelement vorliegen, sondern kann auch nur abschnittsweise hohlzylindrisch ausgebildet sein, d. h. das durch diese begrenzte Innenvolumen muss die thermische Isolationseinrichtung bezüglich ihrer Längsachse nicht vollständig durchsetzen. In jedem Fall bietet das durch den hohlzylindrischen Abschnitt der thermische Isolationseinrichtung begrenzte Innenvolumen jedoch einen Aufnahmeraum zur Aufnahme wenigstens eines zylindrischen Energiespeichers.
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Grundsätzlich sind in diesem Zusammenhang auch andere geometrische Formen der thermischen Isolationseinrichtung vorstellbar, welche wenigstens einen begrenzten Aufnahmeraum zur Aufnahme wenigstens eines Energiespeichers aufweisen. Insbesondere ist es derart möglich, als Pouch-Zellen ausgebildete Energiespeicher in einen entsprechenden Aufnahmeraum der thermischen Isolationseinrichtung einzusetzen.
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Eine thermische Isolationseinrichtung und/oder eine Kühleinrichtung kann unlösbar oder lösbar mit wenigstens einem Energiespeicher und/oder einem der Energiespeicheranordnung zugehörigen, insbesondere wenigstens einen Energiespeicher aufnehmenden, Gehäusekörper verbunden sein. Beide Varianten haben bestimmte Vorteile, so ermöglicht eine unlösbare Verbindung einer thermischen Isolationseinrichtung und/oder einer Kühleinrichtung mit einem oder mehreren Energiespeichern z. B. eine besonders (positions)stabile Anordnung bzw. Anbringung der thermischen Isolationseinrichtung und/oder der Kühleinrichtung an dem wenigstens einen Energiespeicher oder dem Gehäusekörper. Eine lösbare Verbindung einer thermischen Isolationseinrichtung und/oder einer Kühleinrichtung mit einem oder mehreren Energiespeichern oder einem entsprechenden Gehäusekörper hat dahingegen z. B. Vorteile im Hinblick auf einen leichten Austausch von Energiespeichern und/oder thermischen Isolationseinrichtungen und/oder Kühleinrichtungen, welcher etwa im Falle von Reparaturtätigkeiten oder dergleichen notwendig sein kann. Insbesondere ergibt sich derart gegebenenfalls auch die Möglichkeit eines Nachrüstens einer Energiespeicheranordnung mit entsprechenden thermischen Isolationseinrichtungen und/oder Kühleinrichtungen.
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Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung ist vorteilhaft als eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Die Hochvoltbatterie weist typischerweise eine Betriebsspannung im Bereich von 60–1000 Volt, insbesondere oberhalb 150 Volt, auf und kann sonach insbesondere als so genannte Traktionsbatterie eines als Elektro- oder Hybridkraftfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs dienen. Mithin dient die Energiespeicheranordnung vornehmlich der Versorgung einer als Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs dienenden elektrischen Maschine mit elektrischer Energie.
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Insbesondere kann die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung als 12 Volt-Batterie oder 48 Volt-Batterie, insbesondere als Teil eines Spannungs- oder Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet sein. Dabei ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung als, insbesondere aus auf Lithium basierenden Energiespeichern gebildete Starterbatterie in 12 Volt oder 48 bzw. 60 Volt Spannungsnetzen bzw. Bordnetzen eines Kraftfahrzeugs denkbar.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrokraftfahrzeug oder ein Hybridkraftfahrzeug, welches wenigstens eine wie vorstehend beschriebene Energiespeicheranordnung umfasst.
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Zu der von dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug umfassten Energiespeicheranordnung gelten sonach sämtliche Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung analog.
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Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung auch in außerhalb des Bereichs der Kraftfahrzeugtechnik liegenden technischen Anwendungen Verwendung finden. Hierzu zählt insbesondere die Verwendung der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung als Pufferbatterie, welche im Falle des Ausfalls oder der Einschränkung einer elektrischen Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Energie verbrauchenden Verbrauchers den wenigstens einen elektrische Energie verbrauchenden Verbraucher über einen bestimmten Zeitraum, bevorzugt für den Zeitraum des Ausfalls oder der Einschränkung der elektrischen Energieversorgung, ausreichend mit elektrischer Energie versorgt und so zu einer Stabilisierung des jeweiligen, den wenigstens einen elektrische Energie verbrauchenden Verbraucher aufweisenden elektrischen Netzes bzw. einer unterbrechungsfreien Energieversorgung beiträgt, so dass dieser weiter betrieben oder zumindest ordnungsgemäß abgeschaltet werden kann. Beispielhafte Ausführungsformen entsprechender elektrische Energie verbrauchender Verbraucher sind in nicht abschließender Aufzählung Rechner (Computer), Datenspeicher, medizinische/therapeutische Geräte, wie z. B. Beatmungsanlagen, Einrichtungen zur Energiegewinnung bzw. Energiespeicherung, wie z. B. Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen, etc.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Energiespeicheranordnung als Teil eines Kraftfahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Prinzipdarstellung einer Energiespeichergruppe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine Prinzipdarstellung einer Aneinanderreihung der in 2 gezeigten Energiespeichergruppe;
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4 eine Prinzipdarstellung einer Energiespeichergruppe gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
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5 eine Prinzipdarstellung einer Aneinanderreihung der in 4 gezeigten Energiespeichergruppe;
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Energiespeicheranordnung 1 als Teil eines Kraftfahrzeugs 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die Energiespeicheranordnung 1 ist als Hochvoltbatterie mit einer Betriebsspannung von ca. 150 Volt ausgebildet und dient vornehmlich der Versorgung einer als Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs 2 ausgebildeten elektrischen Maschine (nicht gezeigt) mit elektrischer Energie.
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Die Energiespeicheranordnung 1 ist aus mehreren elektrisch miteinander verbundenen, d. h. parallel geschalteten, elektrische Energie speichernden, wiederaufladbaren Energiespeichern 3 gebildet. Die Energiespeicher 3 sind jeweils z. B. als auf Lithium oder Lithiumverbindungen basierende Energiespeicher ausgebildet und können demnach als Lithiumzellen bezeichnet werden. Ersichtlich sind die Energiespeicher 3 in einem der Energiespeicheranordnung 1 zugehörigen Gehäusekörper 4 aufgenommen.
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Um die Gefahr des unerwünschten Übergangs bzw. der Ausbreitung der insbesondere im Falle eines thermischen Durchgehens bzw. Überhitzens wenigstens eines der Energiespeicher 3 entstehenden Wärme auf weitere, insbesondere zu diesem benachbart angeordnete Energiespeicher 3 zu verhindern bzw. zumindest zu reduzieren, sind zwischen einzelnen Energiespeichern 3 thermische Isolationseinrichtungen 5 angeordnet, welche die einzelnen Energiespeicher 3 im Sinne einer thermischen Barriere thermisch voneinander entkoppeln, d. h. insbesondere thermisch voneinander isolieren bzw. thermisch voneinander abschirmen.
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Ferner und mit dem Zweck der Kühlung des sich im Falle eines thermischen Durchgehens überhitzenden wenigstens einen Energiespeichers 3 sind entsprechende Kühleinrichtungen 6 zwischen einzelnen Energiespeichern 3 angeordnet.
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Die thermischen Isolationseinrichtungen 5 sind aus einem nicht brennbaren bzw. feuerfesten und somit hitzebeständigen keramischen bzw. auf keramischen Materialien basierenden Material bzw. Materialverbund gebildet. Als entsprechendes keramisches Material kommt beispielsweise Aluminumoxid in Frage, da dieses, insbesondere im Vergleich zu metallischen Materialien, eine vergleichsweise niedrige thermische Leitfähigkeit aufweist. Denkbar ist auch, das nicht brennbare Material aus einem Fasermaterial bzw. textilen Fasergelege aus nicht brennbaren Fasern, wie z. B. Glasfasern oder keramischen Fasern, auszubilden.
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Bei den Kühleinrichtungen 6 handelt es sich um aus einem thermisch gut leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, wie z. B. Aluminium, gebildete Bauelemente. Vorteilhaft sind die Kühleinrichtungen mit Kühlkanälen (nicht gezeigt) versehen, so dass sie von einem fluiden Kühlmittel, wie z. B. Wasser, durchströmbar sind. In diesem Fall weisen die Kühleinrichtungen 6 geeignete Anschlussmittel zum Anschluss an wenigstens eine wenigstens ein Kühlmittel bereitstellende Kühlmittelvorhaltung (nicht gezeigt) auf. Es ist ebenso möglich, dass die Kühleinrichtungen 6 mit Wärme abführenden Strukturen wie z. B. Kühlfinnen versehen sind.
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In allen Fällen dienen die Kühleinrichtungen 6 der Kühlung sowie gegebenenfalls auch ordnungsgemäßen Temperierung der Energiespeichergruppen 7 respektive der diese bildenden Energiespeicher 3. Die Kühlung der Energiespeicher 3 ist insbesondere dann notwendig, wenn diese einen zu einer Überhitzung führenden Defekt, wie etwa im Falle des vorgenannten thermischen Durchgehens, aufweisen. Die Energiespeicheranordnung 1 kann hierfür mit mit den Kühleinrichtungen 6 sowie einer ein Kühlmittel bereitstellenden Kühlmittelvorhaltung kommunizierende Temperatursensoren versehen sein, so dass die Kühleinrichtungen 6 bei Überschreiten einer individuell auf die jeweilige Energiespeicheranordnung 1 bzw. die diese bildenden Energiespeicher 3 abgestimmten Temperaturobergrenze bedarfsgerecht mit Kühlmittel versorgt werden, um eine effiziente Kühlung der sich überhitzenden oder überhitzten Energiespeicher 3 zu gewährleisten.
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Die thermischen Isolationseinrichtungen 5 wie auch die Kühleinrichtungen 6 sind als plattenförmige Bauelemente ausgebildet und können so einfach und insbesondere ohne die Vornahme konstruktiver Änderungen der Energiespeicheranordnung 1 wie auch der Energiespeicher 3 in die Energiespeicheranordnung 1 integriert, d. h. zwischen den die Energiespeicheranordnung 1 bildenden Energiespeichern 3 angeordnet bzw. zwischen diese eingeschoben werden. Die Dicke der thermischen Isolationseinrichtungen 5 respektive der Kühleinrichtungen 6 kann z. B. je ca. 5 mm betragen.
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Die Anbringung der thermischen Isolationseinrichtungen 5 bzw. der Kühleinrichtungen 6 kann beispielsweise über Verkleben, Verschrauben oder Verklipsen mit hierfür geeigneten an den Energiespeichern 3 und/oder dem Gehäusekörper 4 vorgesehenen Befestigungsabschnitten erfolgen. Im Falle einer Anbringung der thermischen Isolationseinrichtungen 5 bzw. der Kühleinrichtungen 6 über ein Verklipsen können an den thermischen Isolationseinrichtungen 5 bzw. an den Kühleinrichtungen 6 entsprechende mit korrespondierenden Rast- oder Schnappverbindungen ermöglichenden Befestigungsabschnitten an den Energiespeichern 3 und/oder dem Gehäusekörper 4 eine Rast- oder Schnappverbindung ermöglichende Befestigungsabschnitte, wie z. B. Rast- oder Schnapphaken und/oder entsprechende Ausnehmungen für Rast- oder Schnapphaken, vorgesehen sein.
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Grundsätzlich können die thermischen Isolationseinrichtungen 5 und/oder die Kühleinrichtungen 6 lösbar oder unlösbar mit den Energiespeichern 3 und/oder dem Gehäusekörper 4 verbunden sein, je nachdem, welche konkrete Art der Verbindung bzw. Anbringung gewählt ist.
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2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer aus zwei benachbart angeordneten bzw. aneinander angrenzend angeordneten sowie elektrisch parallel verschalteten Energiespeichern 3 gebildeten Energiespeichergruppe 7 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die Energiespeichergruppe 7 kann als eine die Energiespeicheranordnung 1 bildende Grundeinheit aufgefasst werden. Ersichtlich ist an den nach Außenflächen der Energiespeicher 3 jeweils eine thermische Isolationseinrichtung 5 angeordnet, d. h. z. B. durch eine Klebeverbindung angebracht. Zwischen den beiden Energiespeichern 3 ist eine Kühleinrichtung 6 angeordnet. Mithin ist im Falle eines thermischen Durchgehens bzw. Überhitzens wenigstens eines der die Energiespeichergruppe 7 bildenden Energiespeicher 3 kein oder kaum ein Wärmeübergang auf weitere, mit Bezug auf 3, welche eine Prinzipdarstellung einer Aneinanderreihung der in 2 gezeigten Energiespeichergruppe 7 zur Bildung der Energiespeicheranordnung 1 zeigt, links und rechts benachbart an die Energiespeichergruppe 7 angeordnete Energiespeichergruppen 7 möglich, da die an den Außenflächen bzw. Außenwänden der beiden Energiespeicher 3 angeordneten thermischen Isolationseinrichtungen 5 dies verhindern bzw. zumindest erheblich einschränken. Die die einzelnen Energiespeicher 3 miteinander elektrisch verbindenden elektrischen Verbindungselemente sind mit 8 bezeichnet.
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Der für die gesamte Energiespeicheranordnung 1 sicherheitsrelevante Gewinn bestimmt sich insofern insbesondere darin, dass einzelne, einen etwa durch ein thermisches Durchgehen und die damit einhergehende Überhitzung bedingten Defekt aufweisende Energiespeicher 3 einer Energiespeichergruppe 7 durch die gezielte Anordnung von thermischen Isolationseinrichtungen 5 von weiteren Energiespeichern 3 bzw. Energiespeichergruppen 7 thermisch entkoppelt oder isoliert sind und so eine Ausbreitung der innerhalb des den Defekt aufweisenden Energiespeichergruppe 7 entstehenden Wärme auf weitere Energiespeicher 3 bzw. Energiespeichergruppen 7 verhindert ist.
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Wenngleich bei der in 2 gezeigten Ausführungsform einer Energiespeichergruppe 7 an beiden Außenflächen bzw. Außenwänden, d. h. links und rechts entsprechende thermische Isolationseinrichtungen 5 angeordnet sind, ist es auch möglich, entsprechende Energiespeichergruppen 7 nur an einer Außenfläche bzw. Außenwand, d. h. entweder links oder rechts mit wenigstens einer thermischen Isolationseinrichtung 5 zu versehen.
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4 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Energiespeichergruppe 7 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Der wesentliche Unterscheid zu der in den in den 2, 3 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass die Energiespeichergruppe 7 hier aus drei benachbart angeordneten Energiespeichern 3, welche über eine Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden sind, gebildet ist.
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Analog zu der in den in den 2, 3 gezeigten Ausführungsform sind die Außenflächen bzw. Außenwände der linken und rechten Energiespeicher 3 jeweils mit einer thermischen Isolationseinrichtung 5 versehen respektive ist jeweils eine thermische Isolationseinrichtung 5 an den Außenflächen bzw. Außenwänden der linken und rechten Energiespeicher 3 angeordnet. Zwischen den sich jeweils gegenüber liegenden Flächen bzw. Wänden der Energiespeicher 3 der Energiespeichergruppe 7 ist jeweils eine Kühleinrichtung 6 angeordnet.
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Analog zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist es auch bei der in 4 gezeigten Ausführungsform möglich, die Energiespeichergruppe 7 nur an einer Außenfläche bzw. Außenwand entweder des linken oder rechten Energiespeichers 3, d. h. die Energiespeichergruppe 7 entweder links oder rechts mit wenigstens einer thermischen Isolationseinrichtung 5 zu versehen.
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5 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Aneinanderreihung der in 4 gezeigten Energiespeichergruppe 7 zur Bildung der Energiespeicheranordnung 1. Konkret sind hier drei der in 4 gezeigten Energiespeichergruppen 7 elektrisch zusammengeschaltet, um die Energiespeicheranordnung 1 zu bilden.
