DE102014008000A1

DE102014008000A1 - Akkumulatorvorrichtung

Info

Publication number: DE102014008000A1
Application number: DE102014008000.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Sander; Robert Knein-Linz
Original assignee: Stobich Technology GmbH
Current assignee: KTex Knein Technische Textilien GmbH
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: DE102014008000B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Akkumulatorvorrichtung mit einem ersten Satz (12.1) aus zumindest einer galvanischen Zelle (14a.1, 14a.2, 14a.3), einem zweiten Satz (12.2) aus zumindest einer galvanischen Zelle (14b.1, 14b.2, 14b.3) und einem flächigen Brandschutzelement (16), bei dem eine Normalenrichtung-Wärmeleitfähigkeit (λN) in einer Normalenrichtung (N) kleiner ist als eine Quer-Wärmeleitfähigkeit (λQ) in Ebenenrichtung (E), und das so zwischen dem ersten Satz (12.1) und dem zweiten Satz (12.2) angeordnet ist, dass Wärme vom ersten Satz in den zweiten Satz in Normalenrichtung (N) durch das Brandschutzelement (16) fließt. Erfindungsgemäß vorgesehen ist zumindest ein dritter Satz (12.3) aus zumindest einer galvanischen Zelle (14c.1, 14c.2, 14c.3), wobei das Brandschutzelement (16) zum Leiten von Wärme in Ebenenrichtung (E) vom ersten Satz (12.1) in den dritten Satz (12.3) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Akkumulatorvorrichtung mit (a) einem ersten Satz aus zumindest einer galvanischen Zelle, (b) einem zweiten Satz aus zumindest einer galvanischen Zelle und (c) einem flächigen Brandschutzelement, bei dem eine Normalenrichtung-Wärmeleitfähigkeit in einer Normalenrichtung kleiner ist als eine Querleitfähigkeit in Ebenenrichtung und das so zwischen dem ersten Satz und dem zweiten Satz angeordnet ist, dass Wärme vom ersten Satz in den zweiten Satz in Normalenrichtung durch das Brandschutzelement fließt.
Eine derartige Akkumulatorvorrichtung ist aus der DE 10 2009 044 997 A1 bekannt und dient dazu, ein Übergreifen eines Brandes vom ersten Satz auf den zweiten Satz zu verhindern. Es hat sich nämlich gezeigt, dass moderne Batterien, insbesondere Lithiumbatterien, aufgrund ihrer hohen Energiedichte versagen können. In diesem Fall kommt es zu einer starken Wärmeentwicklung, die die betroffene galvanische Zelle zerstört. Die dabei entstehende Wärme kann dazu führen, dass auch benachbarte galvanische Zellen versagen. Es kann dann zu einer Kettenreaktion kommen, die die gesamte Akkumulatorvorrichtung zerstört. Das flächige Brandschutzelement verhindert diese thermische Kettenreaktion und leitet beim Be- und Entladen entstehende Wärme zu einem Kühlelement einer aktiven Kühlung. Nachteilig an einer derartigen Akkumulatorvorrichtung ist der Aufwand für die Kühlung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.
Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Akkumulatorvorrichtung, die zumindest einen dritten Satz aus einer galvanischen Zelle aufweist und bei der das Brandschutzelement zum Leiten von Wärme in Ebenenrichtung vom ersten Satz in den dritten Satz angeordnet ist.
Vorteilhaft an einer derartigen Akkumulatorvorrichtung ist, dass eine aktive Kühlung entbehrlich ist. Beim Laden und Entladen entstehende Wärme wird durch das Brandschutzelement in benachbarte Sätze an galvanischen Zellen abgeleitet und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform von einer Außenseite der Akkumulatorvorrichtung abgeführt.
Vorteilhaft ist zudem, dass eine hohe Energiedichte erreichbar ist. Da eine aktive Kühlung entbehrlich ist, können die Sätze aus galvanischen Zellen dicht gepackt werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine aktive Kühlung vorteilhaft ist für Akkumulatorvorrichtungen, die häufig über längere Zeit mit großen Leistungen be- oder entladen werden. Das ist beispielsweise in Fahrzeugbatterien der Fall, die in einem Schnellladeverfahren besonders schnell aufgeladen werden können. Wenn die maximal notwendige Lade- oder Entladeleistung jedoch kleiner ist oder nur für kurze Zeiten benötigt wird, ist die Wärmeleitfähigkeit des Brandschutzelements ausreichend, um die Verlustwärme aus dem Inneren der Akkumulatorvorrichtung an den Rand zu befördern, um sie dort ableiten zu können. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um eine stationäre Akkumulatorvorrichtung, also eine Akkumulatorvorrichtung, die beim Betrieb nicht bewegt wird. Beispielsweise ist die erfindungsgemäße Akkumulatorvorrichtung Bestandteil einer Notstromversorgungseinheit, die einen unabhängigen Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellt.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Satz aus zumindest einer galvanischen Zelle insbesondere eine Gesamtheit aus galvanischen Zellen verstanden. Insbesondere haben die galvanischen Zellen eines Satzes eine Kapazität von zumindest 5 Wattstunden. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Satz damit auch genau eine galvanische Zelle aufweisen kann oder durch genau eine galvanische Zelle gebildet sein kann.
Unter den galvanischen Zellen werden insbesondere solche galvanische Zellen verstanden, deren Energiedichte zumindest 120 Wattstunden pro Kilogramm beträgt, wobei das Brandschutzelement nicht in die angegebene Masse eingeht. Vorzugsweise sind die galvanischen Zellen Lithium-Zellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen oder Lithium-Polymer-Zellen.
Unter dem Merkmal, dass das Brandschutzelement flächig ausgebildet ist, wird insbesondere verstanden, dass es in einer Dickenrichtung eine deutlich geringere Ausdehnung hat als in den beiden senkrecht dazu verlaufenden Flächenrichtungen. Insbesondere ist die Ausdehnung in Flächenrichtung zumindest hundertfach größer als in Dickenrichtung.
Die Normalenrichtung-Wärmeleitfähigkeit und die Quer-Wärmeleitfähigkeit beziehen sich jeweils auf das Brandschutzelement als Ganzes und nicht auf das Material, aus dem es aufgebaut ist. Die Wärmeleitfähigkeit ist definiert über die Gleichung Q . = AλΔT / l . Dabei ist A die betrachtete Querschnittsfläche, λ die Wärmeleitfähigkeit, ΔT die Temperaturdifferenz über die betrachtete Weglänge normal zur Querschnittsfläche A, l die Weglänge normal zur Querschnittsfläche A und Q . der resultierende Wärmestrom durch die Querschnittsfläche A entlang der Weglänge l.
Unter dem Merkmal, dass das Brandschutzelement den ersten Satz und den zweiten Satz trennt, wird insbesondere auch verstanden, dass zwischen dem Brandschutzelement und dem Satz aus der zumindest einen galvanischen Zelle kein weiteres Objekt angeordnet ist, das dicker als das Brandschutzelement ist. Insbesondere ist es günstig, wenn das Brandschutzelement mit dem ersten und dem zweiten Satz mechanischen Kontakt hat. Insbesondere sind der erste Satz und der zweite Satz so dicht beieinander angeordnet, dass ohne das Brandschutzelement ein Brand vom ersten Satz auf den zweiten Satz übergreifen würde.
Vorzugsweise umfasst der erste Satz eine Laderegelung für alle galvanischen Zellen des ersten Satzes. Das gleiche gilt vorzugsweise für den zweiten Satz und sofern vorhanden für den dritten, vierten oder zumindest eine Mehrzahl aller weiteren Sätze. Es ergeben sich so in sich abgeschlossene Einheiten, die kollektiv ausfallen können, ohne dass die Akkumulatorvorrichtung als Ganzes gefährdet wäre. Alternativ besitzen zumindest zwei Sätze eine gemeinsame Laderegelung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das flächige Brandschutzelement biegestabil. Das heißt, dass es durch Biegen in eine Form bringbar ist, die es behält, wenn es auf einen flächigen Untergrund gelegt wird und lediglich seine eigene Gewichtskraft auf das Brandschutzelement wirkt.
Alternativ ist das Brandschutzelement zumindest abschnittsweise flexibel, das heißt, dass es sich unter der eigenen Gewichtskraft plastisch verformt.
Eine galvanische Zelle umfasst eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten. In dem Satz an galvanischen Zellen sind die einzelnen galvanischen Zellen vorzugsweise in Reihe geschaltet, so dass sich die Zellspannungen der galvanischen Zellen addieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Brandschutzelement zumindest ein flächiges wärmeleitfähiges Element und zumindest ein flächiges Isolationselement, das benachbart zum wärmeleitfähigen Element angeordnet ist. Unter dem wärmeleitfähigen Element wird beispielsweise ein metallisches Blech oder eine Metallfolie verstanden.
Das Isolationselement ist nicht brennbar und umfasst Material mit hoher Temperaturbeständigkeit. Vorzugsweise umfasst das Isolationselement ein Textil oder ein textilhaltiges Element. Das Textil kann beispielsweise ein Gestrick, ein Gewebe, ein Gelege oder ein Vlies sein oder umfassen. Das Isolationselement ist vorzugsweise nicht brennbar und umfasst beispielsweise Silikat. Insbesondere umfasst das Isolationselement mineralische Fasern, insbesondere Glasfasern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Normalenrichtung-Wärmeleitfähigkeit λ_N höchstens ein Zehntel, insbesondere höchstens ein Fünfzigstel der Quer-Wärmeleitfähigkeit λ_Q.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Brandschutzelement so angeordnet, dass es die Sätze aus galvanischen Zellen zumindest abschnittsweise umgibt. Hierunter wird insbesondere auch ein Umhüllen verstanden, es ist aber auch möglich, dass das Brandschutzelement so zu den Sätzen aus galvanischen Zellen angeordnet ist, dass zumindest ein Satz nicht in alle Richtungen vom Brandschutzelement umgeben ist. Vorteilhaft hieran ist, dass die nicht vom Brandschutzelement abgedeckte Seite zum Abführen von Gasen, die beim Versagen der galvanischen Zellen entstehen können, genutzt werden kann.
Vorzugsweise umfasst das Brandschutzelement ein zweites flächiges Metallelement, wobei das Isolationselement zwischen dem ersten Metallelement und dem zweiten Metallelement angeordnet ist. Sowohl beim ersten als auch beim zweiten Metallelement kann es sich um Folien oder Bleche handeln. Es ist auch möglich, dass eines der Metallelemente eine Folie ist und das andere ein Blech. Unter einem Blech wird dabei ein biegestabiles Metallelement verstanden, unter einer Folie ein nicht biegestabiles Metallelement.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Metallelement durch eine erste Metallfolienlage gebildet, das zweite Metallelement durch eine zweite Metallfolienlage und das Isolationselement ist durch eine Isolationslage gebildet. Unter einer Metallfolienlage wird insbesondere ein flächiges metallisches Gebilde verstanden, das eine Dicke von höchstens 0,25 Millimeter hat.
Günstig, wenngleich nicht notwendig, ist es, wenn das Brandschutzelement biegbar ist. Das heißt, dass das Brandschutzelement eine durch ein Umformverfahren aufgebrachte Verformung zu einem großen Maße beibehält.
Vorzugsweise umfasst das Isolationselement eine Glasfaserlage und/oder eine Kunststofflage. Unter einer Glasfaserlage wird dabei eine Schicht verstanden, die Glasfasern umfasst. Es kann sich dabei folglich um ein Vlies, ein Gewebe, ein Gestrick oder ein Gelege oder eine Mischung aus zwei oder mehr dieser Komponenten handeln. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Isolationselement Keramikfasern, Silikatfasern, Aramidfasern, Kunststoffschaum, Sinterkeramik und/oder mikroporöses Granulat, beispielsweise Kieselgur.
Günstig ist es, wenn die Glasfaserlage ein Flächengewicht von höchstens 80 g/m² aufweist. Beispielsweise ist die Glasfaserlage mittels eines thermoplastischen Klebers mit dem Metallelement, insbesondere der Metallfolienlage, verbunden. Die Kunststofflage umfasst vorzugsweise Kunststofffolie, beispielsweise Polyurethanfolie.
Vorzugsweise besitzt die Akkumulatorvorrichtung eine Vielzahl an Sätzen aus zumindest einer galvanischen Zelle, wobei zumindest die Mehrzahl der Sätze die folgenden Eigenschaften hat: (i) für den jeweiligen Satz existiert zumindest ein direkt benachbarter Nachbar-Satz, der so angeordnet ist, dass Wärme das Brandschutzelement in Normalenrichtung queren muss, um vom Satz in den Nachbar-Satz zu gelangen, und (ii) für den jeweiligen Satz existiert zumindest ein weiterer Satz, der so angeordnet ist, dass Wärme in Ebenenrichtung vom Satz in den weiteren Satz fließen kann. Zwei Sätze sind dann direkt benachbart, wenn zwischen den Sätzen kein weiterer Satz vorhanden ist. Insbesondere ist unter direkt benachbarten Sätzen zu verstehen, dass keine Verbindungslinie zwischen den beiden Sätzen existiert, die durch einen weiteren Satz verläuft.
Günstig ist es, wenn das Merkmal (i) lautet, dass für den jeweiligen Satz zumindest zwei, insbesondere zumindest drei direkt benachbarte erste Nachbar-Sätze existieren, die so angeordnet sind, dass Wärme das Brandschutzelement in Normalenrichtung queren muss, um vom Satz in jeden der ersten Nachbar-Sätze zu gelangen. So sind die benachbarten Sätze vor einem Übergreifen der thermischen Überlastung geschützt und gleichzeitig wird hinreichend Wärme in benachbarte Zellen abgeleitet, so dass eine ausreichende Kühlung existiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umgibt das Brandschutzelement die Sätze wärmeleitfähig miteinander und/oder mäanderförmig zumindest teilweise miteinander, so dass mittels des Brandschutzelements Wärme zumindest überwiegend durch Wärmeleitungen in der Ebenenrichtung von einem Satz auf den anderen übertragbar ist. Unter diesem Merkmal ist zu verstehen, dass zumindest für eine Mehrheit an Sätzen, insbesondere die nicht am Rand angeordneten Sätze, die Wärme durch Wärmeleitungen in der Ebenenrichtung auf andere Sätze abgeführt werden kann. Die Wärme muss daher nicht in Normalenrichtung durch das Brandschutzelement hindurch treten.
Günstig ist es, wenn zumindest einige der Sätze nicht aktiv gekühlt sind. Zwar ist es möglich, dass eine aktive Kühlung vorhanden ist, diese ist jedoch vorzugsweise nur am Rand der Akkumulatorvorrichtung angeordnet. In anderen Worten verläuft keine flüssigkeitsführende Struktur durch ein Inneres der Akkumulatorvorrichtung.
Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, wenn das Brandschutzelement eine erste Metallfolienschicht, insbesondere in Form einer Aluminiumfolienschicht, mit einer Schichtdicke von zumindest 100 μm, eine Glasfaserschicht, eine zweite Metallfolienschicht, insbesondere eine zweite Aluminiumfolie, mit einer Schichtdicke von höchstens 50 μm, eine zweite Glasfaserschicht und eine dritte Metallfolienschicht, insbesondere eine Aluminiumfolienschicht, mit einer Schichtdicke von zumindest 100 μm umfasst. Die genannten Schichten sind vorzugsweise in der angegebenen Schichtfolge angeordnet, wobei es möglich ist, dass zwischen den angegebenen Schichten und/oder außerhalb der angegebenen Schichten weitere Schichten vorhanden sind. Es hat sich herausgestellt, dass dieser Schichtaufbau einerseits eine geringe Normalenrichtung-Wärmeleitfähigkeit und andererseits eine hohe Querleitfähigkeit besitzt.
Günstig ist es, wenn die Isolationslage unter Wärmeeinwirkung endotherm reagierendes Material, insbesondere eine kristallwasserhaltiges Material umfasst. Dieses Material kann Wärmeenergie aufnehmen und führt so zu einer geringeren Temperatur in den benachbarten Sätzen an galvanischen Zellen. Das kristallwasserhaltige Material umfasst beispielsweise Gips und/oder Aluminiumtrihydrat. Alternativ oder zusätzlich kann die Isolationslage intumeszierendes Material aufweisen. Dieses schäumt im Brandfall auf und vergrößert den Abstand zu benachbarten Sätzen an galvanischen Zellen, was diese schützt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das unter Wärmeeinwirkung Wärme aufnehmende Material eine Grenztemperatur, unterhalb derer das Material keine Wärme aufnehmende Reaktion zeigt und oberhalb derer das Material unter Wärmeaufnahme reagiert, wobei die Grenztemperatur oberhalb von 80° liegt. Vorzugsweise beträgt die Grenztemperatur höchstens 350°. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Wärmeaufnahme des Materials mehr als 750 Joule pro Gramm bei einer Erwärmung von zumindest 30 Kelvin über die Grenztemperatur.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die zumindest eine galvanische Zelle und/oder der Satz an galvanischen Zellen eine Sollbruchstelle, die so ausgebildet ist, dass in der galvanischen Zelle entstehende Gase nach Bersten der Sollbruchstelle in eine vorbestimmte Austrittsrichtung austreten, wobei das Brandschutzelement so angeordnet ist, dass es eine Ausbreitung der Gase in Austrittsrichtung nicht behindert. Vorzugsweise ist das zu diesem Satz oder der galvanischen Zelle benachbarte Brandschutzelement nicht in Austrittsrichtung angeordnet. Versagt eine galvanische Zelle, so können die entstehenden Gase durch die Lücke im Brandschutzelement entweichen. Das sorgt für einen raschen Abtransport heißen Materials und begrenzt die Temperatur, die bei benachbarten galvanischen Zellen und/oder Sätzen auftritt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Brandschutzelement zumindest abschnittsweise plissiert und/oder gefaltet. Das ermöglicht es dem Brandschutzelement, sich im Brandfall aufzublähen, was die mechanische Belastung des Brandschutzelements senkt. Zudem vergrößert die Faltung bzw. Plissierung die Fläche, die zum Abgeben von Wärme durch Strahlung und Konvektion zur Verfügung steht. Besonders günstig ist es, wenn das Brandschutzelement zumindest an einem Übergang zwischen einem ersten Bereich, in dem es an dem ersten Satz anliegt, und einem zweiten Bereich, in dem es an dem zweiten Satz anliegt, plissiert und/oder gefaltet ist. In anderen Worten ist das Brandschutzelement dort plissiert oder gefaltet, wo es vom ersten Satz zum zweiten Satz quasi abbiegt.
Besonders günstig ist es, wenn zumindest ein wärmeleitfähiges Element, insbesondere zumindest ein Metallelement, eine Strukturierung aufweist, insbesondere eine eingeprägte Strukturierung. Eine derartige Strukturierung verringert eine Kontaktfläche zwischen dem wärmeleitfähigen Element und dem benachbarten Element, insbesondere dem Isolationselement. Besonders günstig ist es, wenn das wärmeleitfähige Element eine Metallfolie ist, da in diesem Fall die Wirkung der Strukturierung besonders ausgeprägt ist.
Vorzugsweise umfasst die Akkumulatorvorrichtung eine Mehrzahl an Sätzen aus jeweils zumindest einer galvanischen Zelle, wobei das Brandschutzelement benachbarte Sätze trennt. Es ist möglich und bevorzugt, wenn das Brandschutzelement benachbarte Sätze voneinander trennt, es ist jedoch auch denkbar, dass Sätze existieren, die nicht durch das Brandschutzelement voneinander getrennt sind.
Vorzugsweise ist das Brandschutzelement mäanderförmig zwischen den Sätzen angeordnet und/oder umgibt die Sätze mäanderförmig miteinander. Unter dem Merkmal, dass das Brandschutzelement die Sätze wärmeleitfähig miteinander verbindet, wird insbesondere verstanden, dass mittels des Brandschutzelements Wärme zumindest überwiegend durch Wärmeleitung in der Ebenenrichtung des Wärmeschutzelements von einem Satz auf einen anderen Satz übertragbar ist. Im Brandfall kann so Wärme von dem havarierten Satz aus galvanischen Zellen auf benachbarte Sätze weitergeleitet werden. So wird die in benachbarten Sätzen erreichte Spitzentemperatur hinreichend klein gehalten, um ein Versagen der nicht havarierten Sätze zu vermeiden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigt
1 eine erfindungsgemäße Akkumulatorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 den Schichtaufbau des Brandschutzelements der Akkumulatorvorrichtung gemäß 1,
3 einen alternativen Aufbau des Brandschutzelements für eine erfindungsgemäße Akkumulatorvorrichtung,
4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Akkumulatorvorrichtung und
5 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Akkumulatorvorrichtung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Akkumulatorvorrichtung 10, die einen ersten Satz 12.1 aus einer Vielzahl an galvanischen Zellen 14a.1, 14a.2, 14a.3 ... und einen zweiten Satz 12.2 aus einer Vielzahl an galvanischen Zellen 14b.1, 14b.2, ... umfasst.
Ein flächiges Brandschutzelement 16 ist zwischen dem ersten Satz 12.1 und dem zweiten Satz 12.2 angeordnet und trennt beide voneinander. Die Akkumulatorvorrichtung 10 umfasst zudem einen dritten Satz 12.3 aus einer Vielzahl an galvanischen Zellen, die jedoch nicht eingezeichnet sind. Zudem besitzt die Akkumulatorvorrichtung 10 weitere Sätze 12.4, 12.5, ... (Bezugszeichen ohne Zählsuffix beziehen sich auf alle entsprechend bezeichneten Objekte.)
Jeder Satz 12 besitzt eine Umhüllung 18. So besitzt der erste Satz 12.1 eine Umhüllung 18.1. Zudem besitzt jeder Satz 12 eine, insbesondere genau eine Kontaktierung 20, der erste Satz beispielsweise die Kontaktierung 20.1. Die Kontaktierung 20 ist so aufgebaut, dass ein elektrischer Gleichstrom abgegriffen werden kann. Denkbar ist aber auch, dass die Akkumulatorvorrichtung einen Wechselrichter aufweist, so dass über die Kontaktierung ein Wechsel- und/oder Gleich- und Wechselstrom abgreifbar sein kann. Elektrisch erscheint jeder Satz 12 als eigenständige elektrische Einheit. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass eine Mehrheit der Sätze 12, insbesondere alle Sätze 12, eine Laderegelungssteuerung aufweisen.
Die Umhüllung 18 ist so aufgebaut, dass der Satz handhabbar ist. Beispielsweise ist die Umhüllung aus Metall und/oder Kunststoff aufgebaut und formstabil.
Es ist zu erkennen, dass sich das Brandschutzelement 16 mäanderförmig zwischen den Sätzen 12 entlang schlängelt und sie so thermisch voneinander trennt.
1 zeigt, dass für den ersten Satz 12.1 ein direkt benachbarter Satz 12.2 existiert, der als erster Nachbarsatz bezeichnet werden kann und so angeordnet ist, dass Wärme das Brandschutzelement 16 in dessen Normalenrichtung queren muss, um vom Satz 12.1 in den ersten Nachbarsatz 12.2 zu gelangen. Es existiert zudem mit dem Satz 12.5 ein weiterer Satz, der so angeordnet ist, dass Wärme in Ebenenrichtung des Brandschutzelements vom Satz 12.1 in den weiteren Satz 12.5 fließen kann.
Die Akkumulatorvorrichtung 10 besitzt ein Gehäuse 22 und eine Lade-/Entladesteuerung 24, die in dem Gehäuse 22 angeordnet ist. Über eine Kontaktiervorrichtung 26 kann die Akkumulatorvorrichtung 10 be- und entladen werden.
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Brandschutzelements 16 im Schichtaufbau. Das Brandschutzelement 16 umfasst ein wärmeleitfähiges Element 28 in Form einer ersten Metallfolienschicht aus Aluminium mit einer Schichtdicke von im vorliegenden Fall 100 μm. Auf dem ersten wärmeleitfähigen Element 28 ist ein Isolationselement 30 angeordnet, dass im vorliegenden Fall durch eine Glasfaserschicht gebildet ist. Auf dem Isolationselement 30 ist ein zweites wärmeleitfähiges Element 32 angeordnet, das dünner ist als das erste wärmeleitfähige Element 28. Im vorliegenden Fall ist das zweite wärmeleitfähige Element 32 durch eine 50 μm dicke Aluminiumfolie gebildet.
Auf dem zweiten wärmeleitfähigen Element 32 ist ein zweites Isolationselement 34 angeordnet, das im vorliegenden Fall durch eine zweite Glasfaserschicht gebildet ist. Auf dieser ist ein drittes wärmeleitfähiges Element 36 angeordnet, das im vorliegenden Fall durch eine dritte Metallfolienschicht in Form einer Aluminiumfolie mit einer Schichtdicke von 100 μm gebildet ist. Das Brandschutzelement 16 hat eine Dicke d, die höchstens 1 mm beträgt, was eine bevorzugte Ausführungsform für alle in dieser Beschreibung genannten Brandschutzelemente gilt.
Die Normalenrichtung-Wärmeleitfähigkeit λ_N ist die Wärmeleitfähigkeit resultierend aus der Betrachtung einer Querschnittsfläche A des Brandschutzelement 16 in der x-y-Ebene, der Temperaturdifferenz ΔT zwischen einer ersten Temperatur T₁ auf einer Flächenseite des Brandschutzelements 16 und einer zweiten Temperatur T₂ und der Wegstrecke l entlang der Dicke d in z-Richtung gemäß der Formel Q . = AλΔT / l.
Die Quer-Wärmeleitfähigkeit λ_Q ist die Wärmeleitfähigkeit resultierend aus der Betrachtung einer Querschnittsfläche A des Brandschutzelement 16 in der y-z-Ebene, die über die gesamte Dicke d gemittelt ist, der Temperaturdifferenz ΔT zwischen einer dritten Temperatur T₃ und einer vierten Temperatur T₄ und der Wegstrecke l entlang der x-Richtung oder der y-Richtung gemäß der obigen Formel.
Das Brandschutzelement 16 hat einen Normalenrichtung-Wärmedurchgangskoeffizienten k_N von k_N = 100 Wm^–2K^–1 bis 200 Wm^–2K^–1. Eine (gemittelte) Wärmeleitfähigkeit des Brandschutzelement 16 ist vorzugsweise kleiner als λ_N = 1 Wm^–1K^–1 und beträgt beispielsweise λ_N = 0,03 – 0,06 Wm^–1K^–1. Das bedeutet, dass eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen der ersten Temperatur T₁ auf einer Flächenseite des Brandschutzelements 16 und der zweiten Temperatur T₂ auf der anderen Flächenseite des Brandschutzelements 16 bezogen auf eine Fläche von 1 m² am Brandschutzelement 16 zu einem Wärmestrom von 100 bis 200 Watt in Richtung einer Normalen N führt auf das Brandschutzelement 16. Die Normale N steht senkrecht auf der Erstreckungsebene E, entlang derer sich das Brandschutzelement im ausgebreiteten Zustand erstreckt. Die Normalenrichtung-Wärmeleitfähigkeit λ_N wird beispielsweise dadurch gemessen, dass das Brandschutzelement 16 flächig zwischen zwei Körper unterschiedlicher Temperatur gebracht wird und diese so thermisch kontaktiert und dass der Wärmestrom durch das Brandschutzelement 16 gemessen wird.
Das Brandschutzelement 16 hat eine Quer-Wärmeleitfähigkeit λ_Q von zumindest λ_Q = 10 Wm^–1K^–1 und beträgt beispielsweise mehr als λ_Q = 20 Wm^–1K^–1, beispielsweise λ_Q = 50 Wm^–1K^–1. Die Quer-Wärmeleitfähigkeit λ_Q wird beispielsweise dadurch gemessen, dass ein Streifen des Brandschutzelements 16 im Vakuum zwischen zwei Körper unterschiedlicher Temperatur gebracht wird und diese so thermisch kontaktiert und dass der Wärmestrom durch das Brandschutzelement 16 gemessen wird.
3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Akkumulatorvorrichtung 10, bei der das Isolationselement, das als Isolationslage ausgebildet ist, eine Schicht 38 aus Aluminiumtrihydrat umfasst, das unter Wärmeeinwirkung endotherm reagiert.
Es ist möglich, aber nicht notwendig, dass das Brandschutzelement 16 fünflagig ausgebildet ist, beispielsweise kann es auch lediglich ein erstes wärmeleitfähiges Element, ein Isolationselement und ein zweites wärmeleitfähiges Element umfassen. Es ist günstig, nicht aber notwendig, dass die Elemente des Brandschutzelements durch Lagen, insbesondere durch Folienlagen gebildet sind.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Akkumulatorvorrichtung 10, die eine Vielzahl an Brandschutzelementen 16.1, 16.2, ... aufweist.
5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Akkumulatorvorrichtung 10, deren Brandschutzelemente 16.1, 16.2, 16.3, ... jeweils mäanderförmig zwischen den Sätzen 12.1, 12.2, ... angeordnet sind. Es ist zu erkennen, dass mittig angeordnete Sätze existieren, im vorliegenden Fall nämlich die Sätze 12.6, 12.7 und 12.8, die von jeweils drei Seiten von einem Brandschutzelement umgeben sind. Gleichzeitig ist jeder dieser Sätze leitfähig mit mehreren weiteren Sätzen verbunden. So ist der Satz 12.6 über das Brandschutzelement 16.2 mit den Sätzen 12.2, 12.3, 12.10 und 12.11 verbunden.
5 zeigt zudem, dass die Umhüllungen 18 jeweils eine Sollbruchstelle 40 aufweisen und dass jedes Brandschutzelement 16 so angeordnet ist, dass eine Ausbreitung von Gasen, die durch die Sollbruchstelle 40 in eine Austrittsrichtung R austreten, nicht behindert wird. Die austretenden Gase 42 treten durch eine Gasablassöffnung im Gehäuse 22 in die Umgebung aus.
Die Gasauslassöffnung ist mit einem gasdurchlässigen Material, insbesondere einem Vlies, beispielweise aus Glas- und/oder Steinwolle abgedeckt und wirkt so als Flammen- und Funkensperre. Weder eine Flamme noch Funken können so in die Umgebung durchschlagen.
Bezugszeichenliste

10: Akkumulatorvorrichtung
12: Satz
14: galvanische Zelle
16: Brandschutzelement
18: Umhüllung
20: Kontaktierung
22: Gehäuse
24: Lade-/Entladesteuerung
26: Kontaktiervorrichtung
28: erstes wärmeleitfähiges Element
30: Isolationselement
32: zweites wärmeleitfähiges Element
34: zweites Isolationselement
36: drittes wärmeleitfähiges Element
38: Schicht
40: Sollbruchstelle
42: Gase
44: Gasauslassöffnung
d: Dicke
E: Erstreckungsebene
k_N: Normalenrichtung-Wärmedurchgangskoeffizient
k_Q: Quer-Wärmedurchgangskoeffizient
λ_N: Normalenrichtung-Wärmeleitfähigkeit
λ_Q: Quer-Wärmeleitfähigkeit
N: Normale
R: Austrittsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009044997 A1 [0002]

Claims

Akkumulatorvorrichtung mit (a) einem ersten Satz (12.1) aus zumindest einer galvanischen Zelle (14a.1, 14a.2, 14a.3), (b) einem zweiten Satz (12.2) aus zumindest einer galvanischen Zelle (14b.1, 14b.2, 14b.3) und (c) einem flächigen Brandschutzelement (16), (i) bei dem eine Normalenrichtung-Wärmeleitfähigkeit (λ_N) in einer Normalenrichtung (N) kleiner ist als eine Quer-Wärmeleitfähigkeit (λ_Q) in Ebenenrichtung (E), und (ii) das so zwischen dem ersten Satz (12.1) und dem zweiten Satz (12.2) angeordnet ist, dass Wärme vom ersten Satz in den zweiten Satz in Normalenrichtung (N) durch das Brandschutzelement (16) fließt, gekennzeichnet durch (d) zumindest einen dritten Satz (12.3) aus zumindest einer galvanischen Zelle (14c.1, 14c.2, 14c.3), (e) wobei das Brandschutzelement (16) zum Leiten von Wärme in Ebenenrichtung (E) vom ersten Satz (12.1) in den dritten Satz (12.3) angeordnet ist.
Akkumulatorvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch (a) eine Vielzahl an Sätzen (12) aus jeweils zumindest einer galvanischen Zelle (14), (b) wobei zumindest die Mehrheit der Sätze (12) die folgenden Eigenschaften hat: – für den jeweiligen Satz (12.6) existiert zumindest ein direkt benachbarter Nachbar-Satz (12.5, 12.2, 12.10), der so angeordnet ist, dass Wärme das Brandschutzelement (16) in Normalenrichtung (N) queren muss, um vom Satz (12.6) in den Nachbar-Satz (12.5, 12.2, 12.10) zu gelangen, und – für den jeweiligen Satz (12.6) existiert zumindest ein weiterer Satz (12.2, 12.3, 12.10, 12.11), der so angeordnet ist, dass Wärme in Ebenenrichtung (E) des Brandschutzelements vom Satz in den weiteren Satz fließen kann.
Akkumulatorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brandschutzelement (16) mäanderförmig zwischen den Sätzen (12) angeordnet ist.
Akkumulatorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Brandschutzelement (16) die Sätze (12) wärmeleitfähig miteinander verbindet und/oder mäanderförmig zumindest teilweise umgibt, sodass mittels des Brandschutzelements (16) Wärme zumindest überwiegend durch Wärmeleitung in der Ebenenrichtung (E) von einem Satz auf einen anderen Satz übertragbar ist.
Akkumulatorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brandschutzelement (16) (i) ein erstes wärmeleitfähiges Element (28) in Form einer ersten Metallfolienschicht, insbesondere eine Aluminiumfolienschicht, mit einer Schichtdicke von zumindest 100 Mikrometer, umfasst, (ii) ein Isolationselement (30) in Form einer ersten Glasfaserschicht aufweist, (iii) ein zweites wärmeleitfähiges Element (32) in Form einer zweiten Metallfolienschicht, insbesondere einer Aluminiumfolie, mit einer Schichtdicke von höchstens 50 Mikrometer, besitzt (iv) ein zweites Isolationselement (34), insbesondere in Form einer zweiten Glasfaserschicht, und (v) ein drittes wärmeleitfähiges Element (36), insbesondere in Form einer dritten Metallfolienschicht, mit einer Schichtdicke von zumindest 100 Mikrometer umfasst.
Akkumulatorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brandschutzelement (16) – unter Wärmeeinwirkung endotherm reagierendes Material (38), insbesondere ein kristallwasserhaltiges, und/oder – intumeszierendes Material. aufweist.
Akkumulatorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (i) die Umhüllung (18) des Satzes (12) von mehreren galvanischen Zellen (14) eine Sollbruchstelle (40) aufweist, die so ausgebildet ist, dass in der galvanischen Zelle entstehende Gase (42) nach Bersten der Sollbruchstelle (40) in eine vorbestimmte Austrittsrichtung (R) austreten und (ii) das Brandschutzelement so angeordnet ist, dass es eine Ausbreitung der Gase (42) in Austrittsrichtung (R) nicht behindert.
Akkumulatorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (22), das – die Sätze (12) umgibt und – eine gasdurchlässige Gasablassöffnung (44) besitzt, die als Flammensperre und/oder Funkensperre ausgebildet ist.
Akkumulatorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasablassöffnung (44) so angeordnet ist, dass durch die Sollbruchstelle (40) austretende Partikel erst nach einem Richtungswechsel um zumindest 70° zur Gasablassöffnung (44) gelangen können.
Akkumulatorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sätze eine Längs-Ausdehnung haben, die zumindest das 1,5-fache einer Breiten-Ausdehnung und zumindest das 1,5-fache einer Tiefen-Ausdehnung beträgt, – sich das Brandschutzelement (16) entlang einer Längs-Ausdehnung der Sätze erstreckt und – die Sollbruchstelle (40) an der Stirnseite der Sätze (12) angeordnet ist.