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Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solcher Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits aus der
DE 10 2008 061 277 A1 bekannt. Der Energiespeicher weist wenigstens zwei aufeinanderfolgende Speicherzellen zum Speichern der elektrischen Energie auf, wobei die Speicherzellen beispielsweise einen auch als Stack bezeichneten Stapel bilden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Energiespeicher der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass einerseits eine besonders vorteilhafte Kühlung der Speicherzellen realisiert und andererseits eine thermische Propagation im Falle eines thermischen Ereignisses zumindest besonders gering gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Energiespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Energiespeicher der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass einerseits eine besonders vorteilhafte Kühlung der Speicherzellen realisiert und andererseits eine thermische Propagation im Falle eines thermischen Ereignisses zumindest gering gehalten werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Energiespeicher wenigstens ein Isolationselement aufweist, welches zwischen jeweiligen, einander insbesondere direkt zugewandten ersten Seiten der Speicherzellen angeordnet ist. Mittels des Isolationselements sind die Speicherzellen auf ihren ersten Seiten thermisch voneinander isoliert. Der Energiespeicher umfasst ferner wenigstens ein Kühlelement, welches auf von den ersten Seiten unterschiedlichen zweiten Seiten der Speicherzellen angeordnet ist. Mittels des Kühlelements ist Wärme von den Speicherzellen über deren zweiten Seiten abführbar. Das Kühlelement ist beispielsweise eine Kühlplatte, auf welche Wärme von den Speicherzellen über die zweiten Seiten übergehen kann. Die auf das Kühlelement übergegangene Wärme kann dann von dem Kühlelement abtransportiert werden, insbesondere mittels eines Kühlfluids wie beispielsweise einer Kühlflüssigkeit.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß Wärmeleitmaterial vorgesehen, über welches die Speicherzellen über ihren zweiten Seiten in einem Normalzustand des Energiespeichers thermisch mit dem Kühlelement verbunden sind. Dabei weist der Energiespeicher in dem Normalzustand eine erste Temperatur auf. Insbesondere handelt es sich bei der ersten Temperatur um eine erste Temperatur wenigstens einer der Speicherzellen.
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Außerdem weist der erfindungsgemäße Energiespeicher Verdrängungsmaterial auf, dessen Volumen ab einer gegenüber der ersten Temperatur größeren zweiten Temperatur zunimmt, wodurch das Verdrängungsmaterial zumindest einen Teil des Wärmeleitmaterials verdrängt und dadurch die thermische Verbindung zwischen wenigstens einer der Speicherzellen und dem Kühlelement gegenüber dem Normalzustand zumindest verschlechtert.
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Kommt es beispielsweise insbesondere unfallbedingt zu einem thermischen Ereignis in dem Energiespeicher, insbesondere in der genannten wenigstens einen Speicherzelle, so erwärmt sich beispielsweise die wenigstens eine Speicherzelle. Infolge der Erwärmung weist beispielsweise die zunächst die erste Temperatur aufweisende wenigstens eine Speicherzelle die zweite Temperatur auf. Durch das Erwärmen der wenigstens einen Speicherzelle wird beispielsweise das beispielsweise zunächst die erste Temperatur aufweisende Verdrängungsmaterial erwärmt, sodass infolge der Erwärmung der wenigstens einen Speicherzelle und infolge der daraus resultierenden Erwärmung des Verdrängungsmaterials das Verdrängungsmaterial die zweite Temperatur aufweist. Zu dieser Erwärmung des Verdrängungsmaterials kommt es beispielsweise dadurch, dass infolge der Erwärmung der wenigstens einen Speicherzelle Wärme von der wenigstens einen Speicherzelle zumindest mittelbar, insbesondere direkt, auf das Verdrängungsmaterial übertragen wird. Beispielsweise wird Wärme von der wenigstens einen Speicherzelle direkt auf das Verdrängungsmaterial übertragen, da beispielsweise die wenigstens eine Speicherzelle beziehungsweise die Speicherzellen das Verdrängungsmaterial direkt berührt beziehungsweise berühren. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass Wärme von der wenigstens einen Speicherzelle über das Wärmeleitmaterial auf das Verdrängungsmaterial übertragen wird, da beispielsweise das Wärmeleitmaterial einerseits die Speicherzellen und somit die wenigstens eine Speicherzelle direkt berührt. Andererseits berührt beispielsweise das Wärmeleitmaterial das Verdrängungsmaterial direkt.
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Da - wie zuvor beschrieben - das Verdrängungsmaterial auf die zweite Temperatur erwärmt wird, kommt zu einer Volumenvergrößerung des Verdrängungsmaterials. Mit anderen Worten nimmt infolge der beschriebenen Erwärmung des Verdrängungsmaterials das Volumen des Verdrängungsmaterials zu, insbesondere dadurch, dass das Verdrängungsmaterial aufschäumt. Das Verdrängungsmaterial ist somit beispielsweise als ein Schaum beziehungsweise als ein aufschäumendes Material oder aber als ein intumeszentes Material ausgebildet. Durch die Volumenvergrößerung des Verdrängungsmaterials verdrängt das Verdrängungsmaterial zumindest einen Teil des Wärmeleitmaterials. Hierbei wird beispielsweise das Wärmeleitmaterial beziehungsweise zumindest der genannte Teil des Wärmeleitmaterials aus einem Teilbereich verdrängt, in welchem das Wärmeleitmaterial in dem Normalzustand angeordnet ist beziehungsweise war. Durch die Verdrängung des Wärmeleitmaterials wird die thermische Anbindung der wenigstens einen Speicherzelle an das Kühlelement gegenüber dem Normalzustand zumindest verschlechtert oder gar aufgehoben. Unter der Verschlechterung der thermischen Verbindung zwischen der wenigstens einen Speicherzelle und dem Kühlelement ist insbesondere zu verstehen, dass beispielsweise in dem Normalzustand bei der ersten Temperatur eine erste Wärmemenge pro Zeiteinheit von der wenigstens einen Speicherzelle über das Wärmeleitmaterial an das Kühlelement übergehen kann. Infolge der Verschlechterung der thermischen Verbindung zwischen der wenigstens einen Speicherzelle und dem Kühlelement kann beispielsweise trotz der gegenüber der ersten Temperatur höheren zweiten Temperatur keine Wärme von der wenigstens einen Speicherzelle an das Kühlelement übergehen oder es kann nur eine gegenüber der ersten Wärmemenge geringere zweite Wärmemenge pro Zeiteinheit von der wenigstens einen Speicherzelle an das Kühlelement übergehen.
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Insbesondere ist es denkbar, dass das Verdrängungselement an die Stelle zumindest des Teils des Wärmeleitelements tritt, wodurch beispielsweise das Verdrängungsmaterial als weiteres Isolationselement zwischen der wenigstens einen Speicherzelle und dem Kühlelement wirkt. Mittels des weiteren Isolationselements, welches durch das Verdrängungsmaterial infolge der Volumenvergrößerung des Verdrängungsmaterials gebildet ist, ist beispielsweise zumindest ein erster Teilbereich der wenigstens einen Speicherzelle von zumindest einem zweiten Teilbereich des Kühlelements thermisch isoliert.
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Durch die Verschlechterung oder Aufhebung der thermischen Verbindung zwischen der wenigstens einen Speicherzelle und dem Kühlelement ist die wenigstens eine Speicherzelle von dem Kühlelement und in der Folge von der anderen Speicherzelle beziehungsweise von den anderen Speicherzellen des Energiespeichers zumindest im Wesentlichen entkoppelt, sodass ein unerwünschter, übermäßiger Wärmeübergang von der wenigstens einen Speicherzelle an das Kühlelement und an die andere Speicherzelle vermieden werden kann. Dadurch kann beispielsweise vermieden werden, dass das in der wenigstens einen Speicherzelle aufgetretene und zu der beschriebenen Erwärmung der wenigstens einen Speicherzelle führende thermische Ereignis auf die andere Speicherzelle übergreift, in welcher kein thermisches Ereignis stattgefunden hat. In der Folge kann eine thermische Propagation, das heißt eine Ausbreitung des thermischen Ereignisses beziehungsweise ein Übergriff der thermischen Ereignisses von der wenigstens einen Speicherzelle auf die andere Speicherzelle vermieden werden oder eine übermäßig schnelle thermische Propagation kann vermieden werden, wodurch ein besonders sicherer Betrieb des Energiespeichers darstellbar ist.
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Eine thermische Propagation beziehungsweise eine übermäßig schnelle thermische Propagation kann insbesondere auch dadurch vermieden werden, dass die Speicherzellen auf ihren ersten Seiten mittels des Isolationselements thermisch voneinander isoliert sind. Gleichzeitig kann in dem Normalzustand eine hinreichende Kühlung der Speicherzellen gewährleistet werden, da in dem Normalzustand ein besonders effizienter und effektiver Wärmeübergang von den Speicherzellen über das Wärmeleitmaterial an das Kühlelement gewährleistet werden kann. Da die Speicherzellen auch in ihrem Normalzustand mittels des Isolationselements auf den ersten Seiten thermisch voneinander isoliert sind, kann schon während des Normalzustands eine gegenseitige thermische Beeinflussung der Speicherzellen vermieden werden.
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Unter einem thermischen Ereignis ist eine übermäßig starke Erwärmung beziehungsweise Überhitzung wenigstens einer der Speicherzellen zu verstehen, wobei das thermische Ereignis beispielsweise aus einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung des Energiespeichers resultiert. Bei der Erfindung ist es möglich, die jeweilige Speicherzelle, in der es zu einem thermischen Ereignis kommt, von der jeweils anderen Speicherzelle zu entkoppeln und so die andere, benachbarte Speicherzelle vor einer insbesondere übermäßig schnellen Überhitzung zu schützen.
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Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass bei herkömmlichen Energiespeichern einer thermischen Propagation durch komplette Isolation der auch als Zellen bezeichneten Speicherzellen entgegengewirkt werden soll. Eine solche komplette thermische Isolation der Speicherzellen zueinander beziehungsweise voneinander beeinträchtigt jedoch eine Kühlung der Speicherzellen, sodass diese nicht oder nur sehr aufwändig hinreichend gekühlt werden können. Kühlkonzepte zum Kühlen der Speicherzellen erfordern üblicherweise eine möglichst homogene Temperaturverteilung über alle Speicherzellen und damit eine möglichst gute thermische Kopplung der Speicherzellen miteinander, was beispielsweise durch das Kühlelement gewährleistet werden kann. Mit anderen Worten sind die Speicherzellen beispielsweise über das Kühlelement thermisch miteinander gekoppelt, um eine möglichst homogene Temperaturverteilung über die Speicherzellen zu realisieren und somit die Speicherzellen effektiv und effizient kühlen zu können. Eine solche thermische Kopplung der Speicherzellen miteinander begünstigt jedoch thermische Propagation, da üblicherweise sämtliche Isolationsschichten zwischen den Speicherzellen thermisch oft durch ihre Anbindung an das Kühlelement überwandert werden. Somit besteht ein Zielkonflikt zwischen der Realisierung einer hinreichenden Kühlung und der Verhinderung einer übermäßigen thermischen Propagation.
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Dieser Zielkonflikt kann nun bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher gelöst werden, da das Wärmeleitmaterial und das Verdrängungsmaterial in dem Normalzustand eine besonders vorteilhafte, effektive und effiziente Anbindung der Speicherzellen an das Kühlelement zulassen beziehungsweise ermöglichen. Im Falle einer Überhitzung der wenigstens einen Speicherzelle wird diese thermische Anbindung zumindest verschlechtert oder aufgehoben, sodass eine thermische Kopplung der Speicherzellen über das Kühlelement verschlechtert oder gar aufgehoben wird. In der Folge kann ein übermäßiger Wärmeübergang von der wenigstens einen Speicherzelle, in der ein thermisches Ereignis aufgetreten ist, an die jeweils andere Speicherzelle über das Kühlelement vermieden werden, sodass einer thermischen Propagation effektiv entgegengewirkt werden kann.
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Das Isolationselement ist beispielsweise eine Isolationsschicht, durch welche die Speicherzellen oder jeweilige Zelleinheiten, welche ein, zwei oder drei Speicherzellen umfassen, auf die beschriebene Weise voneinander thermisch isoliert sind.
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In dem Normalzustand sind die Speicherzellen insbesondere an ihrer jeweiligen Stirnseite über das Wärmeleitmaterial an das beispielsweise als Kühlplatte ausgebildete Kühlelement angebunden. Das Wärmeleitmaterial ist beispielsweise ein Materialverbund, insbesondere eine Wärmeleitpaste, wobei das Wärmeleitmaterial beispielsweise eine erste Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bei Überhitzung verschlechtert das Wärmeleitmaterial seine thermische Leitfähigkeit und entkoppelt beispielsweise die wenigstens eine Speicherzelle von dem Kühlelement und der jeweils anderen Speicherzelle. Dies erfolgt durch die zuvor beschriebene Verdrängung zumindest eines Teils des Wärmeleitmaterials. Insbesondere nimmt das Verdrängungsmaterial infolge seiner Volumenvergrößerung den Platz beziehungsweise die Stelle zumindest des genannten Teils des Wärmeleitmaterials ein, wobei vorzugsweise das Verdrängungsmaterial eine gegenüber der ersten Leitfähigkeit geringere zweite Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierdurch wird beispielsweise zumindest ein Teil der wenigstens einen Speicherzelle mittels des Verdrängungsmaterials thermisch von dem Kühlelement isoliert beziehungsweise entkoppelt.
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Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist beispielsweise in dem Normalzustand eine erste Wärmeleitfähigkeit der thermischen Verbindung zwischen der wenigstens einen Speicherzelle und dem Kühlelement vorgesehen. Infolge der Volumenvergrößerung des Verdrängungsmaterials und infolge der daraus resultierenden Verdrängung zumindest des Teils des Wärmeleitmaterials weist die thermische Verbindung zwischen der wenigstens einen Speicherzelle und dem Kühlelement ab beziehungsweise bei der zweiten Temperatur und somit beispielsweise in einem von dem Normalzustand unterschiedlichen Betriebszustand des Energiespeichers eine gegenüber der ersten Wärmeleitfähigkeit wesentlich geringere zweite Wärmeleitfähigkeit auf, welche beispielsweise Null beträgt. Hierdurch ist die wenigstens eine havarierte Speicherzelle von dem Kühlelement und von der anderen Speicherzelle hinreichend entkoppelt, sodass eine übermäßige thermische Propagation in dem Energiespeicher vermieden werden kann.
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Insbesondere ist es denkbar, dass die thermische Verbindung zwischen der wenigstens einen Speicherzelle und dem Kühlelement beziehungsweise das Wärmeleitmaterial ihre beziehungsweise seine thermischen Eigenschaften infolge der Erwärmung der wenigstens einen Speicherzelle ändert, wodurch der zuvor genannte Zielkonflikt gelöst werden kann. In dem auch als Normalbetrieb bezeichneten Normalzustand gewährleistet das Wärmeleitmaterial eine besonders vorteilhafte thermische Anbindung der Speicherzellen an das Kühlelement, wodurch eine möglichst homogene Temperaturverteilung zwischen den Speicherzellen realisierbar ist. Im Falle einer Überhitzung der wenigstens einen Speicherzelle wird die thermische Anbindung der wenigstens einen Speicherzelle an das Kühlelement gegenüber dem Normalzustand zumindest verschlechtert, sodass ein Umgehen des Isolationselements und ein daraus resultierender, übermäßiger Wärmeübergang von der wenigstens einen Speicherzelle an die andere Speicherzelle vermieden werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Energiespeichers in einem Normalzustand; und
- 2 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht des Energiespeichers in einem von dem Normalzustand unterschiedlichen Betriebszustand, in welchem es zu einem thermischen Ereignis in wenigstens einer Speicherzelle des Energiespeichers gekommen ist.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Perspektivansicht einen im Ganzen mit 10 bezeichneten Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen. Der Energiespeicher 10 wird auch als Speichereinrichtung bezeichnet und ist beispielsweise als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet. Somit kann beispielsweise mittels des Energiespeichers 10 elektrische Energie elektrochemisch gespeichert werden.
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Der Energiespeicher 10 weist eine Mehrzahl von Speicherzellen 12a-e auf, welche auch als Zellen bezeichnet werden. Die Speicherzellen 12a-e sind elektrochemische Speicherzellen, mittels welchen die zuvor genannte elektrische Energie elektrochemisch gespeichert werden kann. Insbesondere ist der Energiespeicher 10 als Batterie und dabei insbesondere als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet, sodass die Speicherzellen 12a-e als Batteriezellen, insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind. Insbesondere ist der Energiespeicher 10 als Hochvolt-Komponente (HV-Komponente) ausgebildet. Somit ist der Energiespeicher 10 beispielsweise als Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) ausgebildet. Der Energiespeicher 10 weist somit beispielsweise eine elektrische Spannung, insbesondere eine elektrische Betriebsspannung, auf, welche mehr als 50 Volt, insbesondere mehr als 60 Volt und vorzugsweise mehrere einhundert Volt, beträgt. Hierdurch können besonders große elektrische Leistungen zum elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs realisiert werden.
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Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass die Speicherzellen 12a-e beispielsweise entlang einer durch einen Doppelpfeil 14 veranschaulichten Stapelrichtung aufeinanderfolgend beziehungsweise hintereinander angeordnet sind und somit einen auch als Stack, Zellenstack oder Batteriestack bezeichneten Stapel 16 bilden, welcher auch als Batteriestapel oder Zellenstapel bezeichnet wird. Die Speicherzellen 12a, b beziehungsweise 12b, c beziehungsweise 12c, d beziehungsweise 12d, e sind unmittelbar benachbarte Zellen, welche entlang der Stapelrichtung unmittelbar aufeinanderfolgen. Dies bedeutet, dass zwischen den unmittelbar benachbarten Zellen keine weiteren Zellen angeordnet sind.
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Im Folgenden wird der Energiespeicher 10, insbesondere dessen Funktion, anhand der Speicherzellen 12b und 12c erläutert, wobei die vorigen und folgenden Ausführungen zu den Speicherzellen 12b und 12c ohne Weiteres auch auf die anderen Speicherzellen 12a, d, e übertragbar sind und umgekehrt.
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Um nun einerseits eine besonders vorteilhafte Kühlung der Speicherzellen 12a-e realisieren und eine übermäßige beziehungsweise übermäßig schnelle thermische Propagation in dem Energiespeicher 10 vermeiden zu können, umfasst der Energiespeicher 10 Isolationselemente 18, welche beispielsweise durch jeweilige Isolationsschichten gebildet sind. Das jeweilige Isolationselement 18 ist zwischen den jeweiligen, unmittelbar benachbarten Zellen angeordnet, sodass eines der Isolationselemente 18 zwischen den Speicherzellen 12b und 12c angeordnet ist. Dabei ist das eine Isolationselement 18 zwischen einander zugewandten ersten Seiten 20 der Speicherzellen 12b und 12c angeordnet. Die Seiten 20 sind dabei Breitseiten der Speicherzellen 12b und 12c. mittels des zwischen den Speicherzellen 12b und 12c angeordneten Isolationselement 18 sind die Speicherzellen 12b und 12c auf ihren ersten Seiten 20 thermisch voneinander isoliert.
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Der Energiespeicher 10 umfasst ferner wenigstens ein auf von den ersten Seiten 20 unterschiedlichen zweiten Seiten 22 der Speicherzellen 12b und 12c angeordnetes Kühlelement in Form einer Kühlplatte 24, mittels welcher Wärme von den Speicherzellen 12a-e abführbar ist. Des Weiteren umfasst der Energiespeicher 10 Wärmeleitmaterial 26, welches zwischen den jeweiligen Seiten 20 und somit den jeweiligen Speicherzellen 12a-d und der Kühlplatte 24 angeordnet ist. Insbesondere berührt das Wärmeleitmaterial 26 einerseits die jeweiligen Seiten 22 und andererseits die Kühlplatte 24 direkt. Über das Wärmeleitmaterial 26 sind die Speicherzellen 12b und 12c in zumindest einem in 1 gezeigten und auch als Normalbetrieb oder Normalbetriebszustand bezeichneten Normalzustand N des Energiespeichers 10 über die zweiten Seiten 22 thermisch mit der Kühlplatte 24 verbunden, wobei der Energiespeicher 10, insbesondere die Speicherzellen 12b und 12c in den Normalzustand N eine erste Temperatur aufweist beziehungsweise aufweisen. Dies bedeutet, dass in dem Normalzustand N eine besonders hohe Wärmemenge pro Zeiteinheit von den Speicherzellen 12b und 12c über das Wärmeleitmaterial 26 an das Kühlelement 24 übergehen kann, wodurch die Speicherzellen 12b und 12c besonders vorteilhaft gekühlt werden.
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In Zusammenschau mit 2 ist erkennbar, dass der Energiespeicher 10 Verdrängungsmaterial 28 aufweist, dessen Volumen ab einer gegenüber der ersten Temperatur größeren zweiten Temperatur zunimmt, wodurch das Verdrängungsmaterial 28 zumindest einen Teil des Wärmeleitmaterials 26 verdrängt und dadurch die thermische Verbindung zwischen wenigstens einer der Speicherzellen 12b und 12c und der Kühlplatte 24 gegenüber dem Normalzustand N zumindest verschlechtert.
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2 zeigt einen von dem Normalzustand N unterschiedlichen Betriebszustand B des Energiespeichers 10. Der Energiespeicher 10 ist dadurch von dem Normalbetriebszustand N in den Betriebszustand B überführt worden, dass es zu einem thermischen Ereignis in den Energiespeicher 10, insbesondere in der Speicherzelle 12c gekommen ist. Somit ist die Speicherzelle 12c die zuvor genannte, wenigstens eine Speicherzelle. Das thermische Ereignis resultiert beispielsweise aus einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung des Energiespeichers 10 und führt zu einer Erwärmung beziehungsweise Überhitzung der Speicherzelle 12c. Die Speicherzelle 12c weist somit infolge der Überhitzung die gegenüber der ersten Temperatur wesentlich höher zweite Temperatur auf, wodurch es zu dem Betriebszustand B kommt.
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Das Verdrängungsmaterial 28 steht beispielsweise in zumindest mittelbaren, insbesondere in direktem, thermischem Kontakt mit den Speicherzellen 12a-e, sodass das Verdrängungsmaterial 28 in dem Normalzustand N die erste Temperatur aufweist. Durch die Überhitzung der Speicherzelle 12c kommt es zu einer Erwärmung des Verdrängungsmaterials 28, sodass beispielsweise das Verdrängungsmaterial 28 auf die zweite Temperatur erhitzt wird. In der Folge nimmt das Volumen des Verdrängungsmaterials 28 zu, wodurch zumindest ein Teil des Wärmeleitmaterials 26 durch das Verdrängungsmaterial 28 verdrängt wird. In der Folge wird die thermische Verbindung zwischen der wenigstens einen Speicherzelle 12c und der Kühlplatte 24 gegenüber dem Normalzustand N zumindest verschlechtert oder gar aufgehoben, sodass beispielsweise die wenigstens eine Speicherzelle 12c in dem Betriebszustand B thermisch von der Kühlplatte 24 und von den anderen Speicherzellen 12a, c, d und e entkoppelt ist. Dadurch kann ein Übergriff beziehungsweise ein übermäßig schneller Übergriff des thermischen Ereignisses von der wenigstens einen Speicherzelle 12c auf die anderen Speicherzellen 12a, c, d und e vermieden werden.
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Dem Energiespeicher 10 liegt somit die Idee zugrunde, Wärmeleiteigenschaften einer durch das Wärmeleitmaterial 26 gebildeten Verbindungsschicht, über welche die Speicherzellen 12a-d in dem Normalzustand N an die Kühlplatte 24 thermisch angebunden sind, im Falle einer Überhitzung zumindest einer der Speicherzellen 12a-d zu verändern und in der Folge die thermische Anbindung der wenigstens einen überhitzten Speicherzelle an die Kühlplatte 24 gegenüber dem Normalzustand N zu verschlechtern oder gar aufzuheben. Diese Änderung der Wärmeleiteigenschaften wird durch die bei der Überhitzung erzeugte Wärme selbst hervorgerufen. Das Verdrängungsmaterial 28 ist beispielsweise ein Zusatz in dem beispielsweise als Wärmeleitpaste ausgebildeten Wärmeleitmaterial 26 und kann als intumeszentes oder schäumendes Material ausgebildet sein. Das Verdrängungsmaterial 28 verändert beispielsweise durch chemische Prozesse, ausgelöst durch die Wärme bei der Überhitzung, sein Volumen und verdrängt dadurch das Wärmeleitmaterial 26 zumindest teilweise beziehungsweise verändert die Wärmeleiteigenschaften der.genannten Verbindung negativ.
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Das jeweilige, beispielsweise durch eine isolierende Schicht gebildete Isolationselement 18 ist beispielsweise aus einem Isolationsmaterial gebildet, welches beispielsweise so gewählt wird, dass es auftretenden Temperaturen standhalten kann und hinreichend isoliert, dass im Falle einer Überhitzung angrenzende Zellen nicht ihre kritische Temperatur erreichen beziehungsweise überschreiten. Die einzige thermische Kopplung der Zellen untereinander bildet ein Verbund aus den beispielsweise eine wärmeleitende Schicht bildenden Wärmeleitmaterial 26 und Kühlplatte 24. Durch diese Kopplung ist eine zumindest im Wesentlichen homogene Wärmeverteilung in dem auch als Normalbetrieb bezeichneten Normalzustand N gewährleistet.
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Im Falle einer Überhitzung zumindest einer der Zellen werden die zuvor genannten Zusätze in der beispielsweise eine Wärmeleitschicht bildenden Wärmeleitmaterial 26 aktiviert und verdrängen infolge der beschriebenen Volumenvergrößerung die Wärmeleitschicht zumindest teilweise. Ein geeigneter Raumvorhalt für die verdrängte Wärmeleitschicht sollte gegeben sein, sofern sich diese nicht in benötigtem Maße komprimieren lässt. Durch das zumindest teilweise Verdrängen der Wärmeleitschicht verschlechtert sich die thermische Kopplung zumindest der wenigstens einen, havarierten Speicherzelle 12c zur Kühlplatte 24 und zu den jeweils benachbarten Zellen, wodurch verhindert wird, dass die Isolationselemente 18 umgangen werden und eine übermäßige thermische Propagation stattfindet.
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Zu dem zuvor genannten, auch als thermisches Event bezeichneten thermischen Ereignis kommt es beispielsweise dann, wenn die wenigstens eine Speicherzelle 12c aufgrund eines inneren Fehlers und/oder aufgrund von anhaltendem Betrieb im Überlastbereich eine kritische Temperatur erreicht beziehungsweise überschreitet. In der Folge kann sich die Zelle aufgrund eines internen Kurzschlusses rasch weiter aufheizen und so - falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind - benachbarte Zellen ebenfalls in einen thermisch kritischen Zustand bringen. Es kann üblicherweise zu einer Kettenreaktion von Zelle zu Zelle kommen, wodurch große Energiemengen freigesetzt werden können.
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Durch Einsatz des Verdrängungsmaterials 28 kann eine passive thermische Entkopplung der Zellen voneinander realisiert werden, sodass havarierte Zellen automatisch von angrenzenden zu schützenden Zellen isoliert werden, sodass die Wärmeenergie mit einer nur begrenzten und vertretbaren Rate an die Umgebung und Nachbarzellen weitergeleitet wird.
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Isolationsschichten sollten je nach Zelle, mindestens aber alle zwei bis drei Zellen, eingefügt werden, um die entstehende Gesamtenergiemenge möglichst gering zu halten.
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Die Wärmeleitschicht kann aus einer herkömmlichen Wärmeleitpaste bestehen, welche mit schäumenden oder blähenden Partikeln versehen ist. Der Schäum- oder Blähvorgang wird durch Temperaturen ab 100 Grad Celsius aktiviert. Mit anderen Worten beträgt die zweite Temperatur beispielsweise 100 Grad Celsius. Dieser Vorgang vergrößert das Volumen der Partikel und verdrängt damit die Wärmeleitpaste.
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Ferner ist es denkbar, dass das Verdrängungsmaterial durch Streifen oder Schichten gebildet ist, die beispielsweise an geeigneten Stellen der Wärmeleitschicht aufgenommen sind. Dies wäre insofern von Vorteil, als die Wärmeleitpaste nicht durch Zusätze verändert werden muss. Zudem kann durch die Platzierung der schäumenden oder blähenden Streifen beziehungsweise Schichten die ursprüngliche Wärmeleitfähigkeit des Gesamtpfades Zelle - Wärmeleitpaste - Kühlplatte 24 nahezu unverändert gelassen werden.
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Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das Verdrängungsmaterial 28 zumindest teilweise in dem Wärmeleitmaterial 26 aufgenommen ist. Ferner ist es denkbar, dass das Verdrängungsmaterial 28 zumindest teilweise mit dem Wärmeleitmaterial 26 vermischt ist. Alternativ ist es denkbar, dass das Verdrängungsmaterial und das Wärmeleitmaterial 26 voneinander getrennte Phasen beziehungsweise Schichten bilden. Außerdem ist es möglich, dass das Verdrängungsmaterial 28 zumindest teilweise neben dem Wärmeleitmaterial 26 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es möglich, dass das Verdrängungsmaterial 28 als eigenständiges Material in das Wärmeleitmaterial 26 eingebracht ist und dabei beispielsweise als Streifen, Punkte, Gitter oder sehr dünne Schicht darüber oder darunter angeordnet ist.
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Als weiterführende Ausgestaltung kann aufschäumendes beziehungsweise intumeszentes Material beziehungsweise Material mit ähnlicher gleicher Wirkung wie das Verdrängungsmaterial 28 zusätzlich in dem jeweiligen Isolationselement 18 vorgesehen sein, um beispielsweise hierdurch infolge einer Volumenvergrößerung die Isolationswirkung zwischen den Speicherzellen 12a-e zu verbessern. Hierbei sollte aber entweder der Aufschäumfaktor geringer gewählt sein oder die Menge entsprechend geringer bestimmt sein, damit beim Aufschäumen zwischen den Zellen kein zu großer neuer Raumbedarf entsteht und die Batterie beziehungsweise Zellen untereinander so unter mechanische Spannung geraten beziehungsweise die Struktur geschwächt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energiespeicher
- 12a-e
- Speicherzelle
- 14
- Doppelpfeil
- 16
- Stapel
- 18
- Isolationselement
- 20
- Seite
- 22
- Seite
- 24
- Kühlplatte
- 26
- Wärmeleitmaterial
- 28
- Verdrängungsmaterial
- N
- Normalzustand
- B
- Betriebszustand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008061277 A1 [0002]
