DE102017222641A1

DE102017222641A1 - Elektrochemische energiespeicherzelle, batteriemodul und fahrzeug

Info

Publication number: DE102017222641A1
Application number: DE102017222641.2A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-06-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeicherzelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, ein Batteriemodul mit solchen Energiespeicherzellen und ein Fahrzeug mit einer solchen elektrochemischen Energiespeicherzelle oder einem solchen Batteriemodul. An einer Außenseite eines Gehäuses der Energiespeicherzelle sind ein positiver elektrischer Anschluss und ein negativer elektrischer Anschluss angeordnet, wobei der negative und/oder der positive elektrische Anschluss von dem Gehäuse elektrisch isoliert ist bzw. sind. Eine im Gehäuse angeordnete Elektrodenanordnung der Energiespeicherzelle ist mit dem negativen und dem positiven elektrischen Anschluss elektrisch verbunden, wobei eine Entladungseinrichtung, die einen Entladungsstromkreis und einen Entladungsschalter aufweist, dazu eingerichtet ist, die elektrochemische Energiespeicherzelle bei geschlossenem Entladungsschalter zumindest teilweise elektrisch zu entladen, indem in der Elektrodenanordnung gespeicherte elektrische Energie im Entladungsstromkreis in thermische Energie umgewandelt wird. Dabei ist zumindest ein Absorptionsbereich des Gehäuses dazu eingerichtet, die thermische Energie zumindest teilweise aufzunehmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeicherzelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, ein Batteriemodul mit solchen elektrochemischen Energiespeicherzellen und ein Fahrzeug mit einer solchen elektrochemischen Energiespeicherzelle oder einem solchen Batteriemodul.
Im Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers können die in ihm enthaltenen Chemikalien bzw. ablaufenden chemischen Reaktionen unter Umständen zu einer Beschädigung des Energiespeichers führen. Um das Risiko einer Beschädigung des Energiespeichers zu senken, sind verschiedene konstruktive Maßnahmen bekannt. Beispielsweise kann das Gehäuse des Energiespeichers mit starken Wänden versehen und/oder aus einem besonders stabilen Material hergestellt sein. Ferner kann eine thermische Isolation zwischen mehreren, insbesondere gestapelten, Energiespeichern vorgesehen sein.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrochemische Energiespeicherzelle, ein Batteriemodul und ein Fahrzeug bereitzustellen, die bzw. das ein erhöhtes Maß an Sicherheit bei geringem konstruktivem Aufwand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrochemische Energiespeicherzelle, ein Batteriemodul und ein Fahrzeug gemäß den Ansprüchen 1, 10 bzw. 11.
Eine erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicherzelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, weist ein Gehäuse auf, an dessen Außenseite ein positiver elektrischer Anschluss und ein negativer elektrischer Anschluss angeordnet sind, wobei der negative und/oder der positive elektrische Anschluss von dem Gehäuse elektrisch isoliert ist bzw. sind. Eine im Gehäuse angeordnete Elektrodenanordnung der Energiespeicherzelle ist mit dem negativen und dem positiven elektrischen Anschluss elektrisch verbunden, wobei eine Entladungseinrichtung, die einen Entladungsstromkreis und einen Entladungsschalter aufweist, dazu eingerichtet ist, die elektrochemische Energiespeicherzelle bei geschlossenem Entladungsschalter zumindest teilweise elektrisch zu entladen, indem in der Elektrodenanordnung gespeicherte elektrische Energie im Entladungsstromkreis in thermische Energie umgewandelt wird. Dabei ist zumindest ein Absorptionsbereich des Gehäuses dazu eingerichtet, die thermische Energie zumindest teilweise aufzunehmen.
Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul weist mehrere erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicherzellen auf.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, weist eine erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriemodul auf.
Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem Ansatz, eine Energiespeicherzelle im Bedarfsfall sicher vollständig oder zumindest teilweise zu entladen, indem die in der Elektrodenanordnung der elektrochemischen Energiespeicherzelle gespeicherte elektrische Energie kontrolliert in thermische Energie umgewandelt wird. Zu diesem Zweck weist die Energiespeicherzelle einen durch einen Entladungsschalter mit der Elektrodenanordnung elektrisch verbindbaren Entladungsstromkreis auf. Der Entladungsstromkreis enthält beispielsweise einen Verbraucher, etwa ein Widerstandselement mit einem ohmschen Widerstand, über den die in der Elektrodenanordnung in Form von elektrischer Ladung gespeicherte elektrische Energie in einem geschlossenen Zustand des Entladungsschalters zumindest teilweise abfließt. Zumindest ein Absorptionsbereich des Gehäuses der Energiespeicherzelle ist hierbei dazu eingerichtet, die dabei entstehende thermische Energie zumindest teilweise aufzunehmen. Vorzugsweise ist bzw. sind das Gehäuse und/oder der Entladungsstromkreis dazu im Absorptionsbereich derart eingerichtet, dass zwischen dem Gehäuse und dem Entladungsstromkreis, insbesondere mit dem Verbraucher, etwa dem Widerstandselement, im Absorptionsbereich eine thermische Verbindung besteht.
Der Entladungsstromkreis, der zusammen mit dem Entladungsschalter eine Entladungseinrichtung der Energiespeicherzelle bildet, ist vorzugsweise parallel zur Elektrodenanordnung bzw. zu den am Gehäuse der Energiespeicherzelle vorgesehenen positiven und negativen Anschlüssen geschaltet. Dadurch kann die Elektrodenanordnung durch Schließen des Entladungsschalters kurzgeschlossen und die gespeicherte elektrische Energie schnell und zuverlässig zumindest teilweise in Wärmeenergie umgewandelt werden.
Die somit kontrolliert herbeiführbare zumindest teilweise Entladung der Energiespeicherzelle ermöglicht eine Vermeidung oder zumindest Verminderung eines sog. thermisches Durchgehens der Energiespeicherzelle, d.h. die unkontrollierte Überhitzung der Energiespeicherzelle durch eine exotherme, sich durch die erzeugte Wärme selbst verstärkende chemische Reaktion von Bestandteilen der Energiespeicherzelle. Insbesondere kann durch die zumindest teilweise Entladung die beim thermischen Durchgehen maximal auftretende Temperatur und/oder der im Inneren des Gehäuses maximal auftretende Druck verringert werden. Dadurch kann auch die Propagation einer Überhitzung von Energiespeicherzellen, die zu einem Batteriemodul gestapelt sind, verhindert oder zumindest verringert werden.
Der Entladungsschalter ist vorzugsweise dazu eingerichtet, den Entladungsstromkreis bei Vorliegen eines Entladungssignals zu schließen. Das Entladungssignal kann beispielsweise von einer Steuereinheit erzeugt bzw. am Entladungsschalter bereitgestellt werden, wenn der Entladungsschalter zu betätigen ist, d.h. von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand zum Entladen der Energiespeicherzelle überführt werden soll. Bei einer solchen Steuereinheit kann es sich insbesondere um eine Steuereinheit des Batteriemoduls zur Überwachung der Energiespeicherzellen des Batteriemoduls handeln.
Alternativ kann der Entladungsschalter dazu eingerichtet sein, automatisch, etwa durch eine Temperatureinwirkung, ausgelöst zu werden.
Der Absorptionsbereich des Gehäuses, der die thermische Energie zumindest teilweise aufnimmt, befindet sich beispielsweise am Gehäusedeckel des Gehäuses. Alternativ kann sich der Absorptionsbereich auch am Gehäuseboden des Gehäuses befinden. Dabei sind der Gehäusedeckel und/oder der Gehäuseboden des Gehäuses vorzugsweise thermisch von den restlichen Teilen des Gehäuses isoliert. Hierdurch wird eine zuverlässige räumliche Begrenzung der durch die Umwandlung in thermische Energie verursachten Erwärmung des Gehäuses ermöglicht. Insbesondere kann dadurch eine unbeabsichtigte Erwärmung von benachbarten Energiespeicherzellen, die zusammen mit der Energiespeicherzelle zu einem Batteriemodul gestapelt sind, vermieden oder zumindest verringert werden.
Insgesamt wird durch die Erfindung ein erhöhtes Maß an Sicherheit bei geringem konstruktivem Aufwand gewährleistet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der negative oder der positive Anschluss über einen Entkopplungsschalter mit dem Entladungsstromkreis elektrisch verbunden, und der Entkopplungsschalter ist dazu eingerichtet, die elektrische Verbindung zwischen der Elektrodenanordnung und dem negativen bzw. dem positiven Anschluss zu unterbrechen, wenn der Entladungsschalter geschlossen wird oder ist. Dadurch kann die Energiespeicherzelle aus einer Parallelschaltung, beispielsweise mit einem externen Verbraucher und/oder weiteren Energiespeicherzellen in einem Batteriemodul, abgekoppelt werden.
Der Entkopplungsschalter kann als reversibel oder als irreversibel trennendes Sicherungselement, insbesondere als auf Halbleitertechnik basierende steuerbare elektronische Sicherung oder als Schmelzsicherung, eingerichtet sein. Vorzugsweise ist der Entkopplungsschalter dazu eingerichtet, anhand des Entladungssignals betätigt zu werden, um die Elektrodenanordnung von dem positiven oder negativen Anschluss elektrisch zu trennen, wenn der Entladungsschalter geschlossen wird bzw. worden ist, und/oder die Elektrodenanordnung mit dem positiven oder negativen Anschluss elektrisch zu verbinden, wenn der Entladungsschalter geöffnet wird bzw. worden ist. Dadurch kann die Energiespeicherzelle flexibel, insbesondere situationsabhängig, von einem angeschlossenen externen Verbraucher getrennt werden und die Sicherheit weiter erhöht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Entladungsstromkreis mindestens einen ohmschen Widerstand auf, welcher durch zumindest einen Teil des Gehäuses, insbesondere eine Komponente des Gehäuses, im Absorptionsbereich gebildet wird. Dabei ist der Teil des Gehäuses im Absorptionsbereich vorzugsweise thermisch vom Rest des Gehäuses isoliert, um die im Absorptionsbereich aufgenommene thermische Energie räumlich zu begrenzen und so eine ungewollte Beeinflussung der Umgebung der Energiespeicherzelle durch vom Gehäuse abgegebenen Wärme zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
Vorzugsweise wird zumindest ein Teil des Entladungsstromkreises durch einen Gehäusedeckel und/oder einen Gehäuseboden des Gehäuses gebildet. Diese Komponenten des Gehäuses eignen sich besonders zur Leitung der elektrischen Ladungen aus der Elektrodenanordnung bzw. zur Aufnahme der thermischen Energie, da sie sich auf konstruktive Weise leicht elektrisch und/oder thermisch, beispielsweise durch Kunststoffdichtungen, vom Rest des Gehäuses isolieren lassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Absorptionsbereich des Gehäuses, insbesondere zusätzlich zum Material des Gehäuses selbst, ein Wärmeaufnahmematerial angeordnet, welches zur Aufnahme zumindest eines Teils der thermischen Energie geeignet ist. Vorzugsweise weist das Wärmeaufnahmematerial eine hohe Schmelzenthalpie auf, insbesondere von mindestens 100 kJ/kg, bevorzugt von mindestens 150 kJ/kg, besonders bevorzugt von mindestens 200 kJ/kg. Solche Schmelzenthalpien werden beispielsweise von sog. „Phase-Change-Materialen“ erreicht, die daher vorzugsweise als Wärmeaufnahmematerial eingesetzt werden können. Somit wird die Aufnahme von thermischer Energie im Absorptionsbereich in einer hohen Menge und/oder über einen langen Zeitraum, beispielsweise über mindestens 10 s, vorzugsweise über mindestens 20 s, insbesondere über mindestens 30 s, ermöglicht, insbesondere ohne dass unkontrolliert Wärme in die Umgebung der Energiespeicherzelle abgegeben wird. Insbesondere kann so eine frühzeitige Beschädigung und damit Unterbrechung des Entladungsstromkreises sowie das Entstehen von Temperaturspitzen im Entladungsstromkreis vermieden oder zumindest reduziert werden.
Vorzugsweise weist das als Phase-Change-Material ausgebildete Wärmeaufnahmematerial auch eine hohe Schmelztemperatur, bevorzugt von mindestens 60 °C, besonders bevorzugt von mindestens 80 °C, insbesondere von mindestens 90 °C, auf. Dadurch kann vermieden werden, dass auch thermische Energie aus der Umgebung der Energiespeicherzelle und/oder beim regulären Betrieb der Energiespeicherzelle erzeugte thermische Energie als latente Wärme vom Phase-Change-Material aufgenommen wird. Dadurch kann die im Entladungsstromkreis erzeugte thermische Energie, bei der die Schmelztemperatur des Phase-Change-Materials überschritten wird, im Bedarfsfall zuverlässig vom Wärmeaufnahmematerial zumindest teilweise als latente Wärme aufgenommen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmeaufnahmematerial als Schicht im Absorptionsbereich des Gehäuses ausgebildet. Dadurch kann die effektive Oberfläche des Wärmeaufnahmematerials, über welche die thermische Energie aufgenommen wird, maximiert werden. Insbesondere kann so die thermische Energie zuverlässig und gleichmäßig über den gesamten Absorptionsbereich, insbesondere über den gesamten Gehäusedeckel und/oder Gehäuseboden der Energiespeicherzelle, vom Wärmeaufnahmematerial aufgenommen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmeaufnahmematerial Hartparaffin. Dies ist besonders vorteilhaft, da Hartparaffin ein elektrischer Isolator ist und daher beispielsweise den stromführenden Teil des Gehäuses im Absorptionsbereich gegenüber der Umgebung der Energiespeicherzelle elektrisch isolieren kann. Zudem ist Hartparaffin chemisch inert oder zumindest reaktionsträge.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Entladungsstromkreis ein Sicherungselement auf, das dazu eingerichtet ist, den Entladungsstromkreis nach dem Verstreichen einer ersten Zeitdauer seit dem Schließen des Entladungsschalters zu unterbrechen. Dabei ist das Sicherungselement vorzugsweise als Schmelzsicherung, insbesondere als Verjüngung des Entladungsstromkreises, ausgebildet und/oder dazu eingerichtet, den Entladungsstromkreis nach 25 s, vorzugsweise nach 15 s, insbesondere nach 5 s, zu unterbrechen. Dadurch kann eine Überhöhung der Temperatur durch ein Übermaß von aufgenommener thermischer Energie im Absorptionsbereich, die eine Beschädigung der Energiespeicherzelle, insbesondere des Wärmeaufnahmematerials, zur Folge hätte, zuverlässig vermieden oder zumindest das Risiko einer solchen Temperaturüberhöhung verringert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Absorptionsbereich des Gehäuses dazu eingerichtet, die erzeugte thermische Energie für eine zweite Zeitdauer seit dem Schließen des Entladungsschalters, die größer ist als die erste Zeitdauer, zumindest teilweise aufzunehmen. Vorzugsweise ist der Absorptionsbereich, insbesondere das Wärmeaufnahmematerial, dazu eingerichtet, die erzeugte thermische Energie für mindestens 10 s, bevorzugt für mindestens 20 s, insbesondere für mindestens 30 s, aufzunehmen. Dies ermöglicht die Umsetzung einer signifikanten Menge von elektrischer Energie in thermische Energie, insbesondere von mehr als 16 kJ, vorzugsweise von mehr als 32 kJ, besonders bevorzugt von mehr als 48 kJ, und damit eine zuverlässige, gegebenenfalls vollständige, Entladung der Energiespeicherzelle. Zudem wird dadurch genügend Zeit zur Verfügung gestellt, in der eine Steuereinheit etwa eines Batteriemoduls aus gestapelten Energiespeicherzellen Maßnahmen zur Absicherung, beispielsweise durch Abschalten von externen Verbrauchern und/oder des Batteriemoduls, durchführen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Energiespeicherzelle eine Kühleinrichtung auf, welche im Absorptionsbereich des Gehäuses mit dem Entladungsstromkreis thermisch verbunden und zur Aufnahme und zum Abtransport der thermischen Energie eingerichtet ist. Dadurch kann die zweite Zeitdauer signifikant, beispielsweise auf über 60 s, vorzugsweise auf 90 s, insbesondere auf über 120 s, verlängert werden, wodurch die Energiespeicherzelle noch besser, insbesondere bezüglich eines thermischen Durchgehens, abgesichert ist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren, in denen durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet werden. Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:

1 ein Beispiel einer Energiespeicherzelle mit einer Entladungseinrichtung im Bereich eines Gehäusedeckels; und
2 ein Beispiel einer Energiespeicherzelle mit einer Entladungseinrichtung im Bereich eines Gehäusebodens.

1 zeigt ein Beispiel einer Energiespeicherzelle 1 mit einer Entladungseinrichtung im Bereich eines Gehäusedeckels 5a eines Gehäuses 5 der Energiespeicherzelle 2. Die Entladungseinrichtung weist einen Entladungsstromkreis 2 und einen Entladungsschalter 3 auf, wobei der Entladungsstromkreis 2 zu einer Elektrodenanordnung 4 der Energiespeicherzelle 1 elektrisch parallel geschaltet ist. Die Elektrodenanordnung 4 weist, je nach Zellentyp, neben einer oder mehreren Anoden- und Kathodenschichten eine oder mehrere dazwischen angeordnete Separatorschichten auf und enthält einen Elektrolyten (aus Anschaulichkeitsgründen jeweils nicht dargestellt). Die Elektrodenanordnung 4 befindet sich in dem Gehäuse 5 und ist mit einem negativen elektrischen Anschluss 6a auf einer Außenseite des Gehäuses 5, der durch ein Isolationselement 7a elektrisch vom Gehäuse 5 isoliert ist, verbunden.
Die Elektrodenanordnung 4 ist zudem über einen Entkopplungsschalter 8 auch mit einem positiven Anschluss 6b auf der Außenseite des Gehäuses 5 verbunden.
Im regulären Betrieb der Energiespeicherzelle 1 befindet sich der Entladungsschalter 3 in einem geöffneten Zustand, so dass der Entladungsstromkreis 2 unterbrochen ist, und der Entkopplungsschalter 8 in einem geschlossenen Zustand, so dass ein an die Anschlüsse 6a, 6b angeschlossener externer Verbraucher (nicht dargestellt) von der Energiespeicherzelle 1 mit Energie versorgt werden kann.
Wird eine Gefährdung oder ein Betriebsfehler der Energiespeicherzelle 1 festgestellt, kann der Entladungsschalter 3 in einen geschlossenen Zustand überführt werden, so dass der Entladungsstromkreis 2 stromführend wird. Zu diesem Zweck ist eine Steuerungseinheit 9 vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die Energiespeicherzelle 1, insbesondere deren Betrieb, beispielsweise sensorisch, zu überwachen, und bei Feststellung einer Gefährdung oder eines Betriebsfehlers ein Entladungssignal zu erzeugen und den, vorzugsweise als schaltbares Halbleiterelement ausgebildeten, Entladungsschalter 2 entsprechend zu steuern. Dabei ist der Entladungsschalter 3 insbesondere dazu eingerichtet, bei Anliegen des Entladungssignals reversibel zu schließen. Alternativ zum gezeigten Beispiel kann die Steuerungseinheit 9 auch außerhalb des Gehäuses 5 angeordnet sein. Die Steuerungseinheit 9 kann insbesondere dazu eingerichtet sein, mehrere Entladungseinrichtungen in mehreren Energiespeicherzellen zu steuern, etwa in zu einem Energiespeichermodul gestapelten Energiespeicherzellen.
Das Entladungssignal wird beispielsweise erzeugt, wenn eine Betriebstemperatur im Bereich der Elektrodenanordnung 4 einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert erreicht oder überschreitet, etwa 60 °C, vorzugsweise 70 °C, insbesondere 80 °C. Alternativ oder zusätzlich wird das Entladungssignal erzeugt, wenn die abgegebene Leistung der Energiespeicherzelle 1 einen vorgegebenen Leistungsschwellenwert erreicht oder überschreitet, etwa 1,5 kW, vorzugsweise 2 kW, insbesondere 3 kW.
Befindet sich der Entladungsschalter 3 in einem geschlossenen Zustand, ist die Elektrodenanordnung 4 effektiv kurzgeschlossen, so dass die in Form elektrischer Ladung in der Elektrodenanordnung 4 gespeicherte elektrische Energie als Entladestrom durch den Entladungsstromkreis 2 fließen kann. Der Entladungsstromkreis 2 ist dabei dazu eingerichtet, zumindest einen Teil des durch ihn fließenden elektrischen Stroms und damit zumindest einen Teil der in der Elektrodenanordnung 4 gespeicherten elektrischen Energie in einem Absorptionsbereich 10 in thermische Energie umzuwandeln. Dafür weist der Entladungsstromkreis 2 im Absorptionsbereich 10 einen ohmschen Widerstand auf, der im gezeigten Beispiel durch den Gehäusedeckel 5a des Gehäuses 5 gebildet wird. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, andere Teile des Gehäuses, beispielsweise einen Gehäuseboden, in den Entladungsstromkreis 3 zu integrieren.
Die erzeugte thermische Energie kann zumindest teilweise vom Gehäusedeckel 5a aufgenommen werden. Um weitere Kapazität zur Aufnahme von thermische Energie bereitzustellen, ist der Gehäusedeckel 5a im Absorptionsbereich 10 zusätzlich mit einem Wärmeaufnahmematerial 11, beispielsweise einem sog. „Phase-Change-Material“ wie Hartparaffin mit einer hohen Schmelzenthalpie von bevorzugt über 100 kJ/kg, besonders bevorzugt über 150 kJ/kg, insbesondere über 200 kJ/kg, beschichtet. Das Wärmeaufnahmematerial 11 steht dabei in thermischem Kontakt mit dem Gehäusedeckel 5a. Der Gehäusedeckel 5a und/oder die Wärmeaufnahmeschicht 11 sind vorzugsweise derart eingerichtet, insbesondere dimensioniert, dass die im Absorptionsbereich 10 aufnehmbare Menge an thermische Energie vorzugsweise im Wesentlichen der Menge an elektrischer Energie entspricht, die in der Elektrodenanordnung 4 gespeichert werden kann, zumindest jedoch 30%, bevorzugt 50%, insbesondere 70% dieser Menge, so dass der Energiespeicher 1 bei Bedarf im Wesentlichen vollständig, zumindest jedoch teilweise entladen werden kann.
Die Schicht aus dem Wärmeaufnahmematerial 11 kann beispielsweise wie folgt ausgebildet sein:
Die Schmelzenthalpie von Hartparaffin beträgt etwa H = 240 kJ/kg, die Wärmekapazität etwa C = 2 kJ/kg·K und die Dichte etwa ρ = 900 kg/m³. Bei einer Schicht mit den Ausmaßen 8 cm × 2,6 cm × 5 cm ergibt sich für die benötigte Schmelzenergie E_m = m·H als Produkt aus der Masse m der Schicht mit der Schmelzenthalphie H ein Wert von etwa 22,5 kJ. Bei einer Temperaturzunahme der Schicht nach dem Schmelzen von ΔT = 140 K, so dass bei einer Betriebstemperatur der Energiespeicherzelle 1 von T = 60°C eine kontrollierbare Temperatur der geschmolzenen Hartparaffinschicht von 200°C erreicht wird, ergibt sich für die deponierbare Energiemenge E_d = ΔT·C·m als Produkt der erlaubten Temperaturzunahme ΔT, der Wärmekapazität C und der Masse m ein Wert von etwa 26 kJ. Somit kann die Hartparaffinschicht insgesamt eine Menge an thermische Energie E_m+E_d von etwa 48 kJ aufnehmen, was einem über 30 s fließenden elektrischen Strom mit der Stromstärke 4 A bei einer Spannung der Elektrodenanordnung 4 von 400 V entspricht.
Um eine ungewollte Abgabe der im Absorptionsbereich 10 aufgenommenen Wärmemenge zu vermeiden oder zumindest zu verringern, ist der Gehäusedeckel 5a im gezeigten Beispiel durch Isolationselemente 7b thermisch vom Rest des Gehäuses 5 isoliert. Alternativ oder zusätzlich kann der Gehäusedeckel 5a auch Verjüngungen im Bereich seiner Enden aufweisen, die den Gehäusedeckel 5a zumindest teilweise thermisch vom Rest des Gehäuses 5 entkoppeln. Die Isolationselemente 7b sind vorzugsweise auch dazu eingerichtet, den Gehäusedeckel 5a elektrisch vom Rest des Gehäuses 5 zu isolieren, so dass der Gehäusedeckel 5a im Absorptionsbereich 10 einen Teil des Entladungsstromkreises 2 bildet.
Um im Bedarfsfall einen externen Verbraucher oder die Energiespeicherzelle 1 aus einem Batteriemodul mit mehreren Energiespeicherzellen ab- bzw. auskoppeln zu können, ist der Entkopplungsschalter 8 in einen geöffneten Zustand überführbar. Der Entkopplungsschalter ist insbesondere als schaltbares Halbleiterelement ausgebildet und dazu eingerichtet, bei Anliegen des Entkopplungssignals den positiven elektrischen Anschluss 6b im Wesentlichen zeitgleich mit dem Schließen des Entladungsschalters 3 von der Elektrodenanordnung 4 und dem Entladungsstromkreis 2 reversibel zu trennen. Dadurch kann bei Vorliegen eines kritischen Betriebszustands des Energiespeichers 1 die gesamte, noch in der Elektrodenanordnung 4 gespeicherte elektrische Energie als thermische Energie im Absorptionsbereich 10 deponiert werden, ohne dass elektrische Ladungen aus der Elektrodenanordnung 4 über einen externen Verbraucher abfließen und diesen gegebenenfalls beschädigen.
Um eine Überhitzung des Energiespeichers 1 im Absorptionsbereich 10 zu verhindern oder das Risiko einer Überhitzung zumindest zu verringern, weist der Entladungsstromkreis 2 ein Sicherungselement 12, etwa eine Schmelzsicherung, auf. Das Sicherungselement 12 kann beispielsweise durch eine Verjüngung eines elektrischen Leiters in einem Sicherungsbereich des Entladungsstromkreises 2 gebildet sein.
Das Sicherungselement ist insbesondere dazu eingerichtet, den Entladungsstromkreis 2 nach einer ersten Zeitdauer t1 ab dem Schließen des Entkopplungsschalters 3 zu unterbrechen, die kleiner ist als eine zweite Zeitdauer t2, wobei die zweite Zeitdauer t2 von der im Absorptionsbereich 10 aufnehmbaren Menge an thermischer Energie und der elektrischen Leistung, welche die Elektrodenanordnung 4 im Entladungsstromkreis 2 nach dem Schließen des Entkopplungsschalter 3 umsetzt, abhängt. Die zweite Zeitdauer t2 ist insbesondere durch die Zeit zwischen dem Schließen des Entkopplungsschalter 3 und dem Erreichen der im Absorptionsbereich 10 aufnehmbaren Menge an thermischer Energie gegeben.
2 zeigt ein Beispiel einer Energiespeicherzelle 1 mit einer Entladungsvorrichtung, die analog zur in 1 dargestellten Energiespeicherzelle ausgeführt ist, wobei der Entladungsstromkreis 2 jedoch im Bereich des Gehäusebodens 5b des Gehäuses 5 der Energiespeicherzelle 1 angeordnet ist und die Energiespeicherzelle 1 keine Steuerungseinrichtung aufweist.
Der Entladungsschalter 3 ist dabei vorzugsweise als sog. „inverse Sicherung“ (Antifuse), d.h. als selbstständig schließende Sicherung, ausgebildet und insbesondere dazu eingerichtet, den Entladungsstromkreis 2 im Bedarfsfall zu schließen. Der Entladungsschalter 3 ist beispielsweise als Bimetallschalter ausgebildet, der bei Überschreiten der vorgegebenen Betriebstemperatur der Elektrodenanordnung 4, etwa bei 60 C, vorzugsweise bei 70 C, insbesondere bei 80 C, von einem geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand übergeht.
Der Entkopplungsschalter 8 ist dabei vorzugsweise analog zum Sicherungselement 12, etwa als Schmelzsicherung, ausgebildet und insbesondere dazu eingerichtet, bei Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen C-Rate, insbesondere Lade- oder Entladerate, im regulären Betrieb der Energiespeicherzelle 1, etwa bei 10 C, bevorzugt bei 15 C, insbesondere bei 20 C, von einem geschlossenen in den geöffneten Zustand überzugehen.
Der Gehäuseboden 5b, welcher im Absorptionsbereich 10 einen Teil des Entladungsstromkreises 2 bildet, ist thermisch mit einer Kühleinrichtung 13 verbunden, die zur Aufnahme der im Entladungsstromkreis 2, insbesondere im Gehäuseboden 5b, umgesetzten thermischen Energie sowie zum Abtransport der aufgenommenen thermischen Energie eingerichtet ist.
Die Kühleinrichtung 13 kann beispielsweise als Kältemaschine ausgebildet sein, welche ein Kühlmedium, wie in 2 durch Pfeile angedeutet, durch eine mit dem Gehäuseboden 5b thermisch verbundene Kühlleitung transportiert. Die von dem Kühlmedium aufgenommene, durch den ohmschen Widerstand des Gehäusebodens 5b erzeugte thermische Energie kann so im Wesentlichen kontinuierlich abgeführt werden, so dass der Energiespeicher 1 durch das Schließen des Entladungsschalters 3, durch welchen die in der Elektrodenanordnung 4 als elektrische Ladung gespeicherte elektrische Energie über den Entladungsstromkreis 2 abfließt, zuverlässig im Wesentlichen vollständig entladen werden kann.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kühleinrichtung 13 in Verbindung mit der in 1 gezeigten Ausführung der Energiespeicherzelle 1 vorzusehen, wobei die Kühleinrichtung 13, insbesondere eine Kühlleitung, dann thermisch mit dem Wärmeaufnahmematerial oder direkt mit dem Gehäusedeckel verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicherzelle
2: Entladungsstromkreis
3: Entladungsschalter
4: Elektrodenanordnung
5: Gehäuse
5a: Gehäusedeckel
5b: Gehäuseboden
6a: negativer Anschluss
6b: positiver Anschluss
7a, 7b: Isolationselemente
8: Entkopplungsschalter
9: Steuereinrichtung
10: Absorptionsbereich
11: Wärmeaufnahmematerial
12: Sicherungselement
13: Kühleinrichtung

Claims

Elektrochemische Energiespeicherzelle (1), insbesondere Lithium-Ionen-Zelle, mit - einem Gehäuse (5), an dessen Außenseite ein positiver elektrischer Anschluss (6b) und ein negativer elektrischer Anschluss (6a) angeordnet sind, wobei der negative und/oder der positive elektrische Anschluss (6a, 6b) von dem Gehäuse (5) elektrisch isoliert ist bzw. sind, - einer im Gehäuse (5) angeordneten Elektrodenanordnung (4), die mit dem negativen und dem positiven elektrischen Anschluss (6a, 6b) elektrisch verbunden ist, und - einer Entladungseinrichtung, die einen Entladungsstromkreis (2) und einen Entladungsschalter (3) aufweist und dazu eingerichtet ist, die elektrochemische Energiespeicherzelle (1) bei geschlossenem Entladungsschalter (3) zumindest teilweise elektrisch zu entladen, indem in der Elektrodenanordnung (4) gespeicherte elektrische Energie im Entladungsstromkreis (2) in thermische Energie umgewandelt wird, wobei zumindest ein Absorptionsbereich (10) des Gehäuses (5) dazu eingerichtet ist, die thermische Energie zumindest teilweise aufzunehmen.
Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 1, wobei der negative oder der positive Anschluss (6a, 6b) über einen Entkopplungsschalter (8) mit dem Entladungsstromkreis (2) elektrisch verbunden ist, und der Entkopplungsschalter (3) dazu eingerichtet ist, die elektrische Verbindung zwischen der Elektrodenanordnung (4) und dem negativen bzw. dem positiven Anschluss (6b) zu unterbrechen, wenn der Entladungsschalter (2) geschlossen wird oder ist.
Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Entladungsstromkreis (2) mindestens einen ohmschen Widerstand aufweist, welcher durch zumindest einen Teil (5a, 5b) des Gehäuses (5) im Absorptionsbereich (10) gebildet wird.
Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Absorptionsbereich (10) des Gehäuses (5) ein Wärmeaufnahmematerial (11) angeordnet ist, welches zur Aufnahme zumindest eines Teils der thermischen Energie geeignet ist.
Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 4, wobei das Wärmeaufnahmematerial (11) als Schicht im Absorptionsbereich (10) des Gehäuses (5) ausgebildet ist.
Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Wärmeaufnahmematerial (11) Hartparaffin ist.
Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Entladungsstromkreis (2) ein Sicherungselement (12) aufweist, das dazu eingerichtet ist, den Entladungsstromkreis (2) nach dem Verstreichen einer ersten Zeitdauer (t1) seit dem Schließen des Entladungsschalters (3) zu unterbrechen.
Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 7, wobei der Absorptionsbereich (10) des Gehäuses (5) dazu eingerichtet ist, die erzeugte thermische Energie für eine zweite Zeitdauer (t2) seit dem Schließen des Entladungsschalters (3) zumindest teilweise aufzunehmen, wobei die zweite Zeitdauer (t2) größer ist als die erste Zeitdauer (t1).
Elektrochemische Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Kühleinrichtung (13), welche im Absorptionsbereich (10) des Gehäuses (5) mit dem Entladungsstromkreis (2) thermisch verbunden und zur Aufnahme und zum Abtransport der thermischen Energie eingerichtet ist.
Batteriemodul mit mehreren elektrochemischen Energiespeicherzellen (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer elektrochemischen Energiespeicherzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder mit einem Batteriemodul nach Anspruch 10.