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Aus dem Stand der Technik sind Energiespeicher mit prismatischen Speicherzellen bekannt, die in der Regel wärmeleitend mit der Kühleinrichtung des Energiespeichers verbunden sind. Die Speicherzellen sind im Speichergehäuse beabstandet zur Wand des Speichergehäuses vorgesehen, um die Speicherzellen bei einem Unfall vor Beschädigungen zu schützen. Die Energiespeicher werden meistens mit Kühlflüssigkeit gekühlt. Solche Kühlsysteme sind vergleichsweise kostenintensiv und wartungsanfällig im Vergleich zu anderen Systemen, ermöglichen jedoch eine effiziente Kühlung.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein vergleichsweise kostengünstiges, platzsparendes, crashsicheres und/oder verlässliches Energiespeicherkühlsystem vorzuschlagen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft eine elektrische Energiespeichereinrichtung, insbesondere zur elektrochemischen Speicherung von Energie in einem Kraftfahrzeug. Die Energiespeichereinrichtung umfasst i) mehrere Speicherzellen zur elektrochemischen Speicherung von Energie; ii) mindestens ein Speichergehäuse, in dem die mehreren Speicherzellen aufgenommen sind; und iii) mindestens ein Deformationselement zur Absorption von Aufprallenergie bei einem Zusammenstoß des Kraftfahrzeug mit nicht zum Kraftfahrzeug gehörenden Gegenständen. Das Deformationselement ist zwischen mindestens einer Speicherzelle und einer Gehäuseaußenwand des Speichergehäuses vorgesehen. Das Deformationselement ist derart wärmeübertragend mit der mindestens einen Speicherzelle verbunden, dass in der Speicherzelle entstehende Wärme über das Deformationselement auf die Gehäuseaußenwand abführbar ist. Die Gehäuseaußenwand ist eingerichtet, die in der mindestens einen Speicherzelle entstehende Wärme direkt oder indirekt an die Umgebung abzugeben.
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Die elektrische Energiespeichereinrichtung ist eine Einrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie, um die mindestens eine elektrische (Traktions-)Antriebsmaschine anzutreiben. Die Energiespeichereinrichtung umfasst mindestens eine elektrochemische Speicherzelle. Beispielsweise kann die Energiespeichereinrichtung ein Hochvoltspeicher sein. Zweckmäßig kann die Energiespeichereinrichtung als Batterie, insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgebildet sein. Solche Energiespeichereinrichtungen sind i.d.R. in ein Bordnetz eingebunden, welches bei einer Spannungslage von mindestens 200 Volt, mindestens 400 Volt oder mindestens 600 Volt betrieben wird.
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Die Energiespeichereinrichtung umfasst mindestens ein Speichergehäuse. Das Speichergehäuse ist zweckmäßig eine Einhausung, die zumindest die Hochvoltkomponenten der Energiespeichereinrichtung umgibt. Zweckmäßig ist das Speichergehäuse gasdicht ausgebildet, so dass eventuell aus den Speicherzellen austretende Gase aufgefangen werden. Vorteilhaft kann das Gehäuse zum Brandschutz, Kontaktschutz, Intrusionsschutz und/oder zum Schutz gegen Feuchtigkeit und Staub dienen. Das Speichergehäuse und insbesondere die Gehäuseaußenwand des Speichergehäuses kann zumindest teilweise aus einem Metall hergestellt sein, insbesondere aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Stahl oder einer Stahllegierung. In dem mindestens einen Speichergehäuse der Energiespeichereinrichtung kann mindestens eine oder mehrere der folgenden Bauteile aufgenommen sein: Speicherzellen, Bauelemente der Leistungselektronik, Schütz(e) zur Unterbrechung der Stromzufuhr zum Kraftfahrzeug, Kühlelemente, elektrische Leiter, Steuergerät(e). Die Energiespeichereinrichtung kann insbesondere zu kühlende Elemente aufweisen, insbesondere Speicherzellen und/oder Bauelemente der Leistungselektronik der Energiespeichereinrichtung. Zweckmäßig werden die Bauteile vor der Montage der Baugruppe in das Kraftfahrzeug vormontiert. Die Gehäuseaußenwand bildet die Außenwand des Speichergehäuses.
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Die Speicherzelle kann jede Speicherzelle sein, die geeignet ist, elektrochemisch Energie zu speichern, z.B. eine Lithium-Ionen Speicherzelle. Die Speicherzelle kann beispielsweise eine Rundzelle, eine prismatische Speicherzelle oder ein Pouchzelle sein.
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Das Deformationselement ist ein Energieabsorptionselement bzw. stoßabsorbierendes Element. Das Deformationselement ist so ausgelegt ist, dass es bei einem Zusammenstoß des Kraftfahrzeuges mit einem anderen Körper dauerhaft oder zeitweise seine Abmessungen ändert. Insbesondere ist das Deformationselement eingerichtet, durch plastische Verformung die Aufprallenergie vom Zusammenstoß des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise zu absorbieren. Hierzu wird die Aufprallenergie in Formänderungsarbeit umgewandelt. Das Deformationselement kann insbesondere Deformationsbereiche aufweisen, die sich bei einem Zusammenstoß plastisch verformen und somit Aufprallenergie absorbieren. Das Deformationsverhalten (z.B. Deformationsrichtung und Nachgiebigkeit) vom Deformationselement ist zweckmäßig so gewählt, dass die Aufprallenergie des Zusammenstoßes nicht oder nur teilweise auf die Speicherzellen übertragen wird. Die konkrete Ausgestaltung des Deformationselements hängt ab von Art und Größe des Kraftfahrzeugs, des Speichergehäuses und der Speicherzellen und kann durch Computersimulationen und/oder experimentell bestimmt werden.
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Das Deformationselement ist zwischen einer oder mehreren Speicherzelle(n) und der Gehäuseaußenwand des Speichergehäuses vorgesehen. Das Deformationselement verbindet eine oder bevorzugt mehrere Speicherzellen mit der Gehäuseaußenwand. Das Deformationselement ist also zwischen der/den Speicherzelle(n) und der Gehäuseaußenwand angeordnet. Das Deformationselement ist bevorzugt derart ausgebildet und angeordnet, dass das Deformationselement einen Abstand zwischen der mindestens einen Speicherzelle und der Gehäuseaußenwand von mindestens 8 mm oder mindestens 15 mm oder mindestens 20 mm herstellt. Somit ist genügend Raum für die plastischen Verformung des Deformationselementes vorgehalten, um die Aufprallenergie abzubauen/ zu reduzieren.
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Zweckmäßig ist das Deformationselement wärmeübertragend mit der einen oder mehreren Speicherzelle(n) verbunden. Hierzu kann beispielsweise auf der der Speicherzellen zugewandte Seite des Deformationselementes eine Wärmeleitpaste bzw. ein Wärmeleitkleber vorgesehen sein, die/der die thermische Verbindung zwischen der/den Speicherzelle(n) und dem Deformationselement herstellt. Die Wärmeübertragung kann in erster Linie durch Wärmeleitung erfolgen. Das Deformationselement kann derart wärmeübertragend mit der mindestens einen Speicherzelle verbunden sein, dass die in der mindestens einen Speicherzelle entstehende Wärmeenergie über das Deformationselement auf die Gehäuseaußenwand übertragbar ist. Bevorzugt wird mindestens 50% oder mindestens 75% oder mindestens 90% der in der mindestens einen Speicherzelle entstehenden Wärmeenergie über das Deformationselement auf die Gehäuseaußenwand übertragen. Somit kann einfach und kostengünstig die Wärme aus der/den Speicherzelle(n) abgeführt werden. Die Energiespeichereinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass innerhalb der Energiespeichereinrichtung für den Wärmetransport von der/den Speicherzelle(n) zur Gehäuseaußenwand hin keine Kühlflüssigkeit vorgesehen ist. Vorteilhaft zirkuliert somit zur Kühlung der Speicherzellen kein Kühlmedium innerhalb des Speichergehäuses.
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Das Deformationselement kann als Platte ausgebildet sein, die eine oder mehrere Speicherzellen mit der Gehäuseaußenwand verbindet. Die Deformationsbereiche der Platte werden in erster Linie von Mittelbereichen ausgebildet, die sich zwischen den Stirnseiten der Platte befinden. Die Stirnseiten der Platte liegen an benachbarte Bauteile (z. B. Speichermodul, Wärmeverteilplatten, Gehäuseaußenwand, etc.) i.d.R. flächig an. Die Platte kann einen gewellten oder mäanderförmigen oder zickzackförmigen Querschnitt aufweisen, wobei erste Teilbereiche dann die Mittelbereiche und zweite Teilbereiche die Stirnseiten ausbilden. Alternativ kann die Platte mehrere Lagen aufweisen und mindestens zwei Lagen sind durch Stege miteinander verbunden. Die Stege selbst können gerade oder auch gewellt bzw. zickzackförmig ausgebildet sein. Somit lässt sich das Deformationsverhalten der Stege besser beeinflussen. Die Stege bilden zweckmäßig die Mittelbereiche aus, wohingegen die Lagen die Stirnseiten bilden. Die Platte oder die Stege oder die Lagen können bevorzugt eine Dicke von 0,5 mm bis 4 mm oder von 1 mm bis 2 mm aufweisen. Die Stege und die gewellten, mäanderförmigen oder zickzackförmigen Platten bilden also die Deformationsbereiche aus. Unmittelbar benachbarte Stege der Platte weisen bevorzugt einen maximalen seitlichen Abstand von 150 mm oder von 100 mm oder von 50 mm oder von 30 mm auf. Unmittelbar benachbarte Mittelbereiche der gewellten oder mäanderförmigen oder zickzackförmigen Platte, die die beiden Stirnseiten der Platte miteinander verbinden, weisen zweckmäßig einen maximalen seitlichen Abstand von 150 mm oder von 100 mm oder von 50 mm oder von 30 mm auf. Ein so ausgestaltetes Deformationselement kann besonders gut die Wärmeenergie ableiten und Aufprallenergie absorbieren. Ferner vorteilhaft kann die Wahrscheinlichkeit verringert werden, dass bei der Intrusion von kleinflächigen Gegenständen diese ohne Deformation eines Mittelbereichs auf eine Speicherzelle auftreffen können. Zweckmäßig ist das mindestens eine Deformationselement derart nachgiebig ausgebildet, dass sich immer zunächst das Deformationselement verformt, bevor die mindestens eine Speicherzelle Schaden nimmt.
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Ferner vorteilhaft ist das Deformationselement elektrisch isolierend mit der/den Speicherzelle(n) verbunden. Vorteilhaft kann sich somit kein Stromfluss zur Gehäuseaußenwand hin ergeben.
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Das Deformationselement kann einstückig mit der Gehäuseaußenwand ausgebildet sein. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Deformationselement ein separates Bauteil. In einer Ausgestaltung ist das Deformationselement ein Strangpressprofil. Besonders bevorzugt ist das Deformationselement aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Ein solches Material ist vergleichsweise leicht, kann vergleichsweise gut die Aufprallenergie bei einem Unfall absorbieren und weist gute Wärmeleiteigenschaften auf.
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Bevorzugt umfasst eine Energiespeichereinrichtung mehrere Deformationselemente, die jeweils ein oder mehrere Speicherzellen mit der Gehäuseaußenwand verbinden. Bevorzugt können auch mehrere Platten übereinander gestapelt vorgesehen sein.
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Zwischen dem Deformationselement und der mindestens einen Speicherzelle kann eine zellenseitige Wärmeverteilplatte vorgesehen sein, die eingerichtet ist, die in der mindestens einen Speicherzelle entstehende Wärmeenergie auf das Deformationselement zu verteilen. Alternativ oder zusätzlich kann zwischen dem Deformationselement und der mindestens einen Speicherzelle eine gehäuseseitige Wärmeverteilplatte vorgesehen sein, die eingerichtet ist, die in der mindestens einen Speicherzelle entstehende Wärmeenergie auf das Deformationselement zu verteilen. Die Wärmeverteilplatten sind zweckmäßig aus einem Metallmaterial, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, hergestellt. Die zellenseitige und/oder die gehäuseseitige Wärmeverteilplatte(n) kann/können jeweils einstückig mit der jeweils angrenzenden Lage ausgebildet sein.
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Die Gehäuseaußenwand kann eingerichtet sein, die in der Speicherzelle entstehende Wärmeenergie direkt oder indirekt an die Umgebung abzugeben. Beispielsweise kann durch Konvektion die Wärmeenergie direkt an die Umgebung der Energiespeichereinrichtung abgegeben werden. Dazu kann die Außenseite der Gehäuseaußenwand von Umgebungsluft umströmt werden. Alternativ kann an der Außenseite oder in der Gehäuseaußenwand die Kühlung durch ein anderes Kühlmedium, z.B. eine Flüssigkeitskühlung, erfolgen, wobei das Kühlmedium die Wärmeenergie aufnimmt und über einen Kühlkreis einem Kühler zuführt, der die Wärmeenergie dann in die Umgebung abgibt (indirekte Kühlung). Für einen besseren Wärmeübergang können an der Außenseite der Gehäuseaußenwand Kühlrippen vorgesehen sein.
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Die hier offenbarte Technologie umfasst auch Kraftfahrzeuge, die die hier offenbarten Energiespeichereinrichtung aufweisen, beispielsweise Hybridelektrofahrzeuge (HEVs von hybrid electric vehicles), Steckdosen-Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs von plug-in hybrid electric vehicles), Batterieelektrofahrzeuge (BEVs von battery electrical vehicles) oder Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEVs).
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Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein passives Kühlsystem für einen Hochvoltspeicher. Die Speicherzellen sind thermisch mit der Kühleinrichtung verbunden, gleichzeitig aber elektrisch von der Kühleinrichtung isoliert ausgebildet. Hierzu kann eine Wärmeleitpaste oder ein entsprechender Kleber eingesetzt werden. Mit der hier offenbarten Technologie kann vorteilhaft das Crashverhalten des Hochvoltspeichers verbessert werden, da die elektrischen Speicherzellen von der Gehäusewand beabstandet angeordnet sind und somit die Wahrscheinlichkeit einer mechanischen Beschädigung der Speicherzellen verringert werden kann. Im Vergleich zu Hochvoltspeicher mit Flüssigkeitskühlung ist die hier offenbarte Technologie i.d.R. einfacher aufgebaut, zuverlässiger, wartungsfreier und/oder kostengünstiger. Das gewellte Metallblech ermöglicht eine wärmeleitende Verbindung zwischen den Speicherzellen und der Gehäusewand. Gleichzeitig kann das dünne Metallblech die Einwirkung etwaiger physikalischer Kräfte auf die Speicherzellen verringern bzw. verhindern. Solche Kräfte können beispielsweise die Kräfte sein, die bei einem Unfall auf das Speichergehäuse einwirken. Die gewellten Metallbleche können so gestaltet sein, dass diese bei einem Unfall zerstört werden und somit die mechanische Anbindung zwischen der Speicherzelle und der Gehäusewand verringert oder zerstört wird. Vorteilhaft ist eine Wärmeverteilplatte zwischen den Speicherzellen und dem gewellten Metallblech vorgesehen, die die entstehende Wärme gleichmäßig verteilt bzw. die Speicherzellen gleichmäßiger kühlt. Bei der hier gezeigten Technologie kann eine Luftkühlung realisiert werden, ohne dass die Luft durch das Speichergehäuse zirkuliert. Somit verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass Verunreinigungen in die Energiespeichereinrichtung eindringen.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht der Energiespeichereinrichtung gemäß der 1 nach einem Unfall; und
- 3 eine schematische Querschnittsansicht einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltung.
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Die 1 zeigt eine Energiespeichereinrichtung mit mehreren Speicherzellen 110, die hier in einem Speichermodul 100 aufgenommen sind. Die Energiespeichereinrichtung kann ein oder mehrere Speichermodule 100 aufweisen. Die einzelnen Speicherzellen 110 sind hier als Rundzellen ausgebildet und von Wärmeleitpaste umgeben. Die Wärmeleitpaste stellt sicher, dass die in den Speicherzellen 110 entstehende Wärmeenergie auf die zellenseitige Wärmeverteilplatte 130 übertragen wird. Die zellenseitige Wärmeverteilplatte 130 verteilt die Wärmeenergie gleichmäßiger. Das Deformationselement 220 verbindet die zellenseitige Wärmeverteilplatte 130 mit der Gehäuseaußenwand 210 des Speichergehäuses 200. Sowohl das Deformationselement 220 als auch die Gehäuseaußenwand 210 sind aus Metall hergestellt. Das Deformationselement 220 umfasst eine zellenseitige Stirnwand 225, die zu den Speicherzellen 110 zeigt und hier an der zellenseitigen Wärmeverteilplatte 130 anliegt. Die zellenseitige Stirnwand 225 wird von einer Mehrzahl an ersten Teilbereichen der mäanderförmigen Platte ausgebildet. Das Deformationselement 220 umfasst ferner eine gehäuseseitige Stirnseite 225', die zur Gehäuseaußenwand 210 zeigt und an einer gehäuseseitigen Wärmeverteilplatte 230 anliegt. Die gehäuseseitige Stirnseite 225' wird ebenfalls von einer Mehrzahl an ersten Teilbereichen der mäanderförmigen Platte ausgebildet. Zwischen den Stirnseiten 225, 225' sind die Mittelbereiche 223, 223' vorgesehen, die die beiden Stirnseiten 225, 225' miteinander verbinden. Die Mittelbereiche 223, 223' verlaufen schräg oder senkrecht zu den Stirnseiten 225, 225'. Der max. seitliche Abstand A zwischen zwei unmittelbar benachbarten Mittelbereiche 223, 223' (hier parallel zur Fahrzeuglängsachse X) beträgt hier ca. 30 mm. Der Abstand zwischen dem Speichermodul 100 und der Gehäuseaußenwand 210 in Kraftfahrzeughochrichtung Z wird hier durch das Deformationselement 220 maßgeblich beeinflusst und beträgt hier ca. 12 mm.
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Die in den Speicherzellen erzeugte Wärmeenergie wird von der zellenseitigen Wärmeverteilplatte 130 auf die zellenseitige Stirnseite 225 des Deformationselementes 220 übertragen. Anschließend übertragen die Mittelbereiche 223, 223' die Wärmeenergie auf die gehäuseseitige Stirnseite 225' und die Gehäuseaußenwand 210 des Speichergehäuses 200. Aufgrund des vergleichsweise geringen maximalen Abstands A stellt sich ein vergleichsweise guter Wärmeaustausch ein, der in der 1 durch den Pfeil und den Buchstaben H dargestellt wird. Die Gehäuseaußenwand 210 gibt die Wärmeenergie an vorbeiströmende Umgebungsluft W ab. Hier nicht gezeigt sind etwaige Kühlrippen oder Unterbodenschutzelemente, die zum Wärmeaustausch bzw. zum Schmutzwasserschutz vorgesehen sein könnten.
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Anstatt einer mäanderförmigen Querschnittskontur könnte das Deformationselement 220 auch eine wellenförmige, elliptische, zickzackförmige oder sonstige geeignete Querschnittskontur (z.B. liegende Honigwabenstruktur) aufweisen.
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Die 2 zeigt die Energiespeichereinrichtung nach einem Unfall. Auf die Energiespeichereinrichtung wirkte eine Kraft F ein. Die Kraft F war so groß, dass die Gehäuseaußenwand 210 zerstört wurde. Die durch den Unfall generierte Aufprallenergie drang somit zumindest teilweise in das Innere des Speichergehäuses ein und wirkte auf das Deformationselement 220. Das Deformationselement 220, insbesondere dessen Mittelbereiche 223, 223', verformten sich aufgrund der Aufprallenergie und haben durch diese plastische Verformung einen Teil der Aufprallenergie absorbiert. Die Wärmeverteilplatten 130, 230 verteilten zumindest zu einem gewissen Grad während des Unfalls die Aufprallenergie auf umliegende Bereiche. Die Aufprallenergie konnte hier soweit abgebaut werden, dass die Speicherzellen 110 keinen Schaden erlitten haben. Die Dicke der Mittelbereiche 223, 223' sind dabei so gewählt, dass einerseits möglichst viel Energie absorbiert wird, und andererseits das Deformationselement 220 aufgrund seiner Steifigkeit nicht schon vor der Deformation die Speicherzellen 110 beschädigt. Mit anderen Worten soll zunächst das Deformationselement 220 sich verformen, bevor die Speicherzellen 110 versagen.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung des in der 3 dargestellten alternativen Ausführungsbeispiels werden für Merkmale, die im Vergleich zum in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel in ihrer Ausgestaltung und/oder Wirkweise identisch und/oder zumindest vergleichbar sind, gleiche Bezugszeichen verwendet. Sofern diese nicht nochmals detailliert erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise der Ausgestaltung und/oder Wirkweise der vorstehend bereits beschriebenen Merkmale. Die 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltung. Anstatt Rundzellen sind hier prismatische Zellen vorgesehen. Die einzelnen Speicherzellen 110 werden über laterale Abstandselemente 112 voneinander beabstandet. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zwischen den Speicherzellen 110 intumeszente Schichten (z.B. Brandschutzlack) vorgesehen, die die Wahrscheinlichkeit einer Propagation verringern. Die zellenseitige Wärmeverteilplatte 130 ist hier so gestaltet, dass sie die Wärmeenergie in Längsrichtung der Speicherzelle 110 verbessert und zwischen zwei benachbarten Speicherzellen 110 verringert. Dies kann den Vorteil haben das die Wahrscheinlichkeit von thermischer Propagation verringert wird. Das Deformationselement 220 umfasst hier zwei Lagen 224, 226, die hier die Stirnseiten des Deformationselementes 220 ausbilden. Zwischen den Lagen 224, 226 sind hier Stege 222, 222' vorgesehen, die als Mittelbereiche fungieren. Der maximale seitliche Abstand A zwischen zwei unmittelbar benachbarten Stegen 222, 222' beträgt hier maximal 30 mm.
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Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. die/eine Speicherzelle, das/ein Deformationselement, die/eine Platte, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. die mindestens eine Speicherzelle, das mindestens eine Deformationselement, die mindestens eine Platte, etc.). Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich. Beispielsweise könnte das Ausführungsbeispiel der 1 auch prismatische Zellen aufweisen oder die zellenseitige Wärmeverteilplatte oder das Deformationselement der 2. Ebenso könnte die zellenseitige Wärmeverteilplatte oder das Deformationselement der Ausgestaltung der 1 im Ausführungsbeispiel der 2 vorgesehen sein.
