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Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem, umfassend ein Gehäuse, in welchem mehrere Speicherzellen angeordnet sind, wobei die Speicherzellen jeweils mittels einer zwischen zwei benachbarten Speicherzellen angeordneten Einrichtung voneinander so beabstandet sind, dass sich ein Zwischenraum ergibt.
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Energiespeichersysteme, insbesondere wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie, sind vor allem in mobilen Systemen weit verbreitet. Wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie werden beispielsweise in tragbaren elektronischen Geräten wie Smartphones oder Laptops eingesetzt. Des Weiteren werden wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie vermehrt zum Bereitstellen für Energie für elektrisch angetriebene Fahrzeuge eingesetzt. Dabei ist eine große Bandbreite elektrisch angetriebener Fahrzeuge denkbar, neben Personenkraftwaren beispielsweise auch Zweiräder, Kleintransporter oder Lastkraftwagen. Anwendungen in Robotern, Schiffen, Flugzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen sind ebenfalls denkbar. Weitere Einsatzgebiete von elektrischen Energiespeichersystemen sind stationäre Anwendungen, beispielsweise in Backup-Systemen, in Netzwerkstabilisierungssystemen und zur Speicherung elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen.
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Ein häufig eingesetztes Energiespeichersystem ist dabei ein wiederaufladbarer Speicher in Form eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen, wie andere aufladbare Speicher für elektrische Energie auch, zumeist mehrere Speicherzellen auf, welche gemeinsam in einem Gehäuse verbaut sind. Mehrere elektrisch miteinander verbundene Speicherzellen werden dabei meist zu einem Modul zusammengefasst.
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Dabei erstreckt sich das Energiespeichersystem nicht nur auf Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Auch andere wiederaufladbare Batteriesysteme wie Lithium-Schwefel-Batterien, Feststoff-Batterien oder Metall-Luft-Batterien sind denkbare Energiespeichersysteme. Des Weiteren kommen auch Superkondensatoren als Energiespeichersystem in Betracht.
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Energiespeichersysteme in Form von wiederaufladbaren Speichern weisen die höchste elektrische Kapazität sowie die beste Leistungsaufnahme und -abgabe nur in einem begrenzten Temperaturspektrum auf. Bei Über-, beziehungsweise Unterschreiten des optimalen Betriebstemperaturbereichs fallen die Kapazität, die Leistungsaufnahmefähigkeit und die Leistungsabgabefähigkeit des Speichers stark ab, und die Funktionalität des Energiespeichers ist beeinträchtigt. Zu hohe Temperaturen können darüber hinaus den Energiespeicher irreversibel schädigen. Demnach sollen sowohl dauerhaft auftretende erhöhte Temperaturen als auch kurzfristige Temperaturspitzen unbedingt vermieden werden. Bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren sollten beispielsweise dauerhaft Temperaturen von mehr als 50°C und kurzfristige Temperaturspitzen von mehr als 80°C nicht überschritten werden.
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Insbesondere bei Anwendungen in Personenkraftwagen wird eine Schnellladefähigkeit der Energiespeichersysteme gefordert. Dabei sollen die ein Energiespeichersystem bildenden Akkumulatoren innerhalb kurzer Zeit, beispielsweise innerhalb von 15 Minuten, vollständig oder nahezu vollständig geladen werden. Aufgrund des Wirkungsgrades des Ladesystems von etwa 90% bis 95% werden während des Ladevorgangs im Energiespeichersystem große Wärmemengen freigesetzt, welche aus dem Energiespeichersystem abgeführt werden müssen. Diese Wärmemengen werden im normalen Betriebszustand nicht freigesetzt. Daher ist es erforderlich, das Kühlsystem des Energiespeichersystems so auszulegen, dass die beim Ladevorgang auftretende Wärmemenge aufgenommen werden kann.
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Zu hohe Temperaturen können zu einer irreversiblen Schädigung des Energiespeichersystems führen. In diesem Zusammenhang ist insbesondere bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren das sogenannte thermische Durchgehen (thermal runaway) bekannt. Dabei werden in kurzer Zeit hohe thermische Energiemengen sowie gasförmige Abbauprodukte frei, woraus ein hoher Druck und hohe Temperaturen innerhalb der Speicherzelle beziehungsweise innerhalb des Gehäuses, in welchem die Speicherzelle angeordnet ist, resultieren. Dieser Effekt ist insbesondere problematisch bei Energiespeichersystemen mit hoher Energiedichte, wie sie beispielsweise zur Bereitstellung elektrischer Energie in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen erforderlich ist. Durch zunehmende Energiemengen der einzelnen Zellen und Erhöhung der Packungsdichte der in dem Gehäuse angeordneten Zellen vergrößert sich die Problematik des thermischen Durchgehens.
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Ein thermisches Durchgehen einer einzelnen Zelle kann darüber hinaus noch von einer Vielzahl anderer Mechanismen ausgelöst werden. Hierzu zählen beispielsweise zelläußere Kurzschlüsse, zellinnere Kurzschlüsse, Unfallereignisse, bei welchen das Zellgehäuse zu Schaden kommt, oder eine unsachgemäße Überladung der Speicherzelle. Schon allein aufgrund der Vielzahl möglicher Schadensereignisse kann ein thermisches Durchgehen einzelner Speicherzellen nicht komplett ausgeschlossen werden.
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Im Bereich einer durchgehenden Zelle können an der Gehäusewand der Zelle über eine Zeitdauer von etwa 30 Sekunden Temperaturen im Bereich von 600°C entstehen. Dabei ist die Temperaturbelastung umso höher, je höher die Energiedichte der Speicherzellen ist. Die zwischen den Speicherzellen angeordnete Einrichtung muss einer derartigen Beanspruchung standhalten und den Energieübergang auf Nachbarzellen so reduzieren, dass die Temperaturbelastung der Nachbarzellen lediglich höchstens etwa 150°C beträgt. Wesentlich ist die Begrenzung der Energieübertragung auf Nachbarzellen, um zu verhindern, dass auch diese thermisch durchgehen (auch als „Thermal Propagation“ bezeichnet).
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Aufgrund der Vielzahl der möglichen Schadensereignisse und der Steigerung der Energiedichte sowohl auf Speicherzellenebene als auch auf Energiespeichersystemebene steigt das Risiko einer „Thermal Propagation“ stark an. Findet eine solche „Thermal Propagation“ statt, wird in kurzer Zeit nicht nur die Energiemenge einer einzelnen Speicherzelle freigesetzt, sondern die Energiemenge des gesamten Energiespeichersystems, was mit einem explosiven Schadensereignis einhergehen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energiespeichersystem bereitzustellen, bei welchem bei einem thermischen Durchgehen einer Speicherzelle die Gefahr des Übergreifens auf das Gesamtsystems reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Zur Lösung der Aufgabe ist dem Zwischenraum, welcher durch die zwischen zwei benachbarten Speicherzellen angeordnete Einrichtung gebildet ist, zumindest ein Notkühlkanal zugeordnet.
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Dadurch ist es möglich, im Schadfall ein Kühlmedium durch den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Speicherzellen zu leiten. Das Kühlmedium nimmt dabei die Wärme auf, die von einer beschädigten Speicherzelle freigesetzt wird. Dabei ist es insbesondere denkbar, dass das Kühlmedium verdampft, wobei das Kühlmedium durch den Phasenübergang eine besonders große Wärmemenge aufnehmen kann (Verdampfungsenthalpie). Dementsprechend ist der Notkühlkanal nicht Bestandteil der regulären Kühleinrichtung des Energiespeichersystems. Ein Durchströmen des Notkühlkanals erfolgt nur im Schadfall, wenn eine der an einen Notkühlkanal angrenzenden Speicherzellen beschädigt ist.
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Dementsprechend umfasst das Energiespeichersystem vorzugsweise eine Kühleinrichtung mit zumindest einem Kühlkanal, wobei der Kühlkanal der Kühleinrichtung im Schadfall mit dem Notkühlkanal in Strömungsverbindung bringbar ist. Die Kühleinrichtung ist ausgelegt, die Speicherzellen des Energiespeichersystems in den üblichen Betriebszuständen innerhalb eines gewünschten Temperaturspektrums zu halten. Dementsprechend kann die Kühleinrichtung auch ausgelegt sein, die Speicherzellen während eines Schnellladeprozesses zu kühlen. Lediglich im Schadfall, also wenn eine Speicherzelle irreversibel geschädigt ist, wird zwischen einem Kühlkanal der Kühleinrichtung und dem Notkühlkanal, der einer beschädigten Speicherzelle zugeordnet ist, eine Strömungsverbindung hergestellt, so dass Kühlmedium aus dem Kühlkanal austreten und den Notkühlkanal durchströmen kann. Das Kühlmedium kann in diesem Fall große Wärmemengen aufnehmen und verhindern, dass die der beschädigten Speicherzelle benachbarten Speicherzellen thermisch überlastet werden, so dass auch diese thermisch durchgehen. Die Ausgestaltung eines bestehenden Kühlsystems zur Notkühlung ist vorteilhaft, weil die Notkühlung ohne zusätzliches Gewicht und ohne zusätzliche Kosten realisiert werden kann.
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Der Kühlkanal kann zumindest ein Verschlusselement aufweisen, welches sich im Schadfall öffnet und eine strömungsleitende Verbindung zwischen Kühlkanal und Notkühlkanal herstellt. Im Regelbetrieb sperrt das Verschlusselement den Kühlkanal ab, so dass kein Kühlmedium verloren geht. Lediglich im Schadfall öffnet sich das Verschlusselement, so dass Kühlmedium aus dem Kühlkanal austreten und den Notkühlkanal durchströmen kann. Im konkreten Fall erwärmt die heiße Speicherzelle den an die Speicherzelle thermisch angebundenen Kühler und transferiert die thermische Energie auf das Verschlusselement. Dieses kann sich temperaturinitiiert öffnen, beispielsweise durch Schmelzvorgänge, thermisches Schrumpfen oder thermisch induzierte Aktuatorik. Ein Verschlusselement, welches sich aufgrund thermisch induzierter Aktuatorik öffnet, kann beispielsweise Elemente aus Formgedächtnislegierungen umfassen, oder es kann eine chemische Abbaureaktion stattfinden.
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Dabei kann das Verschlusselement ein separates Bauelement sein oder materialeinheitlich und einstückig aus dem Kühlkanal ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Verschlusselement als Stopfen ausgebildet sein, welcher durch eine Druckerhöhung entweder in den Kühlkanal hinein oder aus dem Kühlkanal herausgedrückt wird. Alternativ kann das Verschlusselement als Membran oder Folie ausgebildet sein, welche sich aufgrund lokaler Temperatureinwirkung öffnet. Des Weiteren kann das Verschlusselement durch eine lokale Verringerung der Dicke des Kühlkanals realisiert sein.
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Das Verschlusselement kann als Folie ausgebildet sein. Als Material für die Folie kommen dabei insbesondere polymere oder metallische Werkstoffe in Betracht. Die Folie bedeckt dabei eine Notöffnung des Kühlkanals.
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Bei Temperaturen oberhalb einer maximalen Arbeitstemperatur der Kühleinrichtung gibt das Verschlusselement die Notöffnung frei. Dabei kann das Verschlusselement schmelzen, verschwenken, aufbiegen oder chemisch abgebaut werden. Im Hinblick auf die Arbeitstemperatur beträgt die Temperatur, bei welcher das Verschlusselement die Notöffnung freigibt zwischen 80°C und 400°C, vorzugsweise zwischen 100°C und 300°C. Je tiefer die Temperatur für das Öffnen liegt, umso schneller erfolgt eine Reaktion im Schadfall. Zu beachten sind bei tieferen Öffnungstemperaturen aber zulässige Temperaturspitzen, beispielsweise beim Schnellladen.
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Vorzugsweise erfolgt das Öffnen durch das Verschlusselement temperaturbedingt. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass keinerlei Sensoren oder dergleichen benötigt werden. Es ist aber alternativ auch denkbar, das Verschlusselement aktiv zu öffnen. Bei dieser Ausgestaltung kann ein Temperatursensor ein Signal an einen Aktuator geben, welcher dann das Verschlusselement öffnet.
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Denkbar ist es zudem, den Kühlkreislauf so auszugestalten, dass beim Öffnen des Verschlusselementes der Transport von Kühlmedium durch die Kühleinrichtung erhöht wird, wodurch sich die Kühlleistung der Notkühlung erhöht. Denkbar sind auch im Inneren der Kühleinrichtung angeordnete Absperrelemente. Die Absperrelemente können beispielsweise im Inneren des Kühlkanals angeordnet sein. Diese können so ausgebildet sein, dass sie im Falle einer Notöffnung den Kühlkanal absperren, so dass das Kühlmedium zwangsweise aus der geöffneten Notöffnung entweicht.
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Die Einrichtung kann Stege aufweisen, welche zumindest einen Notkühlkanal begrenzen. Dabei kann die Einrichtung als Abstandshalter ausgebildet sein, so dass die Speicherzellen im Normalbetrieb einen vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen, so dass ein besseres Kühlen gegeben ist. Der vorgegebene Abstand zwischen den Speicherzellen ermöglicht darüber hinaus ein ungehindertes Aufquellen der Speicherzellen über deren Lebensdauer. Dadurch weisen die Speicherzellen über die Lebensdauer hinweg einen Abstand zueinander auf. Die Stege können ferner dazu beitragen, über die Lebensdauer der Speicherzellen eine homogene Verpressung einzustellen. Durch den vorgegebenen Abstand kann sichergestellt werden, dass auch gealterte Zellen nicht übermäßig verpresst werden, Ein übermäßiges Verpressen hätte negative Einflüsse insbesondere im Hinblick auf die Bildung von zerstörenden Lithium-Dendriten bei Tieftemperaturladevorgängen oder Schnellladevorgängen von gealterten Speicherzellen.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung kann eine Wandung zumindest eines Notkühlkanales durch die Gehäusewandung einer angrenzenden Speicherzelle gebildet sein. Bei dieser Ausgestaltung strömt im Schadfall Kühlmedium direkt an der Gehäusewandung der beschädigten Speicherzelle entlang. Dadurch ist ein besonders großer Wärmeübergang zum Kühlmedium gegeben.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest ein Notkühlkanal innerhalb der Einrichtung ausgebildet. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Einrichtung mechanisch stabiler ausgebildet sein kann. Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zumindest zwei Notkühlkanäle, wobei ein erster Notkühlkanal einer benachbarten Speicherzelle und ein zweiter Notkühlkanal der anderen benachbarten Speicherzelle zugeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist vorteilhaft, dass der Notkühlkanal, welcher der beschädigten Speicherzelle zugeordnet ist, ein Kühlmedium transportieren kann, welches innerhalb des Notkühlkanals verdampft und dabei große Wärmemengen aufnimmt. Der der anderen Speicherzelle zugeordnete Notkühlkanal kann ein Kühlmedium aufnehmen, welches hingegen flüssig bleibt. Dabei ist sichergestellt, dass die Temperatur der unbeschädigten benachbarten Speicherzelle unterhalb der Verdampfungstemperatur des Kühlmediums liegt.
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Die Einrichtung kann aus Kunststoff, beispielsweise aus Thermoplasten, Duroplasten oder Elastomeren, ausgebildet sein. Alternativ ist denkbar, dass die Einrichtung auch aus metallischem oder keramischem Werkstoff besteht oder aus einer Materialkombination ausgebildet ist. Denkbar ist auch, die Einrichtung zumindest teilweise aus elastomeren Werkstoffen auszugestalten. Dadurch ist die Einrichtung flexibel und kann als Verpressungselement für die Speicherzellen fungieren. Die Ausgestaltung aus Elastomeren hat darüber hinaus den Vorteil, dass der Notkühlkanal seitlich abgedichtet wird und das transportierte Medium entlang der Speicherzellen gerichtet abgeführt werden kann.
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Vorzugswiese steht der Notkühlkanal auf der dem Kühlkanal abgewandten Seite mit der Umgebung in Verbindung. Dadurch kann insbesondere verdampftes Kühlmedium sehr leicht aus dem Notkühlkanal abgegeben werden, so dass ein Wärmetransport gegeben ist. Zudem kann sich das freigesetzte Kühlmedium nach dem Austreten aus dem Kühlkanal mit dem aus der Speicherzelle freigesetzten Gasstrom, umfassend heiße Abbauprodukte, vermischen. Dadurch wird der Gasstrom zum einen stark abgekühlt und zum andern stark verdünnt. Beides verringert bei Verwendung wässriger Kühlmedien die Brand- bzw. Explosionsgefahr des heißen, aus der Speicherzelle emittierten Gasstroms.
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Einige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Energiespeichersystem;
- 2 ein Energiespeichersystem in der Draufsicht;
- 3 ein Energiespeichersystem in der Draufsicht;
- 4 ein Energiespeichersystem gemäß einer zweiten Ausgestaltung;
- 5 ein Energiespeichersystem gemäß einer dritten Ausgestaltung;
- 6 ein Energiespeichersystem gemäß einer vierten Ausgestaltung;
- 7 verschiedene Ausgestaltungen von Einrichtungen;
- 8 verschiedene Ausgestaltungen von Verschlusselementen;
- 9 eine Speicherzelle im Schadfall;
- 10 ein Energiespeichersystem mit zusätzlicher Regelungstechnik.
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1 zeigt ein Energiespeichersystem 1, umfassend ein Gehäuse 2, in welchem mehrere Speicherzellen 3 angeordnet sind. Die Speicherzellen 3 sind in der vorliegenden Ausgestaltung als prismatische Zellen in Form von Lithium-Ionen-Akkumulatoren ausgebildet und bilden Bestandteile des Energiespeichers eines Elektrofahrzeugs.
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Die Speicherzellen 3 sind mittels einer zwischen zwei benachbarten Speicherzellen 3 angeordneten Einrichtung 4 voneinander beabstandet, so dass sich ein Zwischenraum 5 zwischen benachbarten Speicherzellen 3 ergibt. Bei der in 1 gezeigten Darstellung ist die Einrichtung 4 exemplarisch nur zwischen zwei benachbarten Speicherzellen 3 angeordnet, damit der Zwischenraum 5 besser erkennbar ist.
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Die Einrichtung 4 ist so ausgebildet, dass dem Zwischenraum 5 ein Notkühlkanal 6 zugeordnet ist. Das Energiespeichersystem 1 umfasst ferner eine Kühleinrichtung 7 mit einem Kühlkanal 8. Der Kühlkanal 8 weist ein Verschlusselement 9 auf, welches sich im Schadfall öffnet und eine strömungsleitende Verbindung zwischen Kühlkanal 8 und Notkühlkanal 6 herstellt.
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Die Einrichtung 4 ist aus Kunststoff ausgebildet. Dabei ist Silikon-Kautschuk (VMQ) oder Flüssigsilikon (LSR) aufgrund der Temperaturbeständigkeit besonders bevorzugt. Alternativ ist die Einrichtung 4 aus anderen temperaturstabilen Materialien ausgebildet. Im Bereich der Einrichtung 4 ist der Kühlkanal 8 mit einem Verschlusselement 9 versehen, welches eine Notöffnung 10 bedeckt und somit den Kühlkanal 8 im Normalbetrieb abdichtet.
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2 zeigt das in 1 dargestellte Energiespeichersystem 1 in der Draufsicht. Dabei ist zu erkennen, dass die Speicherzellen 3 mit einer Speicherzellennotöffnung 16 in Form einer Berstscheibe versehen sind. Die Speicherzellennotöffnung 16 öffnet sich beim thermischen Durchgehen aufgrund thermischer Beanspruchung und/oder Druckbeanspruchung aufgrund der im Inneren der Speicherzelle 3 stattfindenden Zersetzungsprozesse. Überschreitet die Speicherzelle 3 eine vorbestimmte Temperatur und/oder einen vorbestimmten Druck, öffnet sich die Speicherzellennotöffnung 16 und erhitztes Material tritt aus dem Inneren der Speicherzellen 3 aus.
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3 zeigt das in 1 dargestellte Energiespeichersystem 1 in der Draufsicht. Dabei ist zu erkennen, dass sich zwischen den Speicherzellen 3 eine Einrichtung 4 befindet, so dass die benachbarten Speicherzellen 3 voneinander beabstandet sind, so dass sich ein Zwischenraum 5 ergibt. Die Einrichtung 4 weist Stege 11 auf, welche mehrere Notkühlkanäle 6 begrenzen. Dabei ist jeweils eine Wandung eines Notkühlkanals 6 durch die Gehäusewandung 12 einer angrenzenden Speicherzelle 3 gebildet.
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Im Schadfall öffnet sich die Speicherzellennotöffnung 16 einer Speicherzelle 3 und erhitztes, unter Druck stehendes Material tritt aus dem Inneren der Speicherzellen 3 aus. Unter Einwirkung des aus den Speicherzellen 3 austretenden Materials gibt das Verschlusselement 9 die Notöffnung 10 frei, so dass Kühlmedium aus dem Kühlkanal 8 austritt. Dieses strömt durch die Notkühlkanäle 6. Bei den Notkühlkanälen 6, welche der beschädigten Speicherzelle 3 unmittelbar zugeordnet sind, verdampft das Kühlmedium und nimmt dadurch aufgrund des Phasenüberganges zwischen flüssig und gasförmig große Wärmemengen auf. Durch die Notkühlkanäle 6, welche der benachbarten - nicht beschädigten - Speicherzelle 3 zugeordnet sind, kann hingegen Kühlmedium strömen, ohne dass ein Phasenübergang stattfindet. Bei dieser Speicherzelle 3 verdampft demnach das Kühlmedium nicht unmittelbar, wodurch die Oberflächentemperatur der unbeschädigten Speicherzelle 3 unterhalb der Siedetemperatur des Kühlmediums bleibt. Dadurch wird insgesamt ein zweistufiger Schutzmechanismus erzielt. Zum einen erfolgt eine Wärmeaufnahme durch Verdampfen von Kühlmedium an der defekten Speicherzelle 3 und zum anderen erfolgt ein Schutz der benachbarten Speicherzelle 3 durch flüssiges Kühlmedium.
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Das Verschlusselement 9 erstreckt sich dabei über die komplette Breite der Einrichtung 4. Alternativ kann sich das Verschlusselement 9 nur über einen Teilbereich erstrecken.
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4 zeigt eine alternative Ausgestaltung des in 3 gezeigten Energiespeichersystems 1. Bei dieser Ausgestaltung besteht die Einrichtung 4 lediglich aus rahmenförmig ausgebildeten Abstandshaltern, welche dem Rand der Speicherzellen 3 zugeordnet sind und ist dadurch besonders einfach ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung bildet sich lediglich ein einziger Notkühlkanal 6. Die vorliegende Ausgestaltung ist besonders kostengünstig. Des Weiteren ist der Bauraumbedarf besonders gering. Die Einrichtung 4 kann direkt auf die Speicherzelle 3 aufgedruckt werden. Das Verschlusselement 9 ist in dieser Figur nicht dargestellt.
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5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des in 3 gezeigten Energiespeichersystems 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung befindet sich der Kühlkanal 8 der Kühleinrichtung 7 im Zwischenraum 5 zwischen benachbarten Speicherzellen 3. Die Kühlkanäle 8 sind dabei durch Stege 11 von den Notkühlkanälen 6 getrennt. Die Stege 11 sind dabei so ausgebildet, dass diese im Schadfall schmelzen und eine strömungsleitende Verbindung zwischen Kühlkanal 8 und Notkühlkanal 6 herstellen.
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6 zeigt eine Weiterbildung des in 5 gezeigten Energiespeichersystems 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist die Kühleinrichtung 7 ebenfalls in den Zwischenraum 5 zwischen zwei benachbarten Speicherzellen 3 angeordnet und aus der Einrichtung 4 ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausgestaltung sind Kühlkanäle 8 direkt Speicherzellen 3 zugeordnet, wobei sich jeweils Kühlkanälen 8 ein Notkühlkanal 6 befindet. Die Kanäle 6, 8 sind durch Stege 11 voneinander getrennt, wobei die Stege 11 im Bereich zwischen Kühlkanal 8 und Notkühlkanal 6 ein Verschlusselement 9 bilden. Dabei ist das Verschlusselement 9 als Schmelzbereich ausgebildet, welcher im Schadfall aufschmilzt und dadurch eine Verbindung zwischen Kühlkanal 8 und Notkühlkanal 6 herstellt.
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7 zeigt verschiedene Ausgestaltungen einer Einrichtung 4, welche zwischen benachbarten Speicherzellen 3 angeordnet wird. Bei der oberen Darstellung umfasst die Einrichtung 4 eine Mittellage 17, welche sich parallel zu den Speicherzellen 3 erstreckt. Über die Mittellage 17 verteilt sind Stege 11 angebracht, welche zwischen der Mittellage 17 und der Gehäusewandung 12 einer Speicherzelle 3 einen Notkühlkanal 6 begrenzen. An den beiden Seiten der Einrichtung 4 sind Dichtelemente 18 angeordnet. Im Schadfall sollen die Dichtelemente 18 einen möglichst großen Volumenstrom von Kühlmedium durch den Notkühlkanal 6 hindurch sicherstellen.
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Die beiden darunter gezeigten Einrichtungen 4 weisen eine schlangenförmige Mittellage auf, welche wechselweise einen Notkühlkanal 6 begrenzen.
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Die Einrichtungen 4 können aus Metall, Keramik oder hochtemperaturstabilen Kunststoffen ausgebildet sein. Bei diesen Werkstoffen ist sichergestellt, dass die Notkühlkanäle 6 auch bei starker Verformung der Speicherzellen 3 vorhanden sind.
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Weiche Materialien wie Elastomere, insbesondere Silikonwerkstoffe, haben den Vorteil, dass diese Dimensionsänderungen der Speicherzellen 3 beim Altern und beim Lade-/Entladevorgang teilweise kompensieren können und somit eine zu starke Verpressung der Speicherzellen 3 verhindern. Denkbar ist auch, dass die Mittellage 17 aus einer keramischen Folie besteht, wobei die Abstandshalteelemente und die Dichtelemente aus elastomerem Werkstoff bestehen.
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Die mittlere Einrichtung 4 und die darunter angeordnete Einrichtung 4 weisen geschlossene Notkühlkanäle 6 auf. Diese Ausgestaltungen der Einrichtungen 4 sind besonders stabil und resistent gegenüber sich stark verformenden Speicherzellen 3. Dabei kann die Einrichtung 4 gemeinsame Notkühlkanäle 6 (mittlere Darstellung) oder separate Notkühlkanäle 6 (Darstellung darunter) aufweisen.
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Die unteren beiden Darstellungen zeigen Weiterbildungen der mittleren Einrichtungen 4, wobei die Einrichtungen 4 lokale Schmelzbereiche 19 aufweisen, so dass die Gehäusewandung 12 einer angrenzenden Speicherzelle 3 direkt mit Kühlmedium beaufschlagt werden kann.
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8 zeigt verschiedene Ausgestaltungen von Verschlusselementen 9, welche sich im Schadfall öffnen und eine strömungsleitende Verbindung zwischen Kühlkanal 8 und Notkühlkanal 6 herstellen können. Die 8 gezeigten Verschlusselemente 9 können wahlweise an einer der zuvor beschriebenen Kühleinrichtungen 7 vorgesehen sein. Dabei kann das Verschlusselement 9 ein separates Bauelement sein, welches in eine Öffnung des Kühlkanals 8 eingebracht ist. Das Verschlusselement 9 kann als Formteil, insbesondere als Stopfen ausgebildet sein.
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Des Weiteren kann das Verschlusselement 9 als Folie ausgebildet sein, welche stoffschlüssig auf einer Öffnung des Kühlkanals 8 aufgebracht ist. Des Weiteren ist denkbar, dass ein Verschlusselement 9 eine Öffnungseinrichtung aufweisen kann, welche thermisch aktivierbar ist und bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur eine strömungsleitende Verbindung zwischen Kühlkanal 8 und Notkühlkanal 6 herstellt. Ein derartiges Verschlusselement 9 kann beispielsweise mittels einer Formgedächtnislegierung realisiert werden.
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Ist das Verschlusselement 9 als Folie ausgebildet, kann dieses über einer Öffnung oder Aussparung in der Wandung des Kühlkanals 8 angeordnet sein. Bei einer Folie ist vorteilhaft, dass diese sehr dünn ausgestaltet sein kann und einen flächigen Kontakt zwischen Kühlkanal 8 und Speicherzelle 3 sicherstellen kann. Als Folienmaterial kommen insbesondere Thermoplaste wie Polyolefine, Polyester, Polyamide oder Polyvinylalkohole in Betracht. Insbesondere bei Verwendung von Copolymeren kann deren Schmelzpunkt herabgesetzt werden. Besonders vorteilhaft sind Folienmaterialien, welche bei Temperaturen bis zu 80°C langzeitstabil gegenüber dem Kühlmedium sind und bei Temperaturen oberhalb von 120°C schnell aufschmelzen und eine Verbindung zwischen Kühlkanal 8 und Notkühlkanal 6 herstellen.
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Denkbar sind auch metallbasierte Folien, beispielsweise zinnbasierte Legierungen. So weist beispielsweise eine binäre Legierung Sn99Cu1 einen Schmelzpunkt von etwa 200°C auf. Bei Metallfolien ist vorteilhaft, dass diese eine bessere thermische Leitfähigkeit aufweisen, wodurch im Normalbetrieb der Wärmeübergang verbessert ist und im Schadfall ein beschleunigtes Aufschmelzen erfolgen kann.
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Mechanische Verschlusselemente 9 sind vorzugsweise aus thermoplastischen Werkstoffen oder Elastomeren ausgebildet.
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9 zeigt den Zwischenraum 5 im Bereich einer thermisch durchgehenden Speicherzelle 3. Das thermische Durchgehen der Speicherzelle 3 führt zu einer Freisetzung einer großen Menge erhitzter Schadgase, welche aus der Speicherzellennotöffnung 16 ausströmen. Das Verschlusselement 9 hat sich geöffnet und die Notöffnung 10 freigegeben, so dass Kühlmedium aus dem Kühlkanal 8 in die Einrichtung 4 strömt. Dabei verdampft das Kühlmedium wenigstens teilweise. Im Bereich der Oberseite der Speicherzelle 3 vermischt sich das Kühlmedium mit den aus der Speicherzelle 3 emittierten Schadgasen, wobei das Kühlmedium die Temperatur des gemischten Fluidstroms verringert. Des Weiteren setzt das Kühlmedium die Brennbarkeit und die Toxizität der Schadgase herab. Denkbar ist es zudem, den Gasstrom durch einen Kanal 14 gezielt aus dem Zellverband auszuleiten.
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10 zeigt ein Energiespeichersystem 1, umfassend vier Speicherzellen 3, welche sich auf einer Kühleinrichtung 7 befinden. Zwischen zwei der Speicherzellen 3 ist schematisch die Einrichtung 4 sowie das Verschlusselement 9 dargestellt. Den Durchfluss des Kühlmediums durch die Kühleinrichtung 7 bewirkt eine Pumpe 15. Stromabwärts ist ein schaltbares Absperrventil 20 angeordnet. Beim thermischen Durchgehen einer Speicherzelle 3 gibt das Verschlusselement 9 die Notöffnung 10 frei und der Einrichtung 4 wird Kühlmedium zugeführt. Bei der vorliegenden Ausgestaltung wird bei dieser Situation durch die Pumpe 15 der Kühlmittelstrom erhöht und das Absperrventil 20 geschlossen. Dadurch erfolgt ein erhöhter und gerichteter Transport von Kühlmedium durch die Einrichtung 4 und dadurch eine verbesserte Notkühlwirkung.
