DE102020125658A1

DE102020125658A1 - Schmelzsicherung zur Verhinderung von Propagationen von Batteriezellen

Info

Publication number: DE102020125658A1
Application number: DE102020125658.2A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Jaeger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-10-01
Filing date: 2020-10-01
Publication date: 2022-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher (1) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens zwei als Speicherelemente (2) zum Speichern von elektrischer Energie oder als Brennstoffzellen ausgebildete Bauelementen, und mit wenigstens einem Kühlmittelpfad (3), welcher von einem Kühlmittel zum Kühlen der Bauelemente durchströmbar ist, wobei wenigstens ein zwischen den Bauelementen und in dem Kühlmittelpfad (3) angeordnetes und die Bauelemente in einem Abstand (2a) zueinander haltendes Abstandshalteelement (6), welches ein Material (7) aufweist, das einen von dem Kühlmittel durchströmbaren ersten Strömungsquerschnitt (8) des Kühlmittelpfads (3) direkt begrenzt und dazu ausgebildet ist, bei einer durch zumindest eines der Bauelemente bewirkten Erwärmung des Materials (7) zu schmelzen und dadurch einen von dem Kühlmittel durchströmbaren und gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt (8) größeren, zweiten Strömungsquerschnitt (10) des Kühlmittelpfads (3) freizugeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
Die DE 10 2013 021 651 A1 offenbart eine Batterie mit Zellkühlung, wobei die Batterie zumindest ein Batteriemodul mit einem Zellstapel aufweist, der in einem Modulrahmen angeordnet und thermisch mit einer Wärmeabfuhrvorrichtung gekoppelt ist, wobei der Modulrahmen zumindest zwei Trägerprofile aus einem wärmeleitenden Material aufweist, die zu dem Plattenwärmetauscher weisend über den Zellstapel hinausragen.
Des Weiteren ist der DE 10 2017 211 286 A1 eine Vorrichtung zum Kühlen zumindest zweier Batteriemodule mit zwei Kühlplatten, die einen Innenraum begrenzen, in welchem zumindest ein erster Kühlkanal gebildet ist, der zum Kühlen zumindest eines ersten Batteriemoduls mit einem Kühlmittel durchströmbar ist, als bekannt zu entnehmen. In dem Innenraum ist zumindest ein zweiter Kanal gebildet, der zum Kühlen zumindest eines zweiten Batteriemoduls mit dem Kühlmittel durchströmbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug zu schaffen, sodass ein Kühlen des Energiespeichers besonders vorteilhaft realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Energiespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug vorzugsweise als ein Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, Nutzkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgebildet sein kann.
Der Energiespeicher weist wenigstens zwei als Speicherelemente zum Speichern von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom oder als Brennstoffzellen ausgebildete Bauelemente und wenigstens einen Kühlmittelpfad auf, welcher von einem Kühlmittel zum Kühlen der Bauelemente durchströmbar ist. Die Speicherelemente sind beispielsweise als Speicherzellen, insbesondere als Batteriezellen, ausgebildet, wodurch der Energiespeicher beispielsweise als Batterie, insbesondere als eine Hochvolt-Batterie, ausgebildet sein kann. Vorzugsweise weisen die Speicherelemente nach außen hin kein elektrisches Potential auf. Die Speicherelemente sind beispielsweise elektrisch miteinander verbunden beziehungsweise verschaltet. Ferner ist es denkbar, dass das jeweilige Speicherelement ein Speichermodul ist, welches mehrere, insbesondere elektrisch miteinander verbundene Speicherzellen aufweist.
Mittels des Energiespeichers kann beispielsweise eine elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs mit mittels des Energiespeichers beziehungsweise in dem Energiespeicher gespeicherter elektrischer Energie versorgt werden. Dadurch kann die elektrische Maschine in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betrieben werden, wodurch das Kraftfahrzeug elektrisch, insbesondere rein elektrisch, angetrieben werden kann. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) oder um ein Hybridfahrzeug (PHEV) oder um ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV) handeln. Das Hybridfahrzeug kann elektromotorisch und/oder verbrennungsmotorisch mittels einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden. Um eine besonders hohe elektrische Leistung zum elektrischen, insbesondere rein elektrischen, Antreiben des Kraftfahrzeugs realisieren zu können, kann der Energiespeicher eine elektrische Spannung, insbesondere eine elektrische Betriebs- oder Nennspannung, aufweisen, welche vorzugsweise größer als 50 Volt, insbesondere über 60 Volt, ist und vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Demnach ist der Energiespeicher vorzugsweise als eine Hochvoltkomponente ausgebildet.
Der Energiespeicher umfasst wenigstens einen als Kühlmittelzulauf bezeichneten Kühlmittelzufluss, mittels welchem das Kühlmittel dem Kühlmittelpfad zuführbar ist, und wenigstens einen als Kühlmittelablauf bezeichneten Kühlmittelabfluss, mittels welchem das Kühlmittel von dem Kühlmittelpfad abführbar ist. Der Kühlmittelpfad ist derart ausgebildet, dass dieser zumindest teilweise zwischen zwei benachbarten Bauelementen verläuft. Dadurch können die Bauelemente von dem Kühlmittel umströmt, insbesondere direkt umströmt, werden und somit gekühlt werden. Mit anderen Worten ausgedrückt sind zwei benachbarte Bauelemente voneinander beabstandet, wobei der Kühlmittelpfad wenigstens teilweise zwischen den Bauelementen ausgebildet ist.
Um nun ein Kühlen des Energiespeichers besonders vorteilhaft realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Energiespeicher wenigstens ein zwischen den Bauelementen und in dem Kühlmittelpfad angeordnetes und die Bauelemente in einem Abstand zueinander haltendes Abstandshalteelement umfasst, welches ein Material aufweist, das einen von dem Kühlmittel durchströmbaren ersten Strömungsquerschnitt des Kühlmittelpfads direkt begrenzt. Das Abstandshalteelement kann insbesondere als Abstandshalter oder als Spacer bezeichnet werden und ist vorzugsweise als eine Drossel ausgebildet, wodurch ein als Kühlmittelstrom bezeichneter Volumenstrom des Kühlmittels die Drossel durchströmen kann, wobei der erste Strömungsquerschnitt kleiner ist als ein Strömungsquerschnitt zwischen den Bauelementen, unmittelbar stromauf des Abstandshalteelements. Das Abstandshalteelement kann aus einer Komponente oder aus mehreren separat voneinander ausgebildeten Komponenten gebildet sein. Das Abstandshalteelement kann mit einer oder mit beiden der benachbarten Bauelemente verbunden sein, insbesondere formschlüssig und/oder reibschlüssig und/oder kraftschlüssig. Der erste Strömungsquerschnitt wird von dem Abstandshalteelement gebildet, wobei das Kühlmittel in dem Kühlmittelpfad zwischen den Bauelementen in dem ersten Strömungsquerschnitt durch das Abstandshalteelement hindurchströmen kann.
Das Material ist dazu ausgebildet, bei einer durch zumindest eines der Bauelemente bewirkten Erwärmung des Materials zu schmelzen und dadurch einen von dem Kühlmittel durchströmbaren und gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt größeren, zweiten Strömungsquerschnitt des Kühlmittelpfads freizugeben. Das Material kann insbesondere als Füllmaterial des Abstandshalteelements bezeichnet werden und kann dabei insbesondere aus einem Fett, einem Wachs oder einem Kunststoff gebildet sein. Eine Schmelztemperatur des Materials kann dabei zwischen 40 Grad Celsius und 500 Grad Celsius liegen, vorzugsweise zwischen 60 Grad Celsius und 100 Grad Celsius. Bei einem Überschreiten der Schmelztemperatur des Materials schmilzt dieses, wodurch eine Drosselwirkung des Abstandshalteelements auf den Kühlmittelstrom zumindest teilweise, insbesondere nahezu oder vollständig, aufgehoben wird. Dadurch kann nach einem Schmelzen des Materials ein erhöhter, insbesondere deutlich erhöhter, Volumenstrom des Kühlmittels das Abstandshalteelement durchströmen, wodurch der Kühlmittelstrom zwischen den Bauelementen erhöht werden kann, sodass eine Kühlleistung für die Bauelemente gesteigert werden kann, da die Bauelemente mit einem besonders hohen Kühlmittelstrom umströmt beziehungsweise versorgt werden können. Das Material ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Schmelztemperatur von dem Material insbesondere dann erreicht wird, wenn in wenigstens einem der Bauelemente eine als kritischer Grenzwert bezeichnete Grenztemperatur vorliegt, bei welcher das Bauelement besonders intensiv gekühlt werden soll, damit eine Temperatur des Bauelements vermindert werden kann.
Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: In einem Energiespeicher beziehungsweise einer Batterie kann eine thermische Propagation auftreten, bei welcher ein thermisches Ereignis von einem der Speicherelemente zu wenigstens einem weiteren der Speicherelemente, insbesondere einem benachbarten Speicherelement, übertragen werden kann. Unter der Propagation kann dabei insbesondere eine Kettenreaktion oder eine Kettenfortpflanzung verstanden werden. Bei dem thermischen Ereignis kann es sich insbesondere um eine gegenüber einer Normaltemperatur beziehungsweise Betriebstemperatur des Speicherelements erhöhte Temperatur oder um ein thermisches Durchgehen (Thermal Runaway) handeln. Das thermische Durchgehen ist insbesondere eine Überhitzung einer exothermen chemischen Reaktion oder einer Komponente aufgrund eines sich selbst verstärkenden wärmeproduzierenden Prozesses. Aufgrund der Propagation kann eine Beschädigung oder eine Zerstörung des Energiespeichers, insbesondere der Speicherelemente, erfolgen. Es kann insbesondere ein Brand des Energiespeichers auftreten. Für gewöhnlich kann bei der Propagation eines der Speicherelemente ein Auslöser der Propagation sein, wobei meist weitere benachbarte Speicherelemente von der Propagation angesteckt und somit erfasst werden. In dem erfindungsgemäßen Energiespeicher kann eines der Speicherelemente, welches insbesondere als propagierendes Speicherelement oder als kritisches Speicherelement oder als kritische Zelle bezeichnet werden kann, mit einer gegenüber der Normaltemperatur der Speicherelemente erhöhten Temperatur, mittels des schmelzenden Materials des Abstandshalteelements mittels eines besonders hohen Kühlmittelstroms thermisch kontrolliert werden. Mit anderen Worten ausgedrückt kann die kritische Zelle aufgrund des gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt größeren zweiten Strömungsquerschnitts besonders ausgeprägt gekühlt werden, wodurch die Temperatur der kritischen Zelle vermindert werden kann. Eine Wärmemenge beziehungsweise eine thermische Energie der kritischen Zelle kann somit zumindest teilweise von dem Kühlmittel von der kritischen Zelle abgeführt werden. Dadurch kann die Propagation vermindert beziehungsweise unterbunden werden, wodurch weitere Speicherelemente nicht von der Propagation erfasst werden können. Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist, dass lediglich zur Propagation neigende beziehungsweise propagierende Speicherelemente besonders intensiv gekühlt werden können, wobei weitere Speicherelemente, welche die Normaltemperatur aufweisen können, einen geringeren Kühlmittelstrom und somit eine geringere Kühlung erfahren können. Aufgrund des schmelzenden Materials kann die Kühlung mit einem besonders geringen Steuerungsaufwand auf das kritische Speicherelement fokussiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Abstandshalteelement dazu ausgebildet, sich bei einer durch das zumindest eine Bauelement bewirkte und mit der Erwärmung des Materials einhergehenden Erwärmung des Abstandshalteelements zu verformen und dadurch den Abstand zwischen den Bauelementen zu verändern. Mit anderen Worten ausgedrückt verändert sich bei einer Temperaturänderung des Abstandshalteelements eine Größe beziehungsweise eine Abmessung, insbesondere eine Länge, des Abstandshalteelements, wodurch der Abstand zwischen den Bauelementen verändert wird. Mittels einer sich daraus ergebenden Veränderung der Größe des ersten Strömungsquerschnitts und/oder des zweiten Strömungsquerschnitts kann sich der Kühlmittelstrom verändern, wodurch eine Steuerung beziehungsweise eine Regelung, die insbesondere als Selbstregelung bezeichnet werden kann, der Kühlleistung für die Bauelemente besonders vorteilhaft erfolgen kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Abstandshalteelement dazu ausgebildet, sich bei der durch das zumindest eine Bauelement bewirkte und mit der Erwärmung des Materials einhergehenden Erwärmung des Abstandshalteelements zu verformen und dadurch den Abstand zwischen den Bauelementen zu vergrößern. Der vergrößerte Abstand zwischen den Bauelementen bewirkt eine Erhöhung des ersten Strömungsquerschnitts und/oder des zweiten Strömungsquerschnitts, wodurch die Kühlleistung für die Bauelemente erhöht wird, da der die Bauelemente umströmende Kühlmittelstrom vergrößert wird. Dadurch kann die Steuerung beziehungsweise die Regelung, insbesondere die Selbstregelung, der Kühlung der Bauelemente besonders vorteilhaft erfolgen. Mittels des vergrößerten Abstands der Bauelemente kann die Kühlung der Bauelemente bereits vor dem Überschreiten der Schmelztemperatur des Materials besonders erhöht werden und/oder ab dem Überschreiten der Schmelztemperatur besonders erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Abstandshalteelement wenigstens ein aus einem ersten, einen ersten Wärmedehnungskoeffizienten aufweisenden Werkstoff gebildetes, erstes Abstandshalteteil und wenigstens ein aus einem zweiten, einen von dem ersten Wärmedehnungskoeffizienten unterschiedlichen, zweiten Wärmedehnungskoeffizienten aufweisenden Werkstoff gebildetes und mit dem ersten Abstandshalteteil verbundenes, zweites Abstandshalteteil auf. Als Wärmedehnungskoeffizient, Ausdehnungskoeffizient oder Wärmeausdehnungskoeffizient wird insbesondere ein Kennwert bezeichnet, der das Verhalten eines Stoffes bezüglich Veränderungen seiner Abmessung bei Temperaturveränderungen beschreibt. Da die beiden Abstandshalteteile voneinander verschiedene Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen, erfahren die beiden Abstandshalteteile bei Temperaturveränderungen verschiedene Ausdehnungen beziehungsweise Längungen. Dadurch kann eine Geometrie beziehungsweise eine Form des Abstandshalteelements derart verändert werden, dass bei Temperaturveränderungen des Abstandshalteelements der erste Strömungsquerschnitt vergrößert oder verkleinert werden kann. Dadurch kann bei der durch das zumindest eine Bauelement bewirkte und mit der Erwärmung des Materials einhergehenden Erwärmung des Abstandshalteelements der erste Strömungsquerschnitt und/oder der zweite Strömungsquerschnitt vergrößert werden, wodurch die Kühlleistung für die Bauelemente erhöht werden kann. Dadurch kann die Regelung, insbesondere die Selbstregelung, beziehungsweise die Steuerung der Kühlung der Bauelemente besonders vorteilhaft erfolgen. Vorzugsweise ist das Abstandshalteelement als ein Bimetall ausgebildet. Dabei ist das erste Abstandshalteteil aus einem ersten Metall und das zweite Abstandshalteteil aus einem von dem ersten Metall verschiedenen, zweiten Metall gebildet, wobei die beiden Metalle voneinander verschiedene Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen.
In weiterer Ausgestaltung ist wenigstens ein von den Strömungsquerschnitten unterschiedlicher Längenbereich des Kühlmittelpfads teilweise durch ein erstes der Bauelemente und teilweise durch ein zweites der Bauelemente direkt begrenzt. Mit anderen Worten ausgedrückt wird der Kühlmittelpfad zumindest teilweise durch das erste und teilweise durch das zweite Bauelement gebildet, wodurch das Kühlmittel direkten Kontakt mit dem Bauelement aufweist. Dadurch können die Bauelemente besonders vorteilhaft gekühlt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Energiespeicher wenigstens einen Drucksensor auf, mittels welchem ein Druck des Kühlmittels in dem Kühlmittelpfad erfassbar ist. Der Drucksensor kann beispielsweise als ein piezoresistiver Drucksensor oder als ein piezoelektrischer Drucksensor ausgebildet sein. Der Drucksensor ist vorzugsweise in Strömungsrichtung des den Kühlmittelpfad durchströmenden Kühlmittels stromauf des Abstandshalteelements in dem Kühlmittelpfad angeordnet.
Mittels des Drucksensors können Veränderungen der Strömungsbedingungen des Kühlmittels, insbesondere zwischen den Bauelementen, detektiert werden. Die Veränderungen der Strömungsbedingungen können beispielsweise auf die Veränderung der Größe des ersten Strömungsquerschnitts und/oder des zweiten Strömungsquerschnitts oder auf das Schmelzen des Materials des Abstandshalteelements zurückzuführen sein. Insbesondere bei einer Vergrößerung des ersten Strömungsquerschnitts und/oder des zweiten Strömungsquerschnitts oder beim Schmelzen des Materials des Abstandshalteelements liegt in dem Kühlmittelpfad ein besonders hoher Kühlmittelstrom vor. Dadurch können Druckverhältnisse beziehungsweise der Druck in dem Kühlmittelpfad, insbesondere stromauf des Abstandshalteelements, sich verändern. Dies kann mittels des Drucksensors erfasst werden, wodurch Änderungen des Kühlmittelstroms besonders vorteilhaft detektiert werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Energiespeicher eine Pumpe auf, mittels welcher das Kühlmittel durch den Kühlmittelpfad zu fördern ist. Die Pumpe kann insbesondere als Kühlmittelpumpe oder Kühlmittelverdichter bezeichnet werden und kann insbesondere als Axialpumpe, Diagonalpumpe oder Radialpumpe ausgebildet sein. Das Kühlmittel kann beispielsweise mittels der Pumpe zu dem Kühlmittelzulauf geführt werden und durch den Kühlmittelpfad zu den Bauelementen geführt werden. Mittels der Pumpe können die Bauelemente besonders vorteilhaft mit dem Kühlmittel versorgt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Drucksensor dazu ausgebildet, wenigstens ein den mittels des Drucksensors erfassten Druck charakterisierendes Signal bereitzustellen, wobei eine elektronische Recheneinrichtung vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, das Signal zu empfangen und in Abhängigkeit von dem Signal die Pumpe anzusteuern und dadurch den Volumenstrom des Kühlmittels einzustellen. Die elektronische Recheneinrichtung kann insbesondere als ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Eine Übertragung des Signals von dem Drucksensor zu der elektronischen Recheneinrichtung und/oder eine Ansteuerung der Pumpe von der elektronischen Recheneinrichtung kann insbesondere leitungslos und somit drahtlos erfolgen. Mittels des Drucksensors können, insbesondere stromauf des Abstandshalteelements, Änderungen, insbesondere Erhöhungen, des Volumenstroms des Kühlmittels detektiert werden, welche beispielweise auf die Veränderung der Größe des ersten Strömungsquerschnitts und/oder des zweiten Strömungsquerschnitts oder auf das Schmelzen des Materials des Abstandshalteelements zurückzuführen sein können, wodurch eine besonders hohe Temperatur in wenigstens einem der Bauelemente beziehungsweise das zur Propagation neigende kritische Speicherelement beziehungsweise das propagierende Speicherelement erfassbar ist. Mittels der elektronischen Recheneinrichtung kann die Pumpe derart angesteuert beziehungsweise betrieben werden, dass der Kühlmittelstrom angepasst werden kann. Der Volumenstrom des Kühlmittels kann dabei insbesondere besonders erhöht werden, sodass die Kühlung der Bauelemente, insbesondere des zur Propagation neigenden Speicherelements beziehungsweise des propagierenden Speicherelements, besonders intensiviert werden kann und die Propagation unterbunden werden kann.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches einen erfindungsgemäßen Energiespeicher gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, Nutzkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. 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.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Energiespeichers; und
2 eine schematische Schnittansicht zwischen zwei Speicherelementen eines erfindungsgemäßen Energiespeichers mit Fokus auf ein Abstandshalteelement; und
3 eine schematische Schnittansicht zwischen zwei Speicherelementen eines erfindungsgemäßen Energiespeichers mit Fokus auf ein Abstandshalteelement bei einsetzender Propagation

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Energiespeicher 1 für ein Kraftfahrzeug, das bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, Nutzkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet sein kann.
Der Energiespeicher 1 umfasst wenigstens zwei als Speicherelemente 2 zum Speichern von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom ausgebildete Bauelemente, wobei der Energiespeicher 1 in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel exemplarisch vier der als die Speicherelemente 2 ausgebildete Bauelemente aufweist. Alternativ können die Bauelemente anstelle der Speicherelemente 2 insbesondere als Brennstoffzellen ausgebildet sein. Die Speicherelemente 2 können vorzugsweise als Batteriezellen ausgebildet sein, insbesondere als eine Hochvoltbatterie. Vorzugsweise weisen die Speicherelemente 2 nach außen hin kein elektrisches Potential auf. Die Speicherelemente 2 können elektrisch miteinander verbunden beziehungsweise verschaltet sein.
Der Energiespeicher 1 kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, eine elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs mit mittels des Energiespeichers 1 beziehungsweise in dem Energiespeicher 1 gespeicherter elektrischer Energie zu versorgen und somit die elektrische Maschine zu betreiben. Dadurch kann das Kraftfahrzeug zumindest teilweise elektrisch, insbesondere rein elektrisch, von der elektrischen Maschine angetrieben werden. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um ein auch als Elektrofahrzeug bezeichnetes batterieelektrisches Fahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug handeln. Um besonders hohe elektrische Leistung zum elektrischen, insbesondere rein elektrischen, Antreiben des Kraftfahrzeugs realisieren zu können, weist der Energiespeicher 1 eine elektrische Spannung, insbesondere eine elektrische Betriebs- oder Nennspannung, auf, welche vorzugsweise größer als 50 Volt, insbesondere über 60 Volt, ist und vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Demnach ist der Energiespeicher 1 vorzugsweise als eine Hochvoltkomponente ausgebildet.
Der Energiespeicher 1 weist wenigstens einen Kühlmittelpfad 3 auf, welcher von einem Kühlmittel zum Kühlen der Speicherelemente 2 durchströmbar ist. Mittels wenigstens eines Kühlmittelzulaufs 4 kann das Kühlmittel dem Kühlmittelpfad 3 zugeführt werden. Mittels wenigstens eines Kühlmittelablaufs 5 kann das Kühlmittel von dem Kühlmittelpfad 3 abgeführt werden. Der Kühlmittelpfad 3 verläuft zumindest teilweise zwischen zwei benachbarten Speicherelementen 2, wodurch die Speicherelemente 2 von dem Kühlmittel umströmbar sind und somit kühlbar sind.
Um ein Kühlen der Speicherelemente 2 besonders vorteilhaft zu realisieren, weist der Energiespeicher 1 wenigstens ein zwischen den Speicherelementen 2 und in dem Kühlmittelpfad 3 angeordnetes und die Speicherelemente 2 in einem Abstand 2a zueinander haltendes Abstandshalteelement 6 auf, welches ein Material 7 aufweist, das einen von dem Kühlmittel durchströmbaren ersten Strömungsquerschnitt 8 des Kühlmittelpfads 3 direkt begrenzt.
2 zeigt in einer auf das Abstandshalteelement 6 fokussierten Detailansicht in einer Draufsicht einen Schnitt A-A, welcher, wie in 1 sichtbar, zwischen den beiden Schnittbezugspunkten A zwischen zwei Speicherelementen 2 verläuft. Der erste Strömungsquerschnitt 8 wird durch das Abstandshalteelement 6 begrenzt, wobei das Kühlmittel zwischen den Speicherelementen 2 das Abstandshalteelement 6 in dem ersten Strömungsquerschnitt 8 durchströmen kann. Da der erste Strömungsquerschnitt 8 kleiner ist als ein Strömungsquerschnitt zwischen den benachbarten Speicherelementen 2 stromauf des Abstandshalteelements 6, wirkt dieses auf eine Strömung des Kühlmittels wie eine Drossel. Mittels Richtungspfeilen ist dabei eine beispielhafte erste Strömungsrichtung 9 des Kühlmittels skizziert, welche durch das Abstandshalteelement 6 erzwungen wird. Das Material 7 des Abstandshalteelements 6 ist dazu ausgebildet, bei einer durch zumindest eines der Speicherelemente 2 bewirkten Erwärmung des Materials 7 zu schmelzen und dadurch einen von dem Kühlmittel durchströmbaren und gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt 8 größeren, zweiten Strömungsquerschnitt 10 des Kühlmittelpfads 3 freizugeben. Das Material 7 kann beispielsweise aus einem Fett, Wachs oder einem Kunststoff gebildet sein. Ein Schmelzpunkt, bei welchem das Material 7 schmilzt, kann beispielsweise zwischen 40 Grad Celsius und 500 Grad Celsius liegen, vorzugsweise zwischen 60 Grad Celsius und 100 Grad Celsius.
3 zeigt in einer auf das Abstandshalteelement 6 fokussierten Detailansicht in einer Draufsicht den Schnitt A-A, wobei das Material 7 geschmolzen ist. Dadurch wird der zweite Strömungsquerschnitt 10 von dem Material 7 freigegeben, wodurch das Abstandshalteelement 6 in dem zweiten Strömungsquerschnitt 10 von dem Kühlmittel durchströmbar ist, was in einem vergrößerten Detailausschnitt B der 3 dargestellt ist. Dadurch wird eine Drosselwirkung des Abstandshalteelements 6 auf den Kühlmittelstrom zumindest teilweise, insbesondere nahezu oder vollständig, aufgehoben.
Mittels Richtungspfeilen ist dabei eine beispielhafte zweite Strömungsrichtung 11 des Kühlmittels skizziert, welche von der ersten Strömungsrichtung 9 verschieden sein kann. Da der zweite Strömungsquerschnitt 10 größer ist als der erste Strömungsquerschnitt 8, kann ein Durchsatz beziehungsweise ein als Kühlmittelstrom bezeichneter Volumenstrom des Kühlmittels besonders erhöht werden, wodurch eine Kühlleistung für die Speicherelemente 2 besonders erhöht werden kann, sodass besonders viel Wärme von den Speicherelementen 2 abgeführt werden kann. Dadurch kann eine Propagation besonders vermindert beziehungsweise unterbunden werden. Der beginnenden Propagation kann dabei bereits bei ihrer Entstehung entgegengewirkt werden, da das Material 7 vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass das Material 7 seine Schmelztemperatur erreicht, wenn in wenigstens einem der Speicherelemente 2 eine kritische Grenztemperatur vorliegt, bei der die Propagation beginnen kann, wodurch eine Kühlung der Speicherelemente 2 besonders erhöht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Abstandshalteelement 6 dazu ausgebildet, sich bei einer durch das zumindest eine der Speicherelemente 2 bewirkte und mit der Erwärmung des Materials 7 einhergehenden Erwärmung des Abstandshalteelements 6 zu verformen und dadurch den Abstand 2a zwischen den Speicherelementen 2 zu verändern, insbesondere zu vergrößern. Dadurch kann insbesondere bei der Erwärmung des Abstandshalteelements 6 der Abstand 2a zwischen den Speicherelementen 2 vergrößert werden, wodurch der erste Strömungsquerschnitt 8 und/oder der zweite Strömungsquerschnitt 10 vergrößert werden kann. Dadurch kann der Kühlmittelstrom zwischen den Speicherelementen 2 vergrößert werden, wodurch die Kühlung der Speicherelemente 2 besonders vorteilhaft erhöht werden kann und eine Steuerung beziehungsweise eine Regelung, insbesondere eine Selbstregelung, der Kühlung der Speicherelemente 2 besonders vorteilhaft erfolgen kann.
In weiterer Ausgestaltung weist das Abstandshalteelement 6 wenigstens ein aus einem ersten, einen ersten Wärmedehnungskoeffizienten aufweisenden Werkstoff gebildetes, erstes Abstandshalteteil und wenigstens ein aus einem zweiten, einen von dem ersten Wärmedehnungskoeffizienten unterschiedlichen, zweiten Wärmedehnungskoeffizienten aufweisenden Werkstoff gebildetes und mit dem ersten Abstandshalteteil verbundenes, zweites Abstandshalteteil auf. Die beiden Abstandshalteteile können dabei vorzugsweise als ein Bimetall ausgebildet sein. Da die beiden Abstandshalteteile voneinander verschiedene Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen, erfahren die beiden Abstandshalteteile bei Temperaturveränderungen verschiedene Ausdehnungen beziehungsweise Längungen. Dadurch kann eine Geometrie beziehungsweise eine Form des Abstandshalteelements 6 derart verändert werden, dass bei Temperaturveränderungen des Abstandshalteelements 6 der erste Strömungsquerschnitt 8 und/oder der zweite Strömungsquerschnitt 10 vergrößert oder verkleinert werden kann. Dadurch kann bei der durch das zumindest eine der Speicherelemente 2 bewirkte und mit der Erwärmung des Materials 7 einhergehenden Erwärmung des Abstandshalteelements 6 der erste Strömungsquerschnitt 8 und/oder der zweite Strömungsquerschnitt 10 vergrößert werden, wodurch der Kühlmittelstrom beziehungsweise die Kühlleistung für die Speicherelemente 2 erhöht werden kann. Dadurch kann die Regelung, insbesondere die Selbstregelung, beziehungsweise die Steuerung der Kühlung der Speicherelemente 2 besonders vorteilhaft erfolgen.
Vorzugsweise ist wenigstens ein von den Strömungsquerschnitten 8, 10 unterschiedlicher Längenbereich des Kühlmittelpfads 3 teilweise durch ein erstes und teilweise durch ein zweites der Speicherelemente 2 direkt begrenzt. Mit anderen Worten ausgedrückt wird der Kühlmittelpfad 3 zumindest teilweise durch beide Speicherelemente 2 gebildet, wodurch das Kühlmittel direkten Kontakt mit den Speicherelementen 2 aufweist. Dadurch können die Speicherelemente 2 besonders vorteilhaft gekühlt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Energiespeicher 1 wenigstens einen Drucksensor auf, mittels welchem ein Druck des Kühlmittels in dem Kühlmittelpfad 3 erfassbar ist. Der Drucksensor ist vorzugsweise in Strömungsrichtung des den Kühlmittelpfad 3 durchströmenden Kühlmittels stromauf des Abstandshalteelements 6 in dem Kühlmittelpfad 3 angeordnet. Mittels des Drucksensors können Veränderungen der Strömungsbedingungen des Kühlmittels, insbesondere zwischen den Speicherelementen 2, detektiert werden. Die Veränderungen der Strömungsbedingungen können beispielsweise auf eine Veränderung des Abstands 2a, insbesondere der Größe des ersten Strömungsquerschnitts 8 und/oder des zweiten Strömungsquerschnitts 10, oder auf ein Schmelzen des Materials 7 der Abstandshalteelement 6 zurückzuführen sein. Insbesondere bei einer Vergrößerung des Abstands 2a oder bei dem Schmelzen des Materials 7 des Abstandshalteelements 6 liegt in dem Kühlmittelpfad 3 ein besonders hoher Kühlmittelstrom vor. Dadurch können Druckverhältnisse beziehungsweise der Druck in dem Kühlmittelpfad 3, insbesondere stromauf des Abstandshalteelements 6, sich verändern. Dies kann mittels des Drucksensors erfasst werden, wodurch Änderungen des Kühlmittelstroms besonders vorteilhaft detektiert werden können.
Vorzugsweise weist der Energiespeicher 1 eine Pumpe auf, mittels welcher das Kühlmittel durch den Kühlmittelpfad 3 gefördert werden kann. Das Kühlmittel kann beispielsweise mittels der Pumpe zu dem Kühlmittelzulauf 4 geführt werden und durch den Kühlmittelpfad 3 zu den Speicherelementen 2 geführt werden. Mittels der Pumpe können die Speicherelemente 2 besonders vorteilhaft mit dem Kühlmittel versorgt werden.
Der Drucksensor ist vorzugsweise dazu ausgebildet, wenigstens ein den mittels des Drucksensors erfassten Druck charakterisierendes Signal bereitzustellen, wobei eine elektronische Recheneinrichtung vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, das Signal zu empfangen und in Abhängigkeit von dem Signal die Pumpe anzusteuern und dadurch einen Volumenstrom des Kühlmittels einzustellen. Die elektronische Recheneinrichtung kann beispielsweise als ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Mittels des Drucksensors können, insbesondere stromauf des Abstandshalteelements 6, Änderungen, insbesondere Erhöhungen, des Volumenstroms des Kühlmittels detektiert werden, welche beispielweise auf die Veränderung des Abstands 2a, insbesondere der Größe des ersten Strömungsquerschnitts 8 und/oder des zweiten Strömungsquerschnitts 10, oder auf das Schmelzen des Materials 7 des Abstandshalteelements 6 zurückzuführen sein können, wodurch eine besonders hohe Temperatur in wenigstens einem der Speicherelemente 2 beziehungsweise eine Neigung zur Propagation beziehungsweise die Propagation erfassbar ist. Mittels der elektronischen Recheneinrichtung kann die Pumpe derart angesteuert beziehungsweise betrieben werden, dass der Kühlmittelstrom angepasst werden kann. Der Volumenstrom des Kühlmittels kann dabei insbesondere besonders erhöht werden, sodass die Kühlung der Speicherelemente 2 besonders intensiviert werden kann und die Propagation unterbunden werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicher
2: Speicherelemente
2a: Abstand
3: Kühlmittelpfad
4: Kühlmittelzulauf
5: Kühlmittelablauf
6: Abstandshalteelement
7: Material
8: erster Strömungsquerschnitt
9: erste Strömungsrichtung
10: zweiter Strömungsquerschnitt
11: zweite Strömungsrichtung
A-A: Schnitt
A: Schnittbezugspunkt
B: Detailausschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013021651 A1 [0002]
DE 102017211286 A1 [0003]

Claims

Energiespeicher (1) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens zwei als Speicherelemente (2) zum Speichern von elektrischer Energie oder als Brennstoffzellen ausgebildete Bauelementen, und mit wenigstens einem Kühlmittelpfad (3), welcher von einem Kühlmittel zum Kühlen der Bauelemente durchströmbar ist, gekennzeichnet durch wenigstens ein zwischen den Bauelementen und in dem Kühlmittelpfad (3) angeordnetes und die Bauelemente in einem Abstand (2a) zueinander haltendes Abstandshalteelement (6), welches ein Material (7) aufweist, das einen von dem Kühlmittel durchströmbaren ersten Strömungsquerschnitt (8) des Kühlmittelpfads (3) direkt begrenzt und dazu ausgebildet ist, bei einer durch zumindest eines der Bauelemente bewirkten Erwärmung des Materials (7) zu schmelzen und dadurch einen von dem Kühlmittel durchströmbaren und gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt (8) größeren, zweiten Strömungsquerschnitt (10) des Kühlmittelpfads (3) freizugeben.
Energiespeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandshalteelement (6) dazu ausgebildet ist, sich bei einer durch das zumindest eine Bauelement bewirkte und mit der Erwärmung des Materials (7) einhergehenden Erwärmung des Abstandshalteelements (6) zu verformen und dadurch den Abstand (2a) zwischen den Bauelementen zu verändern.
Energiespeicher (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandshalteelement (6) dazu ausgebildet ist, sich bei der durch das zumindest eine Bauelement bewirkte und mit der Erwärmung des Materials (7) einhergehenden Erwärmung des Abstandshalteelements (6) zu verformen und dadurch den Abstand (2a) zwischen den Bauelementen zu vergrößern.
Energiespeicher (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandshalteelement (6) wenigstens ein aus einem ersten, einen ersten Wärmedehnungskoeffizienten aufweisenden Werkstoff gebildetes, erstes Abstandshalteteil und wenigstens ein aus einem zweiten, einen von dem ersten Wärmedehnungskoeffizienten unterschiedlichen, zweiten Wärmedehnungskoeffizienten aufweisenden Werkstoff gebildetes und mit dem ersten Abstandshalteteil verbundenes, zweites Abstandshalteteil aufweist.
Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein von den Strömungsquerschnitten (8, 10) unterschiedlicher Längenbereich des Kühlmittelpfads (3) teilweise durch ein erstes der Bauelemente und teilweise durch ein zweites der Bauelemente direkt begrenzt ist.
Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Drucksensor, mittels welchem ein Druck des Kühlmittels in dem Kühlmittelpfad (3) erfassbar ist.
Energiespeicher (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor in Strömungsrichtung des den Kühlmittelpfad (3) durchströmenden Kühlmittels stromauf des Abstandshalteelements (6) in dem Kühlmittelpfad (3) angeordnet ist.
Energiespeicher (1) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Pumpe, mittels welcher das Kühlmittel durch den Kühlmittelpfad (3) zu fördern ist.
Energiespeicher (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor dazu ausgebildet ist, wenigstens ein den mittels des Drucksensors erfassten Druck charakterisierendes Signal bereitzustellen, wobei eine elektronische Recheneinrichtung vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, das Signal zu empfangen und in Abhängigkeit von dem Signal die Pumpe anzusteuern und dadurch einen Volumenstrom des Kühlmittels einzustellen.
Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.