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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen elektrochemischen Speicher, beispielsweise eine elektrochemische Zelle oder eine Kombiniation aus zumindest zwei elektrochemischen Zellen, wobei die Vorrichtung an zumindest eine elektrochemische Zelle bzw. einen elektrochemischen Speicher anliegt oder mit zumindest einer elektrochemischen Zelle bzw. einem elektrochemischen Speicher unmittelbar oder mittelbar thermisch verbunden ist.
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Ein typisches Beispiel für einen solchen Speicher ist eine Lithium Ionen Akkumulatorzelle.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Temperaturinformationen über den zugehörigen elektrochemischen Speicher bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Temperaturinformation ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil sie dem Fachmann Rückschlüsse auf den Zustand des zugehörigen Speichers gestattet. Infolge des Betriebs des elektrochemischen Speichers entsteht in den stromdurchflossenen bzw. elektrochemisch aktiven Bereichen Verlustwärme, die den Speicher solange aufheizt, bis die Wärmeabgabe durch die Speicheroberfläche an die Umgebung und die Wärmeproduktion einen Gleichgewichtszustand erreichen.
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In der Praxis ist die Wärmeleitung von den elektrochemisch aktiven Bereichen, in denen die Wärmeproduktion im Wesentlichen stattfindet, zur Speicheroberfläche mit einem gewissen Wärmeleitwiderstand verbunden, so dass sich ein signifikanter Temperaturgradient von innen nach außen ausbildet, wobei die Temperatur im Bereich der elektrochemisch aktiven Bereiche des Speichers in der Regel deutlich höher liegen kann als die Oberflächentemperatur. Dies kann man in der Praxis z. B. daran erkennen, dass die Oberflächentemperatur einer Rundzelle beim Entladen auch nach Ausschalten der Belastung noch eine Zeit lang weiter ansteigt. Dieser Vorgang wird als ”Nachlaufen” bezeichnet.
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Wird ein elektrochemischer Speicher also mit einem konstanten Strom belastet, ist die Oberflächentemperatur – bei bekannten Umgebungs- und Einbaubedingungen – ein Maß für die in der Zelle bzw. im Speicherinnern auftretenden Temperaturen. Betrachtet man einen gesamten Lastzyklus inklusive Laden und Entladen ist, bei entsprechender Kenntnis des Aufbaus und der Umgebungsbedingungen, die an der Oberfläche auftretende Maximaltemperatur demzufolge ein Maß für die Maximaltemperatur im Zellinnern.
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Es ist bekannt, dass elektrochemische Speicher, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren, die bei Temperaturen oberhalb des vom Hersteller zugelassenen Temperaturniveaus gelagert oder betrieben werden, zunächst deutlich schneller altern und, bei weiterer Anhebung der Temperatur, irreversible Schäden erleiden, die sich bis zur Zerstörung und, bei manchen Zellchemien wie beispielsweise Li-Ionen Zellen auf Basis von LCO (LiCoO2), ggf. bis hin zur Selbstentzündung – in der Fachwelt spricht man vom sogenannten ”thermal runaway” erstrecken bzw. ausbreiten können.
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Selbstredend handelt es sich bei der Schädigung durch zu hohe Temperaturen – bis zum Beginn des Thermal runaways – um einen schleichenden bzw. fortlaufenden Prozeß, der zu einer zunehmenden Schädigung des Speichers mit sukzessiver Steigerung der Ausfallwahrscheinlichkeit führt.
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Für den sicheren Umgang mit einem elektrochemischen Speicher ist es also nicht nur wichtig, zu wissen, welche Temperatur am Speicher aktuell anliegt, sondern auch, welche Temperatur in der Betriebshistorie des Speichers maximal angelegen hat, da im letzteren Fall Rückschlüsse auf eine mögliche bestehende Schädigung oder Vorschädigung möglich sind und z. B. die Gefahr einer Selbstentzündung durch den Weiterbetrieb eines Speichers mit Vorschädigung durch rechtzeitigen Austausch begegnet werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat also die Aufgabe, Temperaturinformationen von der Speicheroberfläche bereitzustellen, um dem Anwender Rückschlüsse auf Temperaturen im Speicherinneren zu ermöglichen. Dies geschieht dadurch, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung, die beispielsweise als Aufkleber ausgestaltet sein kann, mit zumindest einem thermochromen Feld ausgestattet ist. Im Vergleich zu elektronischen Lösungen wie Datenloggern weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wesentliche Vorteile bezüglich Kosten, Datensicherheit (Ausfall der Spannungsversorgung bei Datenloggern) und Manipulationssicherheit auf.
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Unter einem thermochromen Feld versteht man in diesem Zusammenhang eine Fläche, deren Farbe sich durch Temperatureinwirkung ändert. Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung unterscheidet man:
- A) stufenlos reversible thermochrome Flächen, deren Farbwert stets von der aktuell anliegenden Temperatur abhängig ist und sich mit wechselnder Temperatur stufenlos proportional zur Temperatur ändert,
- B) stufig reversible thermochrome Flächen, deren Farbwert einen mittels Skala für das menschliche Auge deutlich erkennbaren Farbwechsel bei Über- oder Unterschreiten einer spezifischen Grenztemperatur erfährt
- C) sowie irreversibel thermochromen Flächen, die nach Überschreiten einer spezifischen Grenztemperatur einen permanenten Farbumschlag aufweisen, der auch bei nachfolgendem Unterschreiten der spezifischen Grenztemperatur bestehen bleibt.
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Die zugehörigen Temperaturen bei stufig reversibel thermochromen Flächen und bei irreversibel thermochromen Flächen werden im Folgenden auch als ”Umschlagtemperaturen” bezeichnet.
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Thermochrome Materialien selbst entsprechen dem Stand der Technik. Reversible thermochrome Materialien können z. B. auf Basis von Flüssigkristallen oder Farbpigmenten hergestellt werden.
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Irreversible thermochrome Indikatoren arbeiten auf Basis von chemischen Prozessen oder physikalisch durch eine zumindest zweischichtige Anordnung, wobei die beiden Schichten optisch unterschiedliche Farbwerte aufweisen, die – aus Sicht eines Betrachters – obere Schicht aus einer Substanz mit definiertem Schmelzpunkt besteht und die untere Schicht über ein hohes Benetzungs- und Saugvermögen bezogen auf das Material der oberen Schicht, analog zu einem Löschpapier, verfügt.
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Wird die Schmelztemperatur (= Umschlagtemperatur) der oberen Schicht überschritten, schmilzt sie auf und wird von der unteren Schicht aufgesaugt. Dadurch verschwindet der optische Farbeffekt der oberen Schicht und die Farbe der unteren Schicht tritt zutage.
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Besonders häufig sind Ausführungen mit einer weißen oberen ”Schmelzschicht” und einer schwarzen unteren ”Saugschicht”. Wird die Umschlagtemperatur überschritten, wird die weiße Schmelzschicht flüssig, sogleich weggesaugt und der Indikator wechselt seine Farbe von weiß nach schwarz.
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung und einige besonders bevorzugte Ausführungen anhand von Beispielen beschrieben:
- • In einer besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese einen selbstklebenden Aufkleber (1B), der mit zumindest einem stufig reversibel thermochromen Feld (1C) mit einer Umschlagtemperatur zwischen 40°C und 90°C, in diesem Beispiel von z. B. 60°C versehen ist. Der Aufkleber wird bei diesem Beispiel auf die Oberfläche einer Lithium-Ionen-Zelle (1A) appliziert. Die Korrelation der zum Ablesezeitpunkt aktuellen (Zelloberflächen)Temperatur am Applikationsort mit der Umschlagstemperatur erfolgt durch Farbvergleich des reversiblen Feldes mit einer Skala (1D). Bei dieser Ausführung ist die Aussagekraft der Ablesung auf das Über- oder Unterschreiten der Umschlagstemperatur zum Ablesezeitpunkt beschränkt. (1).
- • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese eine schrumpfbare und/oder selbstklebende Kunststoffhülle (”Schrumpfschlauch”) (2F), der in diesem Beispiel auf eine Nickel-Metallhydrid-Zelle (2A) aufgeschrumpft oder aufgeklebt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit zumindest zwei stufig reversibel themochromen Feldern mit unterschiedlichen Umschlagtemperaturen, hier: 30°C (2C) und 50°C (2E), versehen. Die Korrelation der aktuellen (Zelloberflächen)Temperatur am Applikationsort mit den Umschlagstemperaturen erfolgt durch Farbvergleich der reversiblen Felder mittels Skala (2D). Bei dieser Ausführung ist die Aussagekraft der Ablesung auf das Feststellen der Unterschreitung der unteren Umschlagstemperatur, das Überschreiten der oberen Umschlagstemperatur oder das Vorliegen einer Temperatur im Intervall zwischen oberer und unterer Umschlagtemperatur, als 30°C und 50°C, zum Ablesezeitpunkt beschränkt. (2)
- • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst Diese einen Aufdruck (3B) auf ein Zellengehäuse (3A), in diesem Beispiel das Gehäuse einer Lithium Eisenphosphat Rundzelle. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit zumindest einem irreversibel themochromen Feld (3C), in diesem Fall mit einem einzigen Feld mit einer Umschlagtemperatur von 70°C, versehen. Die Korrelation der in der Betriebshistorie maximal erreichten (Zelloberflächen)Temperatur am Applikationsort mit der Umschlagstemperatur erfolgt durch Farbvergleich des thermochromen Feldes mittels ebenfalls aufgedruckter Skala (3D). Bei dieser Ausführung ist die Aussagekraft der Ablesung auf das Feststellen der Überschreitung der Umschlagstemperatur, hier 70°C, zu einem unbekannten Zeitpunkt vor der Ablesung beschränkt. (3)
- • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese einen selbstklebenden Aufkleber mit zumindest zwei, besonders bevorzugt fünf, irreversibel themochromen Feldern, die mit unterschiedlichen Umschlagtemperaturen versehen sind. In diesem Beispiel wurde der Aufkleber an einer LCO-Zelle (4A) aufgeklebt und besitzt fünf thermochrome Felder, die nebeneinander in einer Reihe angeordnet sind und Umschlagtemperaturen von 50 (4C), 55 (4E), 60 (4F), 65 (4G) und 70°C (4H) aufweisen. Die Korrelation der in der Betriebshistorie maximal erreichten (Zelloberflächen)Temperatur am Applikationsort mit den Umschlagstemperaturen erfolgt durch Farbvergleich der thermochromen Felder mit einer Skala. Bei dieser Ausführung ist die Aussagekraft der Ablesung auf die Bestimmung eines Temperaturintervalls zwischen dem Farbumschlag zeigenden Feld mit der höchsten Umschlagstemperatur und dem kein Farbumschlag zeigenden Feld mit der nächsthöheren Umschlagstemperatur beschränkt. (4)
- • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese einen selbstklebenden Aufkleber (5B), der mit zumindest einem stufig reversibel thermochromen Feld (5E) und zumindest einem irreversibel thermochromen Feld (5C) versehen ist, wobei das irreversibel thermochrome Feld eine Umschlagtemperatur von 50°C aufweist und das stufig reversible thermochrome Feld eine Umschlagtemperatur von 30°C aufweist. In diesem Beispiel wurde der Aufkleber an einer Blei-Gel-Akkumulatorzelle (5A) appliziert. Die Bestimmung der aktuellen Temperatur erfolgt durch Farbvergleich des reversiblen Feldes mit einer Skala (5D). Ebenso erfolgt die Bestimmung der in der Betriebshistorie aufgetretenen Maximaltemperatur – im Sinne der Überschreitung der Umschlagtemperatur des irreversibel thermochromen Feldes – durch Farbvergleich des irreversiblen Feldes mit einer Skala. Die Aussagekraft dieser Ausführung ist auf die Dokumentation der Überschreitung einer in der Betriebshistorie aufgetretenen Maximaltemperatur in Höhe der Umschlagtemperatur des irreversibel thermochromen Feldes sowie in der Anzeige der aktuellen Über- oder Unterschreitung der Umschlagtemperatur des stufig reversiblen thermochromen Feldes zum Zeitpunkt der Ablesung beschränkt. (5).
- • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese einen selbstklebenden Aufkleber (6B), der auf einer NiMH-Zelle (6A) appliziert ist, der mit einem stufig reversibel oder irreversiblen thermochromen Feld (6C) versehen ist, wobei das thermochrome Feld bei Überschreitung der Umschlagtemperatur, hier 50°C, eine als Ziffer- oder buchstabenlesbare Gestalt einnimmt. (6). Im Falle der reversiblen Thermochromie erlaubt die Vorrichtung eine Temperaturaussage zum Ablesezeitpunkt, im Falle der irreversiblen Thermochromie eine Aussage über das Überschreiten einer Temperaturschwelle im vergangenen Betrieb.
- • In einer weiteren, nicht figürlich dargestellten Ausführung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen selbstklebenden Aufkleber mit einer irreversibel thermochromen Fläche, hier mit einer Umschlagtemperatur von 60°C, und fünf reversibel thermochrome Flächen mit Umschlagstemperaturen von 40, 45, 50, 55 und 60°C. Diese Anordnung gestattet eine Temperaturbestimmung zum Ablesezeitpunkt im Intervall von 40 bis 60°C und außerdem die Dokumentation einer Maximaltemperatur von 60°C oder mehr im Verlauf des vergangenen Betriebes.
