WO2011117221A1 - Aufladbarer energiespeicher - Google Patents

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WO2011117221A1
WO2011117221A1 PCT/EP2011/054302 EP2011054302W WO2011117221A1 WO 2011117221 A1 WO2011117221 A1 WO 2011117221A1 EP 2011054302 W EP2011054302 W EP 2011054302W WO 2011117221 A1 WO2011117221 A1 WO 2011117221A1
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energy storage
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energy store
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Alexander Hahn
Norbert Huber
Michael Meinert
Karsten Rechenberg
Wolfgang Schilling
Jochen SCHÄFER
Wolfgang Weydanz
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Definitions

  • the invention relates to a rechargeable energy storage device, which is either as an electrochemical energy storage, comprising a housing in which a positive electrode and a nega ⁇ tive electrode, between which an electrolyte is located, are added, is formed or as a capacitor module, with a A plurality of interconnected cells of double-layer capacitors and / or hybrid capacitors is formed.
  • Rechargeable energy stores are known in a variety of different embodiments and can, for example, as electrochemical energy storage, with a housing in which a positive electrode and a negative Electro ⁇ de, between which an electrolyte is located, or as a capacitor module, with a A plurality of interconnected cells of double-layer capacitors and / or hybrid capacitors may be formed.
  • an active cooling device is provided here to ERS with a gas or a liquid as a coolant, the resulting during charging or discharging heat ⁇ lead.
  • active cooling devices are complex, require their own energy supply and increase disadvantageously the space required. For many applications they are therefore not very practical.
  • passive cooling devices are known in which the heat released is dissipated via heat sink or cooling surfaces. By such passive measures, however, only a limited heat flow can be dissipated, at high electrical power, which occur for example in the fast charging of electrochemical energy storage, the resulting heat loss can not be dissipated by passive cooling devices only, so that exceeding the temperature limits threatens.
  • the battery system consists of a large number of individual cells which are accommodated in a housing and interconnected with each other. The spaces between the individual cells in the interior of the housing are filled with a phase change material, the absorbs at least part of the heat emitted by the individual cells. In this way, temperature ⁇ differences are to be reduced between individual cells so that the aging process is more uniform.
  • the battery cells comprise a doll, which is surrounded by a cell casing 11 and communicates with it in a predeterminable manner.
  • the doll and the cell jacket form means for heat dissipation.
  • the following statements relate to a rechargeable energy storage designed as a capacitor module.
  • Double-layer capacitors also known as electro-chemical double-layer capacitors (EDLC) or supercapacitors, are capacitors with a particularly high energy density, the energy being stored electrostatically. These capacitors are characterized by a high weight-related performance and can be used as energy storage, if a short time a high current is required or delivered. If this is existing capacitor module loaded from a plurality of cells or load corresponds is set within the individual cells ⁇ glassge heat, wherein the heating power depends on the electrical stress.
  • EDLC electro-chemical double-layer capacitors
  • Double-layer capacitors and / or hybrid capacitors can be regarded as individual cells, similar to the interconnection of several battery cells of a battery leads to a higher energy density of an energy accumulator formed as a capacitor module.
  • hybrid capacitors are usually capacitors with and formed from different materials and / or built electrodes (so-called composite electrodes) to understand.
  • the lifetime of the cells of the double-layer capacitors or hybrid capacitors that form the capacitor module is highly temperature-dependent.
  • a certain temperature limit which may be 80 ° C, for example, must not be exceeded ⁇ , otherwise the life decreases sharply even at low excess. It is therefore desirable to keep the temperature within the cells as low as possible.
  • the aging and degradation of individual cells depends on the local conditions, such as the temperature decreases, as the speed of the Alterungsprozes ⁇ ses varies locally from cell to cell. Even within one cell, temperature differences of several
  • Kelvin occur, higher temperature differences can arise within ⁇ half of a capacitor module. It is therefore Schwiering ⁇ rig, maintain the required temperature limits for individual cells of a capacitor module.
  • the invention has for its object to provide a rechargeable energy storage with improved cooling, in which in particular the risk of temperature-induced degradation is reduced or with the compliance of the Tempe ⁇ raturgrenze is facilitated.
  • a phase change material is arranged to control the temperature of the energy storage in the housing, at least a portion of the of the energy ⁇ memory stored during charging or discharging heat absorbed biert, or, if the rechargeable energy storage is designed as a capacitor module for tempering the cells has a standing in contact with the cells phase change material, at least part of the convertge ⁇ by the cells Absorbs heat.
  • phase change material can be temporarily achieved an internal cooling of a rechargeable energy storage in the form of an electrochemical energy storage. This results in a homogenization of the temperatures within the energy storage, whereby the compliance with the specified temperature limit is facilitated. In particular, temperature peaks can be reduced by the action of the phase change material, without the need for a high constructional effort.
  • a further advantage is the fact that the flow of heat dissipated is temporally smoothed, so that the required expenditure on equipment and energy is reduced.
  • the electrochemical energy storage device according to the invention is particularly well suited for applications in which high powers are available for a short period of time.
  • the energy store can in such applications be used with high performance requirements. Since the intended phase change material, the thermal inertia of the electrochemical energy storage is increased, the risk of thermal runaway is reduced.
  • the invention is based on the recognition that the phase change material ⁇ can be used not only in Multiple-Energiespei ⁇ Chern energy storage module in the open spaces. Instead, according to the invention seen before ⁇ that each individual electrochemical energy storage of an energy storage module may comprise the phase change material is in ⁇ nem inside.
  • temperature gradients are Gert verrin- within the energy storage device, thus increasing the life of the energy storage ver ⁇ extended.
  • phase change material provided according to the invention can be used to temporarily achieve internal cooling of individual cells of the rechargeable energy store according to the invention in the form of a capacitor module.
  • tem ⁇ perature peaks can be reduced by the action of the phase change material, without requiring a high construction effort is required.
  • Another advantage is the fact that the flow of heat dissipated is temporally smoothed, so that the required apparatus and energy expenditure decreases.
  • the capacitor module according to the invention is particularly well suited for applications in which the cells are subjected to high powers during a short period of time.
  • the capacitor module can be used in such applications with ho ⁇ hen performance requirements. Since the intended phase change material, the thermal inertia of the capacitor module is increased, the risk of thermal runaway is reduced.
  • the following statements relate to the embodiment according to the invention of a rechargeable energy store designed as an electrochemical energy store.
  • phase change material in the case of the rechargeable electrochemical energy store according to the invention, provision may be made for the phase change material to be microencapsulated.
  • the microencapsulation ensures that the phase change material does not undergo chemical reactions with other components of the electrochemical energy storage, while the phase change material is protected by the microencapsulation so that it can fulfill its function permanently.
  • the size of the microcapsules of the phase change material at least approximately ⁇ match the pore size of the active material of the positive or the negative electrode.
  • the phase change material can be integrated into the active material. Thus, the phase change material can be placed exactly at the point where the heat is generated.
  • a variant of the electrochemical energy store according to the invention provides that the energy store is wound. In this arrangement, layers of the positive electrode active material and the negative electrode active material alternate with an electrolyte and a separator between them. In a wound electrochemical energy storage, the phase change material can be arranged or embedded in free spaces in the housing and / or in the active material. It is particularly advantageous that the external dimensions of the rechargeable electrochemical energy store do not change despite the phase change material used.
  • a variant of the electrochemical energy store according to the invention provides that the phase change material is arranged in the center of the winding. In conventional waffled electrochemical energy storage is in the center of the winding through a winding mandrel a cavity. According to the invention, this cavity can be filled with phase change material in order to produce a more uniform temperature profile in the electrochemical energy store.
  • the phase change material is arranged on one or both end sides of the winding, preferably between an electrode and a separator. At this point is located in conventional electrochemical energy storing a cavity which can be filled from ⁇ according to the invention with the phase change material.
  • the phase change material can be arranged on one end face or on both opposite end faces of the electrochemical energy store. Besides ei ⁇ ner better temperature distribution results in the advantage that the electrochemical energy storage device is mechanically stable by containing ⁇ ne phase change material.
  • the phase change material in the energy storage device according to the invention may additionally or alternatively be arranged between the inside of the housing and the winding. This tubular edge region of the electrochemical energy storage is hollow in conventional energy storage devices, according to the invention there is the phase change material that absorbs the heat emitted by the Energyspei ⁇ cher wholly or partially.
  • phase Wech ⁇ selmaterial is additionally disposed on the outside of a no active ⁇ layer having electrode.
  • the phase change material on the outside of the Winding be arranged and replace the separator between the two electrodes which do not wear active layers.
  • the phase change material can be used at this point, as long as the electrodes have no Abieiter coated on both sides.
  • phase change material is disposed in the inventive rechargeable electrochemical energy storage between the inside of a Genosu- sedeckels and the winding and / or the inside of a Ge ⁇ koruseêts and the winding. At this point are in conventional electrochemical energy storage cavities that can be filled according to the invention with Phasen promptma ⁇ material.
  • phase change material between the inner side of a housing cover and, arranged on the end face of the winding insulation ring is arranged.
  • This substantially disc-shaped cavity which is located at the top of the electrochemical energy storage device to which the terminals are provided, is norma ⁇ mally also hollow, according to the invention may be arranged sen grillmaterial there phases.
  • the rechargeable electro ⁇ chemical energy storage is particularly well Wei ⁇ se to ensure a uniform temperature profile when it is designed as a lithium-ion battery. In such accumulators compliance of temperature is especially important limits, otherwise a rapid Degra ⁇ dation is to be feared that comes with a power or Kapa ⁇ zmaschineszel and reduced service life.
  • the negative electrode active material may include graphite in which the phase change material is accommodated.
  • phase change material that may be di ⁇ rectly introduced into the active material.
  • the following phase change materials are suitable: paraffins, salt hydrates, gas hydrates. It is also possible to combine several different phase change materials together to produce a specific heat absorption behavior.
  • phase change material can also be present in combination.
  • phase change material may be arranged in the intermediate spaces between the cells. If the free spaces between the cells are filled with the phase change material, possibly existing temperature differences are compensated. This applies both to temperature differences within a cell and between different cells of a capacitor module.
  • phase change mate rial ⁇ is arranged around the cells. This is useful, for example, if the cells have a cylindrical shape.
  • a further variant of the invention provides that the Pha ⁇ sen crispmaterial is disposed in the inventive capacitor module at a Abieiter for supplying current to a cell.
  • the phase change material may be on one or both
  • phase change material between two Abieitern.
  • a be provided for a plurality of cells common busbar on which the phase change material is arranged.
  • the phase change material is arranged on a heat sink, in particular on a surface of the heat sink or in a recess or in a cavity of the heat sink.
  • a heat sink in particular on a surface of the heat sink or in a recess or in a cavity of the heat sink.
  • con- to the invention is accommodated in a housing and the densatormodul Pha ⁇ sen grillmaterial is arranged in a free space and / or in an edge region of the housing.
  • These clearances ⁇ inner half of the housing can be particularly easily filled with the phase change material ⁇ .
  • phase change material is arranged as an electrical insulation material in the region of a Abieiters for power supply.
  • the phase change material can thus replace an otherwise required additional electrical insulation.
  • the phase change material between cells and a heat sink may be arranged to ensure in this way the required electrical Isola ⁇ tion between the cells and the heat sink.
  • the capacitor module according to the invention provides that the phase change material is accommodated in an enclosure.
  • the wrapper may be a film, also an electrically isolie ⁇ -saving effect is produced by the.
  • phase change materials are suitable: paraffins, gas hydrates, salt hydrates. It is also possible to have several different ones To combine phase change materials together to produce a specific heat absorption behavior.
  • FIG. 1 a first embodiment of a rechargeable electrochemical energy store in a sectional view; a second embodiment of a rechargeable electrochemical energy storage in a sectional view; a third embodiment of a rechargeable electrochemical energy storage in a sectional view; a fourth embodiment of a rechargeable electrochemical energy storage in a sectional view; A fifth embodiment of a rechargeable electrochemical energy storage in a sectional view; 6 shows a sixth embodiment of a rechargeable electrochemical energy store in a sectional view;
  • FIG. 7 shows a seventh exemplary embodiment of a rechargeable electrochemical energy store in a sectional view
  • Fig. 8 shows a first embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN capacitor module
  • FIG. 9 shows a second embodiment of a capacitor module according to the invention.
  • 10 shows a third embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN capacitor module.
  • 11 shows a fourth embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN capacitor module.
  • FIG. 12 shows a fifth embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN capacitor module.
  • FIG. 13 shows a sixth exemplary embodiment of a capacitor module according to the invention.
  • FIG. 14 shows a seventh exemplary embodiment of a capacitor module according to the invention.
  • the rechargeable electrochemical energy storage ⁇ 1 shown in Fig. 1 comprises a housing 2 in which a positive electrode 3 and a negative electrode 4, between which an electrolyte is located, are arranged.
  • the negative electrode 4 has an active material made of graphite.
  • the active material of the positive electrode 3 consists of a lithium compound, as the electrolyte is a salt or a polymer in question.
  • Between the positive electrode 3 and the negative electrode 4 is a separator.
  • Such energy stores are known per se, so that it is possible to dispense with the enumeration of further details at this point.
  • the positive electrode 3 and the negative electrode 4 are layered in the energy storage 1 and wound around the center of the housing 2.
  • the housing 2 comprises a Housing bottom 5 and a housing cover 6, in which an insulation ring 7 is located.
  • phase change material 8 is arranged in the center of the winding of the energy storage device 1.
  • heat is released, which is at least partially absorbed by the phase change material 8.
  • the phase change material undergoes a phase change, for example from solid to liquid.
  • the heat emitted from the electrodes 3, 4 is then stored as latent heat in the Pha ⁇ sen grillmaterial 8, so that the positive Elect ⁇ rode 3 and the negative electrode 4 and thus the energy storage 1 ⁇ less heating.
  • the phase change material 8 prevents undesirable and detrimental temperature increase and exceeding an allowable temperature limit.
  • the thermal behavior can be adjusted by the choice of a suitable phase change material depending on the respective requirements.
  • phase change material is in microencapsulated form with the size of the microcapsules matched to the pore size of the negative or positive electrode active material.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of an energy ⁇ memory 1 may be used in which, for matching the components ⁇ same reference numerals as in the previous embodiment.
  • the phase change material 8 is arranged at the lower and upper end sides of the winding. At this point, the winding 9 in cross section a mäan ⁇ such a course on, so that the clearances between the terminating at different heights active layers can be filled with the phase change material. 8
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of an energy storage device 1, in which the phase change material 8 is located on the inside of the housing 2 on its longitudinal sides.
  • 4 shows an exemplary embodiment of the energy store 1, in which the phase change material 8 is arranged between the underside of the winding 9 and the inside of the housing bottom 5.
  • Fig. 5 shows an embodiment in which the phase change material 8 between the inside of the housing cover 6 and the top of the winding 9 is arranged.
  • an energy storage device 1 the phase change material is disposed inner side 8 at the ⁇ In the housing cover 6 on the above a Stirnsei- te the winding 9 arranged insulating ring 10.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 7 is constructed similarly to the exemplary embodiment shown in FIG. 3, in which the phase change material 8 is introduced on the inside of the housing 2 into the free space formed with the winding 9.
  • the phase change material 8 is arranged having on the outside a not active layer electrode as shown in Fig. 7, whereby the Volu ⁇ measures the phase change material increases.
  • Figs. 1 to 7 different embodiments are shown, which differ essentially by the Positionin ⁇ tion of the phase change material. It should be noted that the various embodiments can be combined with each other by several or all existing in the interior of the housing spaces are filled with phase change ⁇ material.
  • FIG. 8 shows a cutaway view of a section of a capacitor module 11, which consists essentially of a plurality of cells 12 arranged in layers, each cell 12 being surrounded by a heat sink 13 at its upper side and at its lower side.
  • Each cell 12 lies as a con- capacitor, in particular as a double-layer capacitor and / or hybrid capacitor.
  • the area between adjacent heat sinks 13 is filled with a phase change material ⁇ ge 14.
  • Not shown in FIG. 8 are electrical connections with which a plurality of cells 12 are interconnected.
  • the cells 12 may be connected in series or in parallel so that a specific voltage or current can be provided by the capacitor module 11.
  • When charging or discharging the cells 12 heat is released, which is at least partially taken from the phase change material 14 ⁇ .
  • the phase change material 14 undergoes a phase change, for example, from solid to liquid.
  • the heat emitted by the cells 12 is stored as latent heat in the phase change material 14, so that the cells
  • phase change mate rial ⁇ 14 prevents unwanted and harmful temperature increase above an acceptable temperature limit.
  • the thermi ⁇ specific behavior can be adjusted depending on the respective requirements 14 by choosing an appropriate phase change material, and by the choice of the size of the areas between the cells 12 and the phase change material 14 as well as by the geometry and the thickness of the phase change material.
  • Fig. 9 shows a second embodiment of a Kondensa ⁇ Call Module 15 used in the cylindrical cells 16.
  • the cells 16 are each wrapped with a phase Wech Selma ⁇ TERIAL 17, which is tubular or a hollow cylinder.
  • the cells 16 are positioned in a housing ⁇ taken 18th Since in the housing 18 between the phase change mate ⁇ rial 17 and the inside of the housing existing 18 spaces the are may additionally be a further means for controlling the temperature of the cells 16 are provided as needed, for example, a cooling medium such as gas or a liquid.
  • Fig. 10 shows a third embodiment of a Kondensa ⁇ Call Module 19, in which a cell 20 is completely surrounded by a phase change material 21.
  • the cell 20 has a rectangular cross-section, on one side there are electrical connections 22, 23.
  • the cell 20 may consist of double-layer capacitors or hybrid capacitors.
  • FIG. 11 shows a further exemplary embodiment of a capacitor module 24 in which cells 25, 26 are arranged on both sides of a plate-shaped heat sink 27. On opposite sides of the cells 25, 26 Abieiter 28, 29 are provided for supplying power. The free space formed between the Abieitern 28, 29 on one side of the cells 25, 26 each with a phase change material 30, 31 is filled. In this embodiment, when using the Phasennacmateri- than 30, 31 no larger space is needed.
  • a plurality of cells 33 are provided, which are connected to a common busbar 34.
  • the busbar 34 is separated from a heat sink 36 for water cooling.
  • the heat sink 36 has channels 37 through which water or other cooling fluid flows to dissipate heat released by the cells 33.
  • the heat sink 36 also includes recesses 38 which are filled with a phase change material 39. Since the heat given off by the cells 33 is stored as latent heat in the phase change material 39, the cooling performance of the heat sink 36 is significantly increased.
  • a further embodiment of a condensate ⁇ sator module 40 is shown, in which is disposed a plurality of cells 41 in a housing 42.
  • the free spaces between the cells, which are arranged in layers at a distance from each other, are each filled with phase change material 43.
  • the phase change material thus fills both spaces as also edge regions between the cells 41 and the inside of the housing 42 from.
  • phase change material 46 designed as a Fo ⁇ lie envelope on.

Abstract

Aufladbarer Energiespeicher, welcher entweder als elektrochemischer Energiespeicher, mit einem Gehäuse, in dem eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet, aufgenommen sind, ausgebildet ist, oder als Kondensatormodul, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Zellen von Doppelschicht-Kondensatoren und/oder Hybridkondensatoren, ausgebildet ist, wobei, wenn der aufladbare Energiespeicher als elektrochemischer Energiespeicher (1) ausgebildet ist, zur Temperierung des Energiespeichers (1) in dem Gehäuse (2) ein Phasenwechselmaterial (8) angeordnet ist, das zumindest einen Teil der von dem Energiespeicher (1) beim Laden oder Entladen abgegebenen Wärme absorbiert, oder, wenn der aufladbare Energiespeicher als Kondensatormodul (11, 15, 19, 24, 32, 40, 44) ausgebildet ist, zur Temperierung der Zellen (12, 16, 20, 25, 26, 33, 41) ein mit den Zellen (12, 16, 20, 25, 26, 33, 41) in Kontakt stehendes Phasenwechselmaterial (14, 17, 21, 30, 31, 39, 43, 46) aufweist, das zumindest einen Teil der von den Zellen (12, 16, 20, 25, 26, 33, 41) abgegebenen Wärme absorbiert.

Description

Beschreibung
Aufladbarer Energiespeicher Die Erfindung betrifft einen aufladbaren Energiespeicher, welcher entweder als elektrochemischer Energiespeicher, mit einem Gehäuse, in dem eine positive Elektrode und eine nega¬ tive Elektrode, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet, aufgenommen sind, ausgebildet ist, oder als Kondensatormodul, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Zellen von Doppelschicht-Kondensatoren und/oder Hybridkondensatoren, ausgebildet ist.
Aufladbare Energiespeicher sind in einer Vielzahl unter- schiedlicher Ausführungsformen bekannt und können beispielsweise als elektrochemischer Energiespeicher, mit einem Gehäuse, in dem eine positive Elektrode und eine negative Elektro¬ de, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet, aufgenommen sind, oder als Kondensatormodul, mit einer Mehrzahl von mit- einander verschalteten Zellen von Doppelschicht-Kondensatoren und/oder Hybridkondensatoren, ausgebildet sein.
Die nachfolgenden Ausführungen betreffen einen als elektrochemischen Energiespeicher ausgebildeten aufladbaren Energie- Speicher.
Beim Laden und Entladen elektrochemischer Energiespeicher, insbesondere bei Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wird Wärme freigesetzt, wobei die abgege- bene Wärmeleistung von der elektrischen Belastung abhängt.
Die Lebensdauer derartiger elektrochemischer Speicher ist stark temperaturabhängig, beim Laden und Entladen darf eine bestimmte Temperaturgrenze nicht überschritten werden, da die Lebensdauer des elektrochemischen Energiespeichers ansonsten bereits bei geringer Überschreitung stark abnimmt. Eine Temperaturerhöhung um 10 K kann zu einer Verringerung der Lebensdauer auf die Hälfte führen. Es wird daher angestrebt, die Temperatur der elektrochemischen Energiespeicher möglichst niedrig zu halten. Bei den meisten Anwendungen sind mehrere elektrochemische Energiespeicher zu einem Modul mit¬ einander verschaltet. Die Alterung und Degradation einzelner Energiespeicher hängt von den lokalen Bedingungen, zum Beispiel der Temperatur, ab, ebenso wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit des Alterungsprozesses lokal von Energiespei¬ cher zu Energiespeicher unterschiedlich sein kann. Wenn innerhalb eines Energiespeichermoduls ein einziger Energiespei- eher besonders stark degradiert ist, kann dies zu einer uner¬ wünschten Verringerung der Leistung und Kapazität des gesamten Energiespeichermoduls führen.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurden bereits Vorschläge zur Temperierung von elektrochemischen Energiespeichern gemacht. Typischerweise ist dabei eine aktive Kühleinrichtung vorgesehen, um mit einem Gas oder einer Flüssigkeit als Kühlmittel die beim Laden oder Entladen entstehende Wärme abzu¬ führen. Derartige Kühleinrichtungen sind jedoch aufwändig, benötigen eine eigene Energieversorgung und vergrößern in nachteiliger Weise den Platzbedarf. Für viele Anwendungen sind sie daher nicht besonders praxistauglich. Alternativ sind auch passive Kühleinrichtungen bekannt, bei denen die abgegebene Wärme über Kühlkörper oder Kühlflächen abgeführt wird. Durch derartige passive Maßnahmen kann allerdings nur ein begrenzter Wärmestrom abgeführt werden, bei hohen elektrischen Leistungen, die zum Beispiel bei der Schnellladung von elektrochemischen Energiespeichern auftreten, kann die entstehende Verlustwärme nicht lediglich durch passive Kühl- einrichtungen abgeführt werden, sodass eine Überschreitung der Temperaturgrenzen droht.
In der US 2003/0054230 AI wird ein Batteriesystem mit einem System zur Temperaturkontrolle beschrieben. Das Batteriesys- tem besteht aus einer Vielzahl von Einzelzellen, die in einem Gehäuse aufgenommen und miteinander verschaltet sind. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Zellen im Inneren des Gehäuses sind mit einem Phasenwechselmaterial ausgefüllt, das zumindest einen Teil der von den einzelnen Zellen abgegebenen Wärme absorbiert. Auf diese Weise sollen Temperaturunter¬ schiede zwischen einzelnen Zellen verringert werden, sodass der Alterungsprozess gleichmäßiger verläuft.
Aus der DE 103 58 582 AI ist eine Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport mit mehreren, in einem Gehäuse angeordneten, Batteriezellen bekannt. Die Batteriezellen umfassen eine Puppe, die von einem Zellmantel 11 umgeben ist und mit diesem in vorgebbarer Weise in Verbindung steht. Dabei bilden die Puppe und der Zellmantel Mittel zur Wärmeableitung.
Die nachfolgenden Ausführungen betreffen einen als Kondensatormodul ausgebildeten aufladbaren Energiespeicher.
Doppelschicht-Kondensatoren (DLC-Kondensatoren) , die auch als elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC) oder Su- perkondensatoren bezeichnet werden, sind Kondensatoren mit besonders hoher Energiedichte, die Energie wird dabei elek- trostatisch gespeichert. Diese Kondensatoren zeichnen sich durch eine hohe gewichtsbezogene Leistung aus und können als Energiespeicher eingesetzt werden, wenn kurzzeitig ein hoher Strom benötigt oder abgegeben wird. Wenn das aus einer Vielzahl von Zellen bestehende Kondensatormodul geladen oder ent- laden wird, wird innerhalb der einzelnen Zellen Wärme freige¬ setzt, wobei die Wärmeleistung von der elektrischen Beanspruchung abhängt .
Die zellenartige Verschaltung mehrerer Doppelschicht-Konden- satoren und/oder Hybridkondensatoren, wobei die einzelnen
Doppelschicht-Kondensatoren und/oder Hybridkondensatoren als einzelne Zellen betrachtet werden können, führt ähnlich wie die Verschaltung mehrerer Batteriezellen einer Batterie zu einer höheren Energiedichte eines als Kondensatormodul gebil- deten Energiespeichers.
Unter Hybridkondensatoren sind üblicherweise Kondensatoren mit aus unterschiedlichen Materialien gebildeten und/oder aufgebauten Elektroden (sogenannten Kompositelektroden) zu verstehen .
Die Lebensdauer der Zellen der Doppelschicht-Kondensatoren oder Hybridkondensatoren, die das Kondensatormodul bilden, ist stark temperaturabhängig. Eine bestimmte Temperaturgrenze, die beispielsweise 80 °C betragen kann, darf nicht über¬ schritten werden, da ansonsten die Lebensdauer bereits bei geringer Überschreitung stark abnimmt. Es wird daher ange- strebt, die Temperatur innerhalb der Zellen möglichst niedrig zu halten. Die Alterung und Degradation einzelner Zellen hängt von den lokalen Bedingungen, zum Beispiel der Temperatur, ab, ebenso ist die Geschwindigkeit des Alterungsprozes¬ ses lokal von Zelle zu Zelle unterschiedlich. Bereits inner- halb einer Zelle können Temperaturunterschiede von mehreren
Kelvin auftreten, höhere Temperaturunterschiede können inner¬ halb eines Kondensatormoduls entstehen. Es ist daher schwie¬ rig, die geforderten Temperaturgrenzen für einzelne Zellen eines Kondensatormoduls einzuhalten.
Herkömmliche Mittel zur Temperierung der Zellen können vorsehen, dass ein Kühlmittel, beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit, das Kondensatormodul von außen umströmt, weiter¬ hin könnte ein Mittel zur Temperierung der Zellen Kühlkörper aufweisen. Problematisch ist dabei jedoch, dass mit herkömmlichen Kühlmethoden nicht die geforderte gleichmäßige Tempe¬ rierung der Zellen erreicht werden kann, da die Temperaturverteilung stark von der Position und den Einbaubedingungen der Zellen in dem Kondensatormodul abhängt.
Aus der US 2007/0218353 AI ist ein Energiespeicher in Form eines Kondensatormoduls mit mehreren zellenartig verschalte¬ ten Kondensatoren und einem Mittel zur Temperierung der Kondensatoren bekannt. Die Kondensatoren liegen hier als Doppel- Schichtkondensatoren vor.
Mithin werden bei aufladbaren Energiespeichern grundsätzlich große Anforderungen an die Kühlung gestellt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen aufladbaren Energiespeicher mit einer verbesserten Kühlung anzugeben, bei dem insbesondere die Gefahr einer temperaturbedingten Degra- dation verringert ist bzw. mit dem die Einhaltung der Tempe¬ raturgrenze erleichtert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem aufladbaren Energiespeicher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgese- hen, dass , wenn der aufladbare Energiespeicher als elektro¬ chemischer Energiespeicher ausgebildet ist, zur Temperierung des Energiespeichers in dem Gehäuse ein Phasenwechselmaterial angeordnet ist, das zumindest einen Teil der von dem Energie¬ speicher beim Laden oder Entladen abgegebenen Wärme absor- biert, oder, wenn der aufladbare Energiespeicher als Kondensatormodul ausgebildet ist, zur Temperierung der Zellen ein mit den Zellen in Kontakt stehendes Phasenwechselmaterial aufweist, das zumindest einen Teil der von den Zellen abgege¬ benen Wärme absorbiert.
Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Phasenwechselmaterial kann temporär eine interne Kühlung eines aufladbaren Energiespeichers in Form eines elektrochemischen Energiespeichers erzielt werden. Dadurch ergibt sich eine Vergleichmäßigung der Temperaturen innerhalb des Energiespeichers, wodurch die Einhaltung der festgelegten Temperaturgrenze erleichtert wird. Insbesondere können durch die Wirkung des Phasenwech- selmaterials Temperaturspitzen verringert werden, ohne dass dazu ein hoher baulicher Aufwand erforderlich wäre. Ein wei- terer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Strom der abgeführten Wärme zeitlich geglättet wird, sodass der dafür erforderliche apparative und energetische Aufwand sinkt. Der erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicher eignet sich besonders gut für solche Anwendungen, bei denen während eines kurzen Zeitraums hohe Leistungen vorhanden sind. Durch das Phasenwechselmaterial, das die von dem elektrochemischen Energiespeicher abgegebene Wärme zumindest teilweise absor¬ biert, kann der Energiespeicher bei derartigen Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen eingesetzt werden. Da durch das vorgesehene Phasenwechselmaterial die thermische Trägheit des elektrochemischen Energiespeichers erhöht wird, wird die Gefahr eines thermischen Durchgehens (thermal runaway) ver- ringert.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Phasen¬ wechselmaterial nicht nur in einem aus mehreren Energiespei¬ chern bestehenden Energiespeichermodul in dessen Freiräumen eingesetzt werden kann. Stattdessen ist erfindungsgemäß vor¬ gesehen, dass jeder einzelne elektrochemische Energiespeicher eines Energiespeichermoduls das Phasenwechselmaterial in sei¬ nem Inneren aufweisen kann. In vorteilhafter Weise werden Temperaturgradienten innerhalb des Energiespeichers verrin- gert, wodurch sich die Lebensdauer des Energiespeichers ver¬ längert .
Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Phasenwechselmaterial kann zudem temporär eine interne Kühlung einzelner Zellen des erfindungsgemäßen aufladbaren Energiespeichers in Form eines Kondensatormoduls erzielt werden. Dadurch ergibt sich eine Vergleichmäßigung der Temperaturen innerhalb einer Zelle und den Zellen eines Kondensatormoduls, wodurch die Einhaltung der festgelegten Temperaturgrenze erleichtert wird. Insbeson- dere können durch die Wirkung des Phasenwechselmaterials Tem¬ peraturspitzen verringert werden, ohne dass dazu ein hoher baulicher Aufwand erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Strom der abgeführten Wärme zeitlich geglättet wird, sodass der dafür erforderliche apparative und energetische Aufwand sinkt. Das erfindungsgemäße Kondensator¬ modul eignet sich besonders gut für solche Anwendungen, bei denen die Zellen während eines kurzen Zeitraums durch hohe Leistungen beaufschlagt werden. Durch das Phasenwechselmate¬ rial, das die von den Zellen abgegebene Wärme absorbiert, kann das Kondensatormodul bei derartigen Anwendungen mit ho¬ hen Leistungsanforderungen eingesetzt werden. Da durch das vorgesehene Phasenwechselmaterial die thermische Trägheit des Kondensatormoduls erhöht wird, wird die Gefahr eines thermischen Durchgehens (thermal runaway) verringert. Die nachfolgenden Ausführungen betreffen die erfindungsgemäße Ausführungsform eines als elektrochemischen Energiespeicher ausgebildeten aufladbaren Energiespeichers.
Bei dem erfindungsgemäßen aufladbaren elektrochemischen Ener- giespeicher kann es vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmaterial mikroverkapselt ist. Durch die Mikroverkapselung wird sichergestellt, dass das Phasenwechselmaterial keine chemischen Reaktionen mit anderen Bestandteilen des elektrochemischen Energiespeichers eingeht, gleichzeitig wird das Phasenwechselmaterial durch die Mikroverkapselung geschützt, sodass es seine Funktion dauerhaft erfüllen kann.
Bei dem erfindungsgemäßen aufladbaren elektrochemischen Energiespeicher wird es besonders bevorzugt, dass die Größe der Mikrokapseln des Phasenwechselmaterials zumindest näherungs¬ weise mit der Porengröße des Aktivmaterials der positiven oder der negativen Elektrode übereinstimmt. Das Phasenwechselmaterial kann dabei in das Aktivmaterial integriert sein. Somit kann das Phasenwechselmaterial exakt an der Stelle platziert werden, an der die Wärme entsteht.
Eine Variante des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers sieht vor, dass der Energiespeicher gewickelt ist. Bei dieser Anordnung wechseln sich Schichten des Aktiv- materials der positiven Elektrode und des Aktivmaterials der negativen Elektrode ab, zwischen denen sich ein Elektrolyt und ein Separator befindet. Bei einem gewickelten elektrochemischen Energiespeicher kann das Phasenwechselmaterial in Freiräumen im Gehäuse und/oder im Aktivmaterial angeordnet bzw. eingebettet sein. Es ist besonders vorteilhaft, dass sich die Außenabmessungen des aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers trotz des verwendeten Phasenwechselmaterials nicht verändern. Eine Variante des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers sieht vor, dass das Phasenwechselmaterial im Zentrum der Wicklung angeordnet ist. Bei herkömmlichen gewi- ekelten elektrochemischen Energiespeichern befindet sich im Zentrum der Wicklung durch einen Wickeldorn ein Hohlraum. Erfindungsgemäß kann dieser Hohlraum mit Phasenwechselmaterial ausgefüllt sein, um ein gleichmäßigeres Temperaturprofil in dem elektrochemischen Energiespeicher zu erzeugen.
Alternativ oder zusätzlich kann es bei dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeicher vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmaterial an einer oder beiden Stirnseiten der Wicklung angeordnet ist, vorzugsweise zwischen einer Elektro- de und einem Separator. An dieser Stelle befindet sich bei herkömmlichen elektrochemischen Energiespeichern ein Hohlraum, der erfindungsgemäß mit dem Phasenwechselmaterial aus¬ gefüllt sein kann. Das Phasenwechselmaterial kann an einer Stirnseite oder an beiden, gegenüberliegenden Stirnseiten des elektrochemischen Energiespeichers angeordnet sein. Neben ei¬ ner besseren Temperaturverteilung ergibt sich der Vorteil, dass der elektrochemische Energiespeicher durch das enthalte¬ ne Phasenwechselmaterial mechanisch stabiler ist. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Phasenwechselmaterial bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher zusätzlich oder alternativ zwischen der Innenseite des Gehäuses und der Wicklung angeordnet sein. Dieser rohrförmige Randbereich des elektrochemischen Energiespeichers ist bei herkömmlichen Energiespeichern hohl ausgebildet, erfindungsgemäß befindet sich dort das Phasenwechselmaterial, das von dem Energiespei¬ cher abgegebene Wärme ganz oder teilweise absorbiert.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen aufladbaren elektro- chemischen Energiespeichers sieht vor, dass das Phasenwech¬ selmaterial zusätzlich an der Außenseite einer keine Aktiv¬ schicht aufweisenden Elektrode angeordnet ist. An dieser Stelle kann das Phasenwechselmaterial an der Außenseite der Wicklung angeordnet sein und den Separator zwischen den beiden Elektroden, die keine Aktivschichten tragen, ersetzen. Das Phasenwechselmaterial kann an dieser Stelle eingesetzt werden, sofern die Elektroden keine beidseitig beschichteten Abieiter aufweisen.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass das Phasenwechselmaterial bei dem erfindungsgemäßen aufladbaren elektrochemischen Energiespeicher zwischen der Innenseite eines Gehäu- sedeckels und der Wicklung und/oder der Innenseite eines Ge¬ häusebodens und der Wicklung angeordnet ist. An dieser Stelle befinden sich bei herkömmlichen elektrochemischen Energiespeichern Hohlräume, die erfindungsgemäß mit Phasenwechselma¬ terial gefüllt sein können.
Um die Menge des in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeicher aufgenommenen Phasenwechselmaterials zu erhö¬ hen, kann es vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmaterial zwischen der Innenseite eines Gehäusedeckels und einem an der Stirnseite der Wicklung angeordneten Isolationsring angeordnet ist. Dieser im Wesentlichen scheibenförmige Hohlraum, der sich an der Oberseite des elektrochemischen Energiespeichers befindet, an der die Anschlüsse vorgesehen sind, ist norma¬ lerweise ebenfalls hohl, erfindungsgemäß kann auch dort Pha- senwechselmaterial angeordnet sein. Der aufladbare elektro¬ chemische Energiespeicher eignet sich in besonders guter Wei¬ se zur Sicherstellung eines gleichmäßigen Temperaturprofils, wenn er als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet ist. Bei derartigen Akkumulatoren ist die Einhaltung von Temperatur- grenzen besonders wichtig, da ansonsten eine schnelle Degra¬ dation zu befürchten ist, die mit einem Leistungs- oder Kapa¬ zitätsverlust und einer verringerten Lebensdauer einhergeht.
Bei dem aufladbaren elektrochemischen Energiespeicher kann das Aktivmaterial der negativen Elektrode Graphit umfassen, in dem das Phasenwechselmaterial aufgenommen ist. Durch die Mikroverkapselung des Phasenwechselmaterials kann dieses di¬ rekt in das Aktivmaterial eingebracht sein. Bei dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeicher kommen die folgenden Phasenwechselmaterialien in Frage: Paraffine, Salzhydrate, Gashydrate. Es ist auch möglich, mehre- re unterschiedliche Phasenwechselmaterialien miteinander zu kombinieren, um ein bestimmtes Wärmeabsorptionsverhalten zu erzeugen .
Es wird besonders darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Möglichkeiten der Anordnung des Phasenwechselmaterials auch in Kombination vorliegen können.
Die nachfolgenden Ausführungen betreffen die erfindungsgemäße Ausführungsform eines als Kondensatormodul ausgebildeten auf- ladbaren Energiespeichers.
Bei dem erfindungsgemäßen Kondensatormodul kann es vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmaterial in den Zwischenräumen zwischen den Zellen angeordnet ist. Wenn die Freiräume zwi- sehen den Zellen mit dem Phasenwechselmaterial ausgefüllt sind, werden gegebenenfalls vorhandene Temperaturdifferenzen ausgeglichen. Dies gilt sowohl für Temperaturdifferenzen innerhalb einer Zelle als auch zwischen verschiedenen Zellen eines Kondensatormoduls.
Alternativ oder zusätzlich kann es bei dem erfindungsgemäßen Kondensatormodul vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmate¬ rial um die Zellen herum angeordnet ist. Dies bietet sich beispielsweise an, wenn die Zellen eine zylindrische Form aufweisen.
Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass das Pha¬ senwechselmaterial bei dem erfindungsgemäßen Kondensatormodul an einem Abieiter zur Stromzuführung einer Zelle angeordnet ist. Das Phasenwechselmaterial kann an einem oder an beiden
Abieitern der Zelle angeordnet sein, es ist auch möglich, das Phasenwechselmaterial zwischen zwei Abieitern anzuordnen. Anstelle von Abieitern zur Stromzuführung kann auch eine ge- meinsame Sammelschiene für mehrere Zellen vorgesehen sein, an der das Phasenwechselmaterial angeordnet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmaterial an einem Kühlkörper, insbesondere auf einer Fläche des Kühlkörpers oder in einer Ausnehmung oder in einem Hohlraum des Kühlkörpers angeordnet ist. Diese verschiedenen Varianten können selbstverständlich auch miteinander kombiniert werden. Durch das Phasenwechsel- material kann die Kühlleistung des Kühlkörpers verbessert werden, sodass sich ein günstigeres Temperaturprofil ein¬ stellt .
Es wird besonders bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Kon- densatormodul in einem Gehäuse aufgenommen ist und das Pha¬ senwechselmaterial in einem Freiraum und/oder in einem Randbereich des Gehäuses angeordnet ist. Diese Freiräume inner¬ halb des Gehäuses können besonders einfach mit dem Phasen¬ wechselmaterial gefüllt werden.
Es ist auch möglich, dass das Phasenwechselmaterial als elektrisches Isolationsmaterial im Bereich eines Abieiters zur Stromzuführung angeordnet ist. Das Phasenwechselmaterial kann auf diese Weise eine ansonsten erforderliche zusätzliche elektrische Isolierung ersetzen. Ebenso kann das Phasenwechselmaterial zwischen Zellen und einem Kühlkörper angeordnet sein, um auf diese Weise die erforderliche elektrische Isola¬ tion zwischen den Zellen und dem Kühlkörper sicherzustellen. Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Kondensatormoduls sieht vor, dass das Phasenwechselmaterial in einer Umhüllung aufgenommen ist. Vorzugsweise kann die Umhüllung als Folie ausgebildet sein, durch die ebenfalls eine elektrisch isolie¬ rende Wirkung erzeugt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Kondensatormodul kommen die folgenden Phasenwechselmaterialien in Frage: Paraffine, Gashydrate, Salzhydrate. Es ist auch möglich, mehrere unterschiedliche Phasenwechselmaterialien miteinander zu kombinieren, um ein bestimmtes Wärmeabsorptionsverhalten zu erzeugen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht; ein zweites Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht; ein drittes Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht; ein viertes Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht; ein fünftes Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht; Fig. 6 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht;
Fig. 7 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht; Fig. 8 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge¬ mäßen Kondensatormoduls;
Fig. 9 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsge- mäßen Kondensatormoduls;
Fig. 10 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge¬ mäßen Kondensatormoduls; Fig. 11 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge¬ mäßen Kondensatormoduls;
Fig. 12 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge¬ mäßen Kondensatormoduls;
Fig. 13 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungs¬ gemäßen Kondensatormoduls; und
Fig. 14 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge- mäßen Kondensatormoduls.
Der in Fig. 1 gezeigte aufladbare elektrochemische Energie¬ speicher 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine positive Elekt- rode 3 und eine negative Elektrode 4, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet, angeordnet sind. Die negative Elektrode 4 besitzt ein aktives Material, das aus Graphit besteht. Das aktive Material der positiven Elektrode 3 besteht aus einer Lithiumverbindung, als Elektrolyt kommt ein Salz oder ein Po- lymer in Frage. Zwischen der positiven Elektrode 3 und der negativen Elektrode 4 befindet sich ein Separator. Derartige Energiespeicher sind an sich bekannt, sodass auf die Aufzählung weiterer Details an dieser Stelle verzichtet werden kann .
Die positive Elektrode 3 und die negative Elektrode 4 sind bei dem Energiespeicher 1 schichtenweise aufgebaut und um das Zentrum des Gehäuses 2 gewickelt. Das Gehäuse 2 umfasst einen Gehäuseboden 5 und einen Gehäusedeckel 6, in dem sich ein Isolationsring 7 befindet.
Im Zentrum der Wicklung des Energiespeichers 1 ist ein Pha- senwechselmaterial 8 angeordnet. Beim Laden oder Entladen des Energiespeichers 1 wird Wärme freigesetzt, die zumindest teilweise von dem Phasenwechselmaterial 8 aufgenommen wird. Das Phasenwechselmaterial erfährt dabei einen Phasenwechsel, beispielsweise von fest zu flüssig. Die von den Elektroden 3, 4 abgegebene Wärme wird dabei als latente Wärme in dem Pha¬ senwechselmaterial 8 gespeichert, sodass die positive Elekt¬ rode 3 und die negative Elektrode 4 und damit der Energie¬ speicher 1 weniger stark erwärmt werden. Insbesondere wenn Energie mit hoher Leistung abgegeben oder aufgenommen wird, verhindert das Phasenwechselmaterial 8 eine unerwünschte und schädliche Temperaturerhöhung und eine Überschreitung eines zulässigen Temperaturgrenzwerts. Das thermische Verhalten kann durch die Wahl eines passenden Phasenwechselmaterials in Abhängigkeit der jeweiligen Anforderungen eingestellt werden. Das Phasenwechselmaterial liegt in mikroverkapselter Form vor, wobei die Größe der Mikrokapseln an die Porengröße des Aktivmaterials der negativen oder positiven Elektrode ange- passt ist. Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Energie¬ speichers 1, bei dem für übereinstimmende Bestandteile die¬ selben Bezugszeichen wie in dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel verwendet werden. Anders als bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist das Phasenwechselmaterial 8 an den unteren und oberen Stirnseiten der Wicklung angeordnet. An dieser Stelle weist die Wicklung 9 im Querschnitt einen mäan¬ derartigen Verlauf auf, sodass die Freiräume zwischen den auf unterschiedlicher Höhe endenden Aktivschichten mit dem Phasenwechselmaterial 8 gefüllt werden können.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Energie¬ speichers 1, bei dem sich das Phasenwechselmaterial 8 an der Innenseite des Gehäuses 2 an dessen Längsseiten befindet. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 1, bei dem das Phasenwechselmaterial 8 zwischen der Unterseite der Wicklung 9 und der Innenseite des Gehäusebodens 5 ange- ordnet ist.
In ähnlicher Weise zeigt Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Phasenwechselmaterial 8 zwischen der Innenseite des Gehäusedeckels 6 und der Oberseite der Wicklung 9 angeordnet ist.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Energiespeichers 1 ist das Phasenwechselmaterial 8 an der In¬ nenseite des Gehäusedeckels 6 oberhalb eines an der Stirnsei- te der Wicklung 9 angeordneten Isolationsrings 10 angeordnet.
Das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ähnlich wie das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel aufgebaut, bei dem das Phasenwechselmaterial 8 an der Innenseite des Gehäu- ses 2 in den mit der Wicklung 9 gebildeten Freiraum eingebracht ist. Zusätzlich ist das Phasenwechselmaterial 8 an der Außenseite einer keine Aktivschicht aufweisenden Elektrode angeordnet, wie in Fig. 7 gezeigt ist, wodurch sich das Volu¬ men des Phasenwechselmaterials vergrößert.
In den Fig. 1 bis 7 sind verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt, die sich im Wesentlichen durch die Positionie¬ rung des Phasenwechselmaterials unterscheiden. Es wird darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Ausführungsbeispiele mit- einander kombiniert werden können, indem mehrere oder alle im Inneren des Gehäuses vorhandene Freiräume mit Phasenwechsel¬ material gefüllt sind.
Fig. 8 zeigt in einer geschnittenen Darstellung einen Aus- schnitt eines Kondensatormoduls 11, das im Wesentlichen aus mehreren schichtweise angeordneten Zellen 12 besteht, wobei jede Zelle 12 an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite von einem Kühlkörper 13 umgeben ist. Jede Zelle 12 liegt als Kon- densator, insbesondere als Doppelschicht-Kondensator und/oder Hybridkondensator vor. Der Bereich zwischen benachbarten Kühlkörpern 13 ist mit einem Phasenwechselmaterial 14 ge¬ füllt. Nicht dargestellt sind in Fig. 8 elektrische Anschlüs- se, mit denen mehrere Zellen 12 miteinander verschaltet sind. Die Zellen 12 können in Reihe oder parallel geschaltet sein, damit durch das Kondensatormodul 11 eine bestimmte Spannung oder ein bestimmter Strom zur Verfügung gestellt werden kann. Beim Laden oder Entladen der Zellen 12 wird Wärme abgegeben, die zumindest teilweise von dem Phasenwechselmaterial 14 auf¬ genommen wird. Das Phasenwechselmaterial 14 erfährt dabei einen Phasenwechsel, beispielsweise von fest zu flüssig. Die von den Zellen 12 abgegebene Wärme wird als latente Wärme in dem Phasenwechselmaterial 14 gespeichert, sodass die Zellen
12 selbst weniger stark erwärmt werden. Insbesondere wenn von den Zellen 12 elektrische Energie mit hoher Leistung abgege¬ ben oder aufgenommen wird, verhindert das Phasenwechselmate¬ rial 14 eine unerwünschte und schädliche Temperaturerhöhung oberhalb eines zulässigen Temperaturgrenzwerts. Das thermi¬ sche Verhalten kann durch die Wahl eines passenden Phasen- wechselmaterials sowie durch die Wahl der Größe der Flächen zwischen den Zellen 12 und dem Phasenwechselmaterial 14 sowie durch die Geometrie und die Dicke des Phasenwechselmaterials 14 in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen eingestellt werden.
Fig. 9 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kondensa¬ tormoduls 15, bei dem zylinderförmige Zellen 16 verwendet werden. Die Zellen 16 sind jeweils mit einem Phasenwechselma¬ terial 17 umhüllt, das rohrförmig bzw. als Hohlzylinder ausgebildet ist. Die Zellen 16 sind in einem Gehäuse 18 aufge¬ nommen. Da in dem Gehäuse 18 zwischen dem Phasenwechselmate¬ rial 17 und der Innenseite des Gehäuses 18 Freiräume vorhan- den sind, kann bei Bedarf zusätzlich ein weiteres Mittel zur Temperierung der Zellen 16 vorgesehen sein, beispielsweise ein Kühlmedium wie Gas oder eine Flüssigkeit. Fig. 10 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kondensa¬ tormoduls 19, bei dem eine Zelle 20 vollständig von einem Phasenwechselmaterial 21 umgeben ist. Die Zelle 20 weist einen rechteckigen Querschnitt auf, an einer Seite befinden sich elektrische Anschlüsse 22, 23. Die Zelle 20 kann aus Doppelschicht-Kondensatoren oder Hybridkondensatoren bestehen .
Fig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Konden- satormoduls 24, bei dem Zellen 25, 26 an beiden Seiten eines plattenförmigen Kühlkörpers 27 angeordnet sind. An gegenüberliegenden Seiten der Zellen 25, 26 sind Abieiter 28, 29 zur Stromzuführung vorgesehen. Der zwischen den Abieitern 28, 29 auf einer Seite der Zellen 25, 26 gebildete Freiraum ist je- weils mit einem Phasenwechselmaterial 30, 31 gefüllt. Bei dieser Ausführung wird beim Einsatz des Phasenwechselmateri- als 30, 31 kein größerer Bauraum benötigt.
Bei dem in Fig. 12 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Kondensatormoduls 32 sind mehrere Zellen 33 vorgesehen, die an eine gemeinsame Sammelschiene 34 angeschlossen sind. Durch einen Isolierstoff 35 ist die Sammelschiene 34 von einem Kühlkörper 36 für eine Wasserkühlung getrennt. Der Kühlkörper 36 weist Kanäle 37 auf, durch die Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit strömt, um von den Zellen 33 abgegebene Wärme abzuführen. Der Kühlkörper 36 umfasst darüber hinaus Ausnehmungen 38, die mit einem Phasenwechselmaterial 39 gefüllt sind. Da die von den Zellen 33 abgegebene Wärme als latente Wärme in dem Phasenwechselmaterial 39 gespeichert wird, wird die Kühlleistung des Kühlkörpers 36 signifikant erhöht.
In Fig. 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Konden¬ satormoduls 40 dargestellt, bei dem eine Mehrzahl von Zellen 41 in einem Gehäuse 42 angeordnet ist. Die Freiräume zwischen den schichtweise mit Abstand zueinander angeordneten Zellen sind jeweils mit Phasenwechselmaterial 43 ausgefüllt. Das Phasenwechselmaterial füllt somit sowohl Zwischenräume als auch Randbereiche zwischen den Zellen 41 und der Innenseite des Gehäuses 42 aus.
Bei dem in Fig. 14 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Kon- densatormoduls 44 sind Zellen 43 über eine Sammelschiene 34 miteinander verbunden. Zwischen der Sammelschiene 34 und einem Kühlkörper 45 mit Wasserkühlung befindet sich Phasenwech- selmaterial 46. Um die erforderliche elektrische Isolation zwischen der Sammelschiene 34 und dem Kühlkörper 45 zu ge- währleisten, weist das Phasenwechselmaterial 46 eine als Fo¬ lie ausgebildete Umhüllung auf.

Claims

Patentansprüche
1. Aufladbarer Energiespeicher, welcher entweder als elektrochemischer Energiespeicher, mit einem Gehäuse, in dem eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, zwischen de¬ nen sich ein Elektrolyt befindet, aufgenommen sind, ausgebil¬ det ist, oder als Kondensatormodul, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Zellen von Doppelschicht-Kondensatoren und/oder Hybridkondensatoren, ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenn der aufladbare Energiespeicher als elektrochemischer Energiespeicher (1) ausgebildet ist, zur Temperierung des Energiespeichers (1) in dem Gehäuse (2) ein Phasenwechselmaterial (8) angeordnet ist, das zumindest einen Teil der von dem Energiespeicher (1) beim Laden oder Entladen abgegebenen Wärme absorbiert, oder, wenn der aufladbare Ener¬ giespeicher als Kondensatormodul (11, 15, 19, 24, 32, 40, 44) ausgebildet ist, zur Temperierung der Zellen (12, 16, 20, 25, 26, 33, 41) ein mit den Zellen (12, 16, 20, 25, 26, 33, 41) in Kontakt stehendes Phasenwechselmaterial (14, 17, 21, 30, 31, 39, 43, 46) aufweist, das zumindest einen Teil der von den Zellen (12, 16, 20, 25, 26, 33, 41) abgegebenen Wärme absorbiert .
2. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 1, welcher als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (8) mikrover- kapselt ist.
3. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 2, welcher als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Mikrokapseln des Phasen- wechselmaterials (8) zumindest näherungsweise mit der Poren¬ größe des Aktivmaterials der positiven oder der negativen Elektrode (3, 4) übereinstimmt.
4. Aufladbarer Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher als elektrochemischer Energiespeicher aus- gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespei¬ cher (1) gewickelt ist.
5. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 4, welcher als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (8) im Zentrum der Wicklung (9) angeordnet ist.
6. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 4 oder 5, wel- eher als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (8) an einer oder beiden Stirnseiten der Wicklung (9) angeordnet ist, vorzugsweise zwischen einer Elektrode und einem Separa¬ tor .
7. Aufladbarer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 4 bis 6, welcher als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselma¬ terial (8) zwischen der Innenseite des Gehäuses (2) und der Wicklung (9) angeordnet ist.
8. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 7, welcher als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (8) an der Außenseite einer keine Aktivschicht aufweisenden Elektrode angeordnet ist.
9. Aufladbarer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 4 bis 8, welcher als elektrochemischer Energiespeicher ausge- bildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselma¬ terial (8) zwischen der Innenseite eines Gehäusedeckels (6) und der Wicklung (9) und/oder zwischen der Innenseite eines Gehäusebodens (5) und der Wicklung (9) angeordnet ist.
10. Aufladbarer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 4 bis 9, welcher als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselma¬ terial (8) zwischen der Innenseite eines Gehäusedeckels (6) und einem an der Stirnseite der Wicklung (9) angeordneten Isolationsring (10) angeordnet ist.
11. Aufladbarer Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass er als Lithium- Ionen-Akkumulator ausgebildet ist.
12. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 11, welcher als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial der negativen Elektrode (4) Graphit umfasst, in dem das Phasenwechselmate- rial (8) aufgenommen ist.
13. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 1, welcher als Kondensatormodul ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (14, 43) in den Zwischenräumen zwischen den Zellen (12, 41) angeordnet ist.
14. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 13, welcher als Kondensatormodul ausgebildet ist, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (17, 21) um die Zel¬ len (16, 20) herum angeordnet ist.
15. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 13 oder 14, welcher als Kondensatormodul ausge¬ bildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselma¬ terial (30, 46) an einem Abieiter (28, 29) zur Stromzuführung einer Zelle (25, 26) oder an einer Sammelschiene (34) ange- ordnet ist.
16. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 13 bis 15, welcher als Kondensatormodul ausge¬ bildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselma- terial (30, 31, 39) an einem Kühlkörper (27, 36), insbesonde¬ re auf einer Fläche des Kühlkörpers (27, 36) oder in einer Ausnehmung (38) oder in einem Hohlraum des Kühlkörpers (36) angeordnet ist.
17. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 13 bis 16, welcher als Kondensatormodul ausge¬ bildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensatormodul (15, 40) in einem Gehäuse (18, 42) aufgenommen ist und das Phasenwechselmaterial (17, 43) in einem Freiraum und/oder in einem Randbereich des Gehäuses (18, 42) angeordnet ist.
18. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 13 bis 17, welcher als Kondensatormodul ausge¬ bildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselma¬ terial (30, 31) als elektrisches Isolationsmaterial im Be¬ reich eines Abieiters (28, 29) zur Stromzuführung angeordnet ist .
19. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 13 bis 18, welcher als Kondensatormodul ausge¬ bildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselma¬ terial (46) in einer Umhüllung aufgenommen ist.
20. Aufladbarer Energiespeicher nach Anspruch 19, welcher als Kondensatormodul ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung als Folie ausgebildet ist.
21. Aufladbarer Energiespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselma¬ terial (8, 14, 17, 21, 30, 31, 39, 43, 46) aus Paraffinen und/oder Gashydraten und/oder Salzhydraten besteht.
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