DE69839213T2

DE69839213T2 - Anordnung und verfahren zur thermischer verwaltung einer feststoffenergiespeichervorrichtung

Info

Publication number: DE69839213T2
Application number: DE69839213T
Authority: DE
Inventors: Roger Beloeil ROUILLARD; Michael K. South St. Paul DOMROESE; Michel La Prairie Gauthier; Joseph A. Minneapolis HOFFMAN; David D. Hudson LINDEMAN; Joseph-Robert-Gaetan St-Hubert NOEL; Vern E. Austin RADEWALD; Michel Lachine RANGER; Jean Saint-Luc ROUILLARD; Toshimi St. Bruno SHIOTA; Philippe Outremont ST-GERMAIN; Anthony Laval SUDANO; Jennifer L. Eagan TRICE; Thomas A. Fridley TURGEON
Original assignee: Hydro Quebec; 3M Innovative Properties Co
Current assignee: Hydro Quebec; 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: JP4593772B2; EP0998765B1; WO1999005746A1; WO1999005746A9; CA2297956A1; DE69839213D1; US6087036A; CA2297956C; EP0998765A1; AU8583898A; JP2001511594A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Energiespeichereinrichtungen und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln von Wärmeenergie, die in einer Hochenergie-Energiespeichereinrichtung erzeugt wird.
STAND DER TECHNIK
Die Nachfrage nach neuartigen und verbesserten elektronischen und elektromechanischen Systemen setzt die Hersteller von Energiespeichereinrichtungen einem erhöhten Druck aus, Batterietechnologien zu entwickeln, die eine hohe Energieerzeugung in einer kleinvolumigen Packung bereitstellen. Herkömmliche Batteriesysteme wie diejenigen, die z. B. Bleisäure verwenden, sind zur Verwendung in Hochleistungs-Leichtgewichtanwendungen oft ungeeignet. Andere bekannte Batterietechnologien können zur Verwendung in verbraucherseitigen Produktanwendungen auch als zu instabil oder gefährlich betrachtet werden.
Eine Anzahl an fortschrittlichen Batterietechnologien ist in der jüngeren Vergangenheit bereits entwickelt worden, wie Metallhydrid-(Ni-MH-), Lithiumionen- und Lithium polymer-Zellentechnologien, die das erforderliche Niveau der Energieerzeugung und Sicherheitstoleranzen für viele kommerzielle und verbraucherseitige Anwendungen offenbar bereitstellen. Derartige fortschrittliche Batterietechnologien weisen allerdings häufig Eigenschaften auf, die die Hersteller von fortschrittlichen Energiespeichereinrichtungen vor Herausforderungen stellen.
Zum Beispiel erzeugen derartige fortschrittliche Energiespeichersysteme in aller Regel eine beträchtliche Menge an Wärme, die, wenn sie nicht richtig abgeführt wird, zu einer thermischen Runaway-Bedingung und schließlich zur Zerstörung der Zellen sowie des von den Zellen mit Energie versorgten Systems führen kann. Die thermischen Eigenschaften einer fortschrittlichen Batteriezelle müssen daher verstanden und angemessen berücksichtigt werden, wenn ein Batteriesystem konstruiert wird, das zur Verwendung in kommerziellen und verbraucherseitigen Einrichtungen und Systemen geeignet ist. Eine konventionelle Lösung, bei der z. B. ein Wärmeübertragungsmechanismus extern an einer derartigen Zelle bereitgestellt ist, kann zum wirksamen Abführen von Wärme aus inneren Bereichen der Zelle unzureichend sein. Derartige herkömmliche Lösungen können auch zu teuer oder bei bestimmten Anwendungen zu umfangreich sein. Die Schwere der aus Kurzschlüssen und thermischen Runaway-Bedingungen resultierenden Folgen nimmt beträchtlich zu, wenn fortschrittliche elektrochemische Hochenergiezellen einbezogen sind.
Andere Merkmale fortschrittlicher Batterietechnologien stellen die Entwicklungstechniker fortschrittlicher Energiespeichereinrichtungen vor weitere Herausforderungen. Zum Beispiel unterliegen gewisse fortschrittliche Zellenstrukturen zyklischen Volumenänderungen als Folge von Schwankungen im Ladungszustand der Zelle. Das Gesamtvolumen einer derartigen Zelle kann im Lade- und Entladezyklus um nicht weniger als fünf bis sechs Prozent variieren. Durch diese sich wiederholenden Änderungen der physischen Größe einer Zelle werden der Aufbau des mechanischen Gehäuses und die Wärmeregelungsstrategie erheblich verkompliziert. Die elektrochemischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften einer fortschrittlichen Batteriezelle müssen daher verstanden und angemessen berücksichtigt werden, wenn ein Energiespeichersystem konstruiert wird, das zur Verwendung in kommerziellen und verbraucherseitigen Einrichtungen und Systemen geeignet ist.
Es besteht in der fortschrittlichen Batterie-Herstellungsindustrie ein Bedarf nach einem energieerzeugenden System, das Hochenergieleistung aufweist, und nach einem, das für eine sichere und zuverlässige Verwendung in einem breiten Bereich an Speichersystemen zur Verwendung in kommerziellen und verbraucherseitigen Einrichtungen und Systemen sorgt.
EP-A-0 310 075 betrifft eine aktivierbare elektrochemische Batterie, in welcher Mittel zum Beseitigen von Kriechströmen und Mittel zum Steuern der Temperaturerhöhung während der Entladung bereitgestellt sind. Jedes elektrochemische Element ist in einem feldisolierenden Gehäuse untergebracht, das durch einen Boden, eine Abdeckung und einen seine Seitenwände bildenden Abstandhalter gebildet ist. Bei den Enden des Elements handelt es sich um Nickelplatten, die es ermöglichen, dass Wärme in ein wärmeleitendes Harz abgeführt wird.
WO-A-94/14206 betrifft eine Batterie, die einen Druckbehälter und mehrere in nebeneinander angeordneter Beziehung stehende Abteilungen umfasst. Jede der Abteilungen umfasst ein Wärmeübertragungselement mit einem Stegbereich und einem sich längs vom Stegbereich erstreckenden Flanschbereich, wobei der Flansch mit einer Innenwand des Druckbehälters in Wärmekontakt steht. Die Abteilungen umfassen weiterhin mehrere Batteriezellen, wobei mindestens eine Batteriezelle in jeder der Abteilungen und in Wärmekontakt mit benachbarten Stegbereichen der Wärmeübertragungselemente angeordnet ist.
Es besteht in der fortschrittlichen Batterie-Herstellungsindustrie Bedarf nach einem energieerzeugenden System, das Hochenergieleistung aufweist, und nach einem, das für eine sichere und zuverlässige Verwendung in einem breiten Anwendungsbereich sorgt. Es besteht ferner Bedarf nach einer wirksamen Wärmeregelungslösung, die Energiespeicherzellen vor einem thermischen Runaway, der aus einem Kurzschlusszustand resultiert, schützt. Die wie in den Ansprüchen vorgetragene vorliegende Erfindung erfüllt diese und andere Erfordernisse.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte elektrochemische Energiespeichereinrichtung. Die elektrochemische Energiespeichereinrichtung schließt eine Anzahl an elektrochemischen Dünnschichtzellen ein, die durch die Verwendung einer internen oder externen Druckvorrichtung in zusammengedrücktem Zustand gehalten werden. Ein Wärmeleiter, der an mindestens einen der positiven und negativen Kontakte jeder elektrochemischen Zelle angeschlossen ist, leitet Strom in die und aus den elektrochemischen Zellen und auch Wärmeenergie zwischen den elektrochemischen Zellen und auf einer Wandstruktur neben den Leitern angeordnetem wärmeleitendem Material. Die Wandstruktur schließt elektrisch widerstandsfähiges Material, wie eine eloxierte Beschichtung oder eine dünne Kunststoffschicht, ein. Die Wärmeleiter sind derart gefertigt, dass sie einen Federmechanismus einschließen, der sich ausdehnt und zusammenzieht, um mechanischen Kontakt zwischen den elektrochemischen Zellen und dem wärmeleitenden Material in Gegenwart einer relativen Bewegung zwischen den elektrochemischen Zellen und der Wandstruktur aufrecht zu halten. Eine aktive Kühlvorrichtung kann extern an einem die elektrochemischen Zellen enthaltenden hermetisch abgedichteten Gehäuse eingesetzt werden, um die Übertragung von Wärmeenergie in die und aus den elektrochemischen Zellen zu verbessern. Eine integrierte Schalttafel kann im Gehäuse angeordnet sein, auf welcher eine Anzahl an elektrischen und elektromechanischen Komponenten angebracht ist. Wärme, die durch die Komponenten erzeugt wird, wird unter Verwendung der Wärmeleiter von der Schalttafel zum Gehäuse geleitet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine Ausführungsform einer elektrochemischen Festkörper-Dünnschichtzelle in prismatischer Konfiguration;
2A–2C veranschaulichen alternative Ausführungsformen einer elektrochemischen Dünnschichtzelle;
3A ist eine Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform einer prismatischen elektrochemischen Dünnschichtzelle;
3B–3C veranschaulichen zwei Ausführungsformen eines Wärmeleiters, der an einer oder beiden der Anoden- und Kathodenkontakte einer prismatischen elektrochemischen Zelle angebracht werden kann;
3D ist eine Teilveranschaulichung eines Energiespeichermoduls, enthaltend einen Stapel von elektrochemischen Dünnschichtzellen und einsetzend eine Wärmeregelungsmethodik gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, von benachbarten kurzgeschlossenen Zellen in fünf unterschiedlichen Ladezuständen (SOC) in Abwesenheit bzw. in Gegenwart einer externen aktiven Kühlvorrichtung;
9 ist eine Teildarstellung einer Mehrzellen-Energiespeichereinrichtung, in welcher eine der Zellen einer Kurzschlussbedingung unterworfen ist;
10A ist eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen der maximalen Temperatur einer Zelle unter kurzgeschlossenen Bedingungen und dem normalisierten Energieinhalt einer Zelle, wobei der normalisierte Energieinhalt das Verhältnis von Energieinhalt zu Kontaktoberflächenbereich für benachbart angeordnete Zellen darstellt;
10B–10C veranschaulichen in grafischer Form eine Beziehung zwischen der maximalen Zellentemperatur eines Energiespeichermoduls und des Energieinhalts bzw. der Dicke der Zelle;
11 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Mehrzellen- Energiespeichereinrichtung, in welcher eine der Zellen einer Kurzschlussbedingung unterworfen ist;
12 veranschaulicht eine charakteristische Stromwellenform für eine elektrochemische Zelle infolge des Auftretens eines Kurzschlusses in der Zelle;
13 ist eine Ausführungsform einer integrierten Kurzschlussschutzeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 veranschaulicht verschiedene Konfigurationen von Energiespeichereinrichtungen, einschließlich Zellen-, Zellenpackungs-, Modul- und Batteriekonfigurationen;
15 veranschaulicht eine Perspektivansicht eines Energiespeichermoduls, das eine Anzahl an verschalteten elektrochemischen Dünnschichtzellen enthält;
16 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Gruppe elektrochemischer Zellen, die extern erzeugten Kräften zum Zusammendrücken der elektrochemischen Zellen unterworfen sind;
17 veranschaulicht eine andere Ausführungsform einer Gruppe elektrochemischer Zellen, die intern und extern erzeugten Kräften zum Zusammendrücken der elektrochemischen Zellen unterworfen sind;
18A–18C veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen eines Federkernelements zur Verwendung in oder zwischen prismatischen elektrochemischen Zellen;
19A–19C zeigen eine Ausführungsform einer externen druckerzeugenden Vorrichtung zum Halten eines Stapels elektrochemischer Zellen in zusammengedrücktem Zustand im Lade- und Entladezyklus;
20A–20B zeigen eine andere Ausführungsform einer externen druckerzeugenden Vorrichtung zum Halten eines Stapels elektrochemischer Zellen in zusammengedrücktem Zustand im Lade- und Entladezyklus;
21 veranschaulicht eine Ausführungsform einer krafterzeugenden Vorrichtung zum Halten eines Stapels elektrochemischer Zellen in zusammengedrücktem Zustand;
22 ist eine Veranschaulichung eines Bands oder Riemens, das/der eine spannungserzeugende Klemme zur Verwendung in einer druckerzeugenden Vorrichtung zum Halten eines Stapels elektrochemischer Zellen in zusammengedrücktem Zustand im Lade- und Entladezyklus einschließt;
23 ist eine Perspektivansicht der in 22 dargestellten spannungserzeugenden Klemme;
24 ist eine Querschnittveranschaulichung einer Ausführungsform einer druckerzeugenden Vorrichtung, die eine längliche Feder zum Halten eines Stapels elektrochemischer Zellen in zusammengedrücktem Zustand einschließt;
25–26 sind eine Querschnittveranschaulichung einer anderen Ausführungsform einer druckerzeugenden Vorrichtung zum Halten eines Stapels elektrochemischer Zellen in zusammengedrücktem Zustand;
27A–27C veranschaulichen im Querschnitt noch eine andere Ausführungsform einer druckerzeugenden Vorrichtung zum Halten eines Stapels elektrochemischer Zellen in zusammengedrücktem Zustand;
27D–27F sind Veranschaulichungen von anderen druckerzeugenden Vorrichtungen zum Halten einer Gruppe elektrochemischer Zellen in zusammengedrücktem Zustand;
27G–27H veranschaulichen eine Ausführungsform einer druckerzeugenden Vorrichtung, die eine Anzahl an Belleville-Federn einsetzt;
271–27K veranschaulichen eine Ausführungsform einer druckerzeugenden Vorrichtung, die eine Anzahl an Weltfedern oder Schraubenfedern einsetzt;
27L–27M veranschaulichen verschiedene Typen von Balgmechanismen, die in einer druckerzeugenden Vorrichtung zum Halten von elektrochemischen Zellen in zusammengedrücktem Zustand eingesetzt werden können;
28 ist die Veranschaulichung einer Draufsicht einer Gruppe elektrochemischer Zellen, die derart ausgerichtet sind, dass sich die Zellkontakte neben einer Wand eines Sicherheitsbehälters befinden, wobei aufgrund von Schwankungen in der Zelllänge und der Wandwölbung eine Anzahl an Zwischenräumen zwischen einigen der Zellkontakte und der Wand entwickelt wird;
29 und 30A–30D sind Veranschaulichungen von Draufsichten einer Ausführungsform eines Wärmeleiters, der in der Höhe variiert, um den mechanischen Kontakt mit der Wand eines Sicherheitsbehälters aufrecht zu halten;
31A ist eine Veranschaulichung eines in einem Wärmeleiter aufgenommenen Federisolators, der die Federungseigenschaften des Wärmeleiters verbessert;
31B–31D veranschaulichen andere Ausführungsformen eines Wärmeleiters mit variierenden Konfigurationen;
31E ist eine Veranschaulichung eines Wärmeleiters, der sich über einer Anzahl an elektrochemischen Zellkontakten erstreckt;
32 veranschaulicht verschiedene Konfigurationen eines einen Federisolator einschließenden Wärmeleiters in zusammengedrücktem und nicht zusammengedrücktem Zustand;
33 ist eine Querschnittansicht einer elektrochemischen Zelle mit einem Wärmeleiter, der neben einer ebenflächigen Struktur angeordnet ist, die die Eigenschaften von guter Wärmeleitfähigkeit und schlechter elektrischer Leitfähigkeit aufweist;
34 veranschaulicht ein Modulgehäuse, das eine aktive Kühlvorrichtung zum Erleichtern der effizienten Wärmeübertragung in einen und aus einem Stapel von im Modulgehäuse untergebrachten elektrochemischen Dünnschichtzellen einschließt;
35–36 veranschaulichen zwei Ausführungsformen einer aktiven Kühlvorrichtung, die Plattenwärmeaustauscher einschließt;
37–38 veranschaulichen eine andere Ausführungsform einer Wärmeregelungsvorrichtung, die dünne Metallwärmeleiter einschließt, die in einem Stapel elektrochemischer Zellen angeordnet sind;
39 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Temperatur und der Zellenposition zeigt, wenn eine externe aktive Kühlvorrichtung in einem Modulgehäuse in Kombination mit einer sich intern im Modul befindenden In-situ-Wärmeregelungsvorrichtung eingesetzt wird;
40A ist eine Darstellung einer Ausführungsform einer hermetisch abdichtenden Vorrichtung zum Abdichten eines Durchgangs, der in einer Abdeckung eines Modulgehäuses bereitgestellt ist;
40B–40C veranschaulichen eine andere Ausführungsform einer hermetisch abdichtenden Vorrichtung zum Abdichten eines Durchgangs, der in einer Abdeckung eines Modulgehäuses bereitgestellt ist;
41–42 veranschaulichen eine vorab abgedichtete Konfiguration bzw. eine nachher abgedichtete Konfiguration der in 40A hermetisch abdichtenden Vorrichtung;
43 ist eine Explosionsansicht eines energieerzeugenden Moduls, das in einem Gehäuse angeordnet ist, das eine hermetische Abdichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält;
44 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Festkörper-Energiespeichereinrichtung, die einen Stapel elektrochemischer Dünnschichtzellen einschließt, die durch die Verwendung einer Schalttafel selektiv in Reihen- und/oder Parallelbeziehung geschaltet sind;
45 veranschaulicht eine Oberfläche einer Schalttafel mit einem darauf angeordneten Schaltmuster zum Bereitstellen von selektiver Reihen- und/oder Parallelkonnektivität mit einer Anzahl an elektrochemischen Zellen;
46 ist eine andere Veranschaulichung einer Schalttafel, die eine Lage an leitendem Material einschließt, das ein Schaltmuster zum selektiven Schalten einer Anzahl von elektrochemischen Zellen in Reihen- oder Parallelbeziehung einschließt;
47 veranschaulicht eine andere Ausführungsform einer Schalttafel, die eine Anzahl an darauf angebrachten Komponenten einschließt; und
48A–48C sind eine Veranschaulichung einer Komponentenpackung, in welcher Ausgleicher- und Umführungseinrichtungen integral eingebracht sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß einer Ausführungsform einer energieerzeugenden Quelle, die wiederaufladbare elektrochemische Hochenergiezellen verwendet, schließt die Energiespeichereinrichtung eine Anzahl an Festkörper-Dünnschichtzellen des in 1 dargestellten Typs ein. Derartige wiederaufladbare elektrochemische Dünnschichtzellen sind zur Verwendung bei der Konstruktion von Hochstrom-Hochspannungs-Energiespeichermodulen und -batterien, wie denjenigen, die z. B. zur Energieversorgung von elektrischen Kraftfahrzeugen verwendet werden, gut geeignet.
Die elektrochemische Zelle 20 ist derart dargestellt, dass sie eine flache gewundene prismatische Konfiguration aufweist, in welcher ein fester Dünnschichtelektrolyt 26 zwischen einer Schicht 24, die eine Anode bildet, und einer Schicht 28, die eine Kathode bildet, angeordnet ist. Eine mittige Kathodenstromsammelschicht 30 ist zwischen jeder der Kathodenschichten 28 angeordnet. Die Anodenschichten 24 sind in Bezug auf den Kathodenstromsammler 30 seitlich versetzt, sodass die Anode entlang einer ersten Kante 25 der Zelle 20 und der Kathodenstromsammler 30 entlang einer zweiten Kante 23 der Zelle 20 freiliegt. Die in 1 dargestellte Ausführungsform schließt ein Kernelement 22 wie ein Schaumstoff- oder Metallfederelement ein, um das die elektrochemische Dünnschichtzelle 20 gewickelt ist.
In 2A–2C sind verschiedene Ausführungsformen einer elektrochemischen Dünnschichtzelle veranschaulicht, die bei der Fertigung einer wiederaufladbaren Energiespeichereinrichtung verwendet werden kann. Wie in 2A dargestellt, kann eine elektrochemische Dünnschichtzelle derart zu einer „Bisquitrollen"-Konfiguration gepackt werden, dass eine im Allgemeinen zylindrische Zelle gebildet wird, in der eine erste Kante 42 der Zelle einen positiven Kontakt 43 und eine zweite Kante 44 einen negativen Kontakt 45 bildet. Die positiven und negativen Kontakte 43, 45 werden in aller Regel durch die Verwendung einer bekannten Metallspritztechnik hergestellt.
Die 2B und 2C veranschaulichen alternative Packungskonfigurationen für eine wiederaufladbare elektrochemische Dünnschichtzelle. Eine Flachrollenkonfiguration, dargestellt in 2B, oder eine Flachstapelkonfiguration, dargestellt in 2C, sorgen für die Aggregation eines relativ großen Dünnschichtzellenoberflächenbereichs in einer relativ kleinen Packungskonfiguration. Derartige Geometrien minimieren Spannungsverluste und erlauben die effiziente Übertragung von elektrischer Energie auf die und von der mehrschichtigen Zellstruktur.
Gemäß einer Ausführungsform und mit Bezug auf 1 schließt die elektrochemische Zelle 20 einen festen Polymerelektrolyten 26, der eine Ionentransportmembran bildet, eine Lithiummetallanode 24 und eine Vanadiumoxidkathode 28 ein. Diese Schichtelemente werden derart gefertigt, dass sie eine laminierte prismatische Dünnschichtstruktur bilden, die eine Isolationsschicht, wie eine Polypropylenschicht, einschließen kann. Ein bekanntes Zerstäubungsmetallisierverfahren wird eingesetzt, um Stromsammelkontakte entlang den Kanten 25, 23 der Anodenschichten 24 bzw. Kathodenschichten 28 zu bilden. Man beachte, dass die Spritzmetallkontakte für eine ausgezeichnete Stromsammlung entlang der Länge der Anoden- und Kathodenschichtkanten 25, 23 sorgen und guten elektrischen/mechanischen Kontakt und gute Wärmeübertragungseigenschaften aufzeigen.
Die in 1 dargestellte Zelle schließt einen mittigen Kathodenstromsammler 30 ein, der zwischen jeder der beiden Kathodenschichten 28 unter Bildung einer zweiseitigen Zellenkonfiguration angeordnet ist. Eine einseitige Zellenkonfiguration kann alternativ dazu eingesetzt werden, in welcher ein einzelner Kathodensammler 30 mit einer einzelnen Anoden/Elektrolyt/Kathoden-Elementkombination verbunden ist. In dieser Konfiguration wird in aller Regel eine Isolationsschicht zwischen einzelnen Anoden/Elektrolyt/Kathoden/Sammler-Elementkombinationen angeordnet.
Im Allgemeinen behalten die die elektrochemische Festkörper-Dünnschichtzelle bildenden aktiven Materialien bei weit über den typischen Betriebstemperaturen liegenden Temperaturen chemische und mechanische Integrität bei. Zum Beispiel können Temperaturen bis zu 180°C toleriert werden. Es sollte klar sein, dass verschiedene andere elektrochemische Zellkonfigurationen als diejenigen, die in den Figuren dargestellt sind, geeignet sein können, um die elektrischen, mechanischen und thermischen Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen. Verschiedene Ausführungsformen der allgemein in den Figuren dargestellten elektrochemischen Zellen können gemäß den in den US-Patenten Nr. 5,423,110 , 5,415,954 und 4,897,917 offenbarten Methodiken angefertigt werden.
Was 3A und 4 betrifft, ist eine Ausführungsform einer prismatischen elektrochemischen Zelle 70 dargestellt, in welcher jeweils ein Anodenkontakt 72 und ein Kathodenkontakt 74 entlang gegenüberliegenden Kanten der Zelle 70 gebildet sind. Die in 4 dargestellte elektrochemische Zelle 70 veranschaulicht die seitlich versetzten Kathoden- und Anodenschichtoberflächen 73, 75, die jeweils an allgemeinen Anoden- und Kathodenkontakten 72, 74 enden. Eine Kupferspritztechnik wird in aller Regel eingesetzt, um Anoden- und Kathodenkontakte 72, 74 zu bilden.
Im Lade- und Entladezyklus wird elektrische Energie vorzugsweise entlang den Oberflächen der Anoden- und Kathodenschichten 73, 75 und durch die Anoden- und Kathodenkontakte 72, 74 geleitet. Während der elektrischen Entladung erzeugt der aktive Bereich 76 der Zelle 70 eine beträchtliche Menge an Wärmeenergie, die vorzugsweise entlang den Anoden- und Kathodenschichtoberflächen geleitet wird und so den gleichen Weg nimmt wie von der Zelle 70 erzeugte elektrische Energie. Damit stellen die Kontakte 72, 74, die jeweils an den Kantenteilen der verlängerten Anoden- und Kathodenschichtoberflächen 73, 75 angeordnet sind, eine Stelle zum Aufbauen sowohl elektrischer als auch thermischer Leitfähigkeit mit der Zelle 70 bereit.
Die in 3A–4 dargestellte elektrochemische Zelle kann derart angefertigt werden, dass sie eine Länge L von etwa 135 mm, eine Höhe H von etwa 149 mm und eine Breite W_ec von etwa 5,4 mm oder W_ec von etwa 5,86 mm, wenn sie ein Schaumstoffkernelement 22 einschließt, aufweist. Die Breite W_c des Kathodenkontakts 74 und des Anodenkontakts 72 beträgt jeweils etwa 3,9 mm. Eine Zelle mit diesen Abmessungen weist in aller Regel eine Nennenergieleistung von etwa 36,5 Wh, eine Spitzenlastleistung von 87,0 W bei 80prozentiger Entladungstiefe (DOD), eine Zellenkapazität von 14,4 Ah und eine Nennspannungsleistung von 3,1 V bei voller Ladung auf. Das Diagramm von 5 veranschaulicht eine Beziehung zwischen Spannung und Kapazität einer typischen prismatischen Dünnschichtzelle mit den vorstehend beschriebenen Maßen und der vorstehend beschriebenen Konstruktion.

In nachstehender Tabelle 1 sind verschiedene thermische Eigenschaften für eine elektrochemische Zelle bereitgestellt, die bei einer Temperatur von etwa 60°C gehalten wird und eine ähnliche Struktur wie diejenige, die in 3–4 veranschaulicht ist, aufweist. TABELLE 1

Bereich	Wärmeleitfähigkeit (W/m°C)		Dichte	Spez.
Bereich	Richtung der Schichtdicke	Richtung der Konnektoren	(kg/m³)	Wärme (J/kg°C)
Aktiver Bereich	0,4042	48,10	1356	1411
Anodenseite, inaktive Zone	0,0466	28,90	252	2714
Kathodenseite, inaktive Seite	0,0388	18,45	441	1470
Komplette Zelle			1218	1435
Sonstige Komponenten
Komponente	Wärmeleitfähigkeit (W/m°C)			Dichte × spez. Wärme (kJ/m³°C)
Zellenkern		0,071		401,3
Metallisierung		366,7		3254,6
Federndes Ende		134,5		3254,6
Behälterwandeloxiert		178,8		2566,9

Die Auflistung der Wärmeleitfähigkeitswerte zeigt, dass der bevorzugte Wärmeleitfähigkeitsweg seitlich entlang der Oberfläche der Schichtoberflächen der Zelle und nicht axial durch das Schichtmaterial verläuft.
Dem Fachmann leuchtet es ein, dass sich eine konventionelle Anordnung mit Befestigung einer elektrischen Leitung 77 an einem Endbereich der Anoden- und Kathodenkontakte 72, 74, wie in 6 veranschaulicht, als eine zum wirksamen Leiten von Wärme in die und aus der Zelle 70 unzureichende Konfiguration erweisen würde. Wenngleich dieser relativ lange Leitfähigkeitsweg für die Zwecke des Leitens elektrischen Stroms zwischen der Zelle 70 und einem externen Anschluss wahrscheinlich zufrieden stellend wäre, ist eine derartige Konfiguration dennoch nicht in der Lage, Wärmeenergie in so ausreichender Menge in die und aus der Zelle 70 zu leiten, dass ein zuverlässiger und sicherer Betrieb der Zelle 70 gewährleistet ist.
In der in 3B dargestellten Ausführungsform einer prismatischen elektrochemischen Zelle 50 sorgt ein Wärmeleiter 52 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorteilhaft für die effiziente Wärmeübertragung zwischen der Zelle und einer benachbart angeordneten Wärmesenke/-quelle wie einer wärmeleitenden Wand einer Schutzeinfassung. Der Wärmeleiter 52 ist jeweils an jeden der beiden Anoden- und Kathodenkontakte 56, 55 punktgeschweißt. Der Wärmeleiter 52 ist in aller Regel entlang der Länge des Anodenkontakts 56 und des Kathodenkontakts 55 angeordnet und schließt in aller Regel eine elektrische Anschlussleitung 54 zum Leiten von Strom in die und aus der elektrochemischen Zelle 50 ein, wobei der Strom gesammelt und vorzugsweise entlang der Anoden- und Kathodenkontakte 56, 55 geleitet wird.
Die in 3C dargestellte Ausführungsform eines Wärmeleiters 63 schließt einen Kupferstreifen 53 ein, der sich entlang der Länge eines Spritzmetallanoden- oder -kathodenkontakts 61 erstreckt. Der Kupferstreifen 53 schließt ein nachgiebiges Element 59 ein, durch welches Wärme zwischen der Zelle 50 und einer benachbart angeordneten Wärmesenke, wie der Wand eines Metallgehäuses, übertragen wird. Der Kupferstreifen 53 ist an einer Anzahl von Schweißstellen 51 an den Spritzmetallkontakt 61 punktgeschweißt. Eine flexible elektrische Leitung 57 ist an das Ende des Kupferstreifens 53 ultraschallgeschweißt. Strom wird hauptsächlich entlang des Spritzmetallkontakts 61 der Zelle 50 geleitet und ist mit externen Anschlüssen über die flexiblen elektrischen Leitungen 57 verbunden.
Wie in 3D dargestellt, stellt ein Wärmeleiter 93 einen Wärmeflussweg zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen den elektrochemischen Zellen und einem wärmeleitenden, elektrisch widerstandsfähigen Material oder Element, das neben der Zelle angeordnet ist, bereit. Es sollte klar sein, dass sich ein wärmeleitendes, elektrisch widerstandsfähiges Material, Element oder eine ebensolche Struktur, wie hier beschrieben, auf eine Oberflächenbeschichtung/-behandlung oder ein separates Material bezieht, das das Leiten einer ausreichenden Wärmemenge hindurch ermöglicht und dennoch für den Stromfluss in Bezug auf einen Stromweg, der zum Leiten von Strom in die und aus der elektrochemischen Zelle bereitgestellt ist, elektrisch widerstandsfähig ist.
Eine eloxierte Beschichtung kann z. B. eine Dicke aufweisen, die das Hindurchleiten einer ausreichenden Menge an Wärmeenergie ermöglicht und dennoch für elektrischen Strom in Bezug auf die Anoden- und Kathodenkontakte der Zelle oder den Wärmeleiter ausreichend widerstandsfähig ist. Als weiteres Beispiel kann ein wärmeleitendes Schaumstoffelement eingesetzt werden, wobei die Dichte der darin imprägnierten wärmeleitenden Teilchen derart ausgewählt ist, dass ein gewünschtes Gleichgewicht zwischen thermischen und elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften bereitgestellt wird.
Wie weiterhin in der Mehrzellenausführungsform von 3D dargestellt, stellen die Wärmeleiter 93 auch einen Wärmeflussweg zum Übertragen von Wärme zwischen benachbarten und nebeneinander liegenden Zellen bereit. Entwickelt sich ein Kurzschluss in einer Zelle 83 in einem Zellenstapel, wird z. B. die durch die kurzgeschlossene Zelle 83 erzeugte überschüssige Wärme Q_gen durch das wärmeleitende, elektrisch widerstandsfähige Material 87 durch die Wärmeleiter 93 zu benachbarten Zellen 82 und nicht benachbarten nebeneinander liegenden Zellen 81 geleitet. Die überschüssige Wärme Q_gen wird auch zu benachbarten Zellen 82 in physischem Kontakt mit der kurzgeschlossenen Zelle 83 geleitet. Eine wärmeleitende Platte 85 dient als Wärmesenke für eine Zelle 84, die sich am Ende des Zellenstapels befindet.
Ferner sind die Wärmeleiter 93 derart konfiguriert, dass sie eine federnde Eigenschaft aufweisen, die als Antwort auf die relative Bewegung zwischen den Zellen und der benachbarten Struktur 87 für einen im Wesentlichen kontinuierlichen Kontakt zwischen einer Zelle und einer Struktur, wie einer ebenflächigen Metalloberfläche 87, die neben den Zellen angeordnet ist, sorgt. Ein separates Federelement 99, wie ein röhrenförmiges elastomeres Element, kann im Wärmeleiter 93 gehalten werden, um die Federeigenschaften des Wärmeleiters 93 zu verbessern. Andere Merkmale und Vorteile, die durch Einsetzen eines erfindungsgemäßen Wärmeleiters verwirklicht werden können, sind detaillierter hier nachstehend beschrieben.
Das Problem der angemessenen Regelung der thermischen und elektrischen Bedingungen einer elektrochemischen Dünnschichtzelle wird weiter verkompliziert, wenn sich mehrere Zellen in enger Nachbarschaft zueinander befinden, wie beim Bilden eines Zellenstapels oder -bündels. Ein Fehlmechanismus, der von besonderer Bedeutung ist, beinhaltet die Entwicklung eines niederohmigen Stromflusswegs oder eines Kurzschlusses in der Zelle. Die Zelle erzeugt in aller Regel infolge einer aus den Kurzschlussbedingungen resultierenden hohen Energieentladegeschwindigkeit eine beträchtliche Wärmemenge. Derartige Kurzschlussvorfälle müssen dementsprechend berücksichtigt werden, wenn ein wirksames Wärmeregelungssystem zur Verwendung mit Hochenergie-Energiequellen, wie elektrochemischen Festkörper-Dünnschichtzellen, entwickelt werden.
Die 7–8 veranschaulichen die Wirkung von Kurzschlussbedingungen auf die Zellentemperatur für einen Stapel von elektrochemischen Dünnschichtzellen, die miteinander in Wärmekontakt stehen. Das in 7 dargestellte Diagramm veranschaulicht eine Beziehung zwischen der maximalen Temperatur in einem Zellenstapel als Funktion der Anzahl von benachbarten kurzgeschlossenen Zellen, wenn keine externe Wärmeregelungsvorrichtung, wie ein aktives Kühlsystem des hier nachstehend beschriebenen Typs, in Kombination mit einer einzigartigen In-situ-Wärmeregelungsvorrichtung zum Erleichtern der Wärmeübertragung aus den den Zellenstapel bildenden Zellen eingesetzt wird. Fünf grafische Darstellungen von Daten, die fünf Niveaus von Ladezuständen (SOC) entsprechen, sind dargestellt.
8 stellt eine ähnliche grafische Darstellung von Daten mit Ausnahme dessen dar, dass eine externe Wärmeregelungsvorrichtung zusammen mit einer wie später detaillierter beschriebenen im Zellenstapel bereitgestellten In-situ-Wärmeregelungsvorrichtung eingesetzt wird. Man beachte, dass die durchgehende Linie, die bei 180°C bereitgestellt ist, die Schmelztemperatur von Lithium darstellt, und dass 130°C als Gefahrlosigkeits- oder Sicherheitsgrenze betrachtet wird. Es sollte klar sein, dass die Grenze von 130°C bereitgestellt ist, um aufzuzeigen, dass eine bestimmte Energiespeichereinrichtung derart aufgebaut werden kann, dass sie unter einer maximalen Temperatur, die von der Zellenversagenstemperatur verschieden sein kann, betrieben wird.
Die in der grafischen Form in 7–8 dargebotenen Daten zeigen den bedeutsamen Einfluss von Kurzschlussbedingungen auf die Zellenstapeltemperatur. Die in 7 grafisch dargestellten Daten zeigen, dass in Abwesenheit eines externen aktiven Kühlsystems nicht mehr als eine kurzgeschlossene Zelle im Zellenstapel toleriert werden kann, ohne dass die fehlerhafte Zelle eine nicht sichere Temperatur (z. B. den Schmelzpunkt von Lithium) übersteigt. Die in 8 dargestellten Daten legen nahe, dass nicht mehr als zwei kurzgeschlossene Zellen in einem Modul toleriert werden können, ohne dass die Integrität des Stapels gefährdet wird, und dass nicht mehr als eine kurzgeschlossene Zelle toleriert werden kann, ohne dass eine Sicherheitsgrenze von 130°C überschritten wird, ungeachtet der Gegenwart einer externen Wärmeregelungsvorrichtung. Dem Fachmann leuchtet sofort die Wichtigkeit des Sorgens für eine effiziente Wärmeenergieübertragung aus einer elektrochemischen Dünnschichtzelle ein, um die nachteiligen Wirkungen von Übertemperaturbedingungen in einem Stapel nahe beieinander liegender Zellen zu minimieren.
In 9 ist eine Anzahl an elektrochemischen Zellen dargestellt, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind. Eine bestimmte Zelle 112 ist derart dargestellt, dass sie einen Kurzschluss erlitten hat. Die Zelle 112 erzeugt infolge der aus dem Kurzschluss resultierenden hohen Energieentladegeschwindigkeit Wärme. Gemäß diesem eindimensionalen (x-Achse) Wärmeleitmodell wird die durch den Kurzschluss in der Zelle 112 erzeugte Wärmeenergie teilweise durch die Zelle 112 und zu den Außenflächen 115, 117 der Zelle 112 geleitet. Die enge Nähe einer benachbarten Zelle 110 zu der kurzgeschlossenen Zelle 112 ermöglicht, dass die an die Außenflächen 115, 117 der Zelle 112 geleitete Wärmeenergie in die benachbarte Zelle 110 abgeführt wird.
in ähnlicher Weise leitet eine benachbarte Zelle 114 mit einer Außenfläche 113 in Wärmekontakt mit einer Außenfläche 117 der Zeile 112 durch die Zelle 112 erzeugte Wärme durch die Wärmekontaktgrenzfläche 113, 117. In diesem veranschaulichenden Beispiel schließen die benachbarten Zellen 110, 114 Außenflächen 111, 113 ein, die in innigem Wärmekontakt mit den Außenflächen 115, 117 der Zelle 112 stehen. Es ist klar, dass sich ein Einsatzelement wie ein Schaumstoff oder ein Metallflachfederelement oder wärmeleitendes Material zwischen benachbarten Zellen befinden kann. Wenngleich nicht in 9 dargestellt, ist es klar, dass die durch die kurzgeschlossene Zelle 112 erzeugte Wärme auch in der y- und in der z-Richtung und insbesondere zu benachbarten und nebeneinander liegenden Zellen über die Wärmeleiter und das wärmeleitende, elektrisch widerstandsfähige Material geleitet wird, wie in 3D dargestellt.
Es ist anzunehmen, dass direkt nach einem Kurzschlussvorfall in der Zelle 112 etwa 50% der erzeugten Wärme in der x-Richtung an benachbarte Zellen 110, 114 abgeführt werden, während die übrigen 50% über die Wärmeleiter und das wärmeleitende, elektrisch widerstandsfähige Material abgeführt werden. Mit fortschreitender Zeit wird eine unverhältnismäßige Menge der überschüssigen Wärme über den Wärmeleiterweg abgeführt. Man beachte, dass die Endzellen des Zellenstapels das Vorhandensein einer sich daneben befindenden Wärmesenke, wie der in 3D dargestellten Metallplatte 85, erfordern, die in innigem Kontakt mit der Endzelle 84 steht.
Dem Fachmann leuchtet es ein, dass die Energiezunahme in der kurzgeschlossenen Zelle 112 und die Geschwindigkeit, mit welcher die durch den Kurzschlussvorfall erzeugte Energie in benachbarte Zellen 110, 114 abgeführt wird, durch die Verwendung des Fourier-Wärmeleitungsgesetzes charakterisiert werden kann. Beim Beschreiben eines Verfahrens, bei dem durch die kurzgeschlossene Zelle 112 erzeugte Wärme an benachbarte Zellen 110, 114 abgeführt wird, kann eine kurze Erörterung der verallgemeinerten eindimensionalen Wärmeleitungsanalyse nützlich sein. Es ist klar, dass die folgende Beschreibung nur zum Zwecke der Veranschaulichung bereitgestellt ist und dreidimensionale kurzlebige Wärmeübertragungserwägungen nicht beachtet.
Im in 9 veranschaulichten Energiespeichersystem ist die Geschwindigkeit, mit welcher Wärme in der kurzgeschlossenen Zelle 112 erzeugt wird, als Q_gen bezeichnet, was die Wärme darstellt, die pro Zeiteinheit in einem Bereich der Zelle 112 mit einer Dicke dx erzeugt wird. Die in das Volumenelement 118 an einem Ort x = x₀ geleitete Wärme ist durch den Parameter Q_x angegeben. Die aus dem Volumenelement 118 an einem Ort x = x + dx geleitete Wärme ist durch den Parameter Q_x+dx angegeben. In dieser vereinfachten Beschreibung stellt die Menge Q_gen die Wärmeenergie dar, die im gesamten Volumenelement 118 erzeugt wird, was von der Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung pro Volumeneinheit pro Zeiteinheit, dargestellt durch den Parameter q, und dem Volumen des Elements 118 abhängt. Die resultierende Energiegleichgewichtsgleichung ist angegeben durch: Qx + Qgen = Qx + dx[1]und Qgen = q .Adx[2]wobei Q_x, Q_x+dx und und Q_gen Wärmeflussgeschwindigkeiten, gemessen in Watt (W), darstellen, q die Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung pro Volumeneinheit pro Zeiteinheit, gemessen in Watt/m³, darstellt, dx die Dicke des Volumenelements 118 darstellt und A den Querschnittsbereich des Volumenelements 118 darstellt.
Dem Fachmann leuchtet es ein, dass eine Temperaturzunahme im in 9 dargestellten Energiespeichersystem aufgrund eines Kurzschlussvorfalls angemessen geregelt werden kann, wenn die thermischen Eigenschaften und das Energieerzeugungsvermögen der Zellen verstanden werden. Ein In-situ-Wärmeregelungssystem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung kann eingesetzt werden, um aus einem Kurzschlussvorfall resultierende überschüssige Wärmeenergie wirksam abzuführen, ohne dass ein externes aktives Wärmeregelungsschema, wie eine Fremdkühlungs- oder Fremdkühlungskonvektionsvorrichtung nötig ist. Die hier beschriebene In-situ-Wärmeregelungsmethodik kann durch Charakterisieren der Wärmekapazität und der Wärmeabführeigenschaften des bestimmten Typs von in einem Energiespeichersystem verwendeten Zellen und angemessenes Beschränken des Energieinhalts der Zellen ausgeführt werden. Die Eigenschaften der zum Erleichtern der Wärmeübertragung zwischen den Zellen und einem wärmeleitenden Gehäuse verwendeten Wärmeleiter müssen ebenfalls bestimmt werden, wenn eine In-situ-Wärmeregelungsmethodik ausgeführt wird.
Eine wichtige Erwägung, die den Aufbau eines Mehrzellen-Energiespeichersystems beeinflusst, betrifft die Temperatur, bei welcher die Materialien einer bestimmten Zelttechnologie versagen oder abbauen, sodass die Gesamtzellenleistung deutlich reduziert wird. Beispielsweise weist eine Zelle mit einer Konstruktion des in 1 dargestellten Typs eine Versagenstemperatur von etwa 180°C auf, was den Schmelzpunkt von Lithium darstellt. Unter Einsatz eines gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgeführten In-situ-Wärmeregelungsschemas wird verhindert, dass die Temperatur der Zelle selbst unter Kurzschlussbedingungen eine Versagenstemperatur oder, falls gewünscht, eine Sicherheitstemperatur, die niedriger ist als die Versagenstemperatur, erreicht.
Die Wärmeabführungseigenschaften einer bestimmten Zelle hängen von einer Anzahl an Faktoren, einschließlich der Technologie, den Abmessungen und den thermischen/elektrischen Eigenschaften der Zelle ab. Unter Berücksichtigung dieser bekannten Faktoren können die Wärmeabführungseigenschaften einer Zelle abgeändert und optimiert werden. Da die Wärmeabführung in der Zelle 112 größtenteils von dem Wärmekontaktoberflächenbereich in Bezug auf die Kontaktoberflächen von benachbarten Zellen 110, 114 abhängt, kann der maximale Energieinhalt pro Kontaktoberflächenbereichseinheit, die zum Halten der Zellentemperatur unter einer Versagens- oder Sicherheitstemperatur erforderlich ist, bestimmt werden.
Beispielsweise und mit Bezug auf 10A ist eine grafische Form einer Beziehung zwischen der maximalen Temperatur einer Zelle einer gegebenen Technologie mit einer wie in 1 dargestellten Konstruktion unter Kurzschlussbedingungen und einem Verhältnis eines normalisierten Energieinhalts zu Kontaktoberflächenbereich für die Zelle dargestellt. Es sollte klar sein, dass das Diagramm von 10A eine Zelle mit bestimmten chemischen Vorgängen und bestimmten geometrischen und thermischen/elektrischen Eigenschaften beschreibt. Ähnliche Diagramme können für Zellen mit unterschiedlichen Technologien und Eigenschaften, die sich von denjenigen der in 10A gekennzeichneten Zelle unterscheiden, entwickelt werden. Zum Beispiel stellt 10B eine Beziehung zwischen Energieinhalt und maximaler Zellentemperatur für eine Zelle mit einer ähnlichen Konstruktion wie die in 10A gekennzeichnete Zelle, aber mit einem anderen Kathodenoxid, dar.
Unter Verwendung des in 10A dargestellten Diagramms können der Energieinhalt einer Zelle und die physischen Abmessungen der Zelle derart ausgewählt werden, dass das Verhältnis von Energieinhalt zu Zellenoberflächenbereich in einem derartigen Bereich gehalten wird, dass die maximale Zellentemperatur selbst unter Kurzschlussbedingungen unter einer Versagens- oder Sicherheitstemperatur gehalten wird. Ein Verhältnis von Energieinhalt zu Kontaktoberflächenbereich von weniger als etwa 0,0050 Wh/cm² für eine Dünnschichtlithiumpolymerzelle, die mit einem geeigneten Wärmeleiter versehen ist, gewährleistet, dass die aus einem Kurzschluss in der Zelle resultierende ungünstigste Temperatur den Schmelzpunkt der Lithiumelemente in der Zelle (d. h. 180°C) nicht übersteigt.
Ist es erwünscht, die Zelle derart zu gestalten, dass eine maximale Kurzschlusszellentemperatur eine Sicherheitstemperatur wie 130°C nicht übersteigt, können der Energieinhalt und der Kontaktoberflächenbereich der Zelle unter Verwendung des Diagramms von 10A geeignet ausgewählt werden. Es ist klar, dass eine In-situ-Wärmeregelungsaufbaulösung für Energiespeicherzellen mit variierenden Konfigurationen eingesetzt werden kann. Zum Beispiel können die Länge (L), die Höhe (H), die Breite (w) oder der Radius (r) nach Bedarf für eine gegebene Anwendung mit der Einschränkung variiert werden, dass das Verhältnis von Energieinhalt zu Kontaktoberflächenbereich in einem Bereich bleibt, der verhindert, dass die ungünstigste Zellentemperatur die Zellenversagenstemperatur übersteigt.
Zum Erleichtern der angemessenen Gestaltung und Herstellung von wärmestabilen Energiespeichermodulen und -einrichtungen, die eine Anzahl an sich nahe beieinander befindenden elektrochemischen Zellen enthalten, ist es nützlich, die maximale Temperatur, die durch die Zellen unter den ungünstigsten Bedingungen (d. h. bei einem Kurzschluss) erzielbar ist, als Funktion von verschiedenen Variablen, einschließlich des Verhältnisses von Energieinhalt der Zelle zu Zellenvolumen, der Leitfähigkeit der Zellen, der Wärmeleitfähigkeit und der Zellendicke, auszudrücken. Die folgenden Gleichungen beschreiben die maximale Temperatur (T_max) einer kurzgeschlossenen Zelle einer gegebenen Technologie, wenn die Zelle in ein Energiespeichermodul wie dasjenige, das in 14–15 dargestellt ist, gepackt ist. Man beachte, dass die nachstehenden Gleichungen durch die Verwendung von zahlreichen Simulationen eines Mehrzellenmoduls bei einer anfänglichen Betriebstemperatur von 60°C entwickelt wurden. Man beachte ferner, dass diese Gleichungen auf der Basis einer ähnlichen Zellentechnologie wie derjenigen, die in 10B einbezogen ist, entwickelt wurden. Unter Verwendung der folgenden Gleichungen ist es möglich, die Leitfähigkeit eines Wärmeleiters zu berechnen, die für eine sichere Abführung von durch eine kurzgeschlossene Zelle erzeugter Wärme erforderlich ist.
Die nachstehende Gleichung [3] beschreibt mathematisch die maximale Zellentemperatur einer elektrochemischen Dünnschichtzelle, die kein Schaumstoffkernelement einschließt, als Funktion von verschiedenen Betriebsparametern. Die Abmessungen der in Gleichung [3] beschriebenen Zelle sind als 0,135 m × 0,149 m × 0,054 m angegeben. Die maximale Zellentemperatur für die Zelle ist angegeben durch: Tmax = 1/1,1 1/1,2·0,037738·(1/ρZelle·CpZelle))0,3856·(Q/kZelle)·(δ)0,6146·(K/L)–0,077 [3]wobei T_max die maximale Temperatur, die durch eine kurzgeschlossene Zelle in einem Modul erreicht wird, (°C) darstellt, ρ_Zelle die Dichte der Zelle (kg/m3) darstellt, Cp_Zelle die Wärmekapazität der Zelle (J/kgK) darstellt, Q den Energieinhalt einer Zelle pro Volumeneinheit (Wh/m³) darstellt, k_Zelle die Leitfähigkeit der Zelle in einer Axialrichtung von Zelle zu Zelle (W/mK) darstellt, A die Zelldicke in der Axialrichtung von Zelle zu Zelle (mm) darstellt und K/L die Leitfähigkeit des Wärmeleiters (W/m²K) darstellt.
Unter Verwendung der vorstehenden Gleichung [3] kann eine Beziehung zwischen der maximalen Temperatur einer kurzgeschlossenen Zelle als Funktion des Energieinhalts für gegebene chemische Vorgänge in der Zelle und eine gegebene Konfiguration der Zelle entwickelt werden. Eine Beziehung zwischen der maximalen Zellentemperatur als Funktion der Zellendicke kann ebenfalls entwickelt werden. Beispielsweise und mit Bezug auf 10B-10C ist eine Beziehung zwischen der maximalen Zellentemperatur als Funktion des Energieinhalts bzw. der Zellendicke dargestellt. Die in 10B-10C wiedergegebenen Daten wurden entwickelt, indem die folgenden Variablen konstant gehalten wurden: k_Zelle = 0,4 W/mK, K/L = 400 W/m²K, ρ_Zelle·Cp_Zelle = 1218·1435 J/m³K.
Es ist aus 10B ersichtlich, dass eine elektrochemische Dünnschichtzelle des vorstehend beschriebenen Typs einen Energieinhalt aufweisen sollte, der auf weniger als 38 Wh beschränkt ist, um zu gewährleisten, dass die maximale Temperatur der Zelle eine Versagenstemperatur, wie die Schmelztemperatur von Lithium (d. h. 180°C), nicht übersteigt. Es ist interessant, die Linearität der in 10A und 10C dargestellten Beziehung von maximaler Zellentemperatur zu Energieinhalt, durch die der Unterschied in der Zellentechnologie erhalten wird, zu beobachten. Es ist aus 10C ersichtlich, dass die Dicke der Zelle etwa 8,5 mm nicht übersteigen sollte, um zu gewährleisten, dass die maximale Temperatur der Zelle die Versagenstemperatur von 180°C nicht übersteigt.
Die nachstehende Gleichung [4] beschreibt die maximale Zellentemperatur für einen Energiespeichermodulaufbau derselben Zelltechnologie wie diejenige, die in Gleichung [3] einbezogen ist, in welcher einige der Zellen ein Schaumstoffkernelement einschließen, das auf etwa 2 mm zusammengedrückt ist. Spezieller beschreibt Gleichung [4] die maximale Zellentemperatur für einen Modulaufbau, in welchem zusammengedrückte Schaumstoffkernelemente in allen beiden elektrochemischen Zellen bereitgestellt sind. In diesem Fall ist die maximale Zellentemperatur für eine derartige Modulkonfiguration angegeben durch: Tmax = 0,037738·(1/ρZelle·CpZelle))0,3856·(Q/kZelle)·(δ)0,6146·(K/L)–0,077 [4]
Es ist interessant zu beobachten, dass sich die Gleichungen [3] und [4] nur durch Konstanten (d. h. die Konstanten 1/1,1 und 1/1,2 in Gleichung [3]) unterscheiden.
Gleichung [5] beschreibt die maximale Zellentemperatur für ein Modul mit Zellen derselben Technologie wie diejenige, die in den Gleichungen [3]–[4] einbezogen ist, die ein Schaumstoffkernelement enthält, das dünner als das Element ist, das mit vorstehender Gleichung [4] verbunden ist. Spezieller setzt nachstehende Gleichung [5] voraus, dass ein Schaumstoffkernelement mit einer Dicke von etwa 1/32 Zoll in allen beiden Zellen des Zellenstapels bereitgestellt ist. Das Schaumstoffkernelement ist aus Poron S2000 angefertigt. Die maximale Zellentemperatur für ein Modul mit dieser Konfiguration ist angegeben durch: Tmax = 1/1,1·0,037738·(1/ρZelle·CpZelle))0,3856·(Q/kZelle)·(δ)0,6146·(K/L)–0,077 [5]
Man beachte, dass der Term ρ_Zelle·Cp_Zelle erlaubt, dass die Gleichungen [3]–[5] zum Quantifizieren der Wirkung der Wärmekapazität der Komponenten in der Zelle auf die maximale Zellentemperatur T_max, die während eines Kurzschlussvorfalls erreicht wird, verwendet werden kann. Diese Gleichungen können daher zum Beschreiben von maximalen Zellentemperaturen unter ähnlichen Situationen für Energiespeicherzellen von unterschiedlichen Technologien verwendet werden.
Diese Gleichungen können auch zum Beschreiben der Wirkungen von Modifikationen und Verbesserungen in der Zellgestaltung und -konstruktion verwendet werden. Man beachte, dass die zahlreichen Simulationen, die zum Entwickeln der Gleichungen [3]–[5] verwendet wurden, auf die Untersuchung von elektrochemischen Zellen mit einem Energieinhalt, der von etwa 30 bis 40 Wh variierte, einer Zelldicke 6, die von etwa 5,4 und 7,8 mm variiert, und Zellen, die einen Wärmeleiter mit einem Leitfähigkeitswert K/L, der zwischen etwa 200 und 600 W/m²K variiert, verwenden, gerichtet waren.
Die vorstehend in Bezug auf 3D und 9 beschriebene In-situ-Wärmeregelungslösung ist generell zum Regeln von Kurzschlusstemperaturzunahmen, die in einer einzelnen Zelle einer Zellengruppe auftreten, anwendbar. In Anwendungen, in welchen eine beträchtliche Anzahl von parallel geschalteten Zellen in einem Stapel oder Bündel konfiguriert ist, kann ein verbessertes In-situ-Kurzschlussschutzschema ausgeführt werden, um einen thermischen Runaway in dem Zellenstapel zu verhindern und eine bestimmte Zelle von der Parallelschaltung beim Auftreten eines Kurzschlusses in der Zelle zu isolieren.
In der Ausführungsform eines in 11 veranschaulichten Energiespeichersystems schließt die Energiespeichereinrichtung 120 acht Energiespeicherzellen ein, die jeweils an gemeinsame positive und negative Pole 124, 125 parallelgeschaltet sind. Die Zelle EC1 ist in kurzgeschlossenem Zustand dargestellt. Durch Erhalt dieser Anordnung und mit Bezug auf 7 ist ersichtlich, dass nur eine kurzgeschlossene Zelle in einem Stapel von acht Zellen unter Verwendung der vorstehend beschriebenen In-situ-Wärmeregelungsmethodik geregelt werden kann, ohne dass die Versagenstemperatur des Zellenmaterials überschritten wird. Eine In-situ-Kurzschlussschutzeinrichtung kann in ein Energiespeichersystem eingebracht werden, um das Auftreten von Vorfällen von mehreren kurzgeschlossenen Zellen zu verhindern.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und wie in 11 dargestellt, ist eine Sicherung 123 mit einer entsprechenden Zelle 122 in der Mehrzellen-Energiespeichereinrichtung 120 in Reihe geschaltet. In dem Falle, dass ein Kurzschluss in irgendeiner der parallelgeschalteten Zellen 122 erfolgt, löst die Sicherung 123 der defekten Zelle 122 aus, sodass die kurzgeschlossene Zelle 122 von der Parallelschaltung elektrisch isoliert wird. Die während der Entwicklung des Kurzschlusses in der Zelle 122 und nach Auslösen der Sicherung 123 erzeugte Wärme wird in vorstehend beschriebener Weise zu Zellen neben der defekten Zelle 122 geleitet. Damit liegt die maximale Temperatur, die durch eine Zelle unter ungünstigsten Bedingungen erzielt werden kann, weit unter der Versagenstemperatur der Zelle. Insbesondere bestätigen die Daten von 7, dass die Temperatur einer kurzgeschlossenen Zelle im Zellenstapel niemals eine Sicherheitstemperatur von etwa 130°C übersteigt, wenn eine In-situ-Kurzschlussschutzeinrichtung eingesetzt wird.
In Bezug nun auf 12 ist ein Diagramm veranschaulicht, das die Wirkung des Zellenstroms auf das Auftreten eines Kurzschlusses in einer elektrochemischen Dünnschichtzelle beschreibt. Eine Dünnschichtzelle des in 1 dargestellten Typs sowie anderen Typen von Hochenergiezellen weist eine aufgrund der Kapazitätseigenschaften der Zelle deutlich befristete Zunahme im Zellenstrom auf. Zum Beispiel zeigt der in 12 beschriebene Strom in weniger als etwa 100 Millisekunden eine Spitze bei einem Wert über 500 A. Nach der Stromspitze fällt der Strom in der Zelle nach 1 Sekunde auf etwa 150 A ab, und fällt anschließend allmählich ab. 5 Sekunden nach dem Kurzschlussvorfall erreicht der Zellenstrom einen Wert von etwa 60 A.
Die charakteristische Stromspitze, die direkt nach einem Kurzschlussvorfall in einer Hochenergiezelle auftritt, wird durch eine gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgeführte In-situ-Kurzschlussschutzeinrichtung vorteilhaft ausgenutzt. In der in 11 dargestellten Ausführungsform ist z. B. jede der Sicherungen, die mit einer entsprechenden Energiespeicherzelle 122 in Reihe geschaltet sind, derart gestaltet, dass sie als Antwort auf eine von einem Kurzschluss in der Zelle 122 erzeugte Stromspitze aktiviert werden. Eine Sicherung 123 weist in aller Regel einen Nennstrom auf, der verhindert, dass die Sicherung während des Normalbetriebs aktiviert wird, und es dennoch zulässt, dass die Sicherung als Antwort auf eine Kurzschlussbedingung aktiviert wird. Das Ausnutzen der Stromspitze als Auslösemechanismus für die Sicherung 123 sorgt für eine große Stromlücke zwischen der maximalen Betriebsstromhöhe der Zelle 122 und der Mindestaktivierungsstromhöhe der Sicherung 123.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die parallelgeschalteten Zellen einer Energiespeichereinrichtung eine Struktur und ein Verhalten auf, die denjenigen, die vorher in Bezug auf 3A–3D beschrieben wurden, ähneln. Bei einer derartigen Konfiguration weisen die mit den Zellen in Reihe geschalteten Sicherungen einen Nennstrom von etwa 50 A auf. Durch die Verwendung der kapazitiven Wirkung der Zelle zum Auslösen der Sicherung mit 50 A wird eine unbeabsichtigte Aktivierung der Sicherung vermieden, wodurch sowohl für einen sicheren als auch für einen zuverlässigen Kurzschlussschutz der Energiespeichereinrichtung gesorgt wird.
In manchen Anwendungen kann ein Schutz vor einem versehentlichen Kurzschließen einer Energiespeichereinrichtung oder -zelle, wie durch ein fremdes leitendes Hilfsmittel oder Material, von primärem Belang sein. Es kann daher erwünscht sein, eine Sicherung einzusetzen, die langsamer aktiviert wird als die vorstehend beschriebene schnell agierende Sicherung. Zum Beispiel kann eine Sicherung eingesetzt werden, die nach mehreren hundert Millisekunden oder mehrere Sekunden nach Auftreten eines Kurzschlusses in der Zelle aktiviert wird. Wenngleich zwischen der Zeit, in welcher der Kurzschluss stattfindet, und der Zeit, in welcher die Sicherung auslöst, überschüssige Wärme gebildet wird, sorgt die vorstehend beschriebene In-situ-Wärmeregelungsmethodik für die sichere Abführung von derartiger überschüssiger Wärme.
In 13 ist eine Ausführungsform einer Kurzschlussschutzeinrichtung veranschaulicht, die in einer integrierten Packung gefertigt ist. Die integrierte Einrichtung 130 schließt eine Umhüllung 132 ein, in welcher acht Sicherungen (nicht dargestellt) angebracht sind. Ein erster Kontakt von jeder Sicherung ist mit einem entsprechenden von acht Polen 134 in Reihe geschaltet, und ein zweiter Kontakt jeder Sicherung ist an einen gemeinsamen Bus 140 angeschlossen. Jeder der Pole 134 schließt eine Leitung 136 und einen Kontakt 138 ein. Wird die Kurzschlussschutzvorrichtung 130 an eine Anordnung von Zellen angeschlossen, rückt jeder der Kontakte 138 in einen entsprechenden Kontakt von einer von acht Zellen in der Anordnung. Der gemeinsame Bus 140 ist in aller Regel an einen oder mehrere gemeinsame Busse von anderen Kurzschlussschutzeinrichtungen 130, die unter Bildung einer in Reihe geschalteten Energiespeichereinrichtung angeschlossen sind, an entsprechende Zellenanordnungen, wie ein Modul, angeschlossen.
In einer Ausführungsform weist die Umhüllung 132 eine Höhe HE von 16,00 mm, eine Breite W_E von 7,49 mm und eine Länge L_E von 50,80 mm auf. Der Leitungsbereich 136 des Pols 134 weist eine Höhe H_L von 12,70 mm, eine Breite W_L von 1,27 mm und eine Länge L_L von 5,00 mm auf. Der Kontaktbereich 138 des Pols 134 weist eine Höhe H_C und eine Breite W_C von 1,27 mm und eine Länge L_C von 13,03 mm auf. Der gemeinsame Bus 140 weist eine Höhe H_CB von 6,34 mm, eine Breite W_CB von 1,27 mm und eine Länge L_CB von 49,02 mm auf.
Ein zusätzlicher Faktor, der den Versuch des Bereitstellens einer wirksamen thermischen und elektrischen Leitervorrichtung für elektrochemische Hochenergiezellen weiter verkompliziert, betrifft zyklische Änderungen im Zellenvolumen, die in verschiedenen Typen von elektrochemischen Dünnschichtzellen auftreten. Beispielsweise variiert das Volumen einer elektrochemischen Zelle des vorstehend in Bezug auf 1 beschriebenen Typs im Lade- und Entladezyklus aufgrund der Migration von Lithiumionen in die und aus der Gitterstruktur des Kathodenmaterials. Diese Migration erzeugt während des Auf- bzw. Entladens eine entsprechende Zunahme und Abnahme im Gesamtzellenvolumen in der Ordnung von etwa fünf bis sechs Prozent.
Es wurde festgestellt, dass die Leistungsfähigkeit und Betriebsdauer einer derartigen elektrochemischen Zelle deutlich erhöht wird, wenn die Schichten der Zelle in zusammengedrücktem Zustand gehalten werden. Eine verbesserte Zellenleistungsfähigkeit kann verwirklicht werden, indem Druck auf die beiden größeren gegenüberliegenden Oberflächen der Zelle im Zellenzyklus gehalten wird. Die Wärmeleitungseigenschaften eines Stapels elektrochemischer Zellen werden deutlich verbessert, wenn ein Kraftkontakt zwischen nebeneinander gelegenen Zellen gehalten wird. Es ist deutlich erwünscht, dass die Druckkräfte, egal ob innerhalb oder außerhalb der Zelle erzeugt, ziemlich gleichmäßig über der Anwendungsoberfläche verteilt werden.
Eine Anzahl an elektrochemischen Zellen kann unter Bildung von größeren energieerzeugenden Zellen, wie z. B. Modulen und Batterien, in Stapelkonfiguration und zusammengeschaltet angeordnet werden. Eine Gruppe elektrochemischer Zellen kann parallel und/oder in Reihenbeziehung selektiv zusammengeschaltet werden, um eine gewünschte Spannung und einen gewünschten Nennstrom zu erzielen. Zum Beispiel und mit Bezug auf 14 kann eine Anzahl an elektrochemischen Zellen 140 miteinander gruppiert und an gemeinsame positive und negative Energiebusse oder Pole parallelgeschaltet werden, um eine Zellenpackung 142 zu bilden. Eine Anzahl der elektrochemischen Zellenpackungen 142 kann dann in Reihe geschaltet werden, um ein Modul 144 zu bilden. Ferner kann eine Anzahl von einzelnen Modulen 144 in Reihe geschaltet werden, um eine Batterie 146 zu bilden.
Zu Veranschaulichungszwecken stellt die in 15 dargestellte Ausführungsform eine Anordnung von elektrochemischen Zellen gemäß einer modularen Packungslösung dar, die ein effizientes Mittel zum Erzielen von erwünschten Energieanforderungen für einen breiten Bereich an Hochenergieanwendungen bereitstellt. In dieser veranschaulichenden Ausführungsform sind acht elektrochemische Zellen 140 zusammen gruppiert und unter Bildung einer Zellenpackung 142 parallelgeschaltet. Ein Modul 144 wird durch Zusammengruppieren von sechs Zellenpackungen 142 und In-Reihe-Schalten der Packungen 142 gebildet. Eine Batterie 146 wie diejenige, die in 14 dargestellt ist, kann unter Verwendung von 24 in Reihe geschalteten Modulen 144 konstruiert werden.
Zum Anpassen von Schwankungen im Zellenvolumen, die aus dem Lade- und Entladezyklus einer Zellengruppe resultieren, wird eine druckerzeugende Vorrichtung eingesetzt, um die Zellen in einem kontinuierlichen zusammengedrückten Zustand zu halten. Mit Bezug auf 16 kann eine Anzahl an elektrochemischen Zellen 150, von denen zwei in 16 dargestellt sind, in Stapelkonfiguration angeordnet und einer externen Kraft F_E unterzogen werden, die zum Halten der Zellen 150 im gewünschten zusammengedrückten Niveau ausreichend ist. Jede der Zellen 150 schließt zwei gegenüberliegende Oberflächen 152 mit einem großen Oberflächenbereich in Bezug auf den Oberflächenbereich der vier Kanten der Zelle 150 ein. Die Größenordnung der externen Kraft F_E liegt im Bereich zwischen 5 und 100 psi für einzelne Zellen 150.
Für einen Stapel von 48 Zellen liegt z. B. eine externe Kraft F_E, die zum Halten des Zellenstapels in zusammengedrücktem Zustand im Lade-/Entladezyklus ausreichend ist, im Bereich zwischen etwa 5 und 100 psi. Es ist klar, dass die externe Kraft F_E bei einer konstanten Größenordnung, wie z. B. 20 psi, gehalten oder zwischen einem Mindest- und einem Maximalwert im Zellenzyklus variiert werden kann. Ferner kann die externe Kraft F_E durch Kontakt zwischen einer Endzelle des Zellenstapels und einem aktiven druckerzeugenden Mechanismus erzeugt werden, während die Bewegung der gegenüberliegenden Endzelle des Zellenstapels durch eine feststehende Struktur eingeschränkt ist. Alternativ dazu kann ein aktiver druckerzeugender Mechanismus an gegenüberliegenden Endzellen des Zellenstapels eingesetzt werden.
In Bezug auf die in 17 veranschaulichte Ausführungsform können eine oder mehrere der einen Zellenstapel bildenden elektrochemischen Zellen 154 derart konfiguriert werden, dass sie ein mittiges Kernelement 156 einschließen, das eine Kraft F₁ in der Zelle 154 erzeugt. Das Kernelement 156, das einen Schaumstoff- oder Federmechanismus einschließen kann, übt entlang den inneren Oberflächen 160 der Zelle 154 eine Kraft F₁ aus. Das Entgegenwirken von externen Kräften F_E, die entlang den Außenflächen 162 der Zelle 154 erzeugt werden, führt zur Erzeugung von Druckkräften, die ziemlich gleichmäßig über die großen Oberflächen 162, 160 der Zellen 154 verteilt sind.
Man beachte, dass die extern erzeugte Kraft F_E, die auf die Außenflächen 162 der beiden Endzellen 154 des Zellenstapel ausgeübt wird, durch eine feststehende Struktur wie eine Wand eines Sicherheitsbehälters oder durch die Verwendung eines aktiven druckerzeugenden Mechanismus, wie eines Schaumstoffelements oder einer federartigen Vorrichtung, neben den Wänden eines Sicherheitsbehälters erzeugt werden kann. Die interne druckerzeugende Vorrichtung sollte im Lade- und Entladezyklus entlang den Innenflächen 160 der Zellen 154 einen gleichmäßig verteilten Druck im Bereich zwischen etwa 5 und 100 psi aufrecht halten. Diese Kraft F, kann bei einer konstanten Größenordnung gehalten oder im vorstehend genannten Bereich variiert werden. Zudem kann der Zellenstapel einen oder mehrere Federeinsätze 158 einschließen, die sich zwischen benachbarten Zellen 154 befinden. Der Federeinsatz 158, der einen Schaumstoff, eine Metallfeder oder ein mit Gas gefülltes Druckelement einschließen kann, kann im Zellenstapel eingeschlossen sein, um die Verteilung der Druckkräfte im Zellenstapel zu verbessern.
In 18A–18C sind im Querschnitt verschiedene Ausführungsformen eines Federelements veranschaulicht, das zum Erzeugen von internen und externen Druckkräften in einer elektrochemischen Zelle verwendet werden kann. In einer Ausführungsform kann eine elektrochemische Dünnschichtzelle, wie diejenige, die in 1 veranschaulicht ist, um ein Kernelement gewickelt werden, das ein flexibles Metallelement 155 einschließt, das zwischen zwei dünnen Metallplatten 153, wie in 18A dargestellt, eingespannt ist. Die Verwendung eines Metallkernelements 156 sorgt für eine gleichbleibende Form und Leistungsfähigkeit im Laufe der Zeit, da eine derartige Struktur für ein mechanisches Kriechverhalten im Wesentlichen immun ist.
Die Verwendung eines elastomeren Kernelements gemäß einer anderen Ausführungsform bietet die Vorteile der Einfachheit bei der Fertigung, der Effizienz in der Zellenpackungskonfiguration, der verbesserten Druckverteilung und der relativ niedrigen Materialkosten. Eine elastomere Schaumstofffeder 157, wie diejenige, die in 16B veranschaulicht ist, sorgt für ein relativ großes Spiel in Bezug auf den Prozentanteil der ursprünglichen Größe der Feder, was für eine Volumen- und Gewichtserhaltung sorgt. Ein Schaumstoffkernelement 157 wird vor dem Wickeln des Dünnschichtzellmaterials um das Kernelement 157 vor der Zellfertigung anfänglich in einem zusammengedrückten Zustand von etwa 10 bis 40 Prozent in Bezug auf seine ursprüngliche Dicke gehalten. Der anfängliche zusammengedrückte Zustand erzeugt zusammendrückenden Druck in der Zelle, der während der aus dem Lade-/Entladezyklus resultierenden Volumenschwankungen in der Zelle in aller Regel im Bereich zwischen etwa 10 und 35 psi liegt.
Gemäß der in 18C veranschaulichten Ausführungsform kann ein mikrostrukturiertes elastomeres Extrusionselement 159 oder Formelement als das Kernelement in oder zwischen elektrochemischen Zellen eingesetzt werden, das eine verbesserte Steuerung von in den elektrochemischen Zellen erzeugten Kräften bereitstellen kann. Es ist klar, dass andere interne und externe krafterzeugende Mechanismen eingesetzt werden können, um die elektrochemische Zelle im Lade- und Entladezyklus in zusammengedrücktem Zustand zu halten. Zum Beispiel können die in 18A–18C dargestellten Federelemente als eine Flachfeder konfiguriert sein, die zwischen benachbarten oder ausgewählten Zellen in einem Zellenstapel und/oder zwischen einer Endzelle des Zellenstapels und einer feststehenden Wandstruktur angeordnet sein kann.
In einer Ausführungsform, in welcher ein Siliconschaumstoffelement mit einer Dicke von etwa 0,8 mm in den Kern einer elektrochemischen Dünnschichtzelle eingesetzt ist, beträgt die Gesamtdicke der elektrochemischen Zelle, einschließlich des Schaumstoffeinsatzes, etwa 5,86 mm. Das Schaumstoffkernelement wird einem Zusammendrücken zwischen etwa 10 bis 40 Prozent in Bezug auf seine ursprüngliche Dicke unterzogen, wenn der Ladezustand der Zelle zwischen 0% bzw. 100% variiert wird. Das Schaumstoffkernelement erzeugt entsprechende interne Druckkräfte, die zwischen etwa 10 bis 35 psi variieren.
In 19A–19B ist eine Lösung zum Halten eines Stapels elektrochemischer Zellen 164 in zusammengedrücktem Zustand im Lade-/Entladezyklus veranschaulicht. In der in 19A dargestellten Konfiguration ist ein Federmechanismus 166 neben einer von zwei Druckplatten 168 oder Sicherheitsbehälterwänden, zwischen welchen der Zellenstapel 164 eingespannt ist, angeordnet. Der Federmechanismus 166 übt eine Druckkraft auf die geladenen Zellen des Zellenstapels 164, wie in 19A dargestellt, aus. Während der Entladung reduziert sich die Dicke der Zellen um bis zu etwa 6 Prozent, wenn der Übergang von einem vollständig geladenen zu einem normalen entladenen Zustand stattfindet.
Der Federmechanismus 166 entspannt sich als Antwort auf die Gesamtreduktion in der Zellenstapeldicke während der Entladung in der Größe, um kontinuierlichen Druck auf den Zellenstapel 164 auszuüben. Es leuchtet ein, dass die Größenordnung des Zellenstapelversatzes X_D zwischen den Druckplatten 168 im Lade-/Entladezyklus erheblich sein kann. Beispielsweise kann ein Zellenstapel 164, der 64 prismatische elektrochemische Zellen einschließt, wie derjenige, der in 3A dargestellt ist, einem kumulativen Versatz X_D von etwa 18 bis 20 mm zwischen geladenem und entladenem Zustand aufweisen. Im Hinblick auf die beträchtliche Positionsverschiebung von einzelnen Zellen im Zellenstapel im Zellenzyklus werden Zellen des Zellenstapels durch einen einzelnen Federmechanismus 166 wie denjenigen, der in 19A dargestellt ist, wenngleich das erforderliche Niveau an Druckkräften bereitgestellt wird, einem beträchtlichen Grad an Positionsbewegung in einem Sicherheitsbehälter unterzogen.
In der in 20A–20B veranschaulichten Ausführungsform werden mehrere Federmechanismen im Zellenstapel 163 eingesetzt, um einen Versatz der Zellen 161 im Lade-/Entladezyklus zu minimieren. In einer Ausführungsform ist ein Federmechanismus in sämtliche der Zellen 161 des Zellenstapels 163 eingebracht, was die Positionsverschiebung von einzelnen Zellen 161 im Zellenzyklus vorteilhaft minimiert. Das Einbringen eines Federelements in eine Zelle 161 ist dabei hilfreich, den mittigen Ort der Zelle 161 in Bezug auf die Druckplatten 165 zu fixieren. Es ist anzunehmen, dass das Einbringen einer Feder in jede der Zellen 161 wahrscheinlich die relative Bewegung im Stapel 163 auf fast Null reduziert. Im Allgemeinen wird durch Minimieren der Größenordnung des Zellenversatzes im Zyklus die Komplexität der elektrischen und thermischen Zusammenschaltungen im Zellenstapel 163 minimiert und die Zuverlässigkeit und Nutzungsdauer des Zellenstapels 163 im Laufe der Zeit erhöht.
In Bezug auf 21 ist eine Ausführungsform einer Druckvorrichtung zum Halten eines Stapels 172 von elektrochemischen Zellen mit einer prismatischen Konfiguration in zusammengedrücktem Zustand in einem Modulgehäuse oder einem anderen Sicherheitsbehälter veranschaulicht. Gemäß dieser Ausführungsform wird durch die zusammenwirkende Verwendung von einem oder mehreren Riemen 178, gegenüberliegenden Druckplatten 176 und Flachfedern 173, die zwischen benachbarten elektrochemischen Zellen 174 angeordnet sind, Druck ziemlich gleichmäßig innerhalb des gesamten Zellenstapels 172 verteilt. Die Druckplatten 176, die durch die Riemen 178 gehalten werden, halten den zusammengedrückten Zustand der im Zellenstapel 172 verteilten Flachfedern 173. Man beachte, dass sich die Flachfedern 173 zwischen jeder der Zellen, wie in 21 dargestellt, befinden können, oder alternativ dazu selektiv zwischen nicht benachbarten Zellen wie z. B. zwischen jeder zweiten oder dritten Zelle angeordnet sein können. Eine Reduktion der Anzahl an Flachfedern 173 im Zellenstapel 172 führt allerdings zu einem erhöhten Zellenversatz im Lade-/Entladezyklus.
Das in 21 veranschaulichte Drucksystem sorgt für die kontinuierliche Aufbringung von Druckkräften im Zellenstapel 172 im Zellenzyklus. Es wird als erwünscht betrachtet, dass die Größenordnung der Druckkräfte im Zellenstapel 172 bei variierenden oder konstanten Niveaus im Bereich zwischen etwa 5 und 100 psi gehalten wird. Ferner wird die Gesamtleistungsfähigkeit des Moduls verbessert, wenn der erforderliche Druck über den großen Seitenflächen der Zellen mit Schwankungen von nicht mehr als etwa 10 psi über der Anwendungsoberfläche ziemlich gleichmäßig verteilt ist. Man beachte, dass der Zellenstapelbereich des in 21 dargestellten Moduls 170 durch Stützwände 176 eines Sicherheitsbehälters wie einer Innenhülle eines Modulgehäuses eingespannt sein kann. In einer Konfiguration, in welcher die Druckplatten 176 an den Wänden eines Sicherheitsbehälters anliegen, müssen die Riemen 178 nicht zum Zwecke des Einschränkens des aus Zunahmen im Zellvolumen während des Ladens resultierenden Versatzes der gegenüberliegenden Druckplatten 170 eingeschlossen sein.
Die 22–23 veranschaulichen eine Ausführungsform einer Riemenvorrichtung 180, die zum Einspannen einer Anzahl an als Stapel oder Bündel konfigurierten elektrochemischen Zellen besonders nützlich ist. Im Gegensatz zu einer Riemenvorrichtung, die in Bezug auf ihre Länge im Wesentlichen unelastisch ist, beinhaltet die in 22–23 dargestellte Riemenvorrichtung eine einzigartige Klemme 182, die die Wirksamkeit eines Zellenstapeldrucksystems deutlich verbessert. Die Riemenvorrichtung schließt zwei Bänder 180 ein, die jeweils C-förmige Enden 181 aufweisen. Eine Klemme 182 ist an ein Band 180 durch Verbinden der C-förmigen Enden 181 des Bands 180 mit entsprechenden C-förmigen Enden 184 der Klemme 182 angebracht. Es wird vorausgesetzt, dass die Bänder 180 um den Zellenstapel in einer wie in 21 dargestellten Weise angeordnet sind. Die Klemme 182 schließt ein sich integral an der Klemme 182 befindendes Scharnier ein, das auf einer Kontaktoberfläche 188 der Klemme 182 zusammenklappen kann, wenn es einer ausreichenden Kraft unterzogen wird.
Wird das Scharnier 186 der Klemme 182 auf der Kontaktoberfläche 188 zusammengeklappt, werden die C-förmigen Enden 184 der Klemme 182 zueinander hingezogen, was wiederum eine Kraft in den C-förmigen Enden der Bänder 180 erzeugt. Die Größenordnung der in den Bändern 180 durch Betätigung der Klemmen 182 herbeigeführten Kraft wird durch eine sich integral an den Klemmen 182 befindende sinuswellenförmige Feder 189 gemäßigt. Die sinuswellenförmige Feder 189 kann in Bezug auf die Form, Dicke und das Material derart konfiguriert sein, dass sie für einen gewünschten Entspannungs- und Rückstellungsbetrag der Riemenvorrichtung im Lade-/Entladezyklus der Zellen sorgt.
In einer Konfiguration, in welcher ein durch die Verwendung der in 22–23 dargestellten Riemenvorrichtung gehaltener Zellenstapel in einem Sicherheitsbehälter, wie der Innenhülle eines Energiespeichermodulgehäuses, angeordnet ist, gewährleistet der Kontakt zwischen dem Scharnier 186 der Klemme 182 und einer Wand des Sicherheitsbehälters, dass das Scharnier 186 in der zusammengeklappten Konfiguration gehalten wird.
Im Allgemeinen muss ein wirksames Drucksystem zum Erzeugen von Druckkräften in einem Stapel elektrochemischer Zellen im Lade-/Entladezyklus auf den Zellen kontinuierlich Druck herbeiführen. Idealerweise wäre es erwünscht, dass die im Zellenstapel entwickelten Druckkräfte im Zellenzyklus auf konstantem Niveau bleiben. Es ist allerdings klar, dass die zum Zusammendrücken eines Federmechanismus erforderliche Kraft als Funktion von zunehmender Spannung zunimmt. Ungeachtet dieses physikalischen Grundsatzes kann die Geschwindigkeit, mit welcher die Spannung eines Federmechanismus als Antwort auf die zunehmende Kraft zunimmt, abgeändert werden.
Beispielsweise führt eine Verlängerung einer Feder zu einer Reduktion in der relativen in der Feder herbeigeführten Spannung. In einer Konfiguration, in welcher es erwünscht ist, Schaumstofffederelemente und -einsätze in einen Zellenstapel oder in einzelne Zellen einzubringen, weist eine Zunahme der relativen Größe der Schaumstofffederelemente eine nachteilige Wirkung auf die Zunahme der Gesamtlänge oder -größe des Zellenstapels auf, was wiederum das Volumen des Moduls oder Systems, in welchem sich der Zellenstapel befindet, erhöht.
Ein Drucksystem, das einen Riemen oder ein Band einsetzt, der/das den elektrochemischen Zellenstapel umgibt, kann allerdings einen relativ langen Federmechanismus im Riemen oder Band einschließen, was vorteilhaft das relative Federspiel reduziert. In der in 24 veranschaulichten Ausführungsform schließt ein Metallriemen 194 eine wellenartige Feder 198 ein, die, wenn sie unter Spannung gesetzt ist, bewirkt, dass die Druckplatten 194 Druckkräfte auf den Zellenstapel 192 ausüben. Gemäß dieser Konfiguration befindet sich der die Druckkraft im Zellenstapel 192 erzeugende Mechanismus außerhalb statt innerhalb des Zellenstapels 192. Die Länge des Bereichs 198 der wellenartigen Feder des Riemens 194 kann größer als, kleiner als oder gleich der Länge des Zellenstapels 192 sein.
Die relativ lange Federlänge der in 24 veranschaulichten Riemenvorrichtung führt zu einer beträchtlichen Reduktion im relativen Federspiel. Demzufolge wird die relative Spannung der Feder 198 sowie der unerwünschte Druckaufbau im Federmechanismus reduziert, wenn sich die Größe des Zellenstapels während des Ladens ausdehnt. Es ist klar, dass die in 24 veranschaulichte Spannfedervorrichtung unter Verwendung einer Anzahl an Schraubenfedern oder unter Verwendung von elastomerem Material ausgeführt werden kann und dass eine Kombination aus metallischen und elastomeren Federmaterialien ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden kann. Ferner leuchtet es ein, dass Schaumstoff oder andere Federelemente in den Zellenstapel und/oder in einzelne Zellen in Kombination mit einer sich extern am Zellenstapel befindenden Spannfedervorrichtung eingebracht werden können.
In manchen Anwendungen können die Wirkungen oder das Vorliegen eines Zellenversatzes im Zellenzyklus toleriert werden. In derartigen Fällen wäre aus der Sicht der Anordnung, Kosten und Zuverlässigkeit offenbar ein vereinfachtes Drucksystem mit einer geringeren Zahl oder weniger komplexen Federmechanismen vorteilhaft. In 25–26 ist eine Ausführungsform eines Drucksystems veranschaulicht, das einen Blattfedermechanismus 200 einschließt, der das erforderliche Niveau an Druckkraft auf einen elektrochemischen Zellenstapel 201 bereitstellt. Der Blattfedermechanismus 200 schließt eine Druckplatte 204 neben einer Endzelle des Zellenstapels 201 und ein Federelement 202 in Kontakt mit der Druckplatte 204 ein. Die Enden des Federelements 202 liegen an einer Wand 206 eines Sicherheitsbehälters an, sodass sich der Blattfedermechanismus 200 zwischen der Sicherheitsbehälterwand 206 und dem Zellenstapel 201 befindet.
In einer Ausführungsform schließt die Druckplatte 204 eine Kontaktplatte mit einem Oberflächenbereich von etwa 130 mm × 130 mm ein, bei welchem es sich in etwa um den Oberflächenbereich der großen Seitenfläche der Zellen des in 25–26 dargestellten Zellenstapels 201 handelt. Die Veranschaulichung von 25 stellt den Zellenstapel 201 in einem vollständig geladenen Zustand dar, wobei der Blattfedermechanismus 200 einen Druck von etwa 65 psi über einen aktiven Oberflächenbereich von etwa 26,2 Zoll² ausübt. Man beachte, dass der veranschaulichte Zellenstapel 201 wie derjenige von 3A 64 einzelne elektrochemische Zellen einschließt und dass der Zellenstapel 201 im Zellenzyklus einem Gesamtversatz von etwa 18 bis 20 mm unterworfen ist. Dieser Versatz kann durch Einsatz eines Blattfedermechanismus 200 an jedem Ende des Zellenstapels 201 um etwa 50% reduziert werden.
Die Darstellung von 26 zeigt den elektrochemischen Zellenstapel 201 in vollständig geladenem Zustand, der während des Ladens bewirkt, dass das Federelement 202 in die Sicherheitsbehälterwand hineingedrückt wird. In dieser Konfiguration übt der Blattfedermechanismus 200 einen Druck von etwa 85 psi auf den Zellenstapel 201 aus. Man beachte, dass das Federelement 202 des Blattfedermechanismus 200 z. B. eine einzelne Feder, mehrere geschachtelte Federn oder eine Flechtfeder einschließen kann. Ferner muss die Druckplatte 204 kein vollwandiges Element sein, sondern kann eine Anzahl an Perforationen einschließen, um die Masse der Druckplatte 204 zu reduzieren. Ferner kann ein elastisches Band oder eine Metallwellfeder derart eingebracht werden, dass sie den Zellenstapel 201 und die Druckplatte 204 umfasst.
In Bezug auf 27A–27C ist eine andere Ausführungsform eines Drucksystems veranschaulicht, das einen Blattedermechanismus 220 einschließt, der eine geschachtelte Feder 222 einsetzt. Der Blattedermechanismus 220 schließt ferner eine Druckplatte 224 ein, die, wie am besten in 27C dargestellt, eine Anzahl an Rippen 229 einschließt, wobei zwischen benachbart angeordneten Rippen 229 ein Kanal gebildet wird. Die geschachtelte Feder 222 ist derart gebildet, dass sie eine Anzahl an Schlitzen 228 einschließt, von denen jeder mit einer der an der Druckplatte 224 bereitgestellten Rippen 229 verbunden ist.
Der geschachtelte Blattedermechanismus 220 erzeugt eine kontinuierliche Kraft, die im Lade-/Entladezyklus der Zelle auf den elektrochemischen Zellenstapel 221 ausgeübt wird. Volumenänderungen im Zellenstapel 221 werden durch gleitenden Eingriff zwischen der geschlitzten geschachtelten Feder 222 und den gerippten und/oder mit Kanälen versehenen Oberflächen der Druckplatte 224 angepasst. Es leuchtet ein, dass diese Schlitz- und Rippenanordnung als Antwort auf eine Positionsverschiebung der den elektrochemischen Zellenstapel 221 bildenden Zellen für einen zuverlässigen gleitenden Eingriff zwischen der geschachtelten Feder 222 und der Druckplatte 224 sorgt.
In 27D ist eine andere Ausführungsform eines Blattfedermechanismus 230 veranschaulicht, der eine kontinuierliche Druckkraft auf eine Gruppe elektrochemischer Zellen erzeugt. Gemäß dieser Ausführungsform greift ein Federmechanismus 232 in eine Druckplatte 224 und ein Paar an gleitbaren Polstern 235 neben gegenüberliegenden Enden der Blattfeder 232 ein. Die gleitbaren Polster 235 sind an den gegenüberliegenden Enden der Blattfeder 232 angebracht und frei für eine Bewegung entlang einer Oberfläche einer Hülle oder eines Gehäuses 236. Alternativ dazu können die Polster 235 dauerhaft an der Gehäusewand 236 befestigt werden und können die gegenüberliegenden Enden der Blattfeder 232 derart geformt werden, dass sie eine Spirale einschließen, um das Gleiten der Blattfederenden über die Oberfläche der befestigten Polster 235 zu erleichtern. In diesen Konfigurationen erzeugt der Blatffedermechanismus 230 ohne die Verwendung von elastischen federnden Riemen die erforderlichen Druckkräfte auf den Zellenstapel. Es ist allerdings klar, dass elastische oder sonstige nachgiebige Riemen in Kombination mit dem in 27D dargestellten Blatffedermechanismus 230 eingesetzt werden können.
In der Ausführungsform des in 27E dargestellten Blatffedermechanismus 230 erstrecken sich ein Paar Riemen 233 von gegenüberliegenden Enden einer Blattfeder 232 und umspannen eine Druckplatte 243 und einen Stapel elektrochemischer Zellen. In dieser Konfiguration müssen die gegenüberliegenden Enden der Blattfeder 232 nicht in Kontakt mit einer Oberfläche der Hülle oder des Gehäuses 236 stehen. Die Blattfeder 232 setzt die Riemen 233 unter Spannung, was bewirkt, dass das Paar an gegenüberliegenden Druckplatten 234 Druckkräfte auf den Zellenstapel ausübt. Die Krümmung oder Wölbung der Blattfeder 232 verändert sich als Antwort auf Volumenänderungen im Zellenstapel, was zu einer begleitenden Abänderung in der durch die Blattfeder 232 erzeugten Federkraft führt.
In 27F ist eine Ausführungsform eines Doppelblattfedermechanismus 230 veranschaulicht, der in aller Regel an einem oder beiden Enden eines Zellenstapels angeordnet ist, aber zusätzlich oder alternativ dazu im Stapel elektrochemischer Zellen angeordnet sein kann. Gemäß dieser Ausführungsform sind die gegenüberliegenden Enden der beiden Blattfedern 232 miteinander verbunden und steht der Mittelpunkt von jeder Blattfeder 232 in Kontakt mit einer entsprechenden Druckplatte 234. Eine der Druckplatten 234 steht in Kontakt mit dem Stapel elektrochemischer Zellen, während die andere Druckplatte 234 mit einem Paar Riemen 233 verbunden ist, die den Zellenstapel umspannen. In dieser Konfiguration arbeitet das Paar Blattfedern 232 hintereinander zusammen, um den Stapel elektrochemischer Zellen in einem kontinuierlichen zusammengedrückten Zustand zu halten. Es ist klar, dass der Doppelblattfedermechanismus 230 ohne die Riemen 233 eingesetzt werden kann.
Wendet man sich nun 27G–27H zu, ist eine Ausführungsform einer krafterzeugenden Vorrichtung dargestellt, die eine Druckplatte 231 einschließt, an welcher eine Anzahl an Belleville-Federn oder Scheiben befestigt ist. Die Belleville-Federn 233 können durch die Verwendung eines Klebstoffs wie eines Epoxidklebstoffs an der Druckplatte 231 befestigt sein. Die Druckplatte 231 kann zwischen einer Wandstruktur eines Sicherheitsbehälters und einer Kontaktplatte, die in den Stapel elektrochemischer Zellen eingreift, eingesetzt sein. Eine oder mehrere mit Federn versehene Druckplatten 231 können eingebaut sein, wobei eine Kontaktplatte auf einer der beiden Seiten der Druckplatte 231 an verschiedenen Orten im Zellenstapel angeordnet ist.
In der in 271–27K veranschaulichten Ausführungsform kann eine Anzahl an Spiral- oder Schraubenfedern 241 an einer Druckplatte 237 angebracht sein. Verschiedene Typen von Federn 241 können eingesetzt werden, einschließlich einer Wellfeder 241a, die in 27J dargestellt und in aller Regel aus Stahlband gefertigt ist, und einer Schraubenfeder 241b, die in 27K dargestellt und in aller Regel aus einem Stahldraht gefertigt ist. Eine Kontaktplatte 239 greift in einen Stapel von Dünnschichtzellen auf einer ersten Oberfläche und in eine mit Federn versehene Druckplatte 237 an einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche ein. Kontinuierliche Druckkräfte werden durch den gemeinsamen Betrieb zwischen den einzelnen Federn 241 und der Druckplatte 237/Kontaktplatte 239 in Gegenwart einer Positionsverschiebung des Zellenstapels erzeugt.
27L–27N veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen eines balgartigen Mechanismus, der zum Erzeugen von kontinuierlichen und konstanten Druckkräften zum Halten eines Stapels elektrochemischer Zellen in zusammengedrücktem Zustand eingesetzt werden kann. Die in 27L–7N dargestellten Bälge sind in aller Regel mit einem Gas oder einer Flüssigkeit, welche(s) als Antwort auf Druck- und/oder Temperaturschwankungen die Phase wechselt, gefüllt. Ein Balgmechanismus vom Flüssigkeitstyp erzeugt eine Kraft, wenn das im Balg enthaltene Fluid von einer flüssigen Phase zu einer gasförmigen Phase wechselt. Diese Art von Balgmechanismus kann zum Erzeugen eines relativ konstanten Drucks auf den Zellenstapel über den gesamten Bereich an Zellvolumenschwankungen im Lade-/Entladenzyklus eingesetzt werden. Das Fluid innerhalb des Balgs kondensiert und verdampft, wenn der Balg zusammengedrückt bzw. entspannt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Stapel elektrochemischer Zellen, der in einer abgedichteten Hülle oder einem abgedichteten Gehäuse enthalten ist, durch Unterdrucksetzen des Gehäuses in einen zusammengedrückten Zustand versetzt werden. Das Gehäuse oder eine oder mehrere abgedichtete Kammern im Gehäuse können für die Zwecke des Unterdrucksetzens der Zellen mit einem Inertgas wie Stickstoff oder Argon unter Druck gesetzt werden. Der Druck des gasgefüllten Gehäuses kann im Zellenzyklus konstant gehalten oder variiert werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und wie vorher erörtert, wird ein Wärmeleiter als Verbesserung einer In-situ-Wärmeregelungsvorrichtung zum Mäßigen von Wärmeenergie in einer prismatische elektrochemische Hochenergie-Zellen enthaltenden Energiespeichereinrichtung eingesetzt. Ein Wärmeleiter oder Bus, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, sorgt vorteilhaft für eine wirksame Übertragung von thermischer oder elektrischer Energie zu und von einer Gruppe elektrochemischer Dünnschichtzellen, die im Laufe der Zeit zyklischen Volumenschwankungen oder einer Positionsverschiebung während der Verwendung unterworfen sind. Es leuchtet ein, dass das Bereitstellen eines kontinuierlichen Kontakts zwischen einem nachgiebigen Wärmeleiter und einer benachbart angeordneten wärmeleitenden Oberfläche oder wärmeleitendem Material zwingend erforderlich ist, um eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen der elektrochemischen Zelle und einem externen Wärmeregelungssystem zu erzielen.
Wie in den Ausführungsformen von 28–29 veranschaulicht, ist eine elektrochemische Zelle mit einem Wärmeleiter, wie einem C-förmigen Leiter 254, dargestellt in 29, versehen, der an die Zelle 240 an einem oder beiden der Anoden- und Kathodenkontakte 246 punktgeschweißt oder auf andere Weise angebracht ist. Ein Wärmeleiter 254 ist in aller Regel entlang der Länge des Kontakts 246 angeordnet und schließt in aller Regel eine elektrische Anschlussleitung ein, die für eine externe Konnektivität mit der Zelle 240 sorgt. Im Allgemeinen wird elektrischer Strom entlang der Länge des Kontakts 246 und durch eine Anschlussleitung geleitet, wobei eine Ausführungsform davon in 3C dargestellt ist. Zudem schließt der Wärmeleiter 254 einen nachgiebigen Bereich ein, der einen Wärmeflussweg zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen der Zelle 240 und einem wärmeleitenden Material oder einer wärmeleitenden Struktur, das/die neben der Zelle 240 angeordnet ist, bereitstellt.
In 28–29 ist eine Ansammlung von elektrochemischen Zellen 240 dargestellt, die in aller Regel in den Abmessungen je nach zulässigen Herstellungs- und Zusammenbautoleranzen variieren. Aufgrund derartiger Schwankungen und Wölbungen, die sich in aller Regel entlang einer Wand 242 eines Sicherheitsbehälters entwickeln, und anderen Fehlstellen, die der Wand 242 eigen sind oder in ihr herbeigeführt werden, wird in aller Regel eine Anzahl an Zwischenräumen 244 zwischen der Behälterwand 242 und einer Anzahl der elektrochemischen Zellen 240 entwickelt. Es ist einleuchtend, dass die Wärmeleitfähigkeit beim Auftreten eines Zwischenraums 244, der sich zwischen einem Zellenkontakt 246 und einer Wandstruktur 242, wie in 28 veranschaulicht, bildet, stark reduziert wird. Wenngleich ein nachgiebiges Wärmekompound die Wärmeleitfähigkeit in Gegenwart von kleinen Zwischenräumen 244 verbessern kann, sind derartige Verbindungen zum Bewahren der Wärmeleitfähigkeit über größere Zwischenräume 244 unwirksam.
Ein Wärmeleiter 254 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt einen nachgiebigen Bereich ein, der einen federnden Charakter aufweist. Der nachgiebige Bereich des Wärmeleiters 254 sorgt in Gegenwart einer relativen Bewegung zwischen der Zelle 240 und der Wandstruktur 242 vorteilhaft für einen kontinuierlichen Kontakt zwischen der Zelle 240 und einer feststehenden Struktur 242, wie einer Metallwandoberfläche, die neben der Zelle 240 angeordnet ist. Der federnde Charakter des Wärmeleiters 254 ermöglicht es, dass sich der Leiter 254 als Antwort auf Veränderungen in einem Abstand zwischen der Zelle 240 und der Behälterwandstruktur 242 ausdehnt und zusammenzieht und dem vorbeugt, dass sich Zwischenräume zwischen der Zelle 240 und der Wandstruktur 242 bilden. Man beachte, dass der Wärmeleiter 254 oder ein anderer Wärmeleiter, der die Übertragung von Wärme zwischen der Zelle 240 und einer wärmeleitenden Struktur oder einem wärmeleitenden Material 242 neben der Zelle 240 bewirkt, entlang nur einem oder beiden der Anoden- und Kathodenkontakte 246 verwendet werden kann.
Im Allgemeinen ist der Wärmeleiter 254 derart gebildet, dass er einen relativ hohen Grad an Dimensionsaufnahme bereitstellen kann, um Aufbautoleranzen beim Einbauen von elektrochemischen Zellen 240 zwischen im Wesentlichen feststehenden Stützstrukturen 242 eines Sicherheitsbehälters anzupassen. Der Wärmeleiter 254 weist auch einen relativ hohen Grad an Rückfederungsvermögen auf, um mögliche Wandverwerfungen und Schwankungen im Abstand zwischen den Zellen 240 und einer Wandstruktur 242 im Laufe der Zeit anzupassen.
Ein Wärmeleiter, der die vorstehend beschriebenen thermischen, elektrischen und mechanischen Vorteile bereitstellt, sollte aus einem Material gefertigt sein, das eine relativ hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweist. Das Material sollte gute Oberflächeneigenschaften zum Aufbauen von Kontakten sowohl mit einer separaten ebenflächigen Stützoberfläche als auch einer integralen Metallisierungsschicht, die auf den Anoden- oder Kathodenkontakten der elektrochemischen Zelle gebildet ist, aufweisen. Ferner sollte das zum Fertigen der Federkontakte des Wärmeleiters verwendete Material eine relativ geringe Druckkraft aufweisen, damit eine Beschädigung der Kanten der Zelle oder der Oberfläche der Wandstrukturen neben der Zelle vermieden wird. Auch sollten die Wärmeleiterkontakte derart konfiguriert sein, dass die Länge des Wärmeflusswegs minimiert und dennoch der Querschnittsbereich maximiert wird, um die Wärmeübertragungseigenschaften der Wärmeleiterkontakte zu optimieren.
Ein geeignetes Material zur Verwendung bei der Fertigung eines Wärmeleiters mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften ist reines Kupfer, wenngleich andere Metalle und Legierungen eingesetzt werden können. Es ist klar, dass der hier beschriebene Wärmeleiter als zweiteilige Leitervorrichtung betrachtet werden kann, die durch eine Metallisierungsschicht, die auf dem Anoden- oder Kathodenkontakt angeordnet ist, in Kombination mit dem Federbereich des Leiters gebildet ist. Alternativ dazu kann der Wärmeleiter als einzelner Federleiter betrachtet werden, der die Leitung sowohl von thermischer als auch von elektrischer Energie zu oder von der elektrochemischen Zelle erleichtert. In noch einer anderen Ausführungsform eines Wärmeleiters und wie am besten in 4 dargestellt, umfasst der Wärmeleiter eine Anzahl an seitlich versetzten Anoden- und Kathodenschichtoberflächen 73, 75 und die Anoden- und Kathodenkontakte 72, 74. In dieser Ausführungsform können einer oder beide der Anoden- und Kathodenkontakte 72, 74 direkt das wärmeleitende, elektrisch widerstandsfähige Material, das an der Wand eines Sicherheitsbehälters angeordnet ist, kontaktieren. Der nachgiebige Bereich des Wärmeleiters bildet die seitlich versetzte Anoden- und Kathodenschichtoberfläche 73, 75, die sich als Antwort auf eine relative Bewegung zwischen der Zelle und der Behälterwand durchbiegt.
In der in 30A–30D dargestellten Ausführungsform ist ein Wärmeleiter 254 derart gebildet, dass er einen im Wesentlichen C-förmigen Bereich einschließt, der eine gute Dimensionsaufnahme und gute Rückfederungseigenschaften aufweist. In 30A ist der Wärmeleiter 254 in entspanntem Zustand vor dem Anbringen an einen Kontakt 252 einer elektrochemischen Zelle 250 dargestellt. Der entspannte Zustand des Wärmeleiters 254 unterstützt den Prozess des Anbringens des Wärmeleiters 254 an der Zelle 250. Nach dem Anbringen des Wärmeleiters 254 an den Zellenkontakt 252 wird in aller Regel ein Reibevorgang am Wärmeleiter 254 durchgeführt, um zu gewährleisten, dass der Wärmeleiter 254 ordnungsgemäß zusammenklappt, wenn er in zusammengedrücktem Zustand zwischen die Wände einer einspannenden Struktur eingebaut wird.
Eine Voreinbaukonfiguration des Wärmeleiters 254 ist in 30B dargestellt. In 30C ist der Wärmeleiter 254 in zusammengedrücktem Zustand dargestellt, der in aller Regel auftritt, wenn die Zelle 250 zwischen den Wänden einer einspannenden Struktur eingebaut wird. Der Aufnahmebereich R_T stellt die Gesamtstrecke dar, in welchem der Wärmeleiter 254 zusammengedrückt werden kann, ohne dass seine Rückfederungseigenschaften erheblich reduziert werden. 30D veranschaulicht die Rückfederungseigenschaft des Wärmeleiters 254, die als Antwort auf eine relative Bewegung zwischen der Zelle 250 und den Wänden einer einspannenden Struktur, die am Wärmeleiter anliegt, herbeigeführt werden würde. Die Größenordnung des Rückfederungsversatzes in diesem veranschaulichenden Beispiel ist als das Maß R_S dargestellt.
Der in 30A–30D dargestellte Wärmeleiter 254 sorgt für eine Rückfederung im Bereich von etwa 1–3 mm, was ausreichend groß ist, die relative Bewegung von etwa 1–3 mm zwischen der elektrochemischen Zelle und einer benachbarten Wandstruktur zu kompensieren. Man beachte, dass ein Wärmeleiter mit einem im Wesentlichen C-förmigen Querschnitt und einem Höhennennwert von etwa 3 mm in der Wärmeleitfähigkeit als Funktion der Höhenabweichung, die aus Veränderungen im Kontaktbereich zwischen dem Wärmeleiter und der benachbarten Wand resultiertt, variiert.
Zum Beispiel wurde aufgezeigt, dass eine Höhenabweichung von +/-0,5 mm zu einer entsprechenden Leitfähigkeitsänderung im Bereich zwischen 450–575 W/m²C führt. Die Leitfähigkeit eines nicht zusammengedrückten Wärmeleiters mit einer Nennhöhe von 3 mm ohne Einbringung einer wärmeleitenden Verbindung beträgt etwa 200 W/m²C. Das Einbringen einer nachgiebigen thermischen Verbindung kann die Leitfähigkeitseigenschaften des Wärmeleiters während des Zusammendrückens und Entspannens des Leiters verbessern.
In Bezug auf 31A und 32 ist eine andere Ausführungsform eines Wärmeleiters mit einem im Wesentlichen C-förmigen Querschnitt und einschließend ein elastomeres Federelement, das im Wärmeleiter gehalten wird, veranschaulicht. Das elastomere Federelement verbessert im Allgemeinen die Rückfederungseigenschaften des Wärmeleiters und kann unter Verwendung von Ausgangsmaterialien wie zylinderförmigen elastomeren Schläuchen gefertigt werden. Ein elastomeres Federelement, wie das in 32 dargestellte Federelement 277, kann eine einfache Konfiguration aufweisen. Alternativ dazu kann ein komplexeres Federelement aus elastomerem Material, wie das in 31A dargestellte Federelement 276, ausgeführt sein. Der Wärmeleiter 274 schließt eine Hakenspitze 271 ein, die das elastomere Federelement 276/277 in der Wärmeleiterstruktur hält.
Die elastomere Feder 276 kann einen Isoliervorsprung 278 und einen Isolierstumpf 280 einschließen, was eine elektrische Isolierung für den Wärmeleiter 274 und den Kontakt 272 in Bezug auf die Leiter und Kontakte von benachbarten Zellen 270 bereitstellt. Zudem kann eine Arretierung 282 eingeschlossen sein, um ein übermäßiges Zusammenklappen oder ein mögliches Splittern des Wärmeleiters 274 zu verhindern. 32 veranschaulicht das dynamische Isoliervermögen der elastomeren Feder 276 beim Übergang zwischen dem nicht zusammengedrückten und dem zusammengedrückten Zustand.
In dieser Ausführungsform weist der Wärmeleiter 274 eine Höhe H₁ von etwa 4 mm bei einem anfänglichen zusammengedrückten Zustand auf. Unter mäßigem Zusammendrücken weist der Wärmeleiter 274 eine Höhe H₂ von etwa 3 mm auf. Befindet sich der Wärmeleiter 274 in vollständig zusammengedrücktem Zustand, sodass die Arretierung 282 in Kontakt mit der Innenfläche des oberen Bereichs der Feder 276 steht, weist der Leiter 274 eine Höhe von etwa 2 mm auf. Die Federelemente 276/277 weisen jeweils einen Durchmesser von etwa 3,8 mm auf.
Es ist klar, dass ein Wärmeleiter, der die hier beschriebenen mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften aufweist, derart gebildet werden kann, dass er federnde Bereiche mit Konfigurationen einschließt, die sich von denjenigen, die in den Figuren veranschaulicht sind, unterscheiden. Beispielsweise kann ein Wärmeleiter derart gebildet werden, dass er einen Federmechanismus mit einem im Wesentlichen C-förmigen, doppel-C-förmigen, Z-förmigen, O-förmigen, S-förmigen, V-förmigen oder fingerförmigen Querschnitt einschließt, was es ermöglicht, dass der Wärmeleiter sich ausdehnt und zusammenklappt, um Dimensionsabweichungen und eine Positionsverschiebung zwischen der Zelle und den Wänden einer die Zelle einspannenden Struktur auszugleichen.
Zum Beispiel kann ein S-förmiger Wärmeleiter wie derjenige, der in 31B dargestellt ist, werter modifiziert werden, wie in 31C dargestellt. Die in 31C dargestellte gestapelte S-förmige Wärmeleiterkonfiguration erhöht vorteilhaft die Anzahl an Wärmeleitungswegen zwischen der Zelle und einer benachbarten Wärmesenke. 31D veranschaulicht eine andere Ausführungsform eines Wärmeleiters, der zwei fingerförmige oder gebogene L-förmige nachgiebige Leiter 262 einschließt, die am Spritzmetallkontakt 264 der Zelle 268 befestigt sind. Ein elastomeres Element 266 befindet sich zwischen den zusammenklappbaren fingerförmigen Leitern 262, um ein übermäßiges Zusammenklappen der Leiter 262 zu verhindern.
31E veranschaulicht eine andere Ausführungsform eines Wärmeleiters, der an einer Anzahl von elektrochemischen Zellen 268 angebracht werden kann. Der Wärmeleiter 265 ist als flache Lage aus einem metallischen oder elektrisch leitenden Material konfiguriert. In dieser Ausführungsform spannt sich der Wärmeleiter 265 über die Anoden- und/oder Kathodenstromsammelkontakte 264 einer Anzahl von Zellen. Es ist ersichtlich, dass der Wärmeleiter 265 eine Anzahl der Zellen 268 parallelschaltet, wie acht Zellen 268, die z. B. eine Zellenpackung bilden. Strom wird entlang des Wärmeleiters 265 geleitet und in die und aus den parallelgeschalteten Zellen über einen elektrischen Kontakt oder eine elektrische Leitung (nicht dargestellt), die am Wärmeleiter 265 angebracht ist, übertragen. Wärme wird durch den Wärmeleiter 265 und zu einer Wärmesenke, wie der Wand einer Metallumhüllung, angeordnet neben dem Wärmeleiter 265, übertragen. Eine dünne Lage, z. B. aus Kunststoff oder Glimmer, kann sich zwischen dem Wärmeleiter 265 und der Wärmesenke befinden. Alternativ dazu kann die Wärmesenke derart behandelt werden, dass sie eine eloxierte Oberfläche oder ein anderes elektrisch widerstandsfähiges wärmeleitendes Material einschließt.
In 33 ist eine Seitenquerschnittansicht einer elektrochemischen Zelle 280 dargestellt, die einen Wärmeleiter 282 einschließt, der sich neben einer Wand 288 eines Sicherheitsbehälters mit einer Beschichtung oder Schicht aus wärmeleitendem elektrisch widerstandsfähigem Material 284 befindet. In dieser Konfiguration leitet der Wärmeleiter 282 Strom in die und aus der elektrochemischen Zelle 280 und schließt einen Leitungsbereich 286 ein, der für eine günstige Leitfähigkeit zu einem externen energieverbrauchenden Element und einer Ladeeinheit sorgt. Im Allgemeinen wird Strom vorzugsweise entlang dem Weg mit relativ geringem elektrischem Widerstand, der durch den Wärmeleiter 282 und die Leitung 286 definiert ist, als dem Weg mit relativ hohem elektrischem Widerstand, der durch den Wärmeleiter 282 und das Material oder die Schicht 284, die an der Wand 288 des Sicherheitsbehälters angeordnet ist, geleitet. Wärmeenergie wird effizient zwischen der Zelle 280 und der Wand 288 des Sicherheitsbehälters, beschichtet mit einem wärmeleitenden Material oder einer wärmeleitenden Schicht 284, über einen Wärmeflussweg, der zwischen dem Wärmeleiter 282 und der benachbarten Wandstruktur aufgebaut ist, übertragen.
In einer Ausführungsform kann die wärmeleitende Beschichtung 284 eine eloxierte Aluminiumbeschichtung bilden, die auf der Oberfläche eines Aluminiumgehäuses oder einer anderen Struktur 288 gebildet ist. Die wärmeleitende Beschichtung 284, die alternativ ein nachgiebiges Wärmekompound oder ein ebensolches Material, wie ein Epoxidmaterial, bilden kann, weist in aller Regel die Eigenschaften einer guten elektrischen Widerstandsfähigkeit und einer guten Wärmeleitfähigkeit auf. Ein dünnes Kunststofflagematerial kann z. B. zwischen der Zelle 280 und der Wand 288 angeordnet sein. Damit wird Wärmeenergie, die durch die Zelle 280 erzeugt oder darin eingebracht wird, effizient zwischen dem wärmeleitenden Material 284, dem Wärmeleiter 282 und der Zelle 280 übertragen, während Strom vorzugsweise entlang dem Spritzmetallkontakt des Wärmeleiters 282 und der Leitung 286 geleitet wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine aktive Wärmeaustauschervorrichtung eingesetzt werden, um die Wärmeregelung einer Gruppe elektrochemischer Hochenergie-Zellen, die in einem untergebrachten Energieerzeugungssystem angeordnet sind, zu verbessern. Wärmeenergie kann in den und aus dem Stapel von Zellen durch die Verwendung eines externen aktiven Wärmeübertragungssystems in Kombination mit einem Wärmeleiter, der an einem der beiden oder an beiden Anoden- und Kathodenkontakten der Zellen bereitgestellt ist, übertragen werden. Der Einsatz einer In-situ-Wärmeübertragungsvorrichtung des vorstehend beschriebenen Typs in Kombination mit einer externen aktiven Wärmeaustauschervorrichtung ist beim Regeln der Wärmeumgebung in einem hermetisch abgedichteten Energieerzeugungssystem besonders wirksam.
Das in 34 dargestellte energieerzeugende Modul 300 schließt z. B. einen Stapel von elektrochemischen Dünnschichtzellen 302 ein, die in einem hermetisch abgedichteten Sicherheitsbehälter (Behälterabdeckung nicht dargestellt) untergebracht sind. Der Sicherheitsbehälter 304 ist derart dargestellt, dass er einen gewundenen Fluidkanal 305 einschließt, durch welchen ein Wärmeübertragungsfluid läuft. Es wurde ermittelt, dass ein externes Wärmeregelungssystem des in 34 dargestellten Typs in Kombination mit gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruierten Wärmeleitern eingesetzt werden kann, um die internen Temperaturen von hermetisch abgedichteten Dünnschichtenergiespeichervorrichtungen, wie eines Moduls 300 oder einer eine Batterie bildenden Gruppe von Modulen 300, wirksam zu regulieren.
Die Wärmeregelung der im Modul 300 angeordneten elektrochemischen Zellen 302 wird durch Zirkulieren von Wärmeübertragungsfluid durch einen Mantel von 2 mm, der zwischen zwei Innenwänden des Moduls 300 gebildet ist, erzielt. Wärmeenergie wird zwischen den elektrochemischen Zellen und den Modulwänden durch Wärmeleiter des hier vorstehend beschriebenen Typs, die an den Zellen angebracht sind und in Wärmekontakt mit den Modulwänden stehen, übertragen. Die Geschwindigkeit, mit welcher Wärme von den Zellen abgeführt oder in diese eingebracht wird, hängt teilweise von der Temperatur und Fließgeschwindigkeit des durch den Mantel zirkulierenden Wärmeübertragungsfluids ab. Der mittlere Wärmeübertragungskoeffizient im Mantel liegt in aller Regel in der Ordnung von 620 W/m²K.
Zwei Ausführungsformen einer externen aktiven Wärmeaustauschervorrichtung zur Verwendung in einem energieerzeugenden Modul sind jeweils in 35–36 dargestellt. Es ist klar, dass 35–36 Strukturen des Moduls veranschaulichen, die in einer abgedichteten Umhüllung enthalten sind. Wie in 35–36 dargestellt, können ein oder mehrere externe Wärmeaustauscher 307 als Teil des Modulgehäuses 304 je nach Bedarf an verschiedenen Stellen und in verschiedenen Ausrichtungen integriert sein, wodurch die besondere Konfiguration des Moduls 300 erhalten wird. In der in 35 veranschaulichten Ausführungsform schließt ein Modul 300 einen in einem Gehäuse 304 untergebrachten Stapel elektrochemischer Zellen 302 ein. Das Gehäuse 304 schließt einen Wärmeaustauscher 307 ein, der als im Wesentlichen flache Platte mit einem Zwischenraum, durch welchen ein Wärmeübertragungsfluid läuft, konfiguriert ist. Ein Plattenwärmeaustauscher 307 kann auf einer oder mehreren Seitenoberflächen des Moduls 300 und/oder an der Bodenoberfläche des Moduls 300 durch die Verwendung eines Epoxidbindungsmaterials angebracht sein. Länge und Breite des Wärmeaustauschers 307 können derart eingestellt werden, dass ein einzelner Plattenwärmeaustauscher 307 zum Bereitstellen einer Wärmeregelung für mehrere eine Batterie bildende Module verwendet werden kann.
Einem Wärmeübertragungsfluid kann es ermöglicht werden, dass es durch Wärmeaustauscher 307 integral mit dem Boden und einer oder mehreren Seiten des Modulgehäuses 304 zirkuliert. Das Modulgehäuse 304 schließt in aller Regel vier horizontal ausgerichtete Ablenkplatten, ein, die im Mantel jeder Seite und des Bodens des Modulgehäuses 304 ausgerichtet sind. Eine nominale Fluidfließgeschwindigkeit durch den Modulmantel ist mit etwa 1 Liter pro Minute, mit einem Nenndruckabfall von etwa 2 psi, angegeben. Der Mantel kann unter einen negativen Druck von etwa 5 psi gesetzt werden. Der maximale Unterschied zwischen der Einlassfluidtemperatur und der Auslassfluidtemperatur sollte um nicht mehr als 8°C abweichen. Das Modulgehäuse 304 weist in aller Regel eine nominale Nennwärmeaustauscherkapazität in der Größenordnung von 400 Watt auf.
In einer Ausführungsform ist der Wärmeaustauscher 307 unter Verwendung einer bekannten an einer Aluminiumlage angewandten Löttechnik derart gefertigt, dass er einen Zwischenraum von 2 mm einschließt, der als Fluidkanal fungiert. Der Wärmeaustauscher 307 kann alternativ dazu als laminierte Struktur gefertigt sein, die einen Kühlfluidkanal enthält. Die Abmessungen des Wärmeaustauschers 307 sind derart ausgewählt, dass der Wärmeaustauscher 307 entweder mit einer Boden- oder einer Seitenoberfläche des Moduls 300 einrastet. Das Modulgehäuse 304 kann aus Aluminium gefertigt sein und schließt eine eloxierte Oberfläche mit einer Dicke von etwa 1,05 mm ein, die mit einer oder beiden der Anoden- und Kathodenkontakte der Zellen in Wärmekontakt steht.
Das Wärmeübertragungsfluid ist in aller Regel ein Gemisch aus Wasser und Ethylenglycol, wie ein 50%iges Gemisch. Alternativ dazu kann ein Kühlanlagenkühlmittel durch den Fluidkanal zirkuliert werden. Ein System, das ein Kühlanlagenkühlmittel statt eines Fluids auf Glycolbasis einschließt, kann in aller Regel einen kleineren und leichtgewichtigeren Kühler einsetzen als ein System auf Glycolbasis.
Jedes Modul 300 kann durch die Verwendung einer Anzahl an Temperatursensoren, die an verschiedenen Orten im Modulgehäuse 304 positioniert sind, überwacht werden, um die mittlere Temperatur des Moduls 300 an den verschiedenen Orten zu ermitteln. Diese Informationen sowie die Fluidfließgeschwindigkeit und andere einschlägige Informationen können von einem externen Pump-/Heizsystem verwendet werden, das die Temperatur und die Fließgeschwindigkeit des durch das Modulgehäuse 304 zirkulierten Wärmefluids modifiziert, um das Modul 300 bei einer optimalen Betriebstemperatur zu halten.
In 37–38 ist eine Ausführungsform eines energieerzeugenden Moduls 300 veranschaulicht, in welchem ein Folienwärmeleiter 306 zwischen gegenüberliegenden Seitenoberflächen von benachbart gelegenen Zellen 302 angeordnet ist. Der Folienwärmeleiter 306 ist in aller Regel aus einer Lage einer dünnen Metallfolie, wie einer Lage einer Aluminiumfolie mit einer Dicke von etwa 1 mm oder einer Edelstahlfolie mit einer Dicke von etwa 0,5 mm, gefertigt. Man beachte, dass die Dicke und andere Abmessungen des Folienwärmeleiters 306 auf der Basis der Wärmeregelungsanforderung einer bestimmten Anordnung von gestapelten elektrochemischen Zellen 302 ausgewählt werden kann.
Ein Bereich 308 des Folienwärmeleiters 306 ist an einer Oberfläche 310 des Modulgehäuses 304 befestigt, um einen Wärmeflussweg zwischen den Seitenflächen der elektrochemischen Zellen 302 und dem wärmeleitenden Gehäuse 304 bereitzustellen. Schaumstoff- oder Metallfederelemente 312 können sich an ausgewählten Positionen im Zellenstapel und zwischen einem unteren Bereich einer Zelle und dem Bereich 308 des an der Moduloberfläche 310 befestigten Folienwärmeleiters 306 befinden. Es leuchtet ein, dass die sich gegenseitig ergänzende Verwendung einer Wärmeleitervorrichtung des vorstehend beschriebenen Typs und der Folienwärmeleiter 306 für eine verbesserte Steuerung von Wärmeenergie, die in einen und aus einem Stapel elektrochemischer Zellen 302 geleitet wird, sorgt. Es leuchtet auch ein, dass mit der Verwendung eines aktiven Kühlsystems wie demjenigen, das in 34 dargestellt ist, die Wirksamkeit des Wärmeregelungssystems weiter verbessert werden kann.
In 39 ist ein Temperaturprofil eines Moduls unter einer Dauerenergiebedingung, die zu einer Wärmebeladung von etwa 3 W pro Zelle führt, veranschaulicht. Die in 39 wiedergegebenen Daten wurden durch eine Simulation eines Moduls erhalten, das einen Stapel von 60 elektrochemischen Dünnschichtzellen enthält. Es ist im Allgemeinen erwünscht, dass die Temperaturverteilung in einem Modul in einem angemessen engen Temperaturbereich im Wesentlichen gleichmäßig ist. Zum Beispiel kann eine gegebene Spezifizierung erfordern, dass eine maximal zulässige Temperatur um nicht mehr als 5°C im Modul abweichen darf. Die im Diagramm dargestellten Daten schließen Temperaturdaten, die für die Anode und die Kathode der Zellen erhalten wurden, und die Temperatur des in das und aus dem Modul laufenden Wärmeübertragungsfluids ein. Daten der mittleren Zellentemperatur und der maximalen Zellentemperatur sind ebenfalls grafisch dargestellt. Es ist ersichtlich, dass ein externes aktives Wärmeregelungssystem unter Verwendung einer Fremdkühlvorrichtung beim Einsatz zum Ergänzen einer In-situ-Wärmeübertragungsvorrichtung, die in einem einen Stapel elektrochemischer Zellen enthaltenden Modul bereitgestellt ist, maximale Zellentemperaturen in einem sicheren Temperaturbereich bewahrt, der um nicht mehr als 5°C abweicht.
Die Verwendung einer externen aktiven Wärmeaustauschervorrichtung in Kombination mit einer In-situ-Wärmeübertragungsvorrichtung des vorstehend beschriebenen Typs ist besonders wirksam, wenn die Wärmeumgebung in einem hermetisch abgedichteten energieerzeugenden System geregelt wird. In Bezug nun auf 40A und 41–42 ist eine hermetisch abgedichtete Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Eine Abdichtung dieses Typs kann eingesetzt werden, um eine hermetische Abdichtung zwischen einer Rohrleitung wie einer elektrischen Durchführung, die in einer Gehäuseabdeckung eines Energie erzeugenden Modulsbereitgestellt ist, und einem Durchgang im Gehäuse bereitzustellen. Energie- und Verbindungsleitungen können z. B. durch die Rohrleitung laufen, um externe Konnektivität mit elektronischen Komponenten, die in der hermetischen Umgebung eines untergebrachten Moduls enthalten sind, bereitzustellen.
Die in 40A und 41–42 dargestellte hermetische Abdichtung 420 schließt einen ersten Abdichtungskörper 422 mit einem mittigen Durchgang, der sich in allgemeiner Übereinstimmung mit einem durch eine im Wesentlichen ebenflächige Platte 421, wie einer Abdeckung eines Energiespeichermodulgehäuses bereitgestellten Lochs befindet, ein. Ein zweiter Abdichtungskörper 424 der Abdichtung 420 schließt ebenfalls einen mittigen Durchgang ein, der sich in allgemeiner Übereinstimmung mit dem Loch der Abdeckung 421 und dem mittigen Durchgang des ersten Abdichtungskörpers 422 befindet. Der erste Abdichtungskörper 422 ist an einer oberen Oberfläche der Abdeckung 421 angeordnet, und der zweite Abdichtungskörper 424 ist an einer unteren Oberfläche der Abdeckung 421 angeordnet.
In einer Ausführungsform schließt der erste Abdichtungskörper 422 einen Kranz 433 ein, der sich durch das Loch der Abdeckung 421 erstreckt und gegen eine Innenfläche 439 des Lochs drückt. Der Kranz 433 schließt eine sich verjüngende Innenfläche 438 ein, die sich weg von dem mittigen Durchgang des ersten Abdichtungskörpers 422 verjüngt. Der zweite Abdichtungskörper 424 schließt eine Rille 435 mit einer inneren sich verjüngenden Oberfläche 440 ein, die sich zum mittigen Durchgang des zweiten Abdichtungskörpers 424 hin verjüngt.
Wie am besten in den vorher abgedichteten und nachher abgedichteten Darstellungen, die in 41 bzw. 42 dargestellt sind, veranschaulicht, ist der Kranz 433 des ersten Abdichtungskörpers 422 von der im zweiten Abdichtungskörper 424 bereitgestellten Rille 435 aufgenommen, sodass die sich verjüngenden Oberflächen 438, 440 des ersten und des zweiten Abdichtungskörpers 422, 424 gleitbar ineinander eingreifen, wenn der Kranz 433 in die Rille 435 gezwängt wird. Der Eingriff von gegenüberliegenden sich verjüngenden Oberflächen 438, 440 des ersten und des zweiten Abdichtungskörpers 422, 424 in vollständig eingebauter Konfiguration zwingt einen Bereich 437 der Außenfläche des Kranzes 433 zum Kaltfluss zur Innenfläche 439 des in der Abdeckung 421 bereitgestellten Lochs. Dem Fachmann leuchtet es ein, dass der Kaltfluss von einem Material zu einem anderen Material eine extrem dichte Abdichtung zwischen zwei Materialien bildet. Damit wird zwischen der Innenfläche 439 des Lochs und des Kranzes 433 durch gleitbaren Eingriff zwischen dem Kranz 433 des ersten Abdichtungskörpers 422 und der im zweiten Abdichtungskörper 424 bereitgestellten Rille 435 eine hermetische Abdichtung bereitgestellt.
Wie ferner in 40A, 41–42 dargestellt, läuft eine Rohrleitung 426 mit einem ersten Ende 423 und einem gegenüberliegenden zweiten Ende 427 durch das Loch in der Abdeckung 421 und die mittigen Durchgänge des ersten und des zweiten Abdichtungskörpers 422, 424. Die Rohrleitung 426 schließt einen mittigen Durchgang ein, durch welchen elektrische Verbindungsleitungen in die innere hermetische Umgebung eines Modulgehäuses, an welchem eine Abdeckung 421 angebracht ist, laufen können. Die Rohrleitung 426 schließt einen Flansch 425 ein, der sich aus dem ersten Ende 423 der Rohrleitung 426 erstreckt und mit einer Oberfläche des ersten Abdichtungskörpers 422 in Kontakt steht. Die Rohrleitung 426 weist einen Durchmesser auf, der im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der mittigen Durchgänge des ersten und des zweiten Abdichtungskörpers 422, 424 steht, sodass eine Außenfläche 442 der Rohrleitung 426 eine dichte, glatte Passung mit den Innendurchmesserflächen des ersten und des zweiten mittigen Abdichtungskörperdurchgangs bildet.
Ein Bereich des zweiten Endes 427 der Rohrleitung 426 ist gewunden, sodass eine Nut 434 daran befestigt werden kann. Die Abdichtung 420 schließt auf eine Sicherungsscheibe 428 ein, die an einer unteren Oberfläche des zweiten Abdichtungskörpers 424 anliegt. Eine Wellenscheibe 430 ist zwischen der Sicherungsscheibe 428 und einer zweiten Sicherungsscheibe 432 angeordnet. Eine Nut 434, die an der zweiten Sicherungsscheibe 432 anliegt übt eine axial gerichtete Druckkraft auf die Elemente der hermetischen Abdichtung 420 aus, wenn die Nut 434 an dem gewundenen zweiten Ende 427 der Rohrleitung 426 festgezogen wird.
Wie am besten in 42 ersichtlich, bewirkt eine Druckkraft F_C, die durch die festgezogene Nut 434 erzeugt wird, dass die Wellenscheibe 430 zusammengedrückt wird, was wiederum die sich nach innen verjüngende Innenfläche 440 des zweiten Abdichtungskörpers 424 in gleitbaren Eingriff mit der sich nach außen verjüngenden Innenfläche 438 des ersten Abdichtungskörpers 422 zwängt. Die Aufbringung der Druckkraft F_C treibt die Innendurchmesseroberfläche 431 des zweiten Abdichtungskörpers 424 nach innen zur Außenfläche 422 der Rohrleitung 426. Der gleitbare Eingriff zwischen den beiden sich verjüngenden Oberflächen 438, 440 treibt ebenfalls einen Bereich 437 des Kranzes 433 in dichten Eingriff mit der Innenfläche 439 des in der Abdichtung 421 bereitgestellten Lochs. Nach Festziehen der Nut 434 zum Erzeugen eines geeigneten Niveaus an Druckkraft F_C fährt die Wellenscheibe 430 damit fort, die Druckkraft F_C aufzubringen, sodass die Integrität der hermetischen Abdichtung 420 über die Betriebsdauer der Abdichtung beibehalten wird.
Es ist klar, dass die Druckkraft F_C durch eine andere Befestigungsvorrichtung als diejenige, die in 40A dargestellt ist, erzeugt werden kann. Beispielsweise kann eine gefederte Sicherheitsmetallsperrklinke als eine Alternative für die gewundene Nut 434 verwendet werden. Andere Rückhalteeinrichtungen, die in der Lage sind, eine kontinuierliche Druckkraft F_C aufrecht zu halten, können ebenfalls eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform ist das in der Abdeckung 421 bereitgestellte Loch kreisförmig und weisen der erste und der zweite Abdichtungskörper 422, 424, sowie die Rohrleitung 426 jeweils eine Geometrie auf, die mit der Geometrie des durch die Abdeckung 421 bereitgestellten Lochs übereinstimmt. Es ist klar, dass eine hermetische Abdichtung, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, eine andere Konfiguration als diejenige, die in den Figuren veranschaulicht ist, aufweisen kann, und dass die Konfiguration der Abdichtung derart modifiziert werden kann, dass sie der Geometrie des in der Abdeckung 421 bereitgestellten Durchgangs entspricht.
In einer Ausführungsform ist die Abdeckung 421 aus einem Metallmaterial wie Aluminium konstruiert, und sind der erste und der zweite Abdichtungskörper 422, 424 aus einem Kunststoffmaterial wie Polypropylenkunststoff gefertigt. Die Rohrleitung 426 kann aus einem Metall- oder Kunststoffmaterial gefertigt sein. Man beachte, dass die Zwischenräume 446, 447 im ersten bzw. zweiten Abdichtungskörper 422, 424 bereitgestellt sein können, um eine Positionsverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Abdichtungskörper 422, 424, die aus einem erzwungenen Eingriff der beiden sich verjüngenden Oberflächen 438, 440 herbeigeführt wird, auszugleichen. Auch kann eine Kerbe 451 im ersten Abdichtungskörper 422 bereitgestellt sein, um die Bewegung des Kranzes 433 in einer Richtung zur Innenfläche des Lochs der Abdeckung 421 hin als Antwort auf den gleitbaren Eingriff zwischen den beiden sich verjüngenden Oberflächen 438, 440 zu erleichtern.
Eine alternative hermetische Abdichtungsvorrichtung oder Durchführung ist in 40B–40C dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform ist eine hermetische Abdichtung hauptsächlich durch einen O-Ring 464 bereitgestellt, der zwischen einen mit einem Flansch versehenen Leiter oder Pol 462 und einer Wand oder Abdeckung 468 des Modulgehäuses gepresst ist. Ein phenolischer Träger 466 hält den mit einem Flansch versehenen Leiter 462 in konstantem Abstand von der Abdeckung 468, wodurch ein Hohlraum gebildet wird, dessen Abmessungen im Laufe der zeit stabil sind. Diese Anordnung verhindert ein Fließen des O-Ringmaterials im Laufe der zeit und bei hoher Temperatur.
Ein Polypropylenring 470 und eine Hülse 472 isolieren elektrisch den Bodenbereich der Durchführung von der Abdeckung 468. Im Gegensatz zu dem phenolischen Ringmaterial behält Polypropylen seine höchste Durchschlagfestigkeit selbst dann bei, nachdem es einer Bogenbildung unterzogen wurde. Man beachte, dass eine Bogenbildung in aller Regel, wenn überhaupt, zwischen dem O-Ring 464 und der Polypropylenhülse 472 auftritt. Ein anderer Vorteil der Verwendung von Polypropylenmaterial für den Ring 470 und die Hülse 472 liegt darin, dass es einen Reibungskoeffizienten bereitstellt, der ausreichend ist, zu verhindern, dass sich die Anordnung dreht, wenn sie dem Drehmoment unterzogen wird, das erzeugt wird, wenn Drähte an die mit einem Flansch versehenen Leiter 462 angeschlossen werden. Die Belleville-Feder 474 wird abgeflacht, wenn die Durchführung gequetscht wird. Die Belleville-Feder 474 gewährleistet, dass die Anordnung selbst dann unter Druck gehalten wird, wenn das Polypropylen im Laufe der zeit fließt. Die Metallscheibe 476 unterstützt die gleichmäßige Verteilung von Druck über der Oberfläche des Polypropylenrings 470.
Im Allgemeinen weist die vorstehend beschriebene hermetische Abdichtungsvorrichtung eine hohe Durchschlagfestigkeit zwischen der Gehäuseabdeckung oder -wand und einem Energieleiter, der durch die Abdeckung läuft, auf. Energiepolspannungen in der Größenordnung von 2.000 V können ohne Auftreten einer Bogenbildung erzielt werden. Die dichte Abdichtung (z. B. 10^–8 ccatm/Sek.) wird selbst dann aufrecht erhalten, wenn sie mechanischen Belastungen unterzogen wird. Die hermetischen Abdichtungen weisen auch eine gute Drehmomentwiderstandsfähigkeit und gute mechanische Widerstandsfähigkeit auf.
In 43 ist eine Explosionsansicht eines energieerzeugenden Moduls 500 veranschaulicht, das viele der vorteilhaften Merkmale, die hier vorstehend beschrieben wurden, einbringt. Das Modul 500 schließt eine Innenhülle 501 ein, die einen Stapel 505 von elektrochemischen Zellen 521 und verschiedene elektronische Tafeln enthält. Eine Innenhüllenabdeckung 508 beinhaltet eine hermetische Abdichtung 515, wie diejenige, die vorstehend in Bezug auf 40–42 beschrieben wurde, die verschiedene in der Innenhüllenabdeckung 508 bereitgestellte Durchführungen abdichtet.
Gemäß einer Ausführungsform schließt das Modul 500 einen Stapel 505 von elektrochemischen Zellen 521 ein, die durch die Verwendung einer Schalttafel 504 verschaltet sind. Der Stapel 505 von elektrochemischen Zellen 521 ist in sechs Zellenpackungen 525 abgesondert, wobei alle davon durch die Verwendung von zwei Bändern 527 und zwei gegenüberliegenden Endplatten 529 aneinander gebunden sind. Die 48 elektrochemischen Zellen 521 werden einer kontinuierlichen Druckkraft unterzogen, die durch die Verwendung der Bänder 527/Endplatten 529 und eines Schaumstoff- oder Federelements, das in oder neben jeder der Zellen 521 angeordnet ist, erzeugt wird. Jede elektrochemische Zelle 521 schließt einen Wärmeleiter ein, der jeweils an eine oder beide der positiven und negativen Zellenkontakte punktgeschweißt oder auf andere Weise angebracht ist.
Die positiven und negativen Kontakte der Wärmeleiter tragen Strom von den Zellen 521 zu der Schalttafel 504. Die Wärmeleiter leiten auch Wärme von den Zellen zu einer Metallinnenhülle 501, die als Wärmesenke dient. Die Wärmeleiter schließen einen Federbereich ein, der sich verformt, wenn die Zelle 521 in die Innenhülle 501 eingesetzt wird, wobei Toleranzen in der Zellenlänge und Veränderungen in den Abständen zwischen den Zellen 521 und der Innenhülle 501 ausgeglichen werden.
Die Innenhülle 501 weist eine Dicke von etwa 1 mm auf und ist aus tiefgezogenem Aluminium gefertigt. Die Innenseiten der Aluminiuminnenhülle 501 schließen eine eloxierte Beschichtung mit einer Dicke von etwa 0,64 mm ein. Die eloxierte Oberfläche der Innenhülle 501 stellt eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Zellen 521 bereit, sorgt aber dennoch für die effiziente Übertragung der von den Zellen 521 gebildeten Wärme durch Kontakt mit den nachgiebigen Zellenleitern. Im Falle einer Edelstahlhülle kann eine dünne Lage aus Kunststoff oder einem Material auf Mineralbasis neben der Hüllenwand angeordnet sein.
Die Schalttafel 504 befindet sich über dem Zellenstapel 505 und schließt eine Steuerschaltung für jede der entsprechenden sechs Zellenpackungen 525, die den Zellenstapel 505 bilden, ein. Jede Zellenpackungssteuereinheit 513 schließt eine Kurzschlussschutzeinrichtung 507, eine Umführungseinrichtung und einen Ausgleichskreislauf ein, die zusammenarbeiten, um den Betrieb der Zellenpackung 525 während des Ladens und Entladens zu steuern. Demzufolge wird jede der Zellenpackungen 525 durch eine entsprechende Zellenpackungssteuereinheit 513 überwacht und gesteuert. Eine Steuertafel 506, die sich über der Schalttafel 504 befindet, schließt einen Prozessor ein, der jede der sechs Zellenpackungssteuereinheiten 513 überwacht und steuert. Damit sorgt die Steuertafel 506 für eine Zellenpackungs- und Modulniveauüberwachung und -steuerung während des Lade- und Entladebetriebs.
Ein Paar Schnellverbinder 517 läuft durch entsprechende Löcher, die in einer Innenhüllenabdeckung 508 bereitgestellt sind, und dient als die Hauptenergiepole des Moduls 500. Die Schnellverbinder 517 sind an der Innenhüllenabdeckung 508 unter Verwendung einer Abdichtungsvorrichtung 515 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung hermetisch abgedichtet. Wird die Außenhüllenebdeckung 512 auf der Innenhüllenabdeckung 508 positioniert, werden die Schnellverbinder 517 in einem Buchsenpaar 519, das an der Schalttafel 504 bereitgestellt ist, aufgenommen. Verbindungsverbinder 511, die durch die Innenhüllenabdeckung 508 laufen und gleichermaßen hermetisch daran abgedichtet sind, stellen einen externen Zugang zur Steuertafel 506 und anderen elektronischen Tafeln des Moduls 500 bereit.
Eine hermetische Abdichtung ist zwischen der Innenhülle 501 und der Innenhüllenabdeckung 508 durch Schweißen der Innenhüllenabdeckung 508 an den oberen teil der Innenhülle 501 bereitgestellt. Die abgedichtete Innenhülle 501 wird dann in eine Außenhülle 502 eingesetzt. Die Außenhülle 502 ist aus Glas gefertigt, das durch die Verwendung eines Spritz- oder Pressgussverfahrens mit Polypropylen gefüllt ist, und weist eine Dicke von etwa 2 mm auf. Die Außenhülle 502 schließt an drei Seiten der Innenfläche Rippen ein, die Fließkanäle bilden, wenn die Außenhülle 502 zum Zwecke des Transportierens eines Wärmeübertragungsfluids zwischen der Innen- und der Außenhülle 501, 502 eingebaut ist. Kühlleitungen können alternativ dazu mit der Innenhülle 501 ohne die Notwendigkeit einer Außenhülle 502 in Kontakt gesetzt werden. Die Außenhüllenabdeckung 512 ist an das obere Teil der Außenhülle 502 vibrationsgeschweißt. Fluidverbinder 520 sind an der Außenhüllenabdeckung 512 angeordnet und sorgen für den Fluss des Wärmeübertragungsfluids in das und aus dem Modul 500.
In Bezug nun auf 44–48 und gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Energiespeichermodul eine Schalttafel 630 einschließen, die in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse des vorstehend beschriebenen Typs angeordnet ist. Es ist klar, dass die hermetische Abdichtung des Moduls nicht immer unbedingt von der Betriebsumgebung des Moduls abhängt, und damit kann die Schalttafel in ein nicht hermetisch abgedichtetes Gehäuse eingebaut werden.
Wie in 44 dargestellt, schließt das Energiespeichermodul 635 eine Anzahl an einzelnen elektrochemischen Zellen 650 ein, die in einer Stapelkonfiguration 646 angeordnet sind und sich in einem Gehäuse 648 befinden. Jede der elektrochemischen Zellen 650 schließt ein Paar elektrische Leitungen 652 ein, die an gegenüberliegenden Kanten der Zellen 650 angeordnet sind. Es leuchtet ein, dass ein generischer Stapel 646 von elektrochemischen Zellen 650 in verschiedenen Parallel- und Reihenbeziehungen geschaltet werden kann, um gewünschte Nennströme und Nennspannungen zu erzielen. Zum Erleichtern einer selektiven Reihen- oder Parallelkonnektivität im Stapel 646 von elektrochemischen Zellen 650 befindet sich im Gehäuse 648 eine Schalttafel 630.
Die Schalttafel 630 schließt ein Schaltmuster oder ein Leitfähigkeitsraster 632 ein, das, wenn die Tafel 630 im Gehäuse 648 eingebaut wird, die elektrochemischen Zellen 650 gemäß einer vorher errichteten Schaltkonfiguration schaltet. Das Schaltmuster oder -raster 632 wird in aller Regel an einer Lage eines Isoliermaterials 634 wie eines im Wesentlichen starren Kunststoff- oder Laminatmaterials befestigt oder auf andere Weise daran gebunden. Eine Anzahl an elektrischen und elektromechanischen Komponenten kann ebenfalls an der Schalttafel 630 angebracht sein.
Wie in 44 z. B. dargestellt, schließt die Schalttafel 630 eine Anzahl an Sicherungspackungen 640, Ausgleichs- und Umführungseinrichtungen 642 und positive und negative Energiepole 638, 636 ein. Es ist klar, dass beliebige oder sämtliche der Komponenten, die sich auf der Schalttafel 630 befinden, an anderen Tafeln oder Plattformen als die Schalttafel 630 angebracht werden und sich innerhalb oder außerhalb des Modulgehäuses 648 befinden können. In einer Ausführungsform sind die in 44 dargestellte Schalttafel und die elektrochemischen Zellen 650 in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse 648 wie demjenigen, das vorstehend in Bezug auf 40-43 beschrieben ist, angeordnet.
Wie am besten in 45 veranschaulicht, schließt die Schalttafel 630 in aller Regel eine gemusterte leitende Oberfläche 632 ein, die vorteilhaft für die Schaltung von autonomen elektrochemischen Zellen 650 gemäß einem vorher erstellten Schaltplan sorgt. Ein deutlicher Vorteil, der durch Einsatz einer Schalttafel 630 mit einer gemusterten Schaltoberfläche 632 realisiert wird, betrifft die Flexibilität, durch welche ein gewünschter Nennstrom und eine gewünschte Nennspannung ungeachtet und ohne Unterbrechung der Position von einzelnen elektrochemischen Zellen 650 in Bezug zueinander im Gehäuse 648 erzielt werden kann.
Beispielsweise und mit besonderem Bezug auf 45–46 wird die Schaltoberfläche 632 der Schalttafel 630 selektiv gemustert, um eine gewünschte Zellenschaltungskonfiguration zu erzielen. In dieser Ausführungsform schließt die Schaltoberfläche 632 eine Anzahl an elektrisch isolierten Schaltbereichen ein, die vorher derart erstellt wurden, dass sie mit positiven und negativen Kontakten 652 einer bestimmten Anzahl an elektrochemischen Zellen 650 elektrisch geschaltet werden. Gemäß dieser veranschaulichenden Ausführungsform sind sieben isolierte Schaltbereiche R₁–R₇ derart dargestellt, dass sie die gemusterte Schaltoberfläche 632 der Schalttafel 630 bilden.
Wird die Schalttafel 630 im Gehäuse 648 und neben dem elektrochemischen Zellenstapel 646 eingebaut, kommen die elektrischen Kontakte 652 einer ersten Gruppe elektrochemischer Zellen 650 mit dem Schaltbereich R₁ an einem Ort 654a in Kontakt. Der gegenüberliegende Satz von elektrischen Kontakten 652 der ersten Gruppe elektrochemischer Zellen 650 kommt in elektrischen Kontakt mit dem Schaltbereich R₂ an einem Ort 654b. In dieser Konfiguration ist der Schaltbereich R₁ an den negativen Energiepol 636 elektrisch geschaltet.
In einer zweiten Gruppe elektrochemischer Zellen 650 ist ihr jeweiliger gegenüberliegender Satz an elektrischen Kontakten 652 an die Schaltbereiche R₃ und R₂ an den Orten 656a bzw. 656b geschaltet. In einer dritten Gruppe elektrochemischer Zellen 650 sind ihre jeweiligen gegenüberliegenden elektrischen Kontakte 652 an die Schaltbereiche R₃ und R₄ an den Orten 658a bzw. 658b geschaltet. In nachfolgenden Gruppen von elektrochemischen Zellen 650 sind ihre jeweiligen gegenüberliegenden Kontakte 652 an die Schaltbereiche R₅, R₆ und R₇ in ähnlicher Weise geschaltet. Man beachte, dass der Schaltbereich R₇ an den positiven Energiepol 638 elektrisch geschaltet ist.
Es ist klar, dass eine beliebige Anzahl an Schaltbereichen von variierender Konfiguration an der Schaltoberfläche 632 der Schalttafel 630 bereitgestellt sein kann. Wenngleich jeder der in 45–46 dargestellten Schaltbereiche R₁–R₇ mit einer Gruppe elektrochemischer Zellen 650 elektrisch verbunden ist, ist es klar, dass ein Schaltbereich dazu vorgesehen sein kann, dass er nur mit einer einzelnen elektrochemischen Zelle 650 elektrisch verbunden ist. Es ist ersichtlich, dass die erste Gruppe elektrochemischer Zellen 650 in Bezug auf die Schaltbereiche R₁ und R₂ in paralleler Beziehung geschaltet ist. Gleichermaßen ist die zweite Gruppe elektrochemischer Zellen 650 in Bezug auf die Schaltbereiche R₃ und R₂ parallelgeschaltet.
Nach Einrichten einer elektrischen Leitfähigkeit mit ausgewählten elektrochemischen Zellen 650 an ausgewählten isolierten Schaltbereichen werden die Schaltbereiche durch die Verwendung von elektrischen Leitern und/oder Komponenten dann in Reihe oder parallelgeschaltet. Durch Verbrücken von ausgewählten Schaltbereichen auf diese Weise wird ein Stromweg definiert, der einen Stromfluss, z. B. durch den positiven Energiepol 638, jeden der Schaltbereiche R₁–R₇ und durch den negativen Energiepol 636, ermöglicht.
In einer Ausführungsform kann eine einfache Kurzschlussbrücke oder ein ebensolches Anschlussstück verwendet werden, um die verschiedenen Schaltbereiche R₁–R₇ in gewünschter Weise selektiv zu schalten, um einen Stromfluss durch das Modul zu ermöglichen. In einer anderen Ausführungsform können verschiedene elektrische oder elektromechanische Komponenten an der Schalttafel 630 angeordnet werden, die den Stromfluss zwischen isolierten Schaltbereichen steuern.
Dem Fachmann leuchtet es ein, dass eine Schalttafel 630, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, eine flexible und selektive Schaltung einer beliebigen Anzahl von elektrochemischen Zellen 650 in einer beliebigen erwünschten Reihen- oder Parallelbeziehung ermöglicht. Die Schalttafel 630 ermöglicht ferner eine leichte Integration von verschiedenen Steuer- und Überwachungseinrichtungen in Reihe oder parallel in Bezug auf die elektrochemischen Zellen. Die Schaltoberfläche 632 kann gemäß verschiedenen vorher erstellten Schaltplänen gemustert werden, um gewünschte Nennspannungen oder Nennströme zu erzielen. Die Herstellbarkeit von Energiespeichermodulen, die einen breiten Bereich an Energieanforderungen erfüllen, wird z. B. durch Auswahl einer Anzahl an Schalttafeln 630 mit variierenden Schaltoberflächenkonfigurationen und Einbau einer ausgewählten Schalttafel 630 in einem ausgewählten Modulgehäuse erheblich verbessert. Eine Anzahl an unterschiedlichen Modulgehäusekonfigurationen kann derart erstellt und gefertigt werden, dass es eine bestimmte Anzahl an elektrochemischen Zellen auf der Basis der Energieerzeugungsanforderungen einer bestimmten Anwendung aufnimmt.
Wendet man sich nun 47 zu, ist die Veranschaulichung einer Draufsicht einer integrierten Schalttafel 630 bereitgestellt, auf welcher eine Anzahl von Steuereinrichtungen angebracht ist. In der in 47 dargestellten Ausführungsform schließt der Boden der Schalttafel eine Schaltoberfläche ein, die in Bezug auf die Konfiguration derjenigen von 45–46 ähnlich ist. In dieser Konfiguration schließt das Energiespeichermodul 64 einzelne elektrochemische Zellen 650 ein, die in sechs Zellenpackungen gruppiert sind, die jeweils acht parallelgeschaltete elektrochemische Zellen 650 umfassen. Verbunden mit jeder der sechs Zellenpackungen ist eine Sicherungspackung 640, die acht Sicherungen (nicht dargestellt) einschließt, wobei eine Sicherung mit einer der acht parallelgeschalteten elektrochemischen Zellen 650 der Zellenpackung in Reihe geschaltet ist. Die Sicherungen in der Sicherungspackung 640 sorgen nach dem Aktivieren für die elektrische Isolierung einer fehlerhaften Zelle von den übrigen Zellen der Zellenpackung. Eine Sicherung wird in aller Regel z. B. nach der Entwicklung eines Kurzschlusses in einer bestimmten Zelle der Zellenpackung aktiviert.
Eine Stromumführungseinrichtung kann ebenfalls an der Schalttafel 630 befestigt und mit einer Zellenpackung in Reihe geschaltet werden, die nach dem Aktivieren eine Zellenpackung von der Reihenschaltung isoliert und Strom um die fehlerhafte Zellenpackung führt.
Eine Ausgleicheinrichtung kann ferner mit einer Zellenpackung parallelgeschaltet werden, die einen Gesamtspannungsschutz und ein Ausgleichen des Zellenpackungspotentials während des Lade- und Entladebetriebs bereitstellt.
In einer Ausführungsform werden die Ausgleichseinrichtung und die Umführungseinrichtung in eine einzelne integrierte Komponentenpackung, wie das in
47 dargestellte Ausgleichs-/Umführungsmodul 645, eingebracht. Zudem kann eine Verbindungseinrichtung 647 an jede der Zellpackungen geschaltet werden, um das Überwachen und Steuern von einzelnen Zellenpackungen durch eine/n interne/n oder externe/n Steuervorrichtung oder Prozessor zu erleichtern.
In 48A–48C ist eine Ausführungsform eines integrierten Ausgleichs-/Umführungsmoduls 645 veranschaulicht, das, wie vorstehend erörtert, an der Schalttafel 630 angebracht werden kann. Das integrierte Ausgleichs-/Umführungsmodul 645 sorgt vorteilhaft für eine kompakte Gehäusekonfiguration, die in der Lage ist, Wärme, die während Ausgleichs- und Umführungsbedingungen erzeugt wird, durch Kontaktpole 667, 669, die an der Schalttafel 630 befestigt sind, effizient abzuführen. Die durch die Kontaktpole 667, 669 und zu der Schalttafel 630 geleitete Wärme kann wie hier vorstehend erörtert durch die Wärmeleiter, die sich von den Zellen erstrecken und mit den Gehäusewänden in Kontakt stehen weiter zu den Wänden des Gehäuses 648 geleitet werden.
In einer Ausführungsform weist das integrierte Ausgleichs-/Umführungsmodul 645 eine Gesamtlänge L_T von 2,75 Zoll auf. Das Gehäuse 665 des Ausgleichs-/Umführungsmoduls 645 weist eine Länge L_M von 2,25 Zoll auf. Die Gesamtbreite W_T des Ausgleichs-/Umführungsmoduls 645 beträgt 1,50 Zoll, währen die Breite der positiven und negativen Pole 667, 669 1,25 Zoll beträgt. Die Höhe H_T des Gehäuses 665 beträgt 0,625 Zoll, und die Höhe oder Dicke H_C der positiven und negativen Pole 667, 669 beträgt 0,05 Zoll. Das Ausgleichs-/Umführungsmodul 645 ist an der Schalttafel 630 angebracht, die Längen- und Breitenabmessungen von 12,5 Zoll bzw. 5,6 Zoll aufweist. Die Schaltoberfläche 632 der Schalttafel 630 schließt eine gemusterte Kupferplatte mit einer Dicke von 0,05 Zoll ein.
Man beachte, dass die durch das Ausgleichs-/Umführungsmodul 645 erzeugte Wärme in aller Regel von dem integrierten Modul 645 und der Schalttafel 630 zu den Wänden des Modulgehäuses 648 über die Wärmeleiter der Zellen geleitet wird. Gemäß diesem Aufbau kann die Ausgleichsvorrichtung einen Strom in der Ordnung von 5 amp leiten, was zur Erzeugung von etwa 15 Watt Wärme führt. Dem Fachmann leuchtet es ein, dass der hohe Nennstrom der Ausgleichsvorrichtung für relativ hohe Geschwindigkeiten des Ladens und Entladens des Energiespeichersystems sorgt.
Wendet man sich nun 45 bis 46 zu, schließt eine Ausführungsform einer Schalttafel 630 eine Kunststofflage 634, auf welcher eine Anzahl an Komponenten angebracht sind, und eine separate Lage von elektrisch leitendem Material, die unter Bildung einer Schaltoberfläche 632 gemustert ist, ein. Die gemusterte leitende Lage ist im Wesentlichen an der Kunststofflage 634 befestigt. In einer Ausführungsform bildet die leitende Lage eine Kupferlage mit einer Dicke von 0,05 Zoll und einer Breite und Länge, die je nach der Größe des Moduls 635 variieren. Die Dicke der leitenden Lage ist erforderlich, um einen relativ hohen Strom zu leiten und schließt nahezu den Einsatz einer herkömmlichen fotogeätzten Platinentechnik (PCB) aus.
Die Kupferlage ist maschinengemahlen, um einzelne Schaltbereiche darauf gemäß einem vorher erstellten Musterplan zu entwickeln. Man beachte, dass der Musterplan derart eingerichtet sein sollte, dass das Volumen und Gewicht der Kupferlage minimiert wird. Nach dem Verarbeiten der Kupferlage wird jeder der einzelnen Kupferschaltbereiche gereinigt und an der Kunststofftafel 634 an geeigneten Orten zum Erleichtern der Rekonstruktion des vorher erstellten Musterplans angebracht.
Die Kunststofftafel 634 weist in aller Regel eine Dicke von etwa 0,1 Zoll und eine ähnliche Konstruktion wie die herkömmlich in der Elektronikindustrie verwendeten Platinen auf. Die Kupferschaltbereiche können durch herkömmliche Klebe- oder Befestigungstechniken an der Kunststofftafel befestigt werden. Es ist klar, dass andere leitende Materialien als Kupfer, wie z. B. Aluminium, zum Fertigen der Schaltbereiche eingesetzt werden können.
In einer Ausführungsform, in welcher verschiedene elektronische Einrichtungen zum Überwachen und Steuern von elektrischer und thermischer Energie, die im Modul 635 erzeugt wird, verwendet werden, werden derartige Einrichtungen dann an der integrierten Schalttafel 630 angebracht. Zum Beispiel wird eine Anzahl an Ausgleichs-/Umführungsmodulen 645 und Verbindungseinrichtungen 647 an der Schalttafel 630 angebracht. Die Ausgleichs-/Umführungsmodule 645 und positive und negative Energiepole 638, 636 können wie durch Einsatz einer Ultraschallschweißtechnik an die Schalttafel 630 geschweißt werden. Alternativ dazu kann eine Luftstromlöt- oder Punktschweißtechnik eingesetzt werden, um das Ausgleichs-/Umführungsmodul 645 und die Pole 636, 638 an der Schalttafel 630 anzubringen.
Nach dem Anbringen der Ausgleichs-/Umführungsmodule 645 und der Pole 636, 638 können die Sicherungspackungen 640 an einer oder an beide Seiten der Schalttafel 630, je nach Zellenkonfiguration und der Notwendigkeit, das Gewicht und Volumen der Schaltoberfläche 632 zu minimieren, angebracht werden. Eine Seite 651 der Sicherungspackungen 640 ist an die Schalttafel 630 durch Ultraschall geschweißt.
Man beachte, dass die Verwendung von Ultraschallschweißen zum Anbringen von verschiedenen Komponenten an die Schalttafel 630, verglichen mit anderen bekannten Schweißtechniken, zu einer Gesamtreduktion der während des Schweißvorgangs erzeugten Wärme führt. Allerdings können Luftstromlöt-, Löt- oder Punktschweißtechniken in Kombination mit gut aufgebauten Wärmesenken eingesetzt werden.

Schließlich wird die Schalttafel 630 an dem Stapel 646 von elektrochemischen Zellen 650 angebracht. Jeder der Zellenpole 652 wird an die Schalttafel 630 angeschlossen, was durch Ultraschallschweißen, Löten oder Punktschweißen durchgeführt werden kann. Tabelle 2 stellt nachstehend verschiedene Daten bereit, die mit der Verwendung einer Schalttafel 630, wie derjenigen, die in 47 dargestellt ist, zum Schalten einer Anzahl an einzelnen elektrochemischen Zellen 650 und von verschiedenen elektronischen Einrichtungen, die in einem abgedichteten Modulgehäuse 648 untergebracht sind, verbunden sind. Die in Tabelle 2 aufgelisteten Daten zeigen, dass ein Gesamtwiderstand von etwa 8 Mikroohm und ein Gesamtgewicht von 7 bis 14 Gramm durch Einsatz einer integrierten Schalttafel 630 des hier veranschaulichten Typs zur Verwendung in einem Energiesystem, das einen Spitzenstrom in der Ordnung von 400 A leitet, mit weniger als etwa 4 mV Spannungsabfall über den Energiepolen und einem Energieverlust in der Ordnung von 1 Watt leiten kann verwirklicht werden kann. TABELLE 2

Material	Dicke	Volumen	Gewicht	Widerstand	Spann.Abfall	Arbeit	Joule
	Mil	Kubikmeter	Gramm	Mikroohm @80°C	mVolt	Watt	Joule
Kupfer	50	1,6E-06	14,41	8,39	3,36	1,34	40,29
Aluminium	80	2,58E-06	6,94	8,64	3,46	1,38	41,48

Es ist natürlich klar, dass Modifikationen und Zufügungen an den verschiedenen hier erörterten Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang oder Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können gesonderte Oberflächen statt die gesamte Oberfläche einer Wärmesenke, wie eine wärmeleitenden Wand einer Schutzumhüllung, einer Aufbringung des vorstehend beschriebenen wärmeleitenden und elektrisch widerstandsfähigen Materials unterzogen werden. Als weiteres Beispiel können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Verwendung mit anderen Batterietechnologien als denjenigen, die Lithiumpolymerelektrolyte ausnutzen, wie solchen unter Einsatz von Nickelmetallhydrid-(Ni-MH), Lithiumionen- Li-Ionen) und anderen Hochenergiebatterietechnologien, eingesetzt werden. Demzufolge sollte der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht durch die hier vorstehend erörterten Ausführungsformen, sondern nur durch die nachstehend dargelegten Ansprüche oder Äquivalente davon beschränkt sein.

Claims

Elektrochemische Energiespeichereinrichtung, umfassend: mehrere elektrochemische Dünnschichtzellen (20, 50, 70, 81, 82, 83, 84, 110, 112, 114, 122, 140, 150, 154, 161, 240, 250, 268, 270, 280, 302, 521, 650), die in zusammengedrücktem Zustand gehalten werden; mehrere Wärmeleiter (52, 93, 254, 262, 265, 274, 282), wobei jeder der mehreren Wärmeleiter einen positiven oder negativen Kontakt für eine der mehreren elektrochemischen Zellen definiert, wobei die Wärmeleiter Strom in die und aus den Zellen leitet und Wärmeenergie zwischen den Zellen und einer ersten Oberfläche einer wärmeleitenden Struktur (242, 288, 304, 501, 648) leitet; ein elektrisch widerstandsfähiges und wärmeleitendes Material (284), das zwischen den Wärmeleitern und der wärmeleitenden Struktur angeordnet ist; eine Wärmeaustauschvorrichtung (305, 307, 502) in Wärmekontakt mit einer zweiten Oberfläche der wärmeleitenden Struktur; und ein Wärmeübertragungsmedium in Fluidverbindung mit der Wärmeübertragungsvorrichtung zum Verbessern der Wärmeenergieleitung zwischen den Zellen und der wärmeleitenden Struktur.
Elektrochemische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wärmeaustauschvorrichtung einen Fluidkanal umfasst, durch welchen das Wärmeübertragungsmedium läuft.
Elektrochemische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wärmeaustauschvorrichtung einen Mantel umfasst, der zwischen einer Wand der wärmeleitenden Struktur und einer Wand einer Außenhülle (502) der Energiespeichereinrichtung ausgebildet ist, durch welchen das Wärmeübertragungsmedium zirkuliert.
Elektrochemische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch widerstandsfähige und wärmeleitende Material (284) ferner eine dünne Lage aus Kunststoff, Glimmer oder einem Material auf Mineralbasis umfasst.
Elektrochemische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch widerstandsfähige und wärmeleitende Material (284) ein elastomeres Element umfasst.
Elektrochemische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch widerstandsfähige und wärmeleitende Material (284) eine Schicht aus wärmeleitendem und elektrisch widerstandsfähigem Material umfasst.
Elektrochemische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch widerstandsfähige und wärmeleitende Material (284) ein nachgiebiges Material oder Kompound umfasst.
Elektrochemische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch widerstandsfähige und wärmeleitende Material (284) ein eloxiertes Metallmaterial umfasst.
Elektrochemische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungsmedium ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem Kühlanlagenkühlmittel und Wasser- und Ethylenglycolgemisch.
Elektrochemische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wärmeleiter und das wärmeleitende Material einen kontinuierlichen Kontakt zwischen den Wärmeleitern und der wärmeleitenden Struktur in Gegenwart einer relativen Bewegung zwischen den Zellen und der wärmeleitenden Struktur aufrecht halten.
Elektrochemische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der Wärmeleiter eine integrale Feder umfasst.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der Wärmeleiter einen Federmechanismus mit einem im wesentlichen C-förmigen, doppelt C-förmigen, Z-förmigen, V-förmigen, L-förmigen, fingerförmigen oder O-förmigen Querschnitt aufweist.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die wärmeleitende Struktur eine Umhüllung (501) mit einer hermetisch abgedichteten Abdeckung (421, 508) aufweist.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 13, wobei die hermetisch abgedichtete Abdeckung (421, 508) ein erstes und ein zweites Loch aufweist, die jeweils mit einem abgedichteten Körper (422, 424) versehen sind, den eine positive bzw. eine negative Leitung durchläuft.