DE112004000385T5 - Wärmefluss-regulierende Abdeckung für eine elektrische Speicherzelle - Google Patents

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Joachim Düren
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Abstract

Abdeckung zur Temperaturregulierung einer Speicherzelle für elektrische Energie, mit:
einer ersten wärmeleitenden Materialschicht, die so geformt ist, dass sie mit einer Außenoberfläche der Speicherzelle für elektrische Energie übereinstimmt; und
einer zweiten wärmeisolierenden Materialschicht, die so geformt ist, dass sie mit einer Außenoberfläche der ersten Schicht übereinstimmt.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft Geräte zur Verwendung in industriellen Gefahrenbereichen, in welchen eigensichere (IS – intrisically safe) elektrische Geräte erforderlich sind. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Bereitstellung von Eigensicherheit für Speicherzellen für elektrische Energie.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In der Prozessautomatisierungsindustrie hat man üblicherweise Prozesse, die gefährlich sind. Um durch Gerätefehler ausgelöste Unfälle zu verhindern, zertifizieren unabhängige Stellen Geräte als eigensicher (IS). Die Voraussetzung für diese Zertifizierung besteht darin, dass unter keinen Umständen ein Gerätefehler auftreten kann, der genügend Energie abgeben würde, um ein gefährliches Gas, Staub oder Flüssigkeit zu entzünden. Mit dem Fortschritt der Batterietechnologien sind Batteriezellen in der Lage, zunehmende Mengen an Energie in derselben Packungsgröße zu speichern. Dieses führt zu einer Dichotomie für tragbare batteriebetriebene, eigensichere Geräte. Einer von den Tests, den Zertifizierungsstellen anwenden, um Batterien zu genehmigen, besteht in dem Kurzschließen der Batterie und der Messung ihrer Oberflächentemperatur. Es gibt verschiedenen Temperaturklassifizierungen, aber kein Punkt auf der Batterieoberfläche darf den Grenzwert der Klassifizierung überschreiten. Beispielsweise weist eine T4-Klassifizierung einen Grenzwert von 130°C auf. Moderne Batterien bestehen typischerweise diesen Test nicht und überschreiten die maximal zulässige Temperatur für die Klassifizierung T4.
    •
  • Es sind ein Verfahren und eine Vorrichtung erforderlich, um Energiespeicherzellen und Batterien zur Verwendung in industriellen Gefahrenbereichen erforderlich, in welchen Eigensicherheitsstandards eingehalten werden müssen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es wird eine Temperatur regulierende Abdeckung zur Verwendung auf einer Speicherzelle für elektrische Energie offenbart, die Wärme an einem Überhitzungspunkt während eines Kurzschlusszustandes erzeugen kann. Die Abdeckung umfasst eine erste Schicht aus einem wärmeleitenden Material, das so geformt ist, dass es mit einer Außenoberfläche der Speicherzelle für elektrische Energie übereinstimmt und die Wärme aus dem Überhitzungspunkt über einen Oberflächenbereich verteilt, der größer als der Überhitzungspunkt ist. Die Abdeckung umfasst auch eine zweite Schicht aus einem wärmeisolierenden Material, das so geformt ist, dass es mit einer Außenoberfläche der ersten Schicht übereinstimmt, und das den Wärmefluss zu einer Außenoberfläche der zweiten Schicht verzögert.
    •
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 stellt Verfahrensschritte bei dem Zusammenbau einer Wärmefluss-regulierenden Abdeckung einer Speicherzelle für elektrische Energie dar.
  • 2-3 stellen vordere und linke Seitenansichten von zwei Halbschalen dar, die eine wärmeleitende Schicht bilden.
  • 4-5 stellen eine Batterie dar, die mehrere abgedeckte Speicherzellen für elektrische Energie enthält.
  • 6-8 stellen den Wärmefluss von Überhitzungspunkten auf Außenoberflächen von Speicherzellen für elektrische Energie dar.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER DARGESTELLTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen kann eine Speicherzelle für elektrische Energie Wärme an einem Überhitzungspunkt während eines Kurzschlusszustandes erzeugen. Der Überhitzungspunkt besitzt eine Oberflächentemperatur, die Eigensicherheits-(IS)-Temperaturgrenzwerte überschreitet und hat das Potential, Gas, Staub oder entflammbare Flüssigkeit in einer industriellen Umgebung, wie z.B. einer Ölraffinerie zu entzünden. Es wird eine Wärmeflussregulierende Abdeckung bereitgestellt, um dieses Problem zu überwinden.
  • Die Abdeckung umfasst eine erste Schicht aus wärmeleitendem Material, das den Wärmefluss von dem Überhitzungspunkt über einen Abschnitt der Außenoberfläche der ersten Schicht verteilt, der größer als der Überhitzungspunkt ist. Eine zweite Schicht aus isolierendem Material deckt die wärmeleitende Schicht ab und verzögert den Wärmefluss an die Außenoberfläche der zweiten Schicht. Die Außenoberfläche der abgedeckten Energiespeicherzelle liegt unterhalb einer Temperatur, welche eine Verbrennung bewirken kann.
  • Die abgedeckte Zelle kann in einer Anwendung eingesetzt werden, in welcher Eigensicherheit erforderlich ist, wie z.B. als eine Batterie, die zur Energieversorgung eines tragbaren Handgerätes wie etwa einer Datenerfassungseinheit oder eines Kalibrators verwendet wird.
  • 1 stellt Verfahrensschritte 20-24 bei dem Zusammenbau einer exemplarischen Wärmefluss-regulierenden Abdeckung 28 auf einer Speicherzelle 30 für elektrische Energie dar, die Wärme während eines Kurzschlusstestintervalls erzeugen kann.
  • Bei dem ersten Prozessschritt 20 wird eine Zelle 30 ausgewählt, die eine hohe Energiespeicherdichte besitzt, um eine lange Batterielebensdauer bereitzustellen. Die Zelle 30 weist eine zylindrische Außenoberfläche 31 auf, die Überhitzungspunkte unter Kurzschlusszuständen erzeugen kann. In einem Beispiel kann die Zelle 30 eine Zelle der Größe AA mit einem Durchmesser von angenähert 16 mm und einer Länge von angenähert 40 mm sein. Zellen mit anderer Größe können verwendet werden, und die Zellen können entweder Wegwerfzellen oder nachladbare Zellen sein.
  • Bei dem zweiten Verfahrensschritt 22 wird eine erste Materialschicht 34, 36 über der zylindrischen Außenoberfläche 31 angebracht. Die erste Materialschicht 34, 36 weist eine hohe spezifische Wärmekapazität auf und ist wärmeleitend. In einem Beispiel weist die erste Materialschicht eine erste Halbschale 34 und eine zweite Halbschale 36 auf, die so geformt sind, dass sie mit der zylindrischen Außenoberfläche 31 übereinstimmen. Die erste Materialschicht 34, 36 deckt die Außenoberfläche 31 ab.
  • Bei dem dritten Verfahrensschritt 24 wird eine zweite Materialschicht 38 bereitgestellt. Die zweite Materialschicht 38 ist wärmeisolierend. Die zweite Materialschicht 38 ist so geformt, dass sie mit einer Außenoberfläche 35 der ersten Materialschicht 34 übereinstimmt. Die zweite Materialschicht 38 ist bevorzugt elastisch und aufgeschrumpft, um die erste Ma terialschicht 34, 36 fest in ihrer Lage gegen die zylindrische Außenoberfläche 31 der Zelle 30 zu halten. Die Verwendung eines elastischen Materials für die zweite Materialschicht 38 vermeidet das Problem mit sich bildenden Spalten, welche den Wärmefluss unterbrechen würden. Die zweite Materialschicht 38 ist bevorzugt ein kommerziell erhältlicher Wärmeschrumpfschlauch, der aus Gummi oder einem thermoplastischen Material hergestellt ist. In einer Ausführungsform besitzt die Materialschicht 38 eine Dicke von etwa 1 mm.
  • 2-3 stellen vordere und linksseitige Ansichten der zwei Halbschalen 34, 36 dar, die zusammen die hochleitfähige Schicht bilden. Jede Halbschale 34, 36 weist eine angenähert halbzylindrische Form auf, die so bemessen ist, dass sie mit der Außenoberfläche 31 der Zelle 30 übereinstimmt. Ein kleiner Spalt D bleibt zwischen den Halbschalen 34, 36 bestehen, um einen guten Sitz und einen guten Wärmekontakt zwischen der Zelle 30 und den Halbschalten 34, 36 zu fördern. Der kleine Spalt D kann in der Größenordnung von etwa 0,8 mm liegen und kann so gewählt sein, dass er Platz für die Wärmeausdehnung der Halbschalen 34, 36 bei höheren Temperaturen lässt. Die Halbschalen 34, 36 werden bevorzugt aus einem Aluminiumrohr mit einer Wanddicke von etwa 1 mm hergestellt. Aluminium weist eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 210 W/K·m (4,9 × 10-2 (Kcal/s)/(m2)(°C/m)) auf, und Aluminium besitzt eine spezifische Wärme von etwa 910 J/(kg·K) (0,219 cal/(g)(°C)). Die Halbschalen 34, 36 können auch aus Kupfer hergestellt werden. Kupfer weist eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 380 W/K·m (9,2 × 10-2 (Kcal/s)/(m2)(°C/m)) auf, und Kupfer besitzt eine spezifische Wärme von etwa 386 J/(kg·K) (0,093 cal/(g)(°C)). Andere Materialien mit geeigneter Wärmeleitfähigkeit können ebenfalls verwendet werden.
  • Wenn sich ein Überhitzungspunkt auf der Oberfläche 31 der Zelle 30 befindet, verteilt die erste Materialschicht 34, 36 den Wärmefluss aus dem Überhitzungspunkt über einen Abschnitt der Außenoberfläche der ersten Schicht 34, der größer als der Überhitzungspunkt ist, während die zweite Materialschicht 38 den Wärmefluss zu einer Außenoberfläche 39 der zweiten Schicht 38 verzögert.
  • In einer Ausführungsform sind die Dicken der Schichten 34, 36, 38 so angepasst, dass eine Temperatur der Außenoberfläche der zweiten Schicht 38 bei einer maximalen Temperatur von 130°C oder weniger während des Kurzschlusstestintervalls liegt. Die Dicken der Schichten 34, 36, 38 können gewählt werden, indem eine thermische Finite-Elemente-Analyse (FEA) angewendet wird, durch Wärmetests, oder durch eine Kombination thermischer FEA und Wärmetests.
  • 4-5 stellen ein Beispiel einer Batterie 50 dar, die mehrere abgedeckte Speicherzellen 52, 54, 56, 58, 60 für elektrische Energie enthält. 4 ist eine Draufsicht auf die Batterie und 5 ist eine linksseitige Ansicht eines Abschnittes der Batterie. Die Batterie 50 ist für eine Verwendung in einer entzündbaren Atmosphäre angeordnet.
  • Die mehreren Speicherzellen 52, 54, 56, 58, 60 für elektrische Energie sind jeweils mit einer Wärmeflussregulierenden Abdeckung gemäß vorstehender Beschreibung in Verbindung mit den 1-3 abgedeckt. Elektrische Zwischenverbindungen 62, 64, 66, 68 sind Metallstreifen, die mit den Zellen 52, 54, 56, 58, 60 punktverschweißt sind, um eine Reihenschaltung auszubilden. Eine Schutzvorrichtung 70 ist mit der Zelle 60 und einer elektrischen Anschlussleitung 72 negativer Polarität in Reihe geschaltet. Die Schutzvorrichtung 70 ist mittels eines Quetschspleisses 71 mit der elektrischen Anschlussleitung 72 verbunden. Die elektrische Anschlusslei tung 72 und die Schutzvorrichtung 70 werden mittels einer Vergussmasse 73 in ihrer Lage gehalten. Eine elektrische Anschlussleitung 74 positiver Polarität ist mit der Zelle 52 verbunden.
  • Die Schutzvorrichtung 70 weist bevorzugt eine Schmelzverbindung auf, und insbesondere kann eine so genannte PICO Fuse, Teilenummer 265002, verwendet werden. Während des Kurzschlusstests kann die Schutzvorrichtung 70 überbrückt werden (kurzzeitig kurzgeschlossen werden), um einen Fehlerzustand zu simulieren.
  • Die Zellen 52, 54, 56, 58, 60 und die Schutzvorrichtung 70, die Zwischenverbindungen 62, 64, 66, 68 und die Leiter 72, 74 sind in einer Kunststoffharzschale 80 untergebracht, die zum Bereitstellen einer mechanischen Unterstützung geformt ist. Die Kunstharzschale 80 enthält Kunstharztrennstäbe 82, 84, 86, 88, die zwischen den Zellen 52-60 und den elektrischen Zwischenverbindungen 62-68 angeordnet sind, um Kurzschlüsse zu verhindern und eine zusätzliche mechanische Unterstützung bereitzustellen.
  • 6-8 stellen den Wärmefluss aus den Überhitzungspunkten 100, 102, 104 zu Außenoberflächen Speicherzellen 106, 108, bzw. 110 für elektrische Energie dar. In den 6-8 ist der Wärmefluss schematisch mit Pfeilen dargestellt und die Temperaturisothermen sind schematisch durch gestrichelte Linien dargestellt.
  • In 6 ist der Überhitzungspunkt 100 auf der Zelle 106 unbedeckt gelassen, und eine Temperatur an der Außenoberfläche 112 der Zelle 106 überschreitet 130°C während eines Kurzschlusstests. Die nicht abgedeckte Zelle 106 ist für einen Einsatz in einer industriellen Umgebung, in welcher eine Eigensicherheits-(IS)-Freigabe erforderlich ist, nicht geeignet. Die Außenoberfläche der Zelle 106 weist einen Überhit zungspunkt 100 auf, der heiß genug ist, um entzündbare Materialien zu entzünden.
  • In 7 ist ein Überhitzungspunkt 102 auf einer Zelle 108 mit einem wärmeisolierenden Material 114 abgedeckt. Die Oberflächentemperatur an der Außenoberfläche 116 des isolierenden Materials bleibt während eines Kurzschlusstests unter 130°C, aber der Überhitzungspunkt 102 ist in einem solchen Umfang isoliert, dass er überhitzt und permanent die Zelle 108 beschädigt, und sie somit für einen Einsatz in einer Eigensicherheitsumgebung ungeeignet macht. In 8 ist der Überhitzungspunkt 104 mit einer ersten Schicht 120 eines wärmeleitenden Materials und einer zweiten Schicht 122 eines wärmeisolierenden Materials, wie vorstehend in Verbindung mit den 1-3 beschrieben, abgedeckt. Die erste Schicht 120 verteilt den Wärmefluss aus dem Überhitzungspunkt 104, wie dargestellt, über einen größeren Oberflächenbereich. Der Wärmefluss pro Flächeneinheit der Oberfläche wird reduziert. Der Wärmefluss verteilt sich sowohl entlang der Achse der Zelle als auch um den Umfang herum, so dass die für den Wärmefluss verfügbare Fläche wesentlich vergrößert wird. Die wärmeisolierende Schicht 122 begrenzt den Wärmefluss und fördert zusätzlich die Verteilung der Wärme durch die wärmeleitende Schicht 120 hindurch. Die Temperatur an der Außenoberfläche 124 bleibt unter 130°C, wobei jedoch die Wärme gut abgeführt wird, da sie über einen große Fläche geleitet wird. Die Zelle 110 wird nicht übermäßig überhitzt, und die Zelle 110 kann in einer eigensicheren Umgebung eingesetzt werden.
  • "Überhitzungspunkte", welche auf der Batterieoberfläche während des Kurzschlusstests auftreten, werden effektiv gegen einen Kontakt mit entzündbaren Materialien abgeschirmt. Die erste wärmeleitende Schicht umgibt im engen Kontakt die Zelle mit einem Material, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt.
  • Diese Schicht führt die Wärmeenergie der "Überhitzungspunkte" auf einen größeren Oberflächenbereich ab und reduziert dadurch die maximale Oberflächentemperatur. Die zweite Schicht umschließt in engem Kontakt die erste Materialschicht. Die zweite Materialschicht weist einen niedrigen Wärmeleitungskoeffizienten auf. Dieses Material wirkt als ein Wärmeisolator zwischen der ersten Schicht und der Umgebungsatmosphäre. Der Wert der Wärmeleitfähigkeit jeder Schicht ist so, dass die Oberflächentemperatur der zweiten Materialschicht unterhalb des erforderlichen Wertes der gewünschten Temperaturklassifizierung liegt.
  • Batterien mit hoher Energiedichte können in Gefahrenbereichen der Zonen 1 und 2 für die Temperaturklassen T1 bis T4 unter Verwendung der beschriebenen Abdeckungsanordnung eingesetzt werden. Die Abdeckung kann bei wiederaufladbaren Batterien sowie bei Wegwerfbatterien verwendet werden. Moderne Batterien mit größeren Innenkapazitäten können mit der Erfindung verwendet werden. Diese modernen Batterien enthalten Zellen, die bei den Kurzschlusstests höhere Oberflächentemperaturen erreichen als es für die Zulassung erlaubt ist. Die Abdeckung regelt den Wärmefluss und stellt eine Lösung für dieses Problem für Batterien mit großer Innenkapazität bereit. Obwohl eine Reihenanordnung der Zellen dargestellt wurde, dürfte es sich für den Fachmann auf diesem Gebiet verstehen, dass auch eine parallele Anordnung von Zellen verwendet werden kann.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass Änderungen in Form und Detail ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung vorgenommen werden können.
  • WÄRMEFLUSS-REGULIERENDE ABDECKUNG FÜR EINE ELEKTRISCHE SPEICHERZELLE
  • Zusammenfassung
  • Es wird eine Temperatur regulierende Abdeckung (34, 36, 38) zur Verwendung auf einer elektrischen Energiespeicherzelle (30) bereitgestellt, die Wärme an einem Überhitzungspunkt während eines Kurzschlusszustandes erzeugen kann. Die Abdeckung umfasst eine erste Schicht (34, 36) eines wärmeleitenden Materials, die so geformt ist, dass sie mit einer Außenoberfläche (31) der elektrischen Energiespeicherzelle übereinstimmt, und die Wärme aus dem Überhitzungspunkt über einen Oberflächenbereich verteilt, der größer als der Überhitzungspunkt ist. Die Abdeckung umfasst auch eine zweite Schicht (38) aus einem Wärmeisolationsmaterial, die so geformt ist, dass sie mit einer Außenoberfläche (35) der ersten Schicht übereinstimmt, und die einen Wärmefluss an eine Außenoberfläche (39) der zweiten Schicht verzögert.

Claims (16)

  1. Abdeckung zur Temperaturregulierung einer Speicherzelle für elektrische Energie, mit: einer ersten wärmeleitenden Materialschicht, die so geformt ist, dass sie mit einer Außenoberfläche der Speicherzelle für elektrische Energie übereinstimmt; und einer zweiten wärmeisolierenden Materialschicht, die so geformt ist, dass sie mit einer Außenoberfläche der ersten Schicht übereinstimmt.
  2. Abdeckung nach Anspruch 1, wobei die Speicherzelle für elektrische Energie Wärme an einem Überhitzungspunkt während eines Kurzschlusszustandes erzeugt und die erste Materialschicht den Wärmefluss über einen Abschnitt der Außenoberfläche der ersten Schicht verteilt, der größer als der Überhitzungspunkt ist, und die zweite Materialschicht den Wärmefluss zu einer Außenoberfläche der zweiten Schicht verzögert.
  3. Abdeckung nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der Außenoberfläche der zweiten Schicht eine gemessene maximale Temperatur von 130°C oder weniger während des Kurzschlusszustandes aufweist.
  4. Abdeckung nach Anspruch 1, wobei die erste Materialschicht Aluminium aufweist.
  5. Abdeckung nach Anspruch 1, wobei die erste Materialschicht Kupfer aufweist.
  6. Abdeckung nach Anspruch 1, wobei die zweite Materialschicht einen Wärmeschrumpfschlauch aufweist.
  7. Abdeckung nach Anspruch 1, wobei die zweite Materialschicht elastisches Material aufweist.
  8. Abdeckung nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung zwei Halbschalen aufweist, die jeweils eine Seite einer runden Oberfläche der Energiespeicherzelle abdecken.
  9. Batterie zur Verwendung in einer entzündbaren Atmosphäre, mit: mehreren Speicherzellen für elektrische Energie, wobei jede Zelle durch eine erste wärmeleitende Materialschicht abgedeckt ist, die so geformt ist, dass sie einer Außenoberfläche der Speicherzelle für elektrische Energie entspricht; und durch eine zweite wärmeisolierende Materialschicht abgedeckt ist, die so geformt ist, dass sie einer Außenoberfläche der ersten Schicht entspricht; elektrischen Anschlussleitern; einer Schutzvorrichtung, die eine Schmelzverbindung aufweist; und elektrische Zwischenverbindungen, die die mehreren Speicherzellen für elektrische Energie in einer Reihenschaltung mit der Schutzvorrichtung und den elektrischen Anschlussleitungen verbinden.
  10. Batterie nach Anspruch 9, ferner mit: einer Kunstharzschale, die so geformt ist, dass sie die mehreren abgedeckten Zellen und die Schutzvorrichtung aufnimmt.
  11. Batterie nach Anspruch 9, wobei die Kunstharzschale darin zwischen den Zellen und den elektrischen Zwischenverbin dungen angeordnete Kunstharztrennstäbe aufweist, um eine Kurzschlussbildung zu reduzieren.
  12. Verfahren zum Abdecken einer Speicherzelle für elektrische Energie, welche Wärme während eines Kurzschlusszustandes erzeugt, mit den Schritten: Abdecken einer Außenoberfläche einer Speicherzelle für elektrische Energie mit einer ersten wärmeleitenden Materialschicht, die mit der Außenoberfläche der Speicherzelle für elektrische Energie übereinstimmt; Bereitstellen einer zweiten Schicht aus wärmeisolierendem Material; und Formen der zweiten Schicht so, dass sie mit einer Außenoberfläche der ersten Materialschicht übereinstimmt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Materialschicht Aluminium ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Materialschicht Kupfer ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die zweite Materialschicht ein Wärmeschrumpfschlauch ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 12, welches ferner den Schritt der Ausbildung der ersten Materialschicht als zwei Halbschalenformen umfasst, die eine gekrümmte Oberfläche der Energiespeicherzelle abdecken.
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