DE102008059948A1

DE102008059948A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Brandprävention und/oder -bekämpfung für eine Li-Ionen Batterie eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102008059948A1
Application number: DE102008059948A
Authority: DE
Inventors: Christoph Fehrenbacher; Hans-Otto Dr. Herrmann; Tobias Isermeier; Markus Kohlberger; Bernd Dr. Wegner
Original assignee: Behr GmbH and Co KG; Daimler AG
Current assignee: Herrmann Hans-Georg Prof Dr De; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Brandprävention und/oder -bekämpfung für eine Li-Ionen Batterie (1) eines Fahrzeuges. In vereinfachender Weise wird hierbei der Einzelzellen (2) der Batterie (2) aufweisende Innenraum (3) der Batterie (1) über eine Notfallleitung (4) mit einem Löschmittelspeicher (5) verbunden, wobei zur Bandprävention und/oder -bekämpfung zumindest zeitweilig das Löschmittel aus dem Löschmittelspeicher (5) in den Innenraum (3) eingeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Brandprävention und/oder -bekämpfung für eine Li-Ionen Batterie eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8, wie beides in der Automobilindustrie verwendet und hier als bekannt unterstellt wird.
Li-Ionen-Hochvolt-Batterien für Fahrzeuganwendungen bestehen aus vielen in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen, die sich mit der dazugehörenden Elektronik und Kühlung in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. Die Li-Ion-Einzelzellen müssen gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme abzuführen. Eine Möglichkeit zur Kühlung der Einzelzellen ist die Verwendung eines am oder im Zellblock angeordneten Kühlers bzw. einer Kälteplatte, die über einen Wärmetauscher indirekt mit dem Kältemittel des Fahrzeug-Kältekreislaufs wärmeleitend verbunden ist.
Bei Li-Ionen-Zellen können bei Überladung oder Kurzschluss die Temperatur und der Innendruck im Gehäuse stark ansteigen. Die in den Zellen enthaltene elektrochemisch aktive Masse kann thermische Instabilität aufweisen. Insbesondere das in Li-Ionen-Zellen befindliche Nickeloxid kann sich oberhalb von 150°C irreversibel in einer exothermen Reaktion zersetzen. Dadurch kann sich die Zelle weiter erwärmen und der Druck in ihrem Inneren ansteigen bis zum definierten und bestimmungsgemäßen Öffnen der im Zellgehäuse eingebrachten Druckbegrenzungselemente, welche z. B. durch eine gezielte Schwächung des Batteriegehäuses ausgebildet sind (Sollbruchstelle). Beim Ausströmen der heißen Gase bedarf es Maßnahmen, dass sich Teile des Batterieinnenlebens nicht entzünden können. Als Auslöser von Batteriebränden werden in der Literatur vereinzelt Kurzschlüsse in deren elektrischen Teil genannt. Durch diese Phänomene könnten sich weitere Zellen überhitzen und der Zerstörungsprozess wird insbesondere selbsttätig weitergeführt.
Derzeit sind keine auf diesen speziellen Anwendungsfall konzipierten Feuerlöschsysteme bekannt. Aus der Gebäudetechnik bekannte Sprinkleranlagen sind insbesondere ungeeignet, da diese über eine im Einsatzfall berstende Glasampulle verfügen, die bei im Fahrzeug vorliegenden Vibrationen und/oder Stößen zerbrechen und dadurch das Feuerlöschsystem auslösen könnten.
Aus der DE 101 23 178 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, die zur schnellen Abkühlung einer Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Hierzu ist ein Kältespeicher vorhanden, welcher als Hochdruckspeichers ausgeführt ist und der mit einem unter Druck stehenden Fluid gefüllten ist. Zum Erzeugen der erforderlichen Kälteleistung wird das Fluid entspannt und die Kälte an die jeweils benötigten Orte geleitet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Druckspeicher mit pyrotechnisch betätigbaren Notventilen versehen, wobei es sich beidem Fluid um ein nichtbrennbares und Sauerstoff verdrängen Gas, insbesondere CO₂, handelt. Dadurch kann das Fluid bei einem Unfall zu brandgefährdeten Bereichen geleitet und in günstiger Weise zur Brandbekämpfung verwendet werden. Ein derartiges Verfahren ist trotz seiner Vorzüge aufwendig und teuer.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit dem auf einfache und günstige Weise ein praktikabler Brandschutz bei brandgefährdeten Einzelzellen aufweisenden Batterien gewährleistet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 bzw. mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Durch die Verbindung über eine Notfallleitung vorgenommene zumindest zeitweilige fluidische Verbindung des die Einzelzellen der Batterie aufweisenden Innenraums der Batterie mit einem Löschmittelspeicher kann im Bedarfsfall dieser Innenraum zur Brandprävention und/oder zur Brandbekämpfung mit dem Löschmittel beaufschlagt werden, wobei hierzu nur ein geringer baulicher und kostengünstiger Aufwand notwendig ist.
In einer Weiterführung der Erfindung wird als Löschmittelspeicher ein temperierender Kühlkreislauf der Li-Ionen Batterie herangezogen, wobei für den Kühlkreislauf zusätzlich noch CO₂ als Kältemittel gewählt wird. Auf diese Weise ist der konstruktive und finanzielle Aufwand für die Brandbekämpfung weiter verringert.
In einer Weiterführung der Erfindung wird die Notfallöffnung im Bedarfsfall in sinnvoller Weise gegenüber dem Innenraum gesteuert geöffnet, wobei als Öffnungskriterium in bevorzugter Weise die im Innenraum herrschenden Temperatur und/oder die außerhalb des Innenraums herrschenden Temperatur herangezogen wird.
Die innere Temperatur kann hierbei zur Prävention als auch zum Löschen dienen, wobei die äußere Temperatur vorzugsweise der Prävention dient. Bei der Prävention wird der Innenraum in zweckmäßiger Weise noch vor der Entstehung eines Brandes mit dem Löschmittel beaufschlagt, bevorzugt geflutet und/oder gespült.
In einer Weiterführung der Erfindung wird die Notfallöffnung elektronisch gesteuert geöffnet, wodurch für eine Auslösung des Löschmittels auf einfache Weise eine Vielzahl von Einflussfaktoren, wie bspw. Daten der Außentemperatur, des Gefährdungspotential der Umgebung, usw. berücksichtigt werden können.
In einer Weiterführung der Erfindung wird auf einfache und kostengünstige Weise die Notfallöffnung durch Bimetall eine thermische Ausdehnung und/oder einen Schmelzverschluss oder Berstscheibe verschlossen. Hierdurch kann die Notfallöffnung durch das Anheben eines Bimetallstreifens, das Schmelzen des Schmelzverschlusses, bspw. aus PP mit einem Schmelzpunkt bei 110 C und/oder das Bersten/Aufbrechen eines Betätigungselementes geöffnet werden.
Weitere sinnvolle Ausgestaltungen sind den in nachfolgend dargestellten und die Erfindung näher erläuternden Ausführungsbeispielen entnehmbar. Dabei zeigt
1 einen Querschnitt durch eine Batterie mit zugeordnetem Löschmittelspeicher und
2 einen Querschnitt durch eine Batterie mit im Innenraum auf einer Kühlplatte aufgestellten Einzelzellen.
In 1 ist ein schematischer Querschnitt eine insbesondere Li-Ionen Batterie 1 eines Fahrzeuges mit einem zugeordneten Löschmittelspeicher 5 dargestellt. Die Batterie 1 weist ein geschlossenes Batteriegehäuse auf. Im Innenraum 3 der Batterie 1 sind mehrere Einzelzellen 2 angeordnet, die zu einem Zellenstapel 9 zusammengefasst sind. Aus dem Innenraum 3 der Batterie 1 sind verschiedene Leitung und Kabel herausgeführt. Die abgedichtet aus dem Innenraum 3 herausgeführten Leitungen und Kabel dienen bspw. zur Stromab- und -zuleitung, zur vorzugsweise elektronischen Überwachung von im Innenraum 3 angeordneten Bauteilen oder der Einzelzellen 2 der Batterie 1, zur Temperierung des Innenraums 3 und der Einzelzellen 2 usw.. Ansonst ist der Innenraum 3 aus den bekannten Sicherheitsgründen dichtend verschlossen.
Der Innenraum 3 weist ferner eine Notfallöffnung 7 auf, in die eine durch das Batteriegehäuse vorzugsweise dichtend hindurch geführte Notfallleitung 4 mündet. Über die Notfallleitung 4 ist der Innenraum mit einem Löschmittelspeicher 5 fluidisch verbunden.
Die Notfallleitung 4 kann durch ein im Ausführungsbeispiel nach 1 als elektronisch steuerbares Ventil ausgebildetes Betätigungselement 8 geöffnet bzw. verschlossen werden. Durch diese konstruktive Gestaltung kann der Innenraum 3 der Batterie im Bedarfsfall, also bei einem Brand und/oder zur Verhinderung eines Brandes gezielt mit dem im Löschmittelspeicher 5 vorrätigen Löschmittel beaufschlagt bzw. geflutet werden.
Zur Erkennung eines Notfalls, insbesondere eines Brand, wird in sinnvoller Weise die im Innenraum 3 herrschende Temperatur und/oder die Temperatur der Einzelzellen 2 detektiert. Bei Überschreitung eines oder mehrerer zweckmäßiger vorgebbarer Grenzwerte wird das die Notfallleitung 4 verschließende Betätigungselement 8 in Abhängigkeit der im Innenraum 3 herrschenden Temperatur insbesondere elektronisch gesteuert vorzugsweise elektronisch geöffnet und die Notfallöffnung 7 mit dem Löschmittelspeicher 5 fluidisch verbunden.
Zur Abwehr eines Brandes ist es von Vorteil, die außerhalb des Innenraums 3 herrschenden Temperatur 3 zu detektiert. Bei Überschreitung eines oder mehrerer zweckmäßiger vorgebbarer Grenzwerte dieser Außentemperatur wird das die Notfallleitung 4 verschließende Betätigungselement 8 in Abhängigkeit der Außentemperatur geöffnet und die Notfallöffnung 7 gleichfalls mit dem Löschmittelspeicher 5 fluidisch verbunden.
In sinnvoller Weise ist das Löschmittel unter einem genügend hohen Druck und in ausreichender Menge in dem Löschmittelspeicher 5 gelagert, da es auf diese Weise sofort aus diesem in den Innenraum 3 ausgebracht werden kann.
Ferner ist es auch zweckmäßig, das Löschmittel bspw. mittels Pumpe und/oder einem Treibgas aus dem Löschmittelspeicher 5 in den Innenraum 3 zu befördern.
Zur Verringerung des zu temperierenden Innenraumvolumens kann die Notfallöffnung 7 bspw. zusätzlich noch über ein Verschlusselement wie eine Dünnstelle oder Berstscheibe verschlossen sein. Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch das Betätigungselement 8 möglicht nah an der Notfallöffnung angeordnet werden.
In 2 ist ein weiterer schematischer Querschnitt einer Batterie 1 eines Fahrzeuges dargestellt. Die Batterie 1 gemäß 2 weist gleichfalls ein geschlossenes Batteriegehäuse auf. Ferner sind im Innenraum 3 dieser Batterie 1 auch mehrere Einzelzellen 2 angeordnet, die zu einem Zellenstapel 9 zusammengefasst sind. Allerdings sind die Einzelzellen 2 dieses Zellenstapels 9 thermisch leitend auf einer Kühlplatte 10 aufgestellt. Die Kühlplatte 10 ist Bestandteil eines Kühlkreislaufes 6 der Batterie und dient insbesondere zur Abfuhr der von den Einzelzellen 3 erzeugten Wärme.
Aus dem Innenraum 3 der Batterie 1 sind gleichfalls wie im Ausführungsbeispiel nach 1 verschiedene Leitung und Kabel herausgeführt, die ebenfalls bspw. zur Stromab- und -zuleitung, zur vorzugsweise elektronischen Überwachung von im Innenraum 3 angeordneten Bauteilen oder der Einzelzellen 2 der Batterie 1 dienen.
Im Gegensatz zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel wird hier u. a. der Kühlmittelkreislauf mit unter Überdruck stehendem CO₂ betrieben, das gleichzeitig als Kältemittel sowie als Löschmittel vorgesehen ist. Auf diese Weise bildet der Kühlmittelkreislauf 6 gleichzeitig den Löschmittelspeicher 5. In sinnvoller Weise wird hierbei die Zuleitung des Kühlmittelkreislaufs 6 gleichzeitig als Notfallleitung 4 verwendet, womit eine wesentliche Bauteile- und Bauraumverringerung verbunden ist.
Die Notfallöffnung 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel in demjenigen Teil der Zuleitung (Notfallleitung 4) angeordnet, der sich – im Hinblick auf das strömende Kältemittel – zuströmseitig vor der Kühlplatte 10 und innerhalb des Innenraums 3 befindet. Auf diese Weise ist die Notfallöffnung 7 in dem Innenraum angeordnet und die Notfallleitung ohnehin schon dichtend durch das Batteriegehäuse hindurch geführt.
Die Notfallöffnung 7 ist außerhalb des Einsatzfalls durch ein Betätigungselement 8 dichtend verschlossen, das als Bimetall und/oder als Schmelzenkörper und/oder als Berstscheibe oder Dünnstelle ausgebildet ist. Bei diesen Ausführungen wird die Notfallöffnung 7 im Einsatzfall temperaturbedingt durch das sich thermisch unterschiedlich ausdehnende (Bimetall) freigegeben oder der Schmelzkörper in einer die Notfallöffnung 7 freigebenden Weise geschmolzen oder die Berstscheibe fluidströmfähig aufgebrochen.
Die Erkennung eines Notfalls, insbesondere eines Brand, wird wie schon zuvor registriert.
In den Innenraum 3 eingebrachtes CO₂ verdrängt in günstiger Weise brandbekämpfend bzw. brandschützend den Sauerstoff. Weiterhin kann es aufgrund einer zumindest u. U. auftretenden adiabatischen Entspannung in idealer Weise zusätzlich noch das Gasvolumen im Innenraum 3 kühlen und dadurch die Innentemperatur unter die eine kritische Zündtemperatur absenken.

1: (Li-Ionen) Batterie
2: Einzelzellen
3: Innenraum der Batterie
4: Notfallleitung
5: Löschmittelspeicher
6: Kühlkreislauf der Batterie
7: Notfallöffnung
8: Betätigungselementes
9: Zellenstapel
10: Kühlplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10123178 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Brandprävention und/oder -bekämpfung für eine Li-Ionen Batterie (1) eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass der Einzelzellen (2) der Batterie (2) aufweisende Innenraum (3) der Batterie (1) über eine Notfallleitung (4) mit einem Löschmittelspeicher (5) verbunden wird und dass zur Brandprävention und/oder -bekämpfung zumindest zeitweilig das Löschmittel aus dem Löschmittelspeicher (5) in den Innenraum (3) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Löschmittelspeicher (5) ein temperierender Kühlkreislauf (6) der Li-Ionen Batterie (1) gewählt wird, dass als Kältemittel CO₂ gewählt wird und die Notfallleitung (4) mit dem die Einzelzellen (2) der Batterie (1) aufweisenden Innenraum (3) zumindest zeitweilig über eine Notfallöffnung (7) fluidisch verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfallöffnung (7) im Bedarfsfall gegenüber dem Innenraum (3) gesteuert geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfallöffnung (7) gegenüber dem Innenraum (3) in Abhängigkeit der im Innenraum (3) herrschenden Temperatur gesteuert geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfallöffnung (7) zur Brandprävention gegenüber dem Innenraum (3) in Abhängigkeit der außerhalb des Innenraums (3) herrschenden Temperatur gesteuert geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfallöffnung (7) elektronisch gesteuert geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfallöffnung (7) durch eine thermische Ausdehnung und/oder ein Schmelzen und/oder ein Bersten eines Betätigungselementes (8), insbesondere eines Bimetall und/oder eines Polymers geöffnet wird.
Vorrichtung zur Brandprävention und/oder -bekämpfung für eine Li-Ionen Batterie (1) eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass der Einzelzellen (2) der Batterie (1) aufweisende Innenraum (3) der Batterie (1) über eine Notfallleitung (4) mit einem Löschmittelspeicher (5) verbunden ist und dass der Innenraum (3) der Batterie (1) und der Löschmittelspeicher (5) über eine Notfallöffnung (7) zumindest zeitweilig fluidisch verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Löschmittelspeicher (5) ein temperierender Kühlkreislauf (6) der Li-Ionen Batterie (1) ist und dass das Kältemittel CO₂ ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfallöffnung (7) im Bedarfsfall gegenüber dem Innenraum (3) gesteuert freigebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfallöffnung (7) gegenüber dem Innenraum (3) in Abhängigkeit der im Innenraum (3) herrschenden Temperatur gesteuert freigebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfallöffnung (7) zur Brandprävention gegenüber dem Innenraum (3) in Abhängigkeit der außerhalb des Innenraums (3) herrschenden Temperatur gesteuert freigebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfallöffnung (7) elektronisch gesteuert öffenbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfallöffnung (7) außerhalb des Einsatzfalls durch ein Betätigungselement (8) verschlossen ist und dass Betätigungselement (8) als Bimetall und/oder als Schmelzenkörper und/oder als Berstelement ausgebildet ist.