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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Verhindern einer Emission von bei einem Defekt einer Batteriezelle gebildeten Dämpfen in die Umgebung.
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Lithium-Ionen-Batterien wurden in Verbindung mit Verbrennungsmotoren (ICE von internal combustion engines) verwendet. Normalerweise saugt ein Luftzirkulationssystem eines Batteriesatzes Luft aus der Umgebung des Satzes einschließlich der Strukturelemente des Fahrzeuges, jedoch unter Ausschluss des Fahrgastraumes, an und schickt Luft in diese zurück.
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Wenngleich es selten der Fall ist, sind Lithium-Ionen-Batteriezellen gelegentlich defekt. Wenn eine Lithium-Ionen-Batteriezelle defekt ist, können gasförmiger und flüssiger Elektrolyt und gewisse Dämpfe von verbrannten Stoffen mit einem damit verbundenen Rauch aus der gebrochenen Zelle emittiert werden. Der Rauch ist das Ergebnis einer Karbonatverbrennung und kann feine kohlenstoffhaltige Feststoffe enthalten. Es können verschiedene Dämpfe wie z. B. Dimethylcarbonat (DMC) und andere Karbonate mit hohem Dampfdruck, Kohlenwasserstoffe (KW, z. B. CxHy, wobei x null sein kann) und Kohlenoxide wie z. B. Monoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) ausgestoßen werden. Bei der heutzutage gängigen Praxis werden diese Gase um den Satz herum einschließlich der Strukturelemente des Fahrzeuges, jedoch unter Ausschluss des Fahrgastraumes, an die Außenumgebung abgelassen.
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Die Druckschrift
DE 457 891 A beschreibt eine Vorrichtung zum Entfernen von Gasen aus einer Sammlerbatterie eines Unterseebootes oder dem Unterbringungsraum der Sammlerbatterie. Die Vorrichtung umfasst eine von einer Kraftquelle angetriebene Saugvorrichtung, die einen leichten Unterdruck in den Zellen der Sammlerbatterie oder deren Unterbringungsraum gestattet. Dadurch können die Gase aus der Sammlerbatterie an die Außenluft abgegeben werden oder aber nach geeigneter Filterung der Raumluft des Unterseebootes zugeführt werden.
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Es wäre wünschenswert, die im Fall eines Batteriezellendefekts gebildeten Dämpfe zu behandeln.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Erfindung kommt diesem Bedürfnis nach. Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Verhindern einer Emission von bei einem Defekt einer Batteriezelle gebildeten Dämpfen in die Umgebung. Dazu wird eine Kopplung zwischen einem die Batteriezelle umfassenden Batteriesatz und einem Verbrennungsmotor-Abgassystem vorgesehen, wobei das Verbrennungsmotor-Abgassystem konstruiert ist, um Feststoffe zu filtern und zum Teil verbrannte Verbrennungsmotor-Abgasbestandteile vollständig zur Reaktion zu bringen. Die Kopplung umfasst einen Kanal, der zwischen dem Batteriesatz und dem Verbrennungsmotor-Abgassystem positioniert ist, wobei der Kanal zumindest ein Einwegventil umfasst, das positioniert ist, um zuzulassen, dass die bei einem Defekt der Batteriezelle gebildeten Dämpfe von der Batteriezelle zu dem Verbrennungsmotor-Abgassystem strömen. Sofern ein Defekt der Batteriezelle detektiert wird, werden die bei dem Defekt der Batteriezelle gebildeten Dämpfe durch die Kopplung hindurch gezwungen und in dem Verbrennungsmotor-Abgassystem mithilfe eines katalytischen Konverters, eines Partikelfilters und eines Dämpfers gefiltert und behandelt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System zum Verhindern einer Emission von bei einem Defekt einer Batteriezelle gebildeten Dämpfen in die Umgebung. Das System umfasst eine Kopplung, die zwischen einem die Batteriezelle umfassenden Batteriesatz und einem Verbrennungsmotor-Abgassystem positioniert ist, wobei das Verbrennungsmotor-Abgassystem konstruiert ist, um Feststoffe zu filtern und zum Teil verbrannte Verbrennungsmotor-Abgasbestandteile vollständig zur Reaktion zu bringen. Die Kopplung umfasst einen Kanal, der zwischen dem Batteriesatz und dem Verbrennungsmotor-Abgassystem positioniert ist, wobei der Kanal zumindest ein Einwegventil umfasst, das positioniert ist, um zuzulassen, dass die bei einem Defekt der Batteriezelle gebildeten Dämpfe von der Batteriezelle zu dem Verbrennungsmotor-Abgassystem strömen. Die bei dem Defekt der Batteriezelle gebildeten Dämpfe werden durch die Kopplung hindurch gezwungen und in dem Verbrennungsmotor-Abgassystem mithilfe eines katalytischen Konverters, eines Partikelfilters und eines Dämpfers gefiltert und behandelt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Veranschaulichung einer Ausführungsform der Kopplung der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Verhinderung der Folgen eines thermischen Defekts einer Vorrichtung. Es könnte mit einer eigenständigen Vorrichtung verwendet werden, den Rauch im Fall eines Defekts produzieren könnte, das/der normalerweise in die Umgebung abgelassen wird, und könnte mit dem Verbrennungsmotor-Abgassystem verbunden sein. Die Vorrichtung umfasst, ist jedoch nicht beschränkt auf eine Batteriezelle wie z. B. Lithium-Ionen-Batteriezellen, eine elektronische Vorrichtung oder eine mechanische Vorrichtung. Der Einfachheit halber wird die Erfindung in Bezug auf eine Batteriezelle beschrieben.
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Das Abgassystem eines Verbrennungsmotors ist konstruiert, um Feststoffe zu filtern und zum Teil verbrannte Verbrennungsmotor-Abgasbestandteile vollständig zur Reaktion zu bringen, was nahezu durchsichtige, ruhige und geruchlose Auspuffaustrittsschwaden zur Folge hat. Eine oder mehrere Komponenten des Verbrennungsmotor-Abgassystems (z. B. die Filter, Dämpfer und katalytischen Konverter) kann/können verwendet werden, um die Gase und das Feststoffteilchenabgas von einem Batteriezellendefekt zu behandeln. Diese Abgasanordnung für den Batteriesatz zur Behandlung seiner/s möglichen Abgase und Feststoffteilchenabgases während eines thermischen Zellenereignisses ist hierin nachfolgend als die alternative Abgasanordnung bezeichnet.
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Es ist unpraktisch, das Batteriezellensatz-Luftzirkulationsabgas ständig dem Abgassystem des Verbrennungsmotors zuzuführen. Der Druck in den Abgasrohren würde möglicherweise zulassen (oder erzwingen), dass die heißen Abgasschwaden des Verbrennungsmotors in den Batteriezellensatz eindringen und der Batteriezellenkühlung entgegenwirken. Überdies könnten weitere unerwünschte mechanische, thermische und/oder chemische Auswirkungen vorhanden sein. Da das Verbrennungsmotor-System beispielsweise Abgas mit einem höheren als dem Umgebungsdruck produziert, könnten, wenn das Gas mit höherem Druck in den Batteriesatz eintritt und nicht schnell genug abgelassen werden kann, die Dichtungen des Batteriesatzes versagen. Darüber hinaus könnten die heißen Gase die Elektronik beschädigen, die verwendet wird, um die Batteriezellen zu steuern. Schließlich könnten die bei der Verbrennung gebildeten reaktiven Gase z. B. mit Feuchtigkeit in der Luft reagieren und bewirken, dass das Metall oder der Kunststoff in der Batteriezelle abgebaut wird.
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In der vorliegenden Erfindung löst ein thermisches Ereignis die Aktivierung eines Ventilsystems aus, welches das Batteriesatzabgas durch das Abgassystem des Verbrennungsmotors hindurch zwingt.
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Während eines Normalbetriebes verhindert die Kopplung zwischen dem Batteriesatz und dem Verbrennungsmotor-Abgassystem, welches das Ventilsystem umfasst, dass Motorabgas, Vibration und Wärme in den Batteriezellensatz gelangt oder diesen beeinträchtigt.
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Wenn ein thermisches Ereignis detektiert oder vermutet wird, zwingt die Kopplung die Gase in dem Batteriezellensatz dazu, dass sie in das Verbrennungsmotor-Abgassystem hinein abgelassen werden. Das Auftreten oder vermutete Auftreten eines thermischen Ereignisses könnte in verschiedenartiger Weise festgestellt werden. Es werden z. B. typischerweise die Temperatur, die Spannung und der Strom des Systems konstant gemessen. Es könnte ein Auslöser gesetzt werden, sodass, wenn eine oder mehrere dieser Bedingungen einen akzeptablen Bereich überschreitet/n, die alternative Abgasanordnung aktiviert würde. Alternativ (oder zusätzlich zu dem Temperatur-, Spannungs- und/oder Stromauslöser) könnte das System so eingestellt sein, dass ein Zusammenstoß- und/oder Hochdruckereignis die alternative Abgasanordnung auslösen würde. Es könnten auch andere Auslöser einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Dampfsensoren oder Rauchdetektoren verwendet werden, falls erwünscht. Die Auslöser könnten manuell, z. B. ein Knopf, den der Fahrer im Fall eines Defekts oder Unfalles drücken könnte, oder ferngesteuert sein, z. B. durch die Feuerwehr oder ein System wie OnStar®. Der Auslöser ist wünschenswerterweise automatisch.
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Der Batteriesatz weist eine Lufteinlass- und eine Luftauslassöffnung auf. Wenn die alternative Abgasanordnung ausgelöst wird, bleibt die Lufteinlassöffnung offen, und die Luftauslassöffnung schließt sich. Infolgedessen wird Luft von der Außenumgebung in den Batteriesatz hinein gesaugt, aber nicht aus dem Batteriesatz zurück in die Außenumgebung ausgestoßen. Das Batteriesatzabgas strömt vielmehr zur Behandlung in das Verbrennungsmotor-Abgassystem hinein.
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Zwischen dem Batteriesatz und dem Verbrennungsmotor-Abgassystem befindet sich eine Kopplung. Die Kopplung umfasst einen Kanal mit zumindest einem Einwegventil. Es kann ein/e elektrisch angetriebene/s Gebläse oder Luftpumpe in den Kanal gepasst sein, das/die mit dem Batteriesatz gekoppelt ist. In einer weiteren Ausführungsform ist das/die angetriebene Gebläse oder Luftpumpe mit der Lufteinlassöffnung verbunden. Der Kanal ist mechanisch isoliert und mit einer Erweiterung des Verbrennungsmotor-Abgassystems gekoppelt und der Kanal bleibt von dem Verbrennungsmotor-Abgassystem isoliert.
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Geeignete thermische Sperren umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf verschiedene Arten von Keramikbeschichtungen und -isolierung. Der Kanal kann z. B. mithilfe der Keramikbeschichtung, die in dem
US-Patent Nr. 7 041 383 , welches hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschrieben ist, thermisch isoliert sein. Die Keramikbeschichtung umfasst [Nd
0,5Zr
0,95O
1,75Y
0,06]
0,93[Nd
2O
3]
0,07, das mithilfe einer metallischen Klebebeschichtung aus NiCrAlY auf rostfreien Stahl beschichtet ist, und zeigt thermische Leitfähigkeiten zwischen 0,73 und 1,06 W/mK von 600 °C bis 1100 °C.
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1 zeigt eine geeignete Kopplung zwischen dem Batteriesatz 10 und dem Verbrennungsmotor-Abgassystem 15. Die Lufteinlassöffnung und die Luftauslassöffnung für den Batteriesatz (nicht gezeigt) sind von der Kopplung weg positioniert. In dieser Ausführungsform befindet sich ein Kanal 20 zwischen dem Batteriesatz und dem Verbrennungsmotor-Abgassystem. Es sind zwei Einwegventile 25, 30 vorhanden, die in jedem Ende eines Zylinders 35 sitzen, der auf der Innenseite mit einer thermischen Sperrkeramik wie oben beschrieben beschichtet ist. Die thermische Sperrkeramikbeschichtung kann auch auf den Metallklappenflächen der Ventile verwendet werden, falls erwünscht. Diese Anordnung sollte den Großteil der Wärme aus denn normalen Verbrennungsmotor-Abgas von dem Batteriesatz isolieren, die durch Konduktion und Konvektion übertragen wird. Eine Strahlungswärmeübertragung kann durch die Verwendung zusätzlicher und geeigneter reflektierender Beschichtungen berücksichtigt werden. Das Absaugen der Luft in der thermischen Sperre zwischen den Ventilen würde die durch Konduktion und Konvektion übertragene Wärme noch weiter reduzieren. Die Verwendung von zwei Einwegventilen unterstützt die thermische Isolierung des Batteriesatzes von dem Verbrennungsmotor-Abgassystem. Die Verwendung von zwei Einwegventilen ist jedoch nicht erforderlich und es sind auch andere Anordnungen möglich. Der Kanal kann je nach Wunsch ein Teil sein oder er kann aus separaten Teilen bestehen.
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Das Einwegventil 25 (kalt) ist auf der Batteriesatzseite der thermischen Sperre positioniert. Das Einwegventil 30 (heiß) ist auf der Verbrennungsmotor-Abgasseite der thermischen Sperre positioniert. Die Einwegventile 25, 30 verhindern, dass Verbrennungsmotor-Abgas in den Batteriezellensatz 10 gelangt.
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Ein flexibler Schlauch oder Verrohrungsabschnitt 40 zwischen der Kopplung und dem Batteriezellensatz 10 isoliert den Batteriezellensatz 10 mechanisch von den Vibrationen in dem Verbrennungsmotor-Abgassystem 15. Alternativ könnte der Kanal 20 aus einer flexiblen Verrohrung hergestellt sein.
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Es ist typischerweise ein/e Gebläse oder Luftpumpe 45 vorhanden, welche/s die Luft von dem Batteriesatz zu dem Verbrennungsmotor-Abgassystem 15 zwingt. In einer Ausführungsform ist das Gebläse oder die Luftpumpe 45 in dem Kanal 20 positioniert. Das/die Gebläse/Luftpumpe könnte sich auf der kalten Seite des Einwegventils, der heißen Seite des Einwegventils oder auf beiden Seiten befinden. Alternativ könnte das Gebläse oder die Luftpumpe mit der Lufteinlassöffnung oder der Luftauslassöffnung verbunden sein. Das Gebläse oder die Luftpumpe könnte mit einer alternativen Lüftungsöffnung verbunden sein, die normalerweise geschlossen wäre, die jedoch zu einer Luftansaugöffnung werden könnte, wenn die alternative Abgasanordnung ausgelöst wird. Es könnten ein/e oder mehrere Gebläse oder Luftpumpen vorhanden sein. In einigen Fällen ist ein/e Gebläse/Luftpumpe möglicherweise nicht erforderlich, da der Druck in dem Batteriesatz ausreichen kann, um die Strömung zu dem Verbrennungsmotor-Abgassystem zu zwingen.
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Wenn ein thermisches Ereignis stattfindet, wird der alternative Batteriesatz-Abgasweg ausgelöst. Das Gebläse oder die Luftpumpe 45 nimmt den Betrieb auf und zwingt das Batteriesatzabgas durch den Kanal 20, das kalte Einwegventil 25, die thermische Sperre und das heiße Einwegventil 30 hindurch und in das Verbrennungsmotor-Abgassystem 15 hinein, wo es mithilfe der bestehenden Abgassystemkomponenten einschließlich eines standardisierten oder modifizierten katalytischen Konverters, eines Partikelfilters und eines Dämpfers, jedoch nicht darauf beschränkt, gefiltert und behandelt wird.
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Als ein Beispiel könnte das Verbrennungsmotor-Abgassystem eine Kohlenwasserstoff (KW)-Falle in Reihe mit einem katalytischen Konverter auf der Basis eines Dreiwegkatalysators aus einem Metall aus der Platingruppe (PGM von platinum group metal) umfassen. Die KW-Falle kann einen Zeolith und/oder metallorganische Gerüste (MOF von metal organic frameworks) umfassen. Ein Abgasnachbehandlungssystem zum Behandeln eines Motoraustrittsabgaszustromes eines Verbrennungsmotors kann einen mehrstufigen katalytischen Konverter mit einem Konvertereinlass, einem Konverterauslass und einem Substrat mit einem ersten Ende, das dem Konvertereinlass zugeordnet ist, und einem zweiten Ende, das dem Konverterauslass zugeordnet ist, umfassen. Das Substrat umfasst ferner eine Vielfalt von Strömungsdurchgängen zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Substrats, wobei eine erste Oberflächenstelle dem ersten Ende des Substrats entspricht und eine zweite Oberflächenstelle dem zweiten Ende des Substrats entspricht. Eine erste Washcoatstufe ist auf dem Substrat an der ersten Oberflächenstelle, die dem ersten Ende des Substrats entspricht, aufgebracht. Eine zweite Washcoatstufe ist auf dem Substrat an der zweiten Oberflächenstelle, die dem zweiten Ende des Substrats entspricht, aufgebracht. Es könnten andere Anordnungen und Komponenten in dem Verbrennungsmotor-Abgassystem verwendet werden, wie auf dem technischen Gebiet gut bekannt.
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Das Verbrennungsmotor-Abgassystem wäre sowohl mit dem Motor als auch der Kopplung verbunden. Es könnte sich z. B. eine Verzweigung, möglicherweise wie ein „Y” oder ein „T” geformt, in dem Abgasströmungs-pfad zwischen dem Motor und dem Verbrennungsmotor-Abgassystem befinden. Ein Teil der Verzweigung würde den Motor mit dem Verbrennungsmotor-Abgassystem verbinden und ein anderer Teil der Verzweigung würde die Kopplung mit dem Verbrennungsmotor-Abgassystem verbinden.
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Falls der Motor läuft, wenn die Batteriezelle defekt ist, wird das Batterieabgas von dem katalytischen Konverter behandelt. Falls die Batterie defekt ist, wenn der Motor nicht läuft, wird der katalytische Konverter kalt sein. In diesem Fall wird die KW-Falle die Batteriezellenabgase speichern. Dann, wenn der Motor läuft (oder durch ein anderes Mittel zum Erwärmen der KW-Falle) und der katalytische Konverter warm ist, werden die absorbierten Gase aus der KW-Falle freigesetzt und über dem Dreiwegkatalysator umgewandelt.
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Die KW-Falle und/oder anderen Abgaskomponenten, welche die aus einem Batteriesatz während eines thermischen Defekts emittierten chemischen Stoffe behandeln, könnten als ein System mit einer Einmalnutzung konstruiert sein. Nachdem ein thermisches Ereignis stattgefunden hat und der alternative Abgasweg ausgelöst wurde, würden die Komponenten in destruktiver Weise verwendet und anschließend ausgetauscht werden. Es kann sein, dass infolge seines Defekts ein Teil des oder der gesamte Batteriesatz ausgetauscht werden muss. Überdies kann es sein, dass anschließend an das Auslösen der alternativen Abgasanordnung, abhängig von der Menge an Verunreinigungen, die verarbeitet werden muss, die KW-Falle, die Partikelfalle und der katalytische Konverter ausgetauscht werden müssen. Es kann auch sein, dass auch die Kopplung, das/die Ventil/e und das Gebläse ausgetauscht werden müssen. Logistisch ist dies vernünftig, da nach einem thermischen Zellenereignis das Fahrzeug einem professionellen Service unterzogen werden muss. In finanzieller Hinsicht beseitigt diese Strategie die Notwendigkeit, übermäßig robuste Abgaskomponenten mit schwererem Gewicht und höheren finanziellen Kosten einzubauen, um ein Ereignis zu berücksichtigen, das möglicherweise nie stattfinden wird.
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Während bevorzugte Arten, die Erfindung auszuführen, im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute, die mit dem technischen Gebiet vertraut sind, auf das sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Schutzumfanges der beigefügten Ansprüche praktisch umzusetzen.
