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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen und Unterdrücken des thermischen Durchgehens einer Energiespeichereinheit, die aus mindestens einer Zelle aufgebaut ist.
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Stand der Technik
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Hybrid- und rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge benötigen einen Speicher für die elektrische Antriebsenergie. Eine übliche Lösung dieses Problems stellt die Speicherung der elektrischen Energie in chemischer Form in einer Batterie dar.
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Der Aufbau einer solchen Batterie ist gewöhnlich folgendermaßen gestaltet: einzelne Zellen werden zu Modulen zusammengefasst, aus mehreren Modulen wird die Gesamtbatterie aufgebaut. Zusätzliche Komponenten sind elektronische Einrichtungen zur Überwachung und Steuerung des Spannungs- und Ladezustandes, sowie eine Vorrichtung zur Klimatisierung der Batterie, häufig wird hierzu eine Wasserkühlung verwendet. Dieser Aufbau wird von einem Gehäuse umgeben.
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Das technische Arbeitsprinzip und die hohe Energiedichte von Batterien bedingen auch bestimmte Besonderheiten. Die Batterien können beispielsweise bei fehlerhafter Bedienung, bei einem technischen Versagen einzelner Komponenten, sei es aufgrund von Erschütterung oder Deformation, oder durch das Versagen einzelner Komponenten innerhalb der Batterie eine beträchtliche Gefahr für die Umgebung darstellen. Gefahrenquellen sind zum einen die elektrische Hochspannung und der Strom, der fließen kann, zum anderen aber auch die Freisetzung von Wärmeenergie und großen Gasmengen. Insbesondere kann es sein, dass es zu explosionsartiger Freisetzung von Energie kommt.
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Ein Fehlermuster ist das thermische Durchgehen, der sogenannte „Thermal Runaway“. In diesem Fall wird aus einem oder mehreren Gründen, wie beispielsweise ein interner Kurzschluss oder durch eine Überladung, eine bestimmte kritische Temperatur in einer Zelle überschritten. Sobald diese Temperatur erreicht ist, kommt es zu einer Selbstverstärkung und durch chemische oder elektrochemische Prozesse wird immer mehr Energie freigesetzt und die Temperatur in dieser Zelle steigt weiter an. Hier können dann auch brennbare Gase aus der Zelle austreten. Durch Wärmeleitung kann der Vorgang in dieser Zelle auch die Temperatur einer benachbarten Zelle, die bisher noch intakt war, über die kritische Temperatur hinaus erhöhen und auch diese Zelle in den Zustand des thermischen Durchgehens treiben. Dieser Vorgang kann sich kettenreaktionsartig über die gesamte Batterie fortsetzen und auf diese Weise in kürzester Zeit gefährliche Mengen an Energie und Gasen freisetzen.
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Einige Quellen von Gefahren und deren Ursachen werden mittlerweile schon durch technische Einrichtungen, die die Gefahren entsprechend mildern sollen, angegangen. Es sind Vorrichtungen allgemein bekannt, die die elektrische Spannung unterbrechen oder einen schnellen Entladevorgang der Batterie initiieren, sobald ein Gefahrengrund erkannt wird.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung, die das thermische Durchgehen in einem Batteriesystem bestehend aus mindestens einer Zelle, falls es aufgetreten ist, in seinen Folgen beherrschbar macht und mildert, wird in
WO 2009/011749A1 und in
EP 2302727A1 beschrieben. In beiden Verfahren erfolgt das Auslösen einer Gegenmaßnahme durch Freisetzen einer Substanz erst, nachdem abhängig von einer Schwelltemperatur durch Temperatureinwirkung unmittelbar Sollbruchstellen mindestens eine Öffnung eines Reservoirs freigeben.
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Außerdem ist bekannt, dass Brände von Li-Ionen Batterien am besten mit einem Wassernebel gelöscht werden können.
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In anderen Gebieten der Technik existieren Vorrichtungen, die zur Feuerverhinderung und Bekämpfung eingesetzt werden, so sind beispielsweise in der Luftfahrt im Bereich der Antriebssysteme Feuerlöschanlagen installiert. Diese basieren typischerweise auf Halon, CO2 oder anderen Löschgasen in Flaschen, mit denen im Brandfall über eine manuelle Aktivierung die entsprechende Triebwerksgondel geflutet wird und auf diese Weise das Feuer erstickt wird.
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Es ist bekannt, dass zur Bekämpfung eines Triebwerksbrandes in einem Segelflugzeug mit Jet-Hilfstriebwerk ein System entwickelt wurde, bei dem Wasser unter hohem Druck im Triebwerksraum vernebelt wird.
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Hinsichtlich der Detektion eines Brandes mit entsprechender Sensorik gibt es verschiedenartige technische Lösungen. Zum Nachweis des Gases Kohlenmonoxid existieren Sensoren im Kraftfahrzeugbereich, welche beispielsweise im Bereich der Motorüberwachung oder im Bereich der Klimatechnik eingesetzt werden. Weiterhin sind Beschleunigungssensoren und Drucksensoren im Bereich der Fahrzeugsicherheit, insbesondere bei der Kollisionserkennung, allgemein bekannt. Schnelle Temperatursensoren existieren einerseits in der Form von optischen Sensoren, die die Temperatur von Oberflächen beispielsweise über die thermische Infrarotstrahlung bestimmen oder als abgewandelte Form eines Luftmassensensors, welcher über den Temperaturverlust bzw. den Temperaturgewinn eines Sensorelements die Umgebungstemperatur messen kann.
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Im Bereich der Fahrzeugsicherheit sind Gasgeneratoren zur Auslösung von Airbags Standardmethode. Dabei existieren verschiedene Systeme wie beispielsweise pyrotechnische Verfahren, bei denen durch Zündung einer kleinen Sprengladung eine chemische Treibladung gezündet wird, welche dann durch Abbrand ein großes Volumen an Gas produziert. Bei den sogenannten Kaltgasgeneratoren wird beispielsweise in einem Druckspeicher ein Gas lagerfähig komprimiert und über einen Auslass im Anwendungsfall freigesetzt. Die sogenannten Hybridgasgeneratoren stellen eine Mischform dieser beiden Grundprinzipien dar. Typischerweise werden Hybridgasgeneratoren in der Fahrzeugtechnik dann eingesetzt, wenn sehr kurze Aufblaszeiten der Airbags notwendig sind, wie dies beispielsweise für Thoraxbags bei Seitenkollisionen der Fall ist. Der Vorteil der Hybridgasgeneratoren liegt vor allem in der weniger aggressiven Druckanstiegsgeschwindigkeit, der geringen Erwärmung, dem geringen Einsatzgewicht sowie der besseren Recyclingmöglichkeit gegenüber konventionellen pyrotechnischen Gasgeneratoren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Erkennen und Unterdrücken des thermischen Durchgehens einer Energiespeichereinheit, die aus mindestens einer Zelle aufgebaut ist, nach Anspruch 1 mit einem ersten Schritt des Überwachens mindestens eines physikalischen Parameters der Energiespeichereinheit oder mindestens einer Zelle der Energiespeichereinheit; und einem zweiten Schritt des Erkennens einer Entwicklung hin zu einem thermischen Durchgehen der mindestens einen Zelle der Energiespeichereinheit oder des Eintretens des thermischen Durchgehens der mindestens einen Zelle basierend auf dem oder den überwachten physikalischen Parametern der Energiespeichereinheit und anhand mindestens eines vorgegebenen Kriteriums; und einem dritten Schritt des Ergreifens einer Gegenmaßnahme, die der Entwicklung oder dem Eintreten des thermischen Durchgehens entgegenwirkt, wobei an der mindestens einen Zelle der Energiespeichereinheit ein Stoff unter Druck in feiner Zerstäubung freigesetzt wird, der der Entwicklung oder dem Eintreten des thermischen Durchgehens thermisch oder chemisch entgegenwirkt.
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Die vorliegende Erfindung schafft außerdem eine Vorrichtung zum Erkennen und Unterdrücken des thermischen Durchgehens einer Energiespeichereinheit, die aus mindestens einer Zelle aufgebaut ist, nach Anspruch 5.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein kostengünstiges Verfahren zur rechtzeitigen Erkennung des thermischen Durchgehens einer Energiespeichereinheit und zur aktiven Milderung der Folgen dieses thermischen Durchgehens durch Verhinderung eines Brandes der Energiespeichereinheit bzw. durch das Löschen eines schon entstandenen Brandes der Energiespeichereinheit. Ein Hauptvorteil der Erfindung ist daher die Verhinderung einer Fahrzeugexplosion oder eines Fahrzeugbrandes mit der sich daraus ergebenden Verletzungs- und Tötungsgefahr beispielsweise für Insassen, für Helfer in einer Unfallsituation und für sich in der Nähe befindliche Personen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der deutlichen Schadensminderung für materielle Güter, wie beispielsweise das Fahrzeug selbst oder umgebende Gegenstände oder Gebäude. Je höher die Brandtemperatur ist und je länger der Brand andauert, desto stärker wird erfahrungsgemäß die Umwelt kontaminiert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht daher in der Kontrolle des Austritts toxischer Stoffe, die durch den Brand entstehen oder freigesetzt werden, und einer damit einhergehenden Verminderung der Umweltbelastung. Da Elektro-Fahrzeuge in der öffentlichen Wahrnehmung als „grüne“ Fahrzeuge angesehen werden, spielt dieser Aspekt eine nicht unwesentliche Rolle. Damit verbunden sind niedrige Kosten für die Dekontamination des Brandortes und niedrigere Entsorgungskosten für Fahrzeug und Batterie.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erkennen und Unterdrücken des thermischen Durchgehens einer Energiespeichereinheit, die aus mindestens einer Zelle aufgebaut ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erkennen und Unterdrücken des thermischen Durchgehens einer Energiespeichereinheit, die aus mindestens einer Zelle aufgebaut ist, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erkennen und Unterdrücken des thermischen Durchgehens einer Energiespeichereinheit, die aus mindestens einer Zelle aufgebaut ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 die gesamte Energiespeichereinheit mit den darin liegenden Zellen 2. Sensoren 3, 4 sind innerhalb und außerhalb der Energiespeichereinheit 1 angebracht. Eine Steuereinheit ECU 5 wertet die erfassten Daten der Sensoren aus. Mit Bezugszeichen 7 wird ein Aktivierungssystem eines Gasgenerators 6 bezeichnet, der über die Steuereinheit ECU 5 gestartet werden kann. Bezugszeichen 10 bezeichnet ein Reservoir, wobei durch die Einheiten 11, 12 jeweils eine Öffnung des Reservoirs 10 freigegeben werden kann.
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Bei einem thermischen Durchgehen einer Energiespeichereinheit 1, beispielsweise einer Li-Ionen Batterie, werden bestimmte Gase durch die Zersetzung des Elektrolyts und der Kathoden- bzw. Anodenmaterialien freigesetzt. Es handelt sich hierbei typischerweise um CO, H2, CO2, CH4 und andere Kohlenwasserstoffe. Diese Gase können eine Temperatur von 1000 Grad Celsius erreichen und bilden ein zündfähiges Gemisch. Durch das erzeugte Gasvolumen kommt es innerhalb des geschlossenen Batteriegehäuses zu einer Druckerhöhung.
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In einem ersten Schritt gemäß der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein physikalischer Parameter der Energiespeichereinheit 1 oder mindestens einer Zelle 2 der Energiespeichereinheit 1 überwacht.
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Dabei handelt es sich beispielsweise um die CO-Konzentration, die mit einem CO-Sensor laufend innerhalb der Batteriegehäuses gemessen wird. Wenn die CO-Konzentration beispielsweise über einen bestimmten Schwellwert hinausgeht, wird der Zustand des thermischen Durchgehens in einem zweiten Schritt durch die Steuereinheit ECU 5 erkannt. Dieses Verfahren kann noch erweitert werden, indem man andere aus der CO-Konzentration abgeleitete Größen mit in Betracht zieht. Beispielsweise kann auch die Änderungsgeschwindigkeit der CO-Konzentration mitberücksichtigt werden. Falls diese ein bestimmtes vorgegebenes Maß überschreitet, kann das Überschreiten als weiterer Hinweis auf ein thermisches Durchgehen in die Entscheidung mit einfließen, beispielsweise durch eine logische UND-Verknüpfung beider Ereignisse. Beispielsweise können aber auch Sensoren für die anderen Gassorten in äquivalenter Weise angewandt werden.
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Es ist ebenso möglich einen Drucksensor zu verwenden, der das Druckniveau innerhalb des Gehäuses misst. Falls beispielsweise ein bestimmter Schwellwert überschritten wird, so wird in einem zweiten Schritt ein thermisches Durchgehen durch die Steuereinheit ECU 5 erkannt. Es können aber auch in äquivalenter Weise, wie bereits beschrieben, daraus abgeleitete Größen Anwendung finden. Beispielsweise eignet sich das gleiche Verfahren auch für einen Temperatursensor. Bei Drucksensoren und Temperatursensoren ist es sinnvoll eine Nachregelung entweder des Messwerts oder des Schwellenwertes auf den Umgebungsdruck bzw. auf die Umgebungstemperatur durchzuführen, da sich diese mit der Höhe oder den äußeren Bedingungen ändern können.
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Beispielsweise ist es aber auch möglich, dass eine mechanische Deformation mindestens einer Zelle 2 detektiert wird, die bei bestimmten Zellbauarten dem thermischen Durchgehen vorausgeht und durch eine interne chemische Reaktion und der daraus resultierenden internen Druckerhöhung verursacht wird. Die mechanische Deformation kann beispielsweise optisch, mit einer Kamera, einer Kombination aus Leuchtdiode-Fotozelle, einem Laser oder durch die direkte Messung über einen Piezo-Dehnmessstreifen nachgewiesen werden
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Beispielsweise ist es auch möglich eine Detektion und Charakterisierung der Rauchproduktion über ein visuell-basiertes System, mit Video oder Infrarottechnik, vorzunehmen. Sofern noch keine größeren Partikel entstanden sind, also u.U. in der Anfangsphase des thermischen Durchgehens, die die Messung beeinträchtigen, kann auch diese Methode eine robuste Messung erlauben.
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Es ist ebenfalls möglich die Sensoren 3, 4, die auf verschiedene Arten von physikalischen Parametern sensitiv sind, in Kombination miteinander anzuwenden. Ein Vorteil davon ist die Steigerung der Robustheit des Systems gegen technische Störungen oder verrauschte Messwerte und erlaubt eine kostengünstigere Umsetzung.
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Ebenso ist es möglich anhand der auftretenden charakteristischen Merkmale, wie beispielsweise einer Temperaturerhöhung, einer Druckerhöhung, der Luftzusammensetzung und einer mechanischen Deformation, schon vor dem Auftreten des thermischen Durchgehens diesen Zustand in einem zweiten Schritt durch die Steuereinheit ECU 5 zu erkennen und in einem dritten Schritt eine Gegenmaßnahme zu aktivieren.
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Die Sensoren 3, 4 können sowohl innerhalb als auch in der Nähe außerhalb der Energiespeichereinheit 1 verbaut sein, wobei eine Verbindung zu dieser besteht. Beispielsweise kann auch die Batteriezelle selbst als Sensor eingesetzt werden.
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Die Sensoren 3 können auch über das Volumen des Gehäuses der Energiespeichereinheit 1 verteilt sein und beispielsweise jede Zelle 2 der Energiespeichereinheit 1 separat überwachen. Durch die Auswertung des Sensororts kann auf den Ort des thermischen Durchgehens innerhalb der Batterie geschlossen werden. Die konkrete Ausgestaltung erfolgt hierbei beispielsweise in der Form eines Sensorbandes, wie dies beispielsweise in der Frontschürze von Personenkraftwagen für den Fußgängerschutz der Fall ist. Vorteilhaft ist hier die schnelle Reaktionszeit mit der ein thermisches Durchgehen schon im Ansatz erkannt werden kann.
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In einem zweiten Schritt erfolgt durch eine Steuereinheit ECU 5, basierend auf dem oder den überwachten physikalischen Parametern der Energiespeichereinheit 1 und anhand mindestens eines vorgegebenen Kriteriums, das Erkennen einer Entwicklung hin zu einem thermischen Durchgehen der mindestens einen Zelle 2 der Energiespeichereinheit 1 oder des Eintretens des thermischen Durchgehens der mindestens einen Zelle 2.
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In einem dritten Schritt erfolgt durch die Steuereinheit ECU 5 das Auslösen einer Gegenmaßnahme, die der Entwicklung oder dem Eintreten des thermischen Durchgehens entgegenwirkt, wobei durch eine elektronische Schaltung, das Aktivierungssystem 7, ein Gasgenerator 6 betätigt wird. Der Gasgenerator 6 und das Aktivierungssystem 7 befinden sich außerhalb des Gehäuses des Energiespeichers 1. Der Gasgenerator 6 beaufschlagt ein Reservoir 10, beispielsweise einen Wasserbehälter oder Flüssigkeitsbehälter, mit Gas unter hohem Druck. Über die Einheiten 11, 12, die beispielsweise in der Form eines elektrisch zu öffnenden Ventils oder einer Berstscheibe, die ab einem bestimmten Druck öffnet, ausgeführt sind, kann das Flüssigkeits-Gas Gemisch in den Hohlraum des Gehäuses der Energiespeichereinheit 1 ausströmen. Die Ausströmung erfolgt dabei über eine besonders gestaltete Öffnung der Einheiten 11, 12 die für eine feine Zerstäubung der Flüssigkeit sorgt. Vorzugweise sind mehrere solcher Einheiten 11, 12 innerhalb des Volumens der Energiespeichereinheit 1 verteilt. Das genannte Verfahren basiert auf dem Entzug thermischer Energie durch die zerstäubte Flüssigkeit, bei der es sich vorzugweise um einen Wassernebel handelt, wobei auch ein Teil der beim thermischen Durchgehen entstandenen schädlichen Aerosole gebunden wird.
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2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erkennen und Unterdrücken des thermischen Durchgehens einer Energiespeichereinheit, die aus mindestens einer Zelle aufgebaut ist, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In 2 bezeichnet Bezugszeichen 1 die gesamte Energiespeichereinheit mit den darin liegenden Zellen 2. Sensoren 3, 4 sind innerhalb und außerhalb der Energiespeichereinheit 1 angebracht. Eine Steuereinheit ECU 5 wertet die erfassten Daten der Sensoren aus. Mit Bezugszeichen 7 wird ein Aktivierungssystem eines Gasgenerators 6 bezeichnet, der über die Steuereinheit ECU 5 gestartet werden kann. Bezugszeichen 10 bezeichnet ein Reservoir, wobei durch die Einheiten 11, 12 eine Öffnung freigegeben werden kann.
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Die zweite Ausführungsform ist analog der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 1, wobei der Gasgenerator 6 und dessen Aktivierungssystem 7 innerhalb des Gehäuses der Energiespeichereinheit 1 angeordnet sind.
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Eine Verfahrensoption der genannten Ausführungsformen besteht in dem zielgerichteten einzelnen Aktivieren von Einheiten 11, 12 oder dem aktivieren von Einheiten 11, 12 nach einem vom Ort des thermischen Durchgehens abhängigen Muster, so dass eine optimale Lösch- und Energieabsorptionswirkung erreicht wird.
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In einer weiteren Verfahrensoption sind der Flüssigkeit des Reservoirs 10 weitere chemische Substanzen beigemischt, die beispielsweise die Lösch- und Energieabsorptionswirkung erhöhen oder die in der Lage sind, die in den Gasen oder Verbrennungsprodukten befindlichen, oder aus der Reaktion dieser Stoffe mit der Flüssigkeit des Reservoirs 10 entstehenden giftigen oder ätzenden Substanzen, wie beispielsweise HF oder Schwermetallstäube, zu binden oder zu neutralisieren.
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In einer hinsichtlich Gewicht und konstruktivem Aufwand besonders vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung besteht das Reservoir 10 aus dem bereits standardmäßig vorhandenen Kühlwasserreservoir für die Klimatisierung der Energiespeichereinheit 1. An den Leitungen dieses Kühlwasserreservoirs sind die Einheiten 11, 12, die beispielsweise in der Form von Ventilen oder als Berstscheiben ausgeführt sind, entweder direkt angebracht oder über kurze Leitungen mit diesen verbunden. Der Gasgenerator 6 ist ebenfalls mit dem Kühlwasserreservoir verbunden.
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Vorteile der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind einerseits, dass durch den Überdruck in kurzer Zeit eine große Stoffmenge in die Energieeinheit 1 eingeleitet werden kann und andererseits, dass durch das feine Zerstäuben der Wirkungsgrad und die Reichweite der eingeleiteten Stoffmenge aufgrund der hohen Ausströmgeschwindigkeit deutlich erhöht wird. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass das normale Kühlsystem der Energiespeichereinheit 1 nicht überdimensioniert und damit teuer und schwer konstruiert werden muss, um die beim thermischen Durchgehen auftretende Energie selbst abzuführen zu können. Die Zeitskala, in der sich die Wirkung der Gegenmaßnahme entfaltet, ist deutlich kürzer, im Bereich von einigen Millisekunden, als es bei dem Betrieb eines normalen Kühlsystems zum Abführen der thermischen Energie der Fall wäre.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/011749 A1 [0007]
- EP 2302727 A1 [0007]
