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Die Erfindung betrifft eine elektrische Batterie, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, mit mehreren in einem Batteriegehäuse angeordneten Einzelzellen.
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Aus dem Stand der Technik sind allgemein elektrische Batterien für Fahrzeuge mit mehreren in einem Batteriegehäuse angeordneten Einzelzellen bekannt, welche zur Temperierung der Einzelzellen eine innerhalb des Batteriegehäuses angeordnete und von einem Temperiermedium durchströmte Temperiereinheit umfassen.
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Aus der
DE 199 14 814 C1 ist eine Rekombinationseinrichtung zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff oder Kohlenmonoxid mit Sauerstoff in einem Gasgemisch bekannt, bei der mindestens eine Katalysatoranordnung in einem im Betriebsfall für das Gasgemisch durchströmbaren Gehäuse angeordnet ist. Die Katalysatoranordnung weist in Strömungsrichtung des Gasgemisches gesehen mehrere Teilbereiche auf. In Anströmrichtung umfasst der erste Teilbereich einen Katalysatorkörper mit einer umgebenden Drosselschicht zur Hemmung der Diffusion der zu- und abströmenden Reaktionsgase. Der sich an den ersten Teilbereich anschließende zweite Teilbereich umfasst mindestens einen den Reaktionsgasen unmittelbar zugänglichen Katalysatorkörper.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2005 061 985 A1 ein als durchströmbarer Körper ausgebildeter Katalysator mit einem katalytisch aktiven Material, das die Rekombination von Wasserstoff mit Sauerstoff unterstützt, bekannt. Dabei ist das aktive Material in eine Matrix aus einem Metalloxid eingebettet. Ferner wird ein Katalysatorsystem beschrieben, welches mindestens zwei in Reihe geschaltete durchströmbare Körper umfasst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektrische Batterie, insbesondere Fahrzeuganwendungen, anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer elektrischen Batterie gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die elektrische Batterie, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, umfasst mehrere in einem Batteriegehäuse angeordnete Einzelzellen.
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Bei einer Leckage einer beispielsweise mit einem Kühlkreislauf einer Antriebseinheit des Fahrzeugs verbundenen Temperiereinheit, beispielsweise hervorgerufen durch Batteriedeformationen bei Unfällen des Fahrzeugs, Leitungsbrüche, korrosive Zersetzungen oder Porositäten der Temperiereinheit, kann es dazu kommen, dass das Batteriegehäuse mit eindringendem Kühlwasser gefüllt wird. Im schlimmsten Fall wird dabei das gesamte im fahrzeugfesten Wärmetauscher und Ausgleichsbehälter sowie das im Kühlkreislauf befindliche Kühlwasser in das Innere des Batteriegehäuses geleitet, da diese sich oftmals am tiefsten Punkt im Fahrzeug befindet.
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Dadurch können interne Kurzschlüsse zwischen den Einzelzellen auftreten und es kann zur Beschädigung oder zur Zerstörung der Einzelzellen kommen. Das Eindringen des Kühlwassers in das Innere des Batteriegehäuses kann jedoch nicht nur Kurzschlüsse hervorrufen. Auch besteht aufgrund der elektrochemischen Einzelzellen und der damit verbundenen elektrischen Spannungsdifferenzen die Möglichkeit, dass eine Elektrolyse des Kühlwassers stattfindet und sich Wasserstoff und somit Knallgas bilden.
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Eine bekannte Lösung dieses Problems mittels Isolation der Einzelzellen gegenüber Flüssigkeiten ist nur sehr aufwändig realisierbar und kann bereits bei kleinen Isolationslücken zum Versagen führen.
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Auch ist es möglich, dass durch anderweitig eingedrungenes Wasser, beispielsweise durch Kondensation, Wasserstoff gebildet wird oder dieser beim Betrieb der Einzelzellen selbst aus defekten Einzelzellen austritt.
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Aus diesem Grund ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass innerhalb des Batteriegehäuses zumindest eine zentrale Rekombinationseinheit zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff mit Sauerstoff angeordnet ist.
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Dadurch wird in besonders vorteilhafter, einfacher und zuverlässiger Weise freier Wasserstoff gebunden und die Bildung von Knallgas vermieden. Da die Rekombinationseinheit als zentrales Bauteil innerhalb des Batteriegehäuses ausgebildet ist, kann die Rekombination des Wasserstoffs unabhängig von dessen Entstehungsquelle und Entstehungsort innerhalb des Batteriegehäuses erfolgen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische halbtransparente Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Batterie mit einer Rekombinationseinheit,
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2 schematisch eine perspektivische halbtransparente Darstellung der elektrischen Batterie gemäß 1 bei in das Batteriegehäuse eintretendem Wasser,
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3 schematisch verschiedene Ausführungsbeispiele der Rekombinationseinheit gemäß 1,
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4 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Rekombinationseinheit gemäß 1,
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5 schematisch eine perspektivische halbtransparente Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Batterie mit einer als Brennstoffzelle ausgebildeten Rekombinationseinheit.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine perspektivische halbtransparente Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Batterie 1 mit einer zentralen Rekombinationseinheit 2 zur katalytischen Rekombination von in 2 gezeigtem Wasserstoff H2 mit Sauerstoff gezeigt. 2 zeigt die Batterie 1 gemäß 1 bei in das Batteriegehäuse 3 eintretendem Wasser H2O.
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Zur Wahrung der Übersichtlichkeit sind nur ausgewählte Baueinheiten der Batterie 1 dargestellt.
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Bei der Batterie 1 handelt es sich insbesondere um eine Hochvolt-Batterie für Fahrzeuganwendungen, welche beispielsweise als Starter- und/oder Traktionsbatterie verwendet wird.
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Die Batterie 1 umfasst mehrere in einem gemeinsamen Batteriegehäuse 3 angeordnete Einzelzellen 4, welche elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sind.
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Da die Einzelzellen 4 während ihres Betriebs Verlustwärme erzeugen, jedoch gleichzeitig ihren optimalen elektrischen Wirkungsgrad nur in einem bestimmten Temperaturbereich aufweisen, ist in nicht näher dargestellter Weise innerhalb des Batteriegehäuses 3 eine beispielsweise plattenförmig ausgebildete Temperiereinheit zur Temperierung der Einzelzellen 4 vorgesehen, welche mit zumindest einem Temperiermedium beaufschlagbar ist. Insbesondere ist hierzu die Temperiereinheit mit einem Kühlkreislauf einer Antriebseinheit des Fahrzeugs verbunden und wird als Temperiermedium mit in dem Kühlkreislauf geführtem Kühlwasser beaufschlagt.
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Bei Undichtigkeiten der Temperiereinheit, beispielsweise hervorgerufen durch Batteriedeformationen bei Unfällen des Fahrzeugs, Leitungsbrüche, korrosive Zersetzungen oder Porositäten der Temperiereinheit, kann es dazu kommen, dass das Batteriegehäuse 3 mit eindringendem Kühlwasser gefüllt wird. Im schlimmsten Fall wird dabei das gesamte im fahrzeugfesten Wärmetauscher und Ausgleichsbehälter sowie das im Kühlkreislauf befindliche Kühlwasser in das Innere des Batteriegehäuses 3 geleitet, da diese sich oftmals am tiefsten Punkt im Fahrzeug befindet.
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Bei Kontakt von Wasser H2O mit innerhalb des Batteriegehäuses 3 angeordneten und zur elektrischen Verbindung der Einzelzellen 4 vorgesehenen Stromschienen kann es durch Elektrolyse zur Bildung und Freisetzung von Wasserstoff H2 kommen. Dieser bildet mit Luft ab ca. 4% Volumenanteil ein zündfähiges Gemisch, wodurch Explosionen möglich sind. Ebenfalls kann von außen ungewollt eindringendes Wasser, durch Kondensation hervorgerufenes Schwitzwasser indirekt oder defekte Einzelzellen 4 direkt zur Wasserstoffbildung führen.
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Die Quellen des Wasserstoffs H2 zeigt 2, wobei eine Quelle die Einzelzellen 4 und eine zweite Quelle eine am Boden befindliche Wasserabscheidung ist, aus welcher mittels Elektrolyse der Wasserstoff H2 entsteht.
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Um die aus der Wasserstoffbildung resultierende Gefahr zu verringern, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, eine ständige Belüftung des Batteriegehäuses 3 durchzuführen oder spezielle Sensorik zur Erkennung eines derartigen Zustands zu verwenden. Nachteilig ist dabei die unkontrollierte Freisetzung des Wasserstoffs H2 an die Umwelt bei der Belüftung und dass bei einer Detektion von Wasserstoff durch die Sensorik und einer deshalb ausgegebenen Warnmeldung keine Reaktion bei unbeaufsichtigtem Fahrzeug erfolgen kann.
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Weiterhin ist auch bekannt, das entstehende Knallgas-Gemisch derart zu verdünnen, damit es unter eine Reaktionsgrenze gedrückt wird. Dabei ist jedoch eine wasserstoffsichere Auslegung von Gebläsen und anderen Bauteilen unumgänglich. Weiterhin kommt es durch den Eintrag von Luft in das Batteriegehäuse 3 ebenfalls zu Eintrag von Fremdstoffen und Feuchtigkeit und somit zur Verschmutzung des Batterieinneren.
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Um diese Nachteile zu überwinden, ist es vorgesehen, dass innerhalb des Batteriegehäuses 3 zumindest eine zentrale Rekombinationseinheit 2 zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff H2 mit Sauerstoff zu Wasser H2O angeordnet ist.
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Somit kann bei niedrigen Temperaturen Wasserstoff H2 zu Wasserdampf umgewandelt werden. Hierzu umfasst die Rekombinationseinheit 2 in nicht näher dargestellter Weise zumindest ein Katalysatorelement, welches beispielsweise eine poröse Keramik und/oder Metallgitternetze umfasst und zur Abführung von entstehender Reaktionswärme thermisch mit dem Batteriegehäuse 3 gekoppelt ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine in 3 näher dargestellte Kühleinheit 5 vorgesehen sein, welche thermisch mit der Rekombinationseinheit 2 gekoppelt ist.
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Eine derartige Rekombinationseinheit
2 und ein Verfahren zur Rekombination von Wasserstoff H
2 mit Sauerstoff zu Wasser H
2O ist in der
DE 10 2005 061 985 A1 beschrieben, wobei die im Batteriegehäuse
3 angeordnete Rekombinationseinheit
2 beispielsweise entsprechend der in der DE 10 2005 061 985 A1 beschriebenen Rekombinationseinheit ausgebildet ist und ein entsprechendes Verfahren zur Rekombination durchgeführt wird.
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Alternativ oder zusätzlich können die Rekombinationseinheit
2 und das mittels dieser ausgeführte Verfahren gemäß der
DE 199 14 814 C1 ausgebildet sein.
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Dabei ist das zumindest eine Katalysatorelement der Rekombinationseinheit 2 beispielsweise aus Edelmetallen gebildet, welche die Reaktion von Wasserstoff H2 und Sauerstoff als Katalysatoren befördern.
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Mittels der zentralen Rekombinationseinheit 2 erfolgt dabei die Gesamtüberwachung der Batterie 1 bzw. des von dem Batteriegehäuse 3 umschlossenen Bauraums und nicht ausschließlich der Einzelzellen 4. Hierzu ist diese insbesondere am höchsten Punkt innerhalb des Batteriegehäuses 3 angeordnet, so dass die Rekombination des Wasserstoffs H2 unabhängig von dessen Entstehungsquelle und -ort innerhalb des Batteriegehäuses 3 realisierbar ist.
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Das bei der Reaktion gegebenenfalls entstehende Reaktionswasser wird beispielsweise nach außen abgeleitet oder verbleibt als Luftfeuchte temporär im Batterieinneren und kann mittels eines Luftaustausches an die Umgebung abgegeben werden.
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In 3 sind verschiedene Ausführungsbeispiele A1 bis A4 der Rekombinationseinheit 2 dargestellt.
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Zur Abführung der bei der Wasserstoff-Rekombination entstehenden Reaktionswärme ist die Rekombinationseinheit 2 im ersten Ausführungsbeispiel A1 thermisch mit dem Batteriegehäuse 3 gekoppelt.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel A2 weist die Rekombinationseinheit 2 zusätzlich oder alternativ wärmeabführende Rippen 2.1 oder ähnliche Strukturen auf.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel A3 ist die Rekombinationseinheit 2 mittels eines Wärmeleitelements 6 an das Batteriegehäuse 3 gekoppelt, um die Wärmeübertragung zu verbessern.
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In einem vierten Ausführungsbeispiel A4 ist zusätzlich an einer Außenseite des Batteriegehäuses 3 eine von einem Kühlmedium durchströmte Kühleinheit 5 vorgesehen, welche thermisch mit der Rekombinationseinheit 2 gekoppelt ist.
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Das bei der Rekombination gegebenenfalls entstehende Reaktionswasser verbleibt entweder als Luftfeuchte im Inneren des Batteriegehäuses 3 oder wird nach außen über eine Entwässerungsleitung 13 abgeleitet.
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Dabei kann die Entwässerungsleitung 13 unabhängig von der sonstigen Ausführung der Rekombinationseinheit 2 vorgesehen sein.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel A5 der Rekombinationseinheit 2 zeigt 4, wobei die Wärmeleitung mittels einer Durchführung einer thermischen Anbindung zur Rekombinationseinheit 2 erfolgt. Das heißt, die Wärmeabfuhr erfolgt nicht über das Batteriegehäuse 3, sondern direkt an der Rekombinationseinheit 2 und einem angebundenem Wärmeabgabebereich 7, welche über eine Durchführung 8 durch das Batteriegehäuse 3 miteinander verbunden sind. Der Wärmeabgabebereich 7 ist dabei beispielsweise aus Kühlrippen, einer Kühlplatte, einem Wärmetauscher und/oder anderen Elementen gebildet.
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Ein sechstes Ausführungsbeispiel A6 ist in 5 dargestellt, wobei hierbei die Rekombinationseinheit 2 eine Brennstoffzelle ist oder umfasst, welche eine innerhalb des Batteriegehäuses 3 angeordnete Anode 9, eine außerhalb des Batteriegehäuses 3 angeordnete Kathode 10 und eine dazwischen angeordnete protonen-leitende oder aus Elektrolyt gebildete Membran 11 umfasst.
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Das dabei entstehende Gasgemisch kann den Wasserstoff H2 bzw. dessen Protonen durch die protonen-leitende Membran 11 diffundieren lassen und mittels eines beispielsweise aus Palladium, Platin und/oder Rhodium gebildeten Katalysators mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser H2O reagieren.
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Beim Durchgang des Wasserstoffs H2 durch die Membran 11 und der Reaktion mit dem Sauerstoff auf der Kathodenseite zu Wasser H2O werden Elektronen frei, die einen elektrischen Stromfluss bzw. eine elektrische Spannung erzeugen. Dieser optionale Spannungs- oder Stromimpuls kann an einer Klemme bzw. Signaleinheit 12 abgegriffen werden und bei Erfassung dieses Impulses kann ein elektrisches, optisches, haptisches und/oder akustisches Signal ausgegeben werden, welches zusätzlich vor freiem Wasserstoff H2 warnt und somit auf einen Defekt der Batterie 1 oder von deren Temperierung hinweist.
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Auch kann das Signal zur Auslösung einer weiteren Schutzmaßnahme verwendet werden. Alternativ kann auch die Wärmeentwicklung bei der Rekombinationsreaktion zur Signalisierung verwendet werden. Dadurch ist die Signalisierung eines zu hohen Wasserstoffgehaltes im Batterieinneren ohne zusätzlichen Wasserstoffsensor möglich.
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Weiterhin kann die beschriebene Rekombinationseinheit 2 in einer als Brennstoffzellensystem ausgebildeten Batterie 1 verwendet, wobei die Einzelzellen 4 hierbei durch einzelne Brennstoffzellen dargestellt werden. Aufgrund der Vielzahl an Brennstoffzellen, die mit reinem Wasserstoff H2 betrieben werden, ist eine permanente Leckage mit Austreten von Wasserstoff H2 zu berücksichtigen. Bei derartigen Brennstoffzellensystemen sind die einzelnen Brennstoffzellen ebenfalls innerhalb eines Batteriegehäuses 3 angeordnet, wobei die Rekombinationseinheit 2 ebenfalls innerhalb desselben zur Rekombination von Wasserstoff H2 mit Sauerstoff zu Wasser H2O angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Rekombinationseinheit
- 2.1
- Rippe
- 3
- Batteriegehäuse
- 4
- Einzelzelle
- 5
- Kühleinheit
- 6
- Wärmeleitelement
- 7
- Wärmeabgabebereich
- 8
- Durchführung
- 9
- Anode
- 10
- Kathode
- 11
- Membran
- 12
- Signaleinheit
- 13
- Entwässerungsleitung
- A1 bis A6
- Ausführungsbeispiel
- H2
- Wasserstoff
- H2O
- Wasser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19914814 C1 [0003, 0036]
- DE 102005061985 A1 [0004, 0035]
