DE102013200730A1

DE102013200730A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei Gasfreisetzung von einer Fahrzeugbatterie sowie Einbauraum für eine Fahrzeugbatterie

Info

Publication number: DE102013200730A1
Application number: DE201310200730
Authority: DE
Inventors: Joachim Fetzer; Ralf Angerbauer; Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei Gasfreisetzung von einer Fahrzeugbatterie (2), insbesondere von einem beschädigten Lithium-Ionen-Akkumulator für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, wobei die Fahrzeugbatterie (2) in einem eine Öffnung (4) aufweisenden Volumenraum (1) angeordnet ist, mit wenigstens einem mit einem Gas befüllbaren, Öffnungen (8, 8‘) aufweisenden Hüllelement (7, 7‘, 17), welches ausgebildet ist, sich durch Befüllung mit einem Gas in einen Volumenraum (1) auszudehnen, derart, dass sich beim Ausdehnen des Hüllelementes (7, 7‘, 17) die Öffnungen (8) des Hüllelementes (7, 7‘, 17) vergrößern und der Inhalt (12) des Hüllelementes (7, 7‘, 17) durch die vergrößerten Öffnungen (8‘) des Hüllelementes (7, 7‘, 17) in den Volumenraum (1) abgegeben wird, und mit wenigstens einer Einrichtung (13, 14) zur Befüllung des Hüllelementes (7, 7‘, 17), welche ausgebildet ist, bei Empfang eines Auslösesignal, das Hüllelement (7, 7‘, 17) mit einem Gas zu befüllen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Einbauraum mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei Gasfreisetzung von einer Fahrzeugbatterie.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei Gasfreisetzung von einer Fahrzeugbatterie, insbesondere von einem beschädigten Lithium-Ionen-Akkumulator für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge. Ferner betrifft die Erfindung einen Einbauraum für eine Fahrzeugbatterie.
Stand der Technik
In Elektro- und Hybridelektrokraftfahrzeugen kommen galvanische Zellen als Energiespeicher zum Einsatz. Als Fahrzeugbatterie, welche die für den Antrieb notwendige Energie bereitstellt, werden dabei insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren (auch Lithium-Ionen-Batterie genannt) eingesetzt. Diese, sowie grundsätzlich auch andere galvanische Zellen, weisen dabei diverse Probleme auf. So können Störungen, wie ein Auftreten von hohen elektrischen Strömen, ein Überladen der Fahrzeugbatterie beim Ladevorgang oder hohe Außentemperaturen, zu einem sogenannten thermischen Durchgehen (auch „thermal runaway“ genannt) und in Folge dessen zu einer Überhitzung der Batteriezellen der Fahrzeugbatterie führen. Dabei entsteht in den betroffenen Batteriezellen entflammbares Gas, wie beispielsweise Ethan, Methan und andere Kohlenwasserstoffgase, wobei diese Gasentstehung einen Druckanstieg innerhalb der Batteriezellen bewirkt.
Im Stand der Technik sind als Vorrichtungen zur Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei Gasfreisetzung von einer Fahrzeugbatterie Sicherheitsentlüftungen beziehungsweise Entlüftungsöffnungen bekannt, welche am oberen Ende des Gehäuses einer Batteriezelle angeordnet sind. Diese Sicherheitsentlüftungen sind derart ausgebildet, dass sie sich bei innerhalb der Batteriezelle ansteigendem Druck öffnen und somit eine Freisetzung des Gasgemisches (nachfolgend auch Freisetzung von Gas genannt) aus der Batteriezelle ermöglichen. Als weitere Vorrichtungen zur Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei Gasfreisetzung von einer Fahrzeugbatterie sind im Stand der Technik sogenannte Entgasungskanäle bekannt. Bei Zusammenschaltung mehrerer Batteriezellen zu einem Batteriemodul wird ein solcher Entgasungskanal über den Entlüftungsöffnungen der Batteriezellen angeordnet und ist auf diese Weise mit den einzelnen Batteriezellen verbunden. Der Entgasungskanal leitet dabei freigesetzte Gase über eine Ablassöffnung aus dem Fahrzeug an die Atmosphäre ab, wodurch insbesondere die Fahrzeuginsassen vor den freigesetzten Gasen geschützt werden.
Die Verwendung solcher Entgasungskanäle führt allerdings zu dem konstruktionstechnischen Nachteil, dass elektronische Komponenten, insbesondere solche, die für das Batterie-Management erforderlich sind, nicht auf den Batteriemodulen angeordnet werden können. Eine Anordnung der elektronischen Komponenten auf den Batteriemodulen hat sich aber als konstruktionstechnisch günstig erwiesen. Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung derartiger Entgasungskanäle besteht darin, dass der Durchsatz an freigesetztem Gas oftmals unbefriedigend ist. So kann von beschädigten Batteriezellen freigesetztes Gas oftmals nicht schnell genug über den Entgasungskanal abgeführt werden, wodurch der Innendruck in dem Entgasungskanal stark ansteigt. Durch den erhöhten Innendruck werden die Entlüftungsöffnungen auch bislang nicht beschädigter Batteriezellen geöffnet beziehungsweise aufgebrochen, wodurch das freigesetzte Gas auch in diese zuvor unbeschädigten Batteriezellen eindringt und diese somit ebenfalls beschädigt werden können. Insbesondere kann der ansteigende Innendruck in den Batteriezellen durch das freigesetzte Gas zu einer Kaskade von Explosionen führen, die nicht nur die Fahrzeugbatterie zerstören können, sondern darüber hinaus ein Sicherheitsrisiko für das Fahrzeug und dessen Insassen darstellen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Meidung der oben genannten Nachteile das Abführen von von beschädigten Batteriezellen freigesetztem Gas zu verbessern sowie freigesetzte Gase zumindest teilweise zu binden.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei Gasfreisetzung von einer Fahrzeugbatterie, insbesondere von einer beschädigten Fahrzeugbatterie, insbesondere von einem beschädigten Lithium-Ionen-Akkumulator für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, wobei die Fahrzeugbatterie in einem eine Öffnung aufweisenden Volumenraum angeordnet ist, vorgeschlagen, welche durch wenigstens ein mit einem Gas befüllbares, Öffnungen aufweisendes Hüllelement, welches ausgebildet ist, sich durch Befüllung mit einem Gas in den Volumenraum auszudehnen, derart, dass sich beim Ausdehnen des Hüllelementes die Öffnungen des Hüllelementes vergrößern und der Inhalt des Hüllelementes durch die vergrößerten Öffnungen des Hüllelementes in den Volumenraum abgegeben wird, und durch wenigstens eine Einrichtung zur Befüllung des Hüllelementes, welche ausgebildet ist, bei Empfang eines Auslösesignal, das Hüllelement mit einem Gas zu befüllen, gekennzeichnet ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass von einer in einem Einbauraum angeordneten Fahrzeugbatterie, insbesondere von einem Lithium-Ionen-Akkumulator, freigesetztes Gas – grundsätzlich aber auch von einer anderen galvanischen Zelle freigesetztes Gas – besonders effizient durch Verdrängung aus dem Einbauraum in die Atmosphäre abgeführt werden kann, wobei die Verdrängung durch ein airbagartiges Hüllelement mit sich im Rahmen der Ausdehnung des Hüllelementes vergrößernden Öffnungen realisiert wird, indem sich das Hüllelement bei Detektion einer Gasfreisetzung durch Befüllung mit Gas in den Einbauraum ausdehnt, vorzugsweise impulsartig, und das Gas aus dem Hüllelement gegebenenfalls zusammen mit weiteren Feststoffen, welche vorzugsweise geeignet sind, von der Fahrzeugbatterie freigesetztes Gas zu binden, durch die vergrößerten Öffnungen des Hüllelementes in den Volumenraum entweicht. Das von der Fahrzeugbatterie freigesetzte Gas wird dabei vorteilhafterweise durch die Ausdehnung des Hüllelementes sowie das aus dem Hüllelement entweichende Gas durch eine Öffnung in dem Einbauraum an die Atmosphäre abgeführt. Vorteilhafterweise wird dazu erfindungsgemäß kein Entgasungskanal benötigt. Durch das Fehlen eines Entgasungskanals sind die Entlüftungsöffnungen der Batteriezellen vorteilhafterweise seitlich an den Batteriezellen anordbar, wodurch elektronische Komponenten, wie insbesondere Komponenten für das Batterie-Management-System, vorteilhafterweise auf den Batteriezellen angeordnet werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dehnt sich das wenigstens eine Hüllelement bei einer erfolgten Gasfreisetzung innerhalb weniger Sekunden/Sekundenbruchteilen, vorzugsweise innerhalb von etwa 10 bis 750 Millisekunden, in den Volumenraum aus. Vorteilhafterweise wird als eine von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellte Sicherheitsmaßnahme durch die Ausdehnung des wenigstens einen Hüllelementes von der Fahrzeugbatterie freigesetztes Gas durch die Öffnung des Volumenraumes aus dem Volumenraum verdrängt. Der Volumenraum wird dabei insbesondere durch den Einbauraum für die Fahrzeugbatterie gebildet, welcher vorteilhafterweise eine Ablassöffnung aufweist. Insbesondere kann der Einbauraum für eine Fahrzeugbatterie der Kofferraum oder eine Mulde, beispielsweise die Reserveradmulde unterhalb der Bodenabdeckung des Kofferraums, eines Kraftfahrzeugs sein. Das Hüllelement ist dabei vorteilhafterweise als Kunststoffsack, vorzugsweise als Nylonsack, ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Hüllelement zusammen mit der Einrichtung zur Befüllung des Hüllelementes nach Art eines für den Insassenschutz in Kraftfahrzeugen Verwendung findenden Airbags ausgestaltet. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Öffnungen des Hüllelementes eine Vielzahl gekreuzter Schlitze, vorzugsweise nach Art eines „X“ und/oder „+“, welche sich bei Ausdehnung des Hüllelementes aufweiten.
Vorteilhafterweise wird zum Befüllen des Hüllelementes von der Einrichtung zur Befüllung des Hüllelementes genutztes Gas als Inhalt des Hüllelementes durch die vergrößerten Öffnungen des Hüllelementes abgegeben, wodurch von der Fahrzeugbatterie freigesetztes Gas vorteilhafterweise weiter aus dem Volumenraum verdrängt wird. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Inhalt des Hüllelementes Stickstoff-Gas (N₂) in den Volumenraum abgegeben wird. Gemäß einer Ausgestaltungsvariante der Erfindung wird dabei als Einrichtung zum Befüllen des Hüllelementes ein Druckspeicher eingesetzt, welcher mit Stickstoff-Gas vorgespannt ist. Vorteilhafterweise trägt das aus dem Hüllelement abgegebene Stickstoff-Gas weiter zur Verdrängung von von der Fahrzeugbatterie freigesetztem Gas bei. Darüber hinaus kühlt das aus dem Hüllelement entweichende Stickstoffgas vorteilhafterweise die beschädigten Batteriezellen der Fahrzeugbatterie. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise ein thermisches Durchgehen weiterer Batteriezellen verhindern sowie eine von den beschädigten Batteriezellen ausgehende Brand- und/oder Explosionsgefahr reduzieren.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als Inhalt des Hüllelementes Silicat, vorzugsweise pulvriges Silicat, in den Volumenraum abgegeben. Gemäß einer Ausgestaltungsvariante ist in das wenigstens eine Hüllelement pulvriges Silicat eingebracht. Dehnt sich das Hüllelement bei Befüllung mit Gas aus, sodass sich die Öffnungen des Hüllelementes aufweiten, entweicht das pulvrige Silicat aus dem Hüllelement, d.h. das Silicat wird als Inhalt des Hüllelementes in den Volumenraum abgegeben. Das Silicat reagiert vorteilhafterweise in dem Volumenraum mit von der Fahrzeugbatterie freigesetzten Fluorwasserstoff-Gasen. Das Silicat bindet dabei vorteilhafterweise Fluorwasserstoff-Gase. Dieses Binden der Fluorwasserstoffgase stellt eine weitere von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellte Sicherheitsmaßnahme dar.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist die Einrichtung zur Befüllung des Hüllelementes ein Gasgenerator mit einer Zündeinrichtung und einem zu entzündenden Mittel ist. Ein solcher Gasgenerator kann nach Art eines Gasgenerators ausgestaltet sein, welcher zum Befüllen von beim Insassenschutz von Kraftfahrzeugen Verwendung findenden Airbags eingesetzt wird. Vorteilhaft bei einer derartigen Ausgestaltung ist, dass schnelle Ausdehnungszeiten des Hüllelementes von wenigen Millisekunden realisierbar sind. Insbesondere ist ein solcher Gasgenerator ausgebildet, das Gas mit einer Geschwindigkeit von bis zu 400 km/h in das Hüllelement entweichen zu lassen und somit das Hüllelement quasi schlagartig beziehungsweise impulsartig zu befüllen. Bevorzugt ist ein Festtreibstoff als zu entzündendes Mittel vorgesehen.
Vorteilhafterweise besteht das zu entzündende Mittel zumindest teilweise aus Natriumazid. Insbesondere ist dabei auch vorgesehen, dass das zu entzündende Mittel Natriumazid (NaN₃) ist. Das zu entzündende Mittel ist vorzugweise in Form von Pellets bereitgestellt. Natriumazid als zu entzündendes Mittel bietet den Vorteil, dass beim Zünden Stickstoff-Gas entsteht, welches insbesondere als Inhalt des Hüllelementes in den Volumenraum abgegeben wird, wenn das Hüllelement seine maximale Ausdehnung erreicht und sich die Öffnungen des Hüllelementes durch die Ausdehnung des Hüllelementes vergrößert haben. Durch die Abgabe von Stickstoff-Gas in den Volumenraum wird vorteilhafterweise, wie bereits erwähnt, von der Fahrzeugbatterie freigesetztes Gas von dem Stickstoff-Gas aus dem Volumenraum verdrängt beziehungsweise abgeführt und darüber hinaus eine Kühlwirkung in Bezug auf die Fahrzeugbatterie erzielt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das zu entzündende Mittel zumindest teilweise aus einer Mischung aus Natriumazid, Kaliumnitrat und Siliziumdioxid besteht. Insbesondere ist dabei auch vorgesehen, dass das zu entzündende Mittel eine Mischung aus Natriumazid, Kaliumnitrat und Siliziumdioxid ist. Vorteilhafterweise werden beim Zünden der Mischung durch die Zündeinrichtung des Gasgenerators neben Stickstoff-Gas insbesondere durch Reaktion des Kaliumnitrats (KNO₃) und des Siliziumdioxids (SiO₂) mit metallischem Natrium auch pulvrige Silicate gebildet. Diese werden vorteilhafterweise über die Öffnungen des wenigstens einen Hüllelementes in den Volumenraum abgegeben. Die Freisetzung der pulvrigen Silicate in den Volumenraum sorgt dabei für die bereits erwähnte vorteilhafte Bindung von durch die beschädigte Fahrzeugbatterie freigesetzten gasförmigen Fluorwasserstoffe.
Als weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Volumenraum durch einen Einbauraum für eine Fahrzeugbatterie gebildet ist, wobei zumindest das wenigste eine Hüllelement und die wenigstens eine Einrichtung zur Befüllung des Hüllelementes in dem Einbauraum angeordnet sind, und wobei der Einbauraum eine Öffnung mit einem gasdurchlässigen Verschlusselement aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Hüllelement zusammen mit einer Einrichtung zur Befüllung des Hüllelementes, vorzugsweise mit einem Gasgenerator, zusammen als Modul zumindest teilweise in die Innenwand des Einbauraumes eingelassen ist. Das Verschlusselement ist vorteilhafterweise als gasdurchlässige Membran ausgebildet, wobei die Membran verhindert, dass durch das Silicat gebundene Fluorwasserstoffe aus dem von dem Einbauraum gebildeten Volumenraum entweichen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens eine Einrichtung zur Abgabe von Calciumoxid, Magnesiumoxid, Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Calciumchlorid und/oder Magnesiumchlorid einzeln oder in Kombination in den Volumenraum aufweist. Vorteilhafterweise ist die Abgabe dabei derart steuerbar, dass die Abgabe zeitlich nach der Abgabe des Inhalts des Hüllelementes in den Volumenraum erfolgt, vorzugsweise 1 bis 10 Minuten später. Vorteilhafterweise werden durch die Abgabe von Calciumoxid, Magnesiumoxid, Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Calciumchlorid und/oder Magnesiumchlorid, vorzugsweise durch Abgabe von Calciumoxid, Calciumcarbonat und Calciumchlorid, oder Magnesiumoxid, Magnesiumcarbonat und Magnesiumchlorid, die in dem Volumenraum befindlichen Silicate neutralisiert.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Einbauraum für eine Fahrzeugbatterie, insbesondere für einen Lithium-Ionen-Akkumulator für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, mit wenigstens einer gasdurchlässigen Öffnung vorgeschlagen, wobei durch den Einbauraum ein Volumenraum zur Anordnung einer Fahrzeugbatterie gebildet ist und der Einbauraum eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei Gasfreisetzung von einer Fahrzeugbatterie aufweist. Vorzugsweise ist die Öffnung von der Fahrgastzelle weg weisend angeordnet, sodass Fahrzeuginsassen vor den freigesetzten Gasen noch besser geschützt sind. Vorteilhafterweise ist in die Öffnung des Einbauraumes eine Verschlusseinrichtung, vorzugsweise eine Membran, eingebracht, durch welche Gas entweichen beziehungsweise verdrängt werden kann und welche Feststoffe, insbesondere pulvriges Silicat, daran hindert, aus dem von dem Einbauraum gebildeten Volumenraum zu entweichen.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren ein Verfahren zur Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei Gasfreisetzung von einer Fahrzeugbatterie, insbesondere von einem beschädigten Lithium-Ionen-Akkumulator für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, wobei die Fahrzeugbatterie in einem eine Öffnung aufweisenden Volumenraum angeordnet ist, vorgeschlagen, wobei wenigstens eine Einrichtung zur Befüllung eines Hüllelementes mit Gas bei Empfang eines Auslösesignals wenigstens ein Öffnungen aufweisendes Hüllelement mit einem Gas befüllt, wobei sich das Hüllelement durch das Befüllen mit Gas in den Volumenraum ausdehnt und sich die Öffnungen des Hüllelementes durch die Ausdehnung des Hüllelementes vergrößern, und durch die vergrößerten Öffnungen des Hüllelementes der Inhalt des Hüllelementes in den Volumenraum abgegeben wird. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der von dem Hüllelement in den Volumenraum abgegebene Inhalt das von der Fahrzeugbatterie freigesetzte Gas durch die Öffnung des Volumenraums aus dem Volumenraum zumindest teilweise verdrängt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass als Inhalt des Hüllelementes zumindest Stickstoff-Gas in den Volumenraum abgegeben wird. Vorteilhafterweise wird als weiterer Inhalt pulvriges Silicat in den Volumenraum abgegeben, wobei das pulvrige das freigesetzte Gas zumindest teilweise bindet. Vorteilhafterweise nimmt das Hüllelement zum Zeitpunkt der maximalen Ausdehnung nahezu den vollständigen freien Volumenraum ein, mindestens aber 20 % bis 70 %. Der Volumenraum wird dabei vorzugsweise durch den Einbauraum für eine Fahrzeugbatterie gebildet.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche in einem erfindungsgemäßen Einbauraum für eine Fahrzeugbatterie angeordnet ist;
2 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem sich ausdehnenden Hüllelement und aus dem Hüllelement entweichenden Inhalt;
3. in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Hüllelement nach der Ausdehnung und aus dem Hüllelement abgegebenem Inhalt; und
4 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei sich ausdehnenden Hüllelementen.
Bei den in 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen wird ein Volumenraum 1, in welchem eine Fahrzeugbatterie 2 angeordnet ist, jeweils durch einen Einbauraum für eine Fahrzeugbatterie 2 ausgebildet. Der Einbauraum ist eine besondere Ausgestaltung für einen Volumenraum zur Anordnung einer Fahrzeugbatterie. Zur Bezeichnung des Einbauraums wird daher im Zusammenhang mit den in 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung das Bezugszeichen „1“ gleichsam für den Einbauraum und den durch diesen ausgebildeten Volumenraum verwendet.
In 1 ist ein Einbauraum 1 für eine Fahrzeugbatterie 2 dargestellt. Der Einbauraum 1 ist dabei ein Teilbereich eines in den Figuren nicht dargestellten Elektrofahrzeugs. Die Fahrzeugbatterie 2 ist ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit einer Vielzahl von zusammengeschalteten Batteriezellen 3. Die Batteriezellen 3 weisen jeweils eine in der Figur nicht explizit dargestellte Sicherungsentlüftung beziehungsweise Entlüftungsöffnung auf. Im Falle einer Gasentwicklung in einer Batteriezelle 3, beispielsweise aufgrund von Überhitzung, erhöht sich der Innendruck in der Batteriezelle 3, wodurch sich die Sicherungsöffnung beziehungsweise die Entlüftungsöffnung öffnet und das Gas durch die Entlüftungsöffnung in den Einbauraum 1 freigesetzt wird. Der Einbauraum 1 weist eine Öffnung 4 auf, welche von der Fahrgastzelle des Elektrofahrzeugs weg gerichtet ist, sodass freigesetzte Gase nicht über die Öffnung 4 in die Fahrgastzelle eindringen. In die Öffnung 4 ist eine Membran 15 eingelassen, welche nur gasförmige Stoffe aus dem Einbauraum 1 entweichen lässt.
An einer Innenwand des Einbauraums 1 ist ein Modul 5 angeordnet, in welchem ein in 1 nicht explizit dargestelltes mit einem Gas befüllbares Hüllelement und eine in 1 ebenfalls nicht explizit dargestellte Einrichtung zur Befüllung des Hüllelementes mit einem Gas angeordnet sind. Die Einrichtung zur Befüllung des Hüllelementes ist ein mit Stickstoff-Gas vorgespannter Druckspeicher. Das Hüllelement ist ein Kunststoffsack mit sich bei Ausdehnung des Kunststoffsacks aufweitenden Öffnungen, welcher nach Art eines aus dem Insassenschutz bekannten Airbags zusammengefaltet in dem Modul 5 angeordnet ist. In das Hüllelement ist pulvriges Silicat eingebracht. Das Hüllelement ist dabei ausgebildet, sich bei Befüllung mit dem Stickstoff-Gas impulsartig in den Einbauraum 1 auszudehnen, wobei sich mit zunehmender, insbesondere elastischer Ausdehnung des Hüllelementes die Öffnungen des Hüllelementes vergrößern und Stickstoff-Gas sowie pulvriges Silicat als Inhalt des Hüllelementes in den Einbauraum 1 abgegeben wird. Ebenfalls an der Innenwand des Einbauraums 1 angeordnet ist eine Steuereinrichtung 6, welche mit mehreren an den Sicherungsentlüftungen der Batteriezellen 3 angeordneten Sensoren (in 1 nicht explizit dargestellt) verbunden ist. Ein solcher Sensor liefert ein Signal (Detektionssignal) an die Steuereinrichtung 6, wenn sich die Entlüftungsöffnung einer Batteriezelle 3 öffnet. Darüber hinaus ist die Steuereinrichtung 6 mit einem Gassensor verbunden (in 1 nicht explizit dargestellt), welcher ausgebildet ist, ein Signal (Detektionssignal) an die Steuereinrichtung 6 zu liefern, wenn von einer Batteriezelle 3 Gas freigesetzt wird. Die Steuereinrichtung 6 ist insbesondere ausgebildet, den in dem Modul 5 angeordneten Druckspeicher anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung 6 ein Auslösesignal an den Druckspeicher überträgt, woraufhin der Druckspeicher Stickstoff-Gas in das Hüllelement entweichen lässt, und somit das Hüllelement befüllt. Anhand der in 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele wird nachfolgend insbesondere die Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei von einer Fahrzeugbatterie freigesetztem Gas näher erläutert.
In 2 ist ein Einbauraum 1 für einen Lithium-Ionen-Akkumulator als Fahrzeugbatterie 2 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Der Einbauraum 1 ist zur Verbesserung der Verdrängung von freigesetztem Gas aus dem Einbauraum 1 teilweise mit einer Innenverkleidung 9 ausgekleidet. Werden beispielsweise bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle 3 der Fahrzeugbatterie 2 Gase freigesetzt, so werden erfindungsgemäß insbesondere die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt: ein an einer Batteriezelle 3 angeordneter und mit einer Steuereinrichtung 6 verbundener Sensor (in 2 nicht explizit dargestellt) detektiert die Freisetzung von Gas. woraufhin die Steuereinrichtung 6 ein Auslösesignal an einen in dem Modul 5 angeordneten Gasgenerator (in 2 nicht explizit dargestellt) überträgt. Der Gasgenerator weist eine Zündeinrichtung und als Festtreibstoff eine als Pellets vorliegende Mischung aus Natriumazid (NaN₃), Kaliumnitrat (KNO₃) und Siliziumdioxid (SiO₂) auf. Der Empfang des Auslösesignal bewirkt, dass die Zündeinrichtung den Festreibstoff entzündet. Dabei entsteht Stickstoff-Gas (N₂), welches in das Hüllelement 7, 7‘ abgegeben wird und somit das Hüllelement 7, 7‘ innerhalb weniger Millisekunden quasi impulsartig mit dem Stickstoff-Gas befüllt. Durch chemische Reaktionen entsteht bei der Zündung des Gasgenerators ferner pulvriges Silicat, welches sich ebenfalls innerhalb des Hüllelementes 7, 7‘ ausbreitet. Die in 2 dargestellte durchgezogene Linie stellt das Hüllelement 7 zu einem Zeitpunkt t₁, beispielsweise 95 Millisekunden nach dem die Steuereinrichtung 6 das Detektionssignal von einem Sensor empfangen hat, dar. Die gestrichelte Linie zeigt dasselbe Hüllelement 7‘ zu einem späteren Zeitpunkt t₁ + t, beispielsweise 99 Millisekunden nach dem die Steuereinrichtung 6 das Detektionssignal empfangen hat. Das Hüllelement 7, 7‘ ist vorliegend ein Kunststoffsack, welcher eine Vielzahl von wenigen Mikrometer großen Öffnungen 8 aufweist. Die Öffnungen 8 sind dabei zu dem Zeitpunkt t₁ so klein, dass sie ungeeignet sind, den Inhalt des Hüllelementes 7 entweichen zu lassen oder zumindest nur geringe Mengen des Inhaltes entweichen lassen. Insbesondere durch einsetzende elastische Ausdehnung des Hüllelementes 7 vergrößern sich die Öffnungen 8 beziehungsweise weiten sich die Öffnungen 8 auf, sodass der Inhalt 12 des Hüllelementes 7‘, vorliegend also das Stickstoff-Gas und das pulvrige Silicat, durch die Öffnungen 8‘ in den Einbauraum 1 abgegeben wird.
Durch die Ausdehnung des Kunststoffsackes 7, 7‘ in den Einbauraum 1, in 2 symbolisch durch den Pfeil 10 dargestellt, sowie durch das aus den Öffnungen 8‘ des Hüllelementes 7‘ ausströmende Stickstoff-Gas wird als eine von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellte Sicherheitsmaßnahme das von der Fahrzeugbatterie 2 beziehungsweise von der Batteriezelle 3 freigesetzte Gas durch die Öffnung 4 des Einbauraums 1 aus dem Einbauraum 1 verdrängt, was in 2 symbolisch durch den Pfeil 11 dargestellt ist. Die in die Öffnung 4 eingelassene Membran 15 verhindert dabei ein Entweichen von Feststoffen, wie insbesondere dem pulvrigen Silicat. Als weitere bereitgestellte Sicherheitsmaßnahme kühlt das von dem Hüllelement 7‘ abgegebene beziehungsweise das aus dem Hüllelement 7‘ entweichende Stickstoff-Gas die Batteriezellen 3 und verringert somit die Gefahr einer Brandentstehung sowie die Gefahr eines thermischen Durchgehens weiterer Batteriezellen 3. Als weitere bereitgestellte Sicherheitsmaßnahme bindet aus dem Hüllelement 7‘ abgegebenes pulvriges Silicat von Batteriezellen 3 freigesetzte Fluorwasserstoffe. Gemäß einer vorteilhaften, in 2 nicht dargestellten Weiterbildung der Erfindung ist eine Einrichtung zur Abgabe von Calciumoxid, Calciumcarbonat und Calciumchlorid vorgesehen, welche als eine weitere bereitgestellte Sicherheitsmaßnahme die in dem Einbauraum 1 zurückbleibenden Silicate vorteilhafterweise neutralisiert. Durch das Entweichen des Stickstoff-Gases und des pulvrigen Silicats fällt das Hüllelement 7, 7‘ schließlich in sich zusammen, wie in 3 schematisch dargestellt. Dabei ist das Hüllelement 7‘‘‘ weitestgehend inhaltsleer. Die Wolke 12‘ symbolisiert dabei das noch in dem Einbauraum 1 befindliche Gemisch aus Stickstoff-Gas und pulvrigem Silicat.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei zu einem Zeitpunkt t₂, etwa 120 Millisekunden nach dem die Steuereinrichtung 6 ein Detektionssignal empfangen hat, dargestellt. Die in den Einbauraum 1 angeordnete erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei mit einem Gas befüllbare Hüllelemente 7 und 17 auf, welche jeweils zur Befüllung mit einem Gas mit einem Gasgenerator 13 beziehungsweise 14 verbunden sind. Die Hüllelemente 7 und 17 weisen dabei Öffnungen 8 auf, welche sich bei Ausdehnung des jeweiligen Hüllelementes 7 beziehungsweise 17 vergrößern. Das zusätzliche Hüllelement 17 verbessert die Verdrängung von von einer Batteriezelle 3 freigesetztem Gas, indem es eine Ausbreitung des Gases in den freien Raum neben der Fahrzeugbatterie 2 weitestgehend unterbindet beziehungsweise in diesen Raum eingeströmtes Gas hieraus verdrängt. Die Steuereinrichtung 6 ist dabei so konfiguriert, dass sie das Auslösesignal geringfügig verzögert, d.h. etwa 5 Millisekunden später an den Gasgenerator 14 überträgt als an den Gasgenerator 13. Die Gasgeneratoren 13 und 14 können dabei unterschiedliche Festtreibstoffe aufweisen, insbesondere ist vorgesehen, dass der Festtreibstoff des Gasgenerators 13 eine Mischung aus Natriumazid, Kaliumnitrat und Siliziumdioxid ist und dass der Festtreibstoff des Gasgenerators 14 Natriumazid ist.
Wie den in Zusammenhang mit 1 bis 4 erläuterten Ausführungsbeispielen zu entnehmen ist, wird von der Fahrzeugbatterie 2 freigesetztes Gas abgeführt, ohne dass die Batterie 2 einen Entgasungskanal aufweist. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, elektronische Komponenten, insbesondere Komponenten für das Batterie-Management-System (BMS), zumindest teilweise auf den Batteriezellen 3 anzuordnen, indem die Entlüftungsöffnungen der Batteriezellen 3 an den Seitenwänden des Gehäuses angeordnet werden.
Die in den Figuren dargestellten und in Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.

Claims

Vorrichtung zur Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei Gasfreisetzung von einer Fahrzeugbatterie (2), insbesondere von einem beschädigten Lithium-Ionen-Akkumulator für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, wobei die Fahrzeugbatterie (2) in einem eine Öffnung (4) aufweisenden Volumenraum (1) angeordnet ist, gekennzeichnet durch wenigstens ein mit einem Gas befüllbares, Öffnungen (8, 8‘) aufweisendes Hüllelement (7, 7‘, 17), welches ausgebildet ist, sich durch Befüllung mit einem Gas in einen Volumenraum (1) auszudehnen, derart, dass sich beim Ausdehnen des Hüllelementes (7, 7‘, 17) die Öffnungen (8) des Hüllelementes (7, 7‘, 17) vergrößern und der Inhalt (12) des Hüllelementes (7, 7‘, 17) durch die vergrößerten Öffnungen (8‘) des Hüllelementes (7, 7‘, 17) in den Volumenraum (1) abgegeben wird, und durch wenigstens eine Einrichtung (13, 14) zur Befüllung des Hüllelementes (7, 7‘, 17), welche ausgebildet ist, bei Empfang eines Auslösesignals, das Hüllelement (7, 7‘, 17) mit Gas zu befüllen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Inhalt (12) des Hüllelementes (7, 7‘, 17) Stickstoff-Gas in den Volumenraum (1) abgegeben wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Inhalt (12) des Hüllelementes (7, 7‘, 17) Silicat in den Volumenraum (1) abgegeben wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (13, 14) zur Befüllung des Hüllelementes (7, 7‘, 17) ein Gasgenerator mit einer Zündeinrichtung und einem zu entzündenden Mittel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zu entzündende Mittel zumindest teilweise aus Natriumazid besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zu entzündende Mittel zumindest teilweise aus einer Mischung aus Natriumazid, Kaliumnitrat und Siliziumdioxid besteht.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenraum (1) durch einen Einbauraum für eine Fahrzeugbatterie (2) gebildet ist, wobei zumindest das wenigstens eine Hüllelement (7, 7‘, 7‘‘, 17) und die wenigstens eine Einrichtung (13, 14) zur Befüllung des Hüllelementes (7, 7‘, 17) in dem Einbauraum angeordnet sind, und wobei der Einbauraum eine Öffnung (4) mit einem gasdurchlässigen Verschlusselement (15) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Einrichtung zur Abgabe von Calciumoxid, Magnesiumoxid, Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Calciumchlorid und/oder Magnesiumchlorid einzeln oder in Kombination in den Volumenraum (1).
Einbauraum (1) für eine Fahrzeugbatterie (2), insbesondere für einen Lithium-Ionen-Akkumulator für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, mit wenigstens einer gasdurchlässigen Öffnung (4), wobei durch den Einbauraum ein Volumenraum (1) zur Anordnung einer Fahrzeugbatterie (2) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbauraum eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
Verfahren zur Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei Gasfreisetzung von einer Fahrzeugbatterie (2), insbesondere von einem beschädigten Lithium-Ionen-Akkumulator für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, wobei die Fahrzeugbatterie (2) in einem eine Öffnung (4) aufweisenden Volumenraum (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13, 14) zur Befüllung eines Hüllelementes (7, 7‘, 17) mit Gas bei Empfang eines Auslösesignals wenigstens ein Öffnungen (8, 8‘) aufweisendes Hüllelement (7, 7‘, 17) mit einem Gas befüllt, wobei sich das Hüllelement (7, 7‘, 17) durch das Befüllen mit Gas in den Volumenraum (1) ausdehnt und sich die Öffnungen (8) des Hüllelementes (7, 7‘, 17) durch die Ausdehnung des Hüllelementes (7, 7‘, 17) vergrößern, und durch die vergrößerten Öffnungen (8‘) des Hüllelementes (7, 7‘, 17) der Inhalt des Hüllelementes (7, 7‘, 17) in den Volumenraum (1) abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Hüllelement (7, 7‘, 17) in den Volumenraum (1) abgegebene Inhalt das von der Fahrzeugbatterie (2) freigesetzte Gas durch die Öffnung (4) des Volumenraumes (1) aus dem Volumenraum (1) zumindest teilweise verdrängt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Inhalt des Hüllelementes (7, 7‘, 17) zumindest Stickstoff-Gas in den Volumenraum abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Inhalt des Hüllelementes (7, 7‘, 17) pulvriges Silicat in den Volumenraum (1) abgegeben wird, wobei das pulvrige Silicat das freigesetzte Gas zumindest teilweise bindet.