DE102014210158B4 - Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher sowie Verfahren zur Brandvermeidung eines elektrischen Energiespeichers - Google Patents

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Abstract

Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher (1), der ein Kühlkanalsystem (7) aufweist, das von einem nicht brennbaren Kühlmedium, insbesondere einem nicht brennbaren Kältemittel, durchströmt ist, wobei das Kühlkanalsystem (7) eine Notfallöffnung aufweist, die so angeordnet ist, dass sich bei einem Öffnen der Notfallöffnung Kühlmedium in dem elektrischen Energiespeicher (1), insbesondere in einem Gehäuse (2) des elektrischen Energiespeichers (1), verteilt, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfallöffnung eine Sollbruchstelle (10) ist, die dazu bestimmt ist, bei einem Crash des Fahrzeugs zerstört zu werden, und/oder die Notfallöffnung ein von einer Crash-Sensorik und Elektronik angesteuertes Ventil ist, das dazu bestimmt ist, bei einem Crash des Fahrzeugs zu öffnen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 2.
  • Ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 2 ist aus der DE 10 2008 059 968 A1 bekannt. Zum technischen Hintergrund der Erfindung zählen die DE 10 2008 059 948 A1 und die DE 10 2013 104 724 A1 .
  • Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge weisen einen Hochvoltspeicher auf. Ein Hochvoltspeicher wiederum weist mehrere miteinander verschaltete, in einem Speichergehäuse angeordnete Speichermodule auf, wobei jedes der Speichermodule wiederum aus mehreren Speicherzellen besteht. Hochvoltspeicher arbeiten bei Betriebsspannungen von mehreren Hundert Volt und müssen daher hohen Sicherheitsanforderungen genügen.
  • Bei der Auslegung eines Hochvoltspeichers für ein Fahrzeug muss möglichst sichergestellt sein, dass der Hochvoltspeicher auch bei einem Fahrzeug-Crash, bei dem der Hochvoltspeicher beschädigt wird, nicht in Brand gerät.
  • Zur Erreichung einer möglichst langen Lebensdauer des Hochvoltspeichers muss die Temperatur der einzelnen Speicherzellen innerhalb eines vorgegebenen Betriebstemperaturbandes gehalten werden. In Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und dem Betriebszustand des Fahrzeugs muss der Hochvoltspeicher aktiv temperiert, d.h. beheizt oder gekühlt werden. Hierzu weist der Hochvoltspeicher ein von einem „Temperier- oder Kühlmedium“ durchströmtes Kühlkanalsystem auf. Bei den kürzlich von BMW vorgestellten Fahrzeugen BMW i3 und BMW i8 ist der Hochvoltspeicher an einem Kältemittelkreislauf angeschlossen, d.h. als Temperiermedium bzw. Kühlmedium zur Temperierung des Hochvoltspeichers wird ein „Kältemittel“ verwendet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Gefahr zu verringern, dass ein in einem Fahrzeug verbauter elektrischer Energiespeicher bei einem Crash des Fahrzeugs, bei dem der Energiespeicher beschädigt wird, in Brand gerät bzw. zu verhindern, dass sich ein bereits entstandener Brand ausbreitet.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, der ein Kühlkanalsystem aufweist, das von einem „Kühlmedium“ durchströmt ist.
  • Ein zentraler Gedanke der Erfindung besteht darin, als Kühlmedium ein nicht brennbares Medium zu verwenden und bei Erkennen einer vorgegebenen kritischen Situation, insbesondere bei einem Crash des Fahrzeugs, Kühlmedium in den Energiespeicher strömen zu lassen oder zu leiten oder innerhalb des Energiespeichers austreten zu lassen.
  • Es kann also vorgesehen sein, Kühlmedium präventiv ausströmen zu lassen bzw. zu verströmen, um die Entstehung eines Brandes zu verhindern. Ein „thermisches Ereignis“ (unzulässig starke Erhitzung des Energiespeichers) muss also noch nicht zwingend aufgetreten sein. Durch präventives Austreten lassen von Kühlmedium kann ein thermisches Ereignis verhindert werden. Alternativ oder ergänzend dazu kann vorgesehen sein, Kühlmedium „schadenbegrenzend“ ausströmen zu lassen, d.h. um das Ausbreiten eines bereits entstandenen Brandes zu verhindern bzw. um einen entstandenen Brand zu löschen.
  • Sollte es in Folge eines Crashs und eines dabei hervorgerufenen, im elektrischen Energiespeicher auftretenden Kurzschlusses zu einem „Temperaturereignis“ im Energiespeicher kommen, so wird durch das dann sich im Energiespeicher verteilende, nicht brennbare Kühlmedium die Gefahr der Entstehung eines Brandes deutlich verringert.
  • Das Kühlkanalsystem zur Temperierung des elektrischen Energiespeichers kann insbesondere einen „Kühler“ umfassen. Da das Kältemittel Kohlendioxid (R744) nicht brennbar ist und im Falle eines Bruchs des Kühlkanalsystems bzw. des Kühlers im elektrischen Energiespeicher vorhandenen Sauerstoff verdrängt, kann vorgesehen sein, dass der elektrische Energiespeicher bzw. dessen Kühlkanäle in einem crashgefährdeten Bereich angeordnet werden, so dass zumindest eine dieser Komponenten die bei einem schwerwiegenderen Unfall birst.
  • Bei einem Fahrzeug gemäß der Erfindung weist das Kühlkanalsystem des elektrischen Energiespeichers
    • - eine Sollbruchstelle auf, die dazu bestimmt ist, bei einem Crash des Fahrzeugs, zerstört zu werden und/oder
    • - ein von einer Crash-Sensorik und Elektronik angesteuertes Ventil, das dazu bestimmt ist, bei einem Crash des Fahrzeugs zu öffnen, wobei
    die Sollbruchstelle bzw. das Ventil so angeordnet ist, dass bei einer Zerstörung der Sollbruchstelle oder einem Öffnen des Ventils Kühlmedium sich in dem elektrischen Energiespeicher, insbesondere in einem Gehäuse des elektrischen Energiespeichers, verteilt.
  • Bei dem verwendeten Kühlmedium kann es sich um ein nicht brennbares Kältemittel handeln, wie z.B. um Kohlendioxid bzw. CO2 (R744) oder um eine andere als Wärmeübertragungsmedium bzw. als Kühlmedium geeignete Substanz. Kohlendioxid hat im Vergleich zu anderen Kältemitteln ein sehr niedriges „Global Warming Potential“, d.h. es ist insoweit umweltfreundlich und verdrängt Sauerstoff, was die Gefahr der Entstehung eines Brandes bei einem Unfall, bei dem der elektrische Energiespeicher beschädigt wird, verringert bzw. einen bereits entstandenen Brand eindämmt bzw. löscht.
  • Bei dem elektrischen Energiespeicher kann es sich insbesondere um einen sog. Hochvoltspeicher handeln, d.h. um ein Speicher- bzw. Batteriesystem, dessen Betriebsspannung im Bereich von mehreren hundert Volt liegt. Als Speicherzellen können z.B. Lithium-Ionen-Zellen verwendet werden.
  • Wie bereits mehrfach angedeutet, kann vorgesehen sein, dass Kühlmedium nur dann in den Energiespeicher strömt oder geleitet wird oder zugelassen wird, dass Kühlmedium innerhalb des elektrischen Energiespeichers austritt, wenn eine „kritische Situation“ vorliegt, z.B. wenn ein Fahrzeug-Crash vorliegt bzw. ein Fahrzeug-Crash detektiert wird, bei dem der elektrische Energiespeicher beschädigt wird und somit nicht ausgeschlossen werden kann, dass ein Brand entstehen könnte. Bei leichteren Fahrzeug-Crashs hingegen, insbesondere bei Fahrzeug-Crashs, bei denen der elektrische Energiespeicher unversehrt bleibt, muss die erfindungsgemäße Maßnahme des Ausströmenlassens bzw. Einleitens von Kühlmedium in den elektrischen Energiespeicher nicht zwingend ergriffen werden.
  • Ein gezieltes Entweichenlassen von Kühlmedium im Falle eines schwereren Crashs des Fahrzeugs (d.h. eines Crashs, bei dem der elektrische Energiespeicher beschädigt wird), wird durch Vorsehen einer Sollbruchstelle erreicht werden. Das Kühlkanalsystem weist in diesem Fall mindestens eine Sollbruchstelle auf, die bei einem schwereren Crash des Fahrzeugs gezielt beschädigt wird, wodurch erreicht wird, dass Kühlmedium aus dem Kühlkanalsystem austritt und sich innerhalb des elektrischen Energiespeichers, d.h. innerhalb des Gehäuses des elektrischen Energiespeichers, verteilt.
  • Eine derartige Sollbruchstelle ist vorzugsweise so angeordnet, dass bei einer vorgegebenen Crash-Situation oder einer vorgegebenen Gruppe von Crash-Situationen eine Komponente des Fahrzeugs beschädigend auf die Sollbruchstelle einwirkt und/oder die Sollbruchstelle aufgrund der bei derartigen Crashs auftretenden Beschleunigungen zerstört oder beschädigt wird.
  • Alternativ oder ergänzend dazu kann ein Austreten von Kühlmedium aus dem Kühlkanalsystem durch einen gesteuerten, auf das Kühlkanalsystem einwirkenden „Aktuator“ erreicht werden. Hierzu wird mittels einer Sensorik und einer Elektronik der Fahrzustand des Fahrzeugs überwacht und detektiert, ob ein Crash des Fahrzeugs vorliegt, bei dem anzunehmen ist, dass der elektrische Energiespeicher beschädigt wird. Wird ein derartiger Crash des Fahrzeugs detektiert, so steuert die Elektronik einen Aktuator an, der ein Ausströmen von Kühlmedium aus dem Kühlkanalsystem und ein Verteilen von Kühlmedium im Inneren des elektrischen Energiespeichers bewirkt.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Sensorik einen Beschleunigungssensor auf, welcher die Verzögerung des Fahrzeugs oder einer Fahrzeugkomponente misst, wobei davon ausgegangen wird, dass Verzögerungen oberhalb eines vorgegebenen Verzögerungswerts auf einen Crash des Fahrzeugs schließen lassen, bei dem der elektrische Energiespeicher beschädigt wird.
  • Alternativ oder ergänzend zu einem Beschleunigungssensor kann die Sensorik einen Lagesensor aufweisen, mittels dem die Ausrichtung des Fahrzeugs im Raum, insbesondere die Ausrichtung des Fahrzeugs in Bezug auf die Schwerkraft, gemessen wird. Bei einem drohenden Überschlag des Fahrzeugs kann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ebenfalls davon ausgegangen werden, dass der elektrische Energiespeicher bei einem Auftreffen des Fahrzeugs auf dem Boden oder auf einem Hindernis beschädigt wird.
  • Ergänzend zu einem Beschleunigungssensor bzw. einem Lagesensor kann die Sensorik ferner einen Temperatursensor aufweisen, mittels dem die Temperatur innerhalb oder im Bereich des elektrischen Energiespeichers gemessen wird.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der Aktuator eingesetzt, bei einem entsprechend kritischen Crash des Fahrzeugs ein Ventil des Kühlkanalsystems zu öffnen, so dass Kühlmedium aus dem Kühlkanalsystem austreten und sich innerhalb des elektrischen Energiespeichers verteilen kann.
  • Alternativ dazu oder ergänzend dazu kann vorgesehen sein, dass der Aktuator bei einem entsprechend kritischen Crash des Fahrzeugs derart auf eine „Sollbruchstelle“ des Kühlkanalsystems einwirkt, dass Kühlmedium aus dem Kühlkanalsystem austreten und sich innerhalb des elektrischen Energiespeichers verteilen kann.
  • Der Aktuator kann bspw. ein elektrischer oder elektromagnetischer Aktuator (z.B. ein Elektromotor oder ein Elektromagnet, der ein angeschlossenes Ventil betätigt oder der auf eine Sollbruchstelle, wie z.B. eine Berstscheibe, einwirkt) oder ein Aktuator auf Basis eines Piezo-Kristalls sein. Bei dem Aktuator könnte es sich auch um einen „pyrotechnischen Aktuator“ handeln (ähnlich einem Airbagzünder) oder ganz allgemein um einen thermischen Aktuator (ähnlich Gebäudelöschanlagen), z.B. um einen Aktuator, welcher ein Glasbehältnis mit einer sich unter Wärmeeinwirkung ausdehnenden Flüssigkeit aufweist, wobei es bei einer Überhitzung der Flüssigkeit zu einem Zerstören des Glasbehältnisses und zu einem Austreten von Kühlmedium kommt. Alternativ dazu könnte auch eine Berstscheibe vorgesehen sein, die bei einer Überhitzung bricht und Kühlmedium ausströmen lässt.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der elektrische Energiespeicher derart räumlich getrennt von einem Fahrgastraum des Fahrzeugs angeordnet, dass ausströmendes Kühlmedium möglichst nicht in den Fahrgastraum gelangt. Bei dem kürzlich von BMW vorgestellten Fahrzeug BMW i3 ist der Hochvoltspeicher unterhalb der Fahrgastzelle angeordnet, wodurch eine entsprechende räumliche Trennung sichergestellt ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Energiespeichers gemäß der Erfindung.
  • 1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 1, bei dem es sich um einen Hochvoltspeicher eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs handeln kann. Der elektrische Energiespeicher 1 weist ein Speichergehäuse 2 auf, das im unversehrten Zustand Dicht gegen Eindringen von Wasser aus der Umgebung ist.
  • In dem Speichergehäuse 2 sind Zellmodule 3, 4, 5, 6 angeordnet, die elektrisch miteinander verschaltet sind. Jedes der Zellmodule 3 - 6 kann aus einer Vielzahl miteinander verschalteter einzelner Batteriezellen bestehen.
  • Zur Erreichung einer möglichst langen Lebensdauer des Hochvoltspeichers bzw. der einzelnen Batteriezellen müssen die Zellmodule temperiert, d.h. gekühlt oder beheizt, werden. Die Zellmodule weisen hierzu jeweils einen Zellmodulkühler 3a, 4a, 5a, 6a auf, über den die einzelnen Zellen eines Zellmoduls temperiert bzw. gekühlt werden können. Der Zellmodulkühler kann bspw. durch eine Kühlkanäle aufweisende Kühlplatte gebildet sein, die thermisch mit den jeweiligen Batteriezellen gekoppelt ist. Die Kühlkanalsysteme bzw. Zellmodulkühler 3a, 4a, 5a, 6a der einzelnen Zellmodule 3 - 6 sind an ein Kühlkanalsystem 7 des Hochvoltspeichers 1 angeschlossen, das einen Eintritt 8 für Kältemittel und einen Austritt 9 für Kältemittel aufweist.
  • Das hier gesamthaft mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnete Kühlkanalsystem des elektrischen Energiespeichers 1 weist eine Sollbruchstelle 10 auf, die bei einer vorgegebenen Crash-Situation bzw. einer vorgegebenen Gruppe von Crash-Situationen gezielt durch eine durch einen Pfeil 11 angedeutete Komponente beschädigt wird, die bei einem entsprechend schwerwiegenden Crash in das Gehäuse 2 des elektrischen Energiespeichers und somit in das Innere des elektrischen Energiespeichers 1 eindringt. Bei einem entsprechend schweren Crash wird die Sollbruchstelle 10 zumindest insoweit beschädigt, dass Kühlmedium, welches das Kühlkanalsystem 7 durchströmt, im Inneren des Gehäuses 2 aus dem Kühlkanalsystem 7 entweicht und sich im Inneren des Gehäuses 2 verteilt.
  • Das Kühlmedium ist eine nicht brennbare Substanz, wie z.B. das Kältemittel Kohlendioxid. Das bei einem Crash austretende Kühlmedium verdrängt Sauerstoff und verringert somit die Gefahr der Entstehung eines Brandes im Inneren des Gehäuses 2.

Claims (9)

  1. Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher (1), der ein Kühlkanalsystem (7) aufweist, das von einem nicht brennbaren Kühlmedium, insbesondere einem nicht brennbaren Kältemittel, durchströmt ist, wobei das Kühlkanalsystem (7) eine Notfallöffnung aufweist, die so angeordnet ist, dass sich bei einem Öffnen der Notfallöffnung Kühlmedium in dem elektrischen Energiespeicher (1), insbesondere in einem Gehäuse (2) des elektrischen Energiespeichers (1), verteilt, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfallöffnung eine Sollbruchstelle (10) ist, die dazu bestimmt ist, bei einem Crash des Fahrzeugs zerstört zu werden, und/oder die Notfallöffnung ein von einer Crash-Sensorik und Elektronik angesteuertes Ventil ist, das dazu bestimmt ist, bei einem Crash des Fahrzeugs zu öffnen.
  2. Fahrzeug gemäß Anspruch 1, wobei die Sollbruchstelle (10) so angeordnet ist, dass bei der vorgegebenen Crash-Situation, eine Komponente (11) des Fahrzeugs beschädigend auf die Sollbruchstelle (10) einwirkt.
  3. Verfahren zur Brandvermeidung eines elektrischen Energiespeichers (1), der in einem Fahrzeug angeordnet ist und mittels eines nicht brennbaren Kühlmediums temperiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass · mittels einer Sensorik und einer Elektronik der Fahrzustand des Fahrzeugs überwacht und detektiert wird, ob ein Crash des Fahrzeugs vorliegt, bei dem der Energiespeicher (1) beschädigt wird, wobei im Falle eines entsprechenden Crashs des Fahrzeugs die Elektronik einen Aktuator ansteuert, der ein Ausströmen von Kühlmedium aus dem Kühlkanalsystem (7) und ein sich Verteilen von Kühlmedium innerhalb des Energiespeichers (1) bewirkt, • wobei der Aktuator bei einem entsprechenden Crash des Fahrzeugs o ein Ventil des Kühlkanalsystems (7) öffnet, oder o derart auf eine Sollbruchstelle (10) des Kühlkanalsystems (7) einwirkt, dass Kühlmedium aus dem Kühlkanalsystem (7) austreten und sich innerhalb des elektrischen Energiespeichers (1) verteilen kann.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Sollbruchstelle (10) so angeordnet ist, dass bei der vorgegebenen Crash-Situation, eine Komponente (11) des Fahrzeugs beschädigend auf die Sollbruchstelle (10) einwirkt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Sensorik einen - Beschleunigungssensor aufweist, mittels dem die Verzögerung des Fahrzeugs oder einer Fahrzeugkomponente gemessen wird, und/oder - einen Lagesensor, mittels dem die Ausrichtung des Fahrzeugs im Raum, insbesondere in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft, gemessen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Aktuator ein elektrischer oder elektromagnetischer Aktuator, oder ein Aktuator auf Basis eines Piezo-Kristalls ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Kühlmedium ein nicht brennbares Kältemittel ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Kältemittel Kohlendioxid ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei der elektrische Energiespeicher (1) derart räumlich getrennt von einem Fahrgastraum des Fahrzeugs angeordnet ist, dass ausströmendes Kühlmedium nicht in den Fahrgastraum gelangt.
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