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Stand der Technik
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Akkumulatoren oder Batterien elektrisch angetriebene Fahrzeuge basieren heute meist auf Batteriezellen, deren Chemie auf Lithium basiert. Derartige Akkumulatoren bzw. Batterien enthalten sowohl in Anode wie auch in der Kathode Lithium-Verbindungen. Zur Gewährleistung einer Ionenleitung von der Anode zur Kathode, wird ein wasserfreier Elektrolyt eingesetzt, da Lithium stark mit Wasser reagiert. Bei diesem Elektrolyten handelt es sich beispielsweise um Ethylencarbonat (EC), das ein Lithium enthaltendes Leitsatz enthält. Dabei handelt es sich in den meisten Fällen Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), welches in einer Konzentration von ca. 1 mol/l vorliegt.
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Es existieren nicht-fluorhaltige Leitsalze, allerdings sind diese noch nicht kommerziell verfügbar oder sind verfügbar, sind jedoch noch nicht für den vorliegenden Anwendungsfall ausgereift.
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Bei Auftreten eines Schadenfalles kann es zu einem unkontrollierten Aufheizen einer Batteriezelle, eines Batteriemoduls oder eines Batteriepacks kommen. Ein derartiger Schaden kann beispielsweise extern, so zum Beispiel durch Auftreten eines Unfalles ausgelöst werden, bei dem eine oder mehrere Module oder Batteriezellen des Batteriepacks beschädigt werden können. Als Folge der aufgetretenen Beschädigung heizt sich eine betroffene Batteriezelle durch Reaktion des Lithiums mit eindringender Luft und eindringendem Wasser bzw. durch Auftreten interner Kurzschlüsse stark auf. Dies kann im Extremfall so weit gehen, dass der in der Batteriezelle enthaltene Elektrolyt samt des Leitsalzes verdampft. Dieses Ereignis wird auch als „Venting“ bezeichnet, da der nun in Gasform vorliegende Elektrolyt unter hohem Druck aus der betroffenen havarierten Batteriezelle austritt. Eine Batteriezelle kann einen derartigen Venting-Prozess durch Überhitzung auch auf angrenzende Batteriezellen übertragen, die dann ihrerseits instabil wären und ihrerseits ein „Venting“ durchlaufen.
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Bei Auftreten hoher Temperaturen kann des Weiteren auch das Leitsalz, beispielsweise LiPF6 zersetzt werden. In der Folge kann sich bei Kontakt mit Luft oder Wasser Flusssäure bilden, die stark ätzend wirkt. Dies gilt insbesondere für organisches Gewebe; ferner ist Flusssäure äußerst giftig.
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Zur Ableitung gefährlicher Gase nach außen, können Systeme aus Schläuchen eingesetzt werden, welche diese gefährlichen Gase aus den Batteriemodulen in das Innere des die die Batteriemodule umgebenden Gehäuses führen, und gegebenenfalls nach außen in die Umgebung transportieren. Sollten die gefährlichen Gase jedoch den Weg in die Fahrgastzelle finden, kann mitgeführte Flusssäure zu erheblich gesundheitlicher Gefährdung der Insassen führen, da auch sehr kleine Mengen aufgenommener Flusssäure gravierende gesundheitliche Beeinträchtigungen nach sich ziehen können.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriepack vorgeschlagen, das ein Gehäuse umfasst, in dem eine Anzahl von Batteriemodulen aufgenommen sind. Ein Gehäuse-Innenraum des Gehäuses wird durch mindestens einen Sensor überwacht, wobei innerhalb des Gehäuses mindestens ein Neutralisationselement angeordnet ist, welches mindestens eine Neutralisationssubstanz enthält. Diese wird im Falle der Detektion eines Entgasungsfalles innerhalb des Gehäuses freigesetzt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens ist dazu im Gehäuse des Batteriepacks mindestens ein Sensor, insbesondere mindestens ein Drucksensor angeordnet. Weiterhin kann im Gehäuse mindestens ein Temperatursensor angeordnet werden. Neben der Anordnung eines oder mehrerer Temperatursensoren im Gehäuse-Innenraum, kann auch einem jedem im Gehäuse-Innenraum angeordneten Batteriemodul ein eigener Temperatursensor zugeordnet werden, so dass ein beim Auftreten eines Schadenfalles auftretender starker Temperaturanstieg in einer havarierten Batteriezelle bzw. einem havarierten Batteriemodul mit geringster zeitlicher Verzögerung detektiert werden kann.
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Der Batteriepack umfasst eine Schaltungslogik, die beispielsweise außerhalb des Batteriepacks aufgenommen ist, die in Kombination mit den Signalen, die der mindestens eine im Inneren des Gehäuses angeordnete Drucksensor und/oder der mindestens eine Temperatursensor aussendet, die Freisetzung der mindestens einen Neutralisationssubstanz auslöst. Die Neutralisationselemente können beispielsweise mittels einer Kapsel nach Art einer Airbag-Auslösung gezündet werden und nach Zerstörung die im Inneren der Neutralisationselemente enthaltene, mindestens eine Neutralisationssubstanz im Gehäuseinneren freisetzen. Die Neutralisationselemente können verteilt im Gehäuse-Innenraum, insbesondere in dessen Eckbereichen angeordnet werden, so dass bei Auftreten einer Havarie der Gehäuse-Innenraum des Gehäuses mit mindestens einer Neutralisationssubstanz geflutet werden kann.
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Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auch auf ein Verfahren zur Überwachung eines Batteriepacks in einem Gehäuse mit einer Anzahl von Batteriemodulen auf das Auftreten eines Entgasungsfalles. Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen:
- a) Zunächst erfolgt die Detektion eines Entgasungsfalles aus Signalen mindestens eines Sensors, insbesondere eines Drucksensors, der im Inneren des Gehäuses angeordnet ist.
und/oder alternativ kann gemäß Verfahrensschritt
- b) eine Detektion eines Entgasungsfalles aus Signalen mindestens eines Temperatursensors, der mindestens einem Batteriemodule zugeordnet ist, erfolgen, wonach gemäß Verfahrensschritt
- c) auf einen Entgasungsfall geschlossen wird und eine Neutralisation in das Innere des Gehäuses gelangter gefährlicher Gase durch Freisetzung mindestens einer Neutralisationssubstanz aus mindestens einem Neutralisationselements durch eine Schaltungslogik und/oder einer Steuerelektronik von statten geht.
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Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die Detektion des Entgasungsfalles im Rahmen einer Innendetektion, d.h. über die Überwachung des Gehäuse-Innenraumes. Die im Falle des „Ventings“ auftretenden gefährlichen Gase können unmittelbar ins Freie gelangen. Idealerweise erfolgt die Detektion der Entgasung aus dem gemeinsamen Auftreten einer Druckerhöhung und einer Temperaturerhöhung.
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Bevorzugt werden durch die mindestens eine freigesetzte Neutralisationssubstanz gefährliche Gase wie Flusssäure, Carbonylfluorid oder Kohlenmonoxid (CO) unschädlich gemacht, d.h. gebunden.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Batteriepacks bei Auftreten eines Entgasungsfalles, kann der Entgasungsfall zunächst detektiert werden. Eine Detektion eines Entgasungsfalles kann der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend aus dem Gehäuseinneren heraus detektiert werden. Durch die erfindungsgemäße Lösung können nach zuverlässiger Detektion des Entgasungsfalles in das Gehäuseinnere eines Gehäuses eines Batteriepacks ausgetretene gefährliche Gase sofort unschädlich gemacht werden, so dass gar nicht erst zu befürchten steht, dass ungebundene, d.h. nicht neutralisierte gefährliche Gase, wie Flusssäure oder Carbonylfluorid aus dem Gehäuseinneren auch bei starkem Druckanstieg austreten können. Damit ist ein entscheidender Sicherheitsgewinn für die Insassen eines mit einem Elektroantrieb unter Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie ausgestatteten Batteriesystem gewonnen. Ferner kann der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend auf das Vorsehen von Ablenkblechen oder Schlauchsystemen verzichtet werden, um nicht-neutralisierte gefährliche Gase aus dem Gehäuseinneren eines havarierten Batteriepacks herauszuleiten. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird der Ansatz verfolgt, dass es einer Herausleitung gefährlicher Gase aus dem Inneren des Batteriegehäuses gar nicht mehr bedarf, wenn die ausgetretenen gefährlichen Gase innerhalb des geschlossenen Gehäuses des Batteriepacks unmittelbar neutralisiert werden können. Damit können aufwendige Entgasungssysteme oder Schlauchsysteme, die andernfalls im Innenraum eines Gehäuses unterzubringen wären, entfallen. Ferner wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung das Bauvolumen des Batteriepacks durch Entfall des Entgasungssystems günstig beeinflusst, ebenso wie dessen Gewicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 eine Ansicht eines Gehäuses eines Batteriepacks mit Draufsicht auf den Anschlussbereich und
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2 einen Schnitt durch das in 1 in perspektivischer Wiedergabe dargestellte Gehäuse eines Batteriepacks mit innerhalb des Gehäuses aufgenommenen Elektronikkomponenten und Steuerelektronik.
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Ausführungsvarianten
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1 zeigt ein Batteriepack 10, welches innerhalb eines Gehäuses 19 aufgenommen ist. Das Gehäuse 19 umfasst einen Anschlussbereich 12, in welchem ein Stecker 14 zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz vorgesehen ist, ferner ein Stecker 16 zum Anschluss eines Niederspannungsnetzes, beispielsweise des Fahrzeugbordnetzes 12 V oder 24 V sowie einen Gasauslass 18 für ein „Venting“ des Gehäuses 19.
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Das Gehäuse 19, welches ein- oder mehrteilig ausgebildet sein kann, umfasst eine Oberseite 20, eine Längsseite 22, an der sich der Anschlussbereich 12 befindet sowie eine Querseite 24. Das Gehäuse 19 des Batteriepacks 10 gemäß der perspektivischen Wiedergabe in 1 hat das Aussehen eines Quaders.
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2 zeigt einen Schnitt durch das in 1 in perspektivischer Wiedergabe dargestellte Gehäuse.
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Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass sich im Gehäuse-Innenraum 40 des Gehäuses 19 eine Anzahl von Batteriemodulen 26, 28, 30, 32, 34 befindet. Im Gehäuse-Innenraum 40 können sich je nach Baugröße des Gehäuses n Batteriemodule befinden, die wiederum durch eine Anzahl miteinander verschalteter Batteriezellen gebildet werden. Der Aufbau der Batteriemodule 26, 28, 30, 32, 34 im Einzelnen ist in der Darstellung gemäß 2 nicht näher wiedergegeben.
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Im Gehäuse-Innenraum 40 befindet sich eine Steuerelektronik 36, welche beispielsweise ein Batteriemanagement-System aufnimmt, welches die einzelnen Batteriemodule 26, 28, 30, 32, 34 hinsichtlich der Spannung, der Temperaturen sowie der einzelnen Batteriezelleninnenwiderstände überwacht. Des Weiteren befindet sich im Gehäuse-Innenraum 40 des Gehäuses 19 mindestens ein Sensor 38, insbesondere ein Drucksensor, zur Detektion eines Entgasungsfalles von der Innenseite des Gehäuses 19 her. In der Schnittdarstellung gemäß 2 ist auch erkennbar, dass sich in einer der Längsseiten 22 des Gehäuses 19 der Anschlussbereich 12, hier schematisch angedeutet, befindet.
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Die Schnittdarstellung gemäß 2 zeigt überdies, dass im Gehäuse-Innenraum 40 eine Anzahl von Neutralisationselementen 42 aufgenommen ist. In der Darstellung gemäß 2 sind im Gehäuse-Innenraum 40 des Gehäuses 19 beispielsweise fünf Neutralisationselemente 42 aufgenommen. Es können jedoch auch eine größere Anzahl von Neutralisationselemente 42 oder eine geringe Anzahl derselben im Gehäuse-Innenraum 40 verteilt aufgenommen sein. Die Neutralisationselemente 42 umfassen mindestens eine Neutralisationssubstanz, welche insbesondere der Neutralisation gefährlicher Gase, die bei der Havarie eines Batteriepacks 10 auftreten können, dienen. Im Havariefall können beispielsweise Flusssäure und Carbonylfluorid austreten, welche über die in den Neutralisationselementen 42 enthaltenen Neutralisationssubstanzen neutralisiert werden.
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Aus der Schnittdarstellung gemäß 2 geht des Weiteren hervor, dass die einzelnen im Gehäuse-Innenraum 40 angeordneten Batteriemodule 26, 28, 30, 32, 34 jeweils eine Temperaturmesseinrichtung 54 umfassen. Die Temperaturmesseinrichtung 54 kann – wie in der Schnittdarstellung gemäß 2 – in die einzelnen Batteriemodule 26, 28, 30, 32 und 34 integriert sein. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Temperaturmesseinrichtung 54 als Stand-Alone-Lösung innerhalb des Gehäuse-Innenraumes 40 verteilt anzuordnen. Mit beiden Varianten besteht die Möglichkeit, neben dem Druck, der im Gehäuse-Innenraum 40 herrscht, auch die Temperatur zu ermitteln, die im Inneren des Gehäuses 19 herrscht.
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Die im Inneren des Gehäuses angeordnete Steuerelektronik 36, welche das Batteriemanagementsystem beherbergt, wirkt mit einer außerhalb des Gehäuses 19 angeordneten Schaltungslogik 56 zusammen.
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Der Auslösefall, d.h. die Detektion eines Entgasungsfalles kann nun dadurch erfolgen, dass durch den mindestens einen Sensor 38, insbesondere ausgebildet als Drucksensor, ein starker Druckanstieg im Gehäuse-Innenraum 40 detektiert wird. Alternativ dazu oder zusätzlich dazu, kann über mindestens eine Temperaturmesseinrichtung 54, die entweder als Stand-Alone-Lösung im Gehäuse-Innenraum 40 vorgesehen ist, oder einem jeden der im Gehäuse 19 angeordneten Batteriemodule 26, 28, 30, 32, 34 zugeordnet ist, ein starker Temperaturanstieg im Gehäuse-Innenraum 40 erfasst werden. Aus den Signalen des mindestens einen Sensors 38 und/oder der mindestens einen Temperaturmesseinrichtung 54, wird entweder durch die Steuerelektronik 36 alleine oder die Schaltungslogik 56 alleine, oder durch eine Kombination beider Komponenten 36, 56 auf das Auftreten eines Entgasungsfalles geschlossen. In diesem Falle werden die Neutralisationselemente durch eine Kapsel ähnlich eines Airbags gezündet und im Gehäuse-Innenraum 40 kommt es unmittelbar nach Detektion des Entgasungsfalles zur Freisetzung der in der Anzahl von Neutralisationselementen 42 bevorratete Neutralisationssubstanzen. Dadurch können die in den Gehäuse-Innenraum 40 entwichenen gefährliche Gase sofort nach deren Auftreten unschädlich gemacht werden, d.h. neutralisiert werden, bevor sie in die Umgebung oder gar in die Fahrgastzelle des Fahrzeugs gelangen können.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird im Havariefall eines Batteriepacks 10 ein erheblicher Zugewinn an Sicherheit erzielt. Des Weiteren kann durch Implementierung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, d.h. durch Ausbildung der Vorrichtung und Implementierung des Verfahrens zur Überwachung des Batteriepacks auf ein aufwendig in das Gehäuse 19 zu integrierendes Entgasungssystem verzichtet werden. Dadurch wiederum wird die Baugröße und das Gewicht eines Batteriepacks 10 günstig beeinflusst. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erfolgt kein Ausleiten gefährlicher Gase aus dem Gehäuse-Innenraum 40, sondern die gefährlichen Gase werden am Ort ihres Entstehens, d.h. im Gehäuse-Innenraum 40 des Gehäuses 19 unmittelbar nach Auftreten unschädlich gemacht, so dass es eines aufwendigen Entgasungssystems mit Ablenkblechen und/oder einem Schlauchsystem mit geringen Querschnitten gar nicht erst bedarf.
