DE102015213777A1

DE102015213777A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Brandprävention und/oder -bekämpfung eines Batteriemoduls

Info

Publication number: DE102015213777A1
Application number: DE102015213777.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hümpel; Thorsten Kroker; Sebastian Flennert; Thomas Kittel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2035-07-23
Also published as: DE102015213777B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Brandprävention und/oder -bekämpfung eines Batteriemoduls (2), umfassend ein Batteriemodul (2) mit mindestens einer Batteriezelle (3), die in einem Gehäuse (4) des Batteriemoduls (2) angeordnet ist, ein Löschmittelspeicher (5) und ein Ansteuermittel, das derart ausgebildet ist, dass bei einer Auslösebedingung Löschmittel in den Innenraum des Gehäuses (4) des Batteriemoduls (2) freigegeben wird, wobei der mindestens einen Batteriezelle (3) eine Spannungsmesseinrichtung (8) zugeordnet ist und die Vorrichtung (1) eine Auswerte- und Steuereinheit (10) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass diese das Ansteuermittel in Abhängigkeit der erfassten Spannungssignale der Spannungsmesseinrichtung (8) ansteuert, sowie ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Brandprävention und/oder -bekämpfung eines Batteriemoduls.
Aus der DE 10 2008 059 948 A1 ist ein Verfahren zur Brandprävention und/oder -bekämpfung für eine Li-Ionen-Batterie eines Fahrzeugs bekannt, wobei der Einzelzellen der Batterie aufweisende Innenraum der Batterie über eine Notfallleitung mit einem Löschmittelspeicher verbunden wird, wobei zur Brandprävention und/oder -bekämpfung zumindest zeitweilig das Löschmittel aus dem Löschmittelspeicher in den Innenraum eingeleitet wird. Dabei erfolgt die Steuerung in Abhängigkeit der im Innenraum oder der außerhalb des Innenraums herrschenden Temperatur.
Aus der WO 2013/160518 A1 ist ein Batteriemodul bekannt, wobei ein Löschmittel in dem Batteriemodul angeordnet ist, das sich bei Wärmeentwicklung ausdehnt und so einen Brand bekämpft.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Brandprävention und/oder -bekämpfung zu schaffen, die mindestens in einzelnen Situationen schneller aktiv ist. Ein weiteres technisches Problem besteht darin, ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu weist die Vorrichtung zur Brandprävention und/oder -bekämpfung eines Batteriemoduls mindestens ein Batteriemodul mit mindestens einer Batteriezelle auf, die in einem Gehäuse des Batteriemoduls angeordnet ist. Weiter weist die Vorrichtung einen Löschmittelspeicher und ein Ansteuermittel auf, das derart ausgebildet ist, dass bei einer Auslösebedingung Löschmittel in den Innenraum des Batteriemoduls freigegeben wird. Weiter weist die Vorrichtung mindestens eine Spannungsmesseinrichtung auf, die der mindestens einen Batteriezelle zugeordnet ist, und eine Auswerte- und Steuereinheit auf, die derart ausgebildet ist, dass diese das Ansteuermittel in Abhängigkeit der erfassten Spannungssignale der Spannungsmesseinrichtung ansteuert. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine häufige Ursache für Batteriebrände Kurzschlüsse sind, bei denen es aufgrund der hohen Ströme zu einer Überhitzung der Batteriezellen kommt. Bei den Kurzschlüssen kann es sich um galvanische Kurzschlüsse oder auch um Lichtbögen handeln. Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass sich beide Arten von Kurzschlüssen anhand der Spannung an den Batteriezellen detektieren lassen und dies erheblich eher, bevor es zu einer signifikanten Temperaturänderung an einem Temperatursensor kommt. Dadurch reagiert die Vorrichtung so schnell, dass es im Idealfall erst gar nicht zu einem Brand kommt.
Dabei ist in einer Ausführungsform der Löschmittelspeicher außerhalb des Gehäuses angeordnet und über eine Notfallleitung mit dem Innenraum des Batteriemoduls verbunden. Das Löschmittel kann dabei beispielsweise ein Schaum oder Pulver sein, das vorzugsweise über eine Gaskartusche mit erhöhtem Druck in den Innenraum gesprüht wird. Als Druckgas bietet sich beispielsweise CO₂ an.
In einer Ausführungsform ist die Auslösebedingung ein Schwellwert für das Spannungssignal und/oder ein Schwellwert für eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Spannungssignalen und/oder das Auftreten einer zeitlichen Abfolge von Spannungssignalen. Dabei wird ausgenutzt, dass bei einem Kurzschluss es zu einem Zusammenbruch der Spannung der Batteriezelle kommt, sodass im einfachsten Fall einfach das Unterschreiten eines Schwellwertes ausgewertet werden kann. Um nun aber einen Zusammenbruch der Spannung aufgrund eines Kurzschlusses von einer einfach entladenen Batteriezelle zu unterscheiden, kann die Differenz zwischen zwei vorzugsweise aufeinanderfolgenden Messungen ausgewertet werden, da eine normale Entladung nicht so schnell erfolgt. Insbesondere zur Erfassung von Kurzschlüssen aufgrund von Lichtbögen kann auch eine zeitliche Abfolge ausgewertet werden. Spannungsmessungen werden durch Lichtbögen gestört, so dass diese häufig durch kurzzeitige Schwankungen nach oben und nach unten charakterisiert sind, wobei die Ausschläge nach oben den Messbereich der Spannungsmesseinrichtungen überschreiten können. Diese Spannungsschwankungen nach oben über die normale Normspannung können herausgefiltert werden, wobei dann in dem gefilterten (und gegebenenfalls interpolierten) Signal die Spannungsdifferenzen ausgewertet werden. Die Filterung kann dann vorzugsweise über einen Hard- oder Software-Filter in der Auswerte- und Steuereinheit erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens einen Temperatursensor auf, wobei in Abhängigkeit einer erfassten oder ermittelten Temperatur das Ansteuermittel angesteuert wird oder ein weiteres Löschmittel aktiviert wird. Dabei kann beispielsweise der Temperatursensor im Gehäuse angeordnet sein oder aber auch außerhalb des Gehäuses, wobei dann eine Ermittlung bzw. Schätzung der Temperatur im Innern des Gehäuses anhand der äußeren Temperatur erfolgt. Das weitere Löschmittel kann dabei ein sich in Abhängigkeit der Temperatur ausdehnendes Löschmittel sein, wie es in der WO 2013/160518 A1 beschrieben ist. Durch die Berücksichtigung der Temperatur wird die Sicherheit weiter erhöht, da Kurzschlüsse zwar eine häufige, aber nicht die ausschließliche Ursache für Batteriebrände sind.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Batteriemodul einen steuerbaren Einlass und einen steuerbaren Auslass auf, die vorzugsweise durch die Auswerte- und Steuereinheit angesteuert werden. Über diese kann beispielsweise gekühlte Luft ein- und warme Abluft ausgelassen werden, wobei bei Erfüllung einer Auslösebedingung diese geschlossen werden, damit kein Sauerstoff den Brand begünstigt bzw. giftige Rauchpartikel entweichen können. Des Weiteren erleichtert dies das Füllen des Gehäuses mit Löschmittel.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Batteriemodul eine Vielzahl von Batteriezellen und Spannungsmesseinrichtungen auf, die über ein Bussystem mit der Auswerte- und Steuereinheit verbunden sind. Dabei muss nicht jeder Batteriezelle eine eigene Spannungsmesseinrichtung zugeordnet sein. Sind beispielsweise die Batteriezellen auch teilweise parallel geschaltet, so ist der Parallelschaltung eine Spannungsmesseinrichtung zugeordnet. Es ist aber auch möglich, dass sich mehrere Batteriezellen in Reihe eine Spannungsmesseinrichtung teilen, wobei dann die Batteriezellen über einen Multiplexer nacheinander mit der Spannungsmesseinrichtung verbunden werden.
Bezüglich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen werden.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Einsatz in einem Hochvoltbatteriesystem eines Kraftfahrzeugs.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Brandprävention und/oder -bekämpfung eines Batteriemoduls.
Die Vorrichtung 1 zur Brandprävention und/oder -bekämpfung eines Batteriemoduls 2 umfasst ein Batteriemodul 2 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 3, wobei in der Darstellung nur drei Batteriezellen 2 in Reihe dargestellt sind. Die Batteriezellen 3 können dabei auch teilweise parallel geschaltet sein. Weiter weist das Batteriemodul 2 ein Gehäuse 4 auf, in dem die Batteriezellen 3 angeordnet sind. Die Vorrichtung 1 weist einen Löschmittelspeicher 5 auf, der außerhalb des Gehäuses 4 angeordnet ist und über eine Notfallleitung 6 mit dem Innenraum des Gehäuses 4 verbunden ist, wobei die Notfallleitung 6 über ein Ventil 7 im Normalfall gesperrt ist. Den Batteriezellen 3 ist jeweils eine Spannungsmesseinrichtung 8 zugeordnet, die über ein Bussystem 9 mit einer Auswerte- und Steuereinheit 10 verbunden sind. Über das Bussystem 9 ist auch ein Temperatursensor 11 im Innenraum des Gehäuses 4 mit der Auswerte- und Steuereinheit 10 verbunden. Schließlich weist die Vorrichtung 1 einen über ein Ventil 12 steuerbaren Einlass 13 und über ein Ventil 14 steuerbaren Auslass 15 aus, wobei die Ventile 12, 14 auch über die Auswerte- und Steuereinheit 10 angesteuert werden.
Bei einem galvanischen Kurzschluss oder einem durch einen Lichtbogen verursachten Kurzschluss kommt es zu einem signifikanten Spannungseinbruch an den betroffenen Batteriezellen 3. Dabei bricht beispielsweise die Nennspannung einer Batteriezelle 3 von 3,6 V auf 2,2 V zusammen, was eine Spannungsdifferenz von 1,4 V entspricht.
Bei einem angenommenen Innenwiderstand von 1 mΩ würde das einer Stromstärke von ca. 1.400 A entsprechen, was im realen Betrieb nicht vorkommt. Daher kann ein derartiger Spannungsabfall sicher als Kurzschluss detektiert werden. Der Unterschied zwischen einem galvanischen Kurzschluss und einem Kurzschluss aufgrund eines Lichtbogens ist, dass es beim Lichtbogen aufgrund der hohen Feldstärken zu Störungen bei der Spannungsmessung mit Spannungsschwankungen kommt, sodass beispielsweise der Messbereich der Spannungsmesseinrichtungen 8 von beispielsweise 5,095 V überschritten wird. Diese Spannungsspitzen können aber herausgefiltert werden, wobei dann nur die Spannungseinbrüche ausgewertet werden. Erfasst nun die Auswerte- und Steuereinheit 10 einen Kurzschluss, so wird das Ventil 7 geöffnet und Löschmittel in das Innere des Gehäuses 4 gesprüht. Zusätzlich werden die Ventile 12 und 14 geschlossen. Somit wird frühzeitig eine Überhitzung bzw. ein Brand des Batteriemoduls 2 verhindert. Sollte es zu einer Überhitzung kommen, deren Ursache kein Kurzschluss ist, so wird dies durch den Temperatursensor 11 erfasst. Entsprechend kann dann die Auswerte- und Steuereinheit 10 das Ventil 7 öffnen und die Ventile 12, 14 schließen. Bei den Batteriezellen handelt es sich vorzugsweise um Li-Ionen-Batteriezellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008059948 A1 [0002]
WO 2013/160518 A1 [0003, 0009]

Claims

Vorrichtung (1) zur Brandprävention und/oder -bekämpfung eines Batteriemoduls (2), umfassend ein Batteriemodul (2) mit mindestens einer Batteriezelle (3), die in einem Gehäuse (4) des Batteriemoduls (2) angeordnet ist, ein Löschmittelspeicher (5) und ein Ansteuermittel, das derart ausgebildet ist, dass bei einer Auslösebedingung Löschmittel in den Innenraum des Gehäuses (4) des Batteriemoduls (2) freigegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen Batteriezelle (3) eine Spannungsmesseinrichtung (8) zugeordnet ist und die Vorrichtung (1) eine Auswerte- und Steuereinheit (10) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass diese das Ansteuermittel in Abhängigkeit der erfassten Spannungssignale der Spannungsmesseinrichtung (8) ansteuert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Löschmittelspeicher (5) außerhalb des Gehäuses (4) angeordnet ist und über eine Notfallleitung (6) mit dem Innenraum des Batteriemoduls (2) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösebedingung ein Schwellwert für das Spannungssignal und/oder ein Schwellwert für eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Spannungssignalen und/oder das Auftreten einer zeitlichen Abfolge von Spannungssignalen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) mit einem Filter für die Spannungssignale ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mindestens einen Temperatursensor (11) aufweist, wobei in Abhängigkeit einer erfassten oder ermittelten Temperatur das Ansteuermittel angesteuert wird oder ein weiteres Löschmittel aktiviert wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (2) einen steuerbaren Einlass (13) und einen steuerbaren Auslass (15) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (2) eine Vielzahl von Batteriezellen (3) und Spannungsmesseinrichtungen (8) aufweist, die über ein Bussystem (9) mit der Auswerte- und Steuereinheit (10) verbunden sind.
Verfahren zur Brandprävention und/oder -bekämpfung eines Batteriemoduls (2), mittels eines Batteriemoduls (2) mit mindestens einer Batteriezelle (3), die in einem Gehäuse (4) des Batteriemoduls (2) angeordnet ist, eines Löschmittelspeichers (5) und eines Ansteuermittels, wobei bei einer Auslösebedingung das Ansteuermittel Löschmittel in den Innenraum des Batteriemoduls (23) freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen Batteriezelle (3) eine Spannungsmesseinrichtung (8) zugeordnet ist, wobei eine Auswerte- und Steuereinheit (10) in Abhängigkeit der erfassten Spannungssignale der Spannungsmesseinrichtung (8) das Ansteuermittel ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösebedingung ein Schwellwert für das Spannungssignal, und/oder ein Schwellwert für eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Spannungssignalen und/oder das Auftreten einer zeitlichen Abfolge von Spannungssignalen ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungssignale in der Auswerte- und Steuereinheit (10) gefiltert werden.