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Die Erfindung betrifft eine elektrische Komponente, aufweisend mindestens einen Brandschutzbereich aus hitzequellfähigem Brandschutzmaterial. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, das mindestens eine solche elektrische Komponente aufweist. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf einen Brandschutz bei elektrischen Komponenten von Fahrzeugen.
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Es ist bekannt, dass Batterien als Energiespeicher in einem Fahrzeug thermisch durchgehen können. Das thermische Durchgehen ("Thermal Runaway") bezeichnet eine Überhitzung der Batterie aufgrund eines sich selbst verstärkenden, Wärme produzierenden Prozesses. Ein Durchgehen bewirkt in der Regel eine Zerstörung der Batterie, z.B. durch Überdruck (Zerbersten) oder durch Ausstoß von Gasen. Aus diesem Grund schlägt beispielsweise die
DE 10 2013 014 929 A1 ein Ventil zur gezielten Entgasung der Batterie vor.
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Schutzmaßnahmen können beispielsweise eine Unterbringung der Batterie(n) in stabilen Gehäusen sein. Hierbei ist nachteilig, dass die Zerstörung der Batterie nicht aufgehalten wird.
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Auch kann eine Umhüllung von Batteriezellen mit einem endotherm wirksamen Material vorgesehen sein, z.B. mit einer Kühllage "EneX" der Fa. K.TeX – Knein Technische Textilien GmbH. Endotherm wirksame Textilien sind z.B. auch als Feuerschutzvorhänge, als Isolationstextilen zur Einhausung von Kraftwerksturbinen, als textile Hitzeschilde, die im Motorraum eines Pkw eine Elektronik schützen, als unbrennbare Architekturtextilien oder als textile Reflektoren für starke Fotolampen einsetzbar.
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Zum Brandschutz in Gebäuden ist ein Einsatz intumeszenter Baustoffe ("Dämmschichtbildner") als Brandschutzfüller oder Brandschutzplatten bekannt. Zum vorbeugenden baulichen Brandschutz ist es bekannt, dass in die Isolation eines Kabels intumeszenter Blähgraphit eingebracht werden kann. Bei Wärmeeinwirkung – z.B. bei einem Kabelbrand – entsteht so zusammen mit einem veraschenden Isolierungsmaterial eine "geschäumte" Ascheschicht, welche die Sauerstoffzufuhr – und somit die Flammenausbreitung – behindert.
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Auch sind intumeszente Materialien als Anstriche für Holz bekannt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine verbesserte Möglichkeit bereitzustellen, um in einem Fahrzeug eine unter Brandentwicklung stattfindende Beschädigung elektrischer Komponenten oder deren Folgeschäden abzumildern oder sogar ganz zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Fahrzeug-Komponente, aufweisend mindestens einen Bereich (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als "Brandschutzbereich" bezeichnet) aus einer hitzequellfähigen Masse (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als "hitzequellfähiges Brandschutzmaterial" bezeichnet).
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Diese elektrische (d.h., stromführende, stromspeichernde und/oder stromerzeugende) Fahrzeug-Komponente weist den Vorteil auf, dass bei einem hitzeentwickelnden Schaden das hitzequellfähige Brandschutzmaterial die Hitzeentwicklung insbesondere durch ein Aufquellen gezielt unterdrücken oder sogar ganz beenden kann. Auf eine Schadenshemmung erst durch aktives Auslösen von Gegenmaßnahmen kann verzichtet werden, auch wenn solche Gegenmaßnahmen grundsätzlich zusätzlich einsetzbar sind. Der Einsatz von hitzequellfähigem Brandschutzmaterial ermöglicht eine Schadenshemmung auch bei schwer zugänglichen Fahrzeug-Komponenten und/oder innerhalb einer Fahrzeug-Komponente, insbesondere innerhalb eines Gehäuses der Fahrzeug-Komponente.
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Die hitzequellfähige Masse kann insbesondere eine intumeszente Masse sein. Sie ist insbesondere nicht brennbar. Die Masse kann als Schicht aufgesprüht oder zum Beispiel als Platte, Matte oder ähnlichem ausgeformt sein.
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Es ist eine zum Vermeiden von elektrischen Kurzschlüssen und zum Verlängern von Kriech- und Luftstrecken vorteilhafte Weiterbildung, dass das hitzequellfähige Brandschutzmaterial ein elektrisch isolierendes Material ist.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die elektrische Fahrzeug-Komponente ein Energiespeicher, insbesondere eine Fahrzeug-Batterie, ist. Mit Vorsehen des hitzequellfähigen Brandschutzmaterials insbesondere in dem Energiespeicher kann ein z.B. aufgrund eines thermischen Durchgehens erzeugter Brand eingedämmt oder sogar im Ansatz erstickt werden. Ein weiterer vorteilhafter Effekt besteht darin, dass das Aufquellen des Brandschutzmaterials eine Verringerung eines freien Volumens in dem Energiespeicher bewirkt, so dass im Brandfall aus Speicherzellen austretendes heißes Elektrolyt-Gas weniger Platz zu seiner Ausbreitung findet. Folglich bleibt eine Konzentration des Elektrolyt-Gases in dem Energiespeicher höher als ohne hitzequellfähiges Brandschutzmaterial. Dadurch wiederum kann die Konzentration des Elektrolyt-Gases oberhalb seiner zündfähigen Konzentration gehalten werden, d.h., dass das Elektrolyt-Gas in dem dann noch freien Volumen des Energiespeichers nicht so weit verdünnt wird, dass ein zündfähiges Gemisch (mit Luftsauerstoff) entsteht.
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Ein solcher Energiespeicher ist nicht auf eine Verwendung in oder mit einem Fahrzeug beschränkt, sondern kann eine allgemeine elektrische Komponente oder auch ein eigenständiges Teil sein.
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Der Energiespeicher kann ein einzelner Energiespeicher oder eine Gruppe von einzelnen Energiespeichers ("Batteriepack") sein. Der Energiespeicher kann nicht wiederaufladbar oder wiederaufladbar ("Akkumulator") sein. Der Energiespeicher kann entsprechend mindestens eine Speicherzelle in Form einer Primärzelle (nicht-wiederaufladbarer Energiespeicher) bzw. in Form einer Sekundärzelle (wiederaufladbarer Energiespeicher) aufweisen.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Energiespeicher mindestens eine Speicherzelle aufweist, die zumindest teilweise von dem hitzequellfähigen Brandschutzmaterial umgeben ist. So lässt sich insbesondere ein Übergreifen eines Brands oder ein Austreten von heißem Elektrolyt-Gas auf Bereiche hinter dem hitzequellfähigen Brandschutzmaterial besonders wirkungsvoll unterdrücken oder sogar ganz verhindern, insbesondere ersticken.
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Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass das hitzequellfähige Brandschutzmaterial zwischen mindestens einer Speicherzelle und einem zugehörigen Zellenträger angeordnet ist. So lässt sich insbesondere ein Übergreifen eines Brands, eines heißen Elektrolyt-Gases o.ä. auf eine benachbarte Speicherzelle unterdrücken oder sogar verhindern, insbesondere ersticken.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das hitzequellfähige Brandschutzmaterial zwischen mindestens einer Speicherzelle und einem Gehäuse des Energiespeichers angeordnet ist. Auch hierdurch lassen sich ein Brand und/oder ein Ausbreiten heißer Elektrolyt-Gase in dem Gehäuse unterdrücken oder sogar verhindern.
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Es ist eine Weiterbildung, dass mindestens eine Speicherzelle davon eine Lithium-Ionen-Zelle ist. Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass mindestens eine Speicherzelle eine Lithium-Eisenphosphat-Zelle ist. Zelltypen auf Basis von Lithium-Eisenphosphat sind nicht durch thermisches Durchgehen gefährdet, können jedoch im Fall einer z.B. durch eine Überbeanspruchung oder einen Defekt erzeugten Wärmeentwicklung ein sehr heißes Elektrolyt-Gas ausstoßen. Jedoch lässt sich die Erfindung vorteilhafterweise auch auf Zelltypen mit brandgefährdeter Chemie anwenden und damit deren Brandreaktion mindern oder hindern.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass der Energiespeicher, insbesondere dessen Gehäuse, mindestens ein Ventil, insbesondere Entgasungsventil, zum Abführen von Gasen, insbesondere Elektrolyt-Gasen, aufweist. Das Gas kann so über das Ventil aus dem Gehäuse abgeführt, insbesondere gepresst, werden, was eine Schädigung des Energiespeichers noch stärker verringern kann. Durch das bei Hitze aufquellende Material wird das Elektrolyt-Gas also aus dem Gehäuse gedrängt. Insbesondere kann das Elektrolyt-Gas damit schneller und stärker über seine obere Grenze seiner Zündfähigkeit gebracht werden. Das Ventil ist insbesondere ein Überdruckventil und/oder Rückschlagventil.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass die elektrische Fahrzeug-Komponente mindestens eine elektrische Leitung ist. Die elektrische Leitung kann insbesondere mindestens einen Draht oder mindestens ein Kabel aufweist, das von dem hitzequellfähigem Brandschutzmaterial in Form eines Mantels oder einer Umhüllung umgeben ist. So kann vorteilhafterweise eine Hitzeentwicklung an einer Fehlerstelle (Leitungsbruch, Auflösung der Isolierung, Eindringen von Teilen in die Isolierung, Zellschaden usw.) der elektrischen Leitung zum Erliegen gebracht werden. Die Hitzeentwicklung kann z.B. durch einen Kurzschluss, einen Lichtbogen usw. bewirkt worden sein. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da ein solcher Kurzschluss oder Lichtbogen nicht immer durch eine geeignete Schutzmaßnahme abgeschaltet werden kann. Speziell bei Spannungen über 12 Volt, zum Beispiel 48 V oder mehr, ist die Bildung von Lichtbögen sehr wahrscheinlich. Bei Hitzeentwicklung quillt das hitzequellfähige Brandschutzmaterial auf ein Vielfaches seines ursprünglichen Volumens auf und erstickt den aufkommenden Brand. Für den Fall eines Lichtbogens wird die Lichtbogenstrecke vergrößert bzw. isoliert, so dass ein ansonsten folgendes Brandereignis bereits an seiner Entstehung gehindert werden kann. Durch die hitzequellfähige Masse wird an der Fehlerstelle der Schutz bewirkt und bedarf keiner expliziten Auslösung. Damit werden plötzliche und verzögerte Fehlerereignisse gleichermaßen eingedämmt bzw. verhindert.
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Es ist eine Weiterbildung, dass ein Kabel mindestens eine Ader oder Litze aufweist, die von einer elektrisch isolierenden Isolierung ("Drahtisolierung" oder Kabelmantel) umgeben ist und die das Brandschutzmaterial aufweisende Umhüllung die Drahtisolierung umgibt oder umhüllt. Alternativ oder zusätzlich kann die das Brandschutzmaterial aufweisende Umhüllung von einer Drahtisolierung umgeben sein. In noch einer Variante kann die Drahtisolierung das Brandschutzmaterial aufweisen.
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Auch nach einem Crash bzw. einer Kaltverformung eines Fahrzeuges können so zeitverzögerte Ereignisse abgefangen werden.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass die elektrische Fahrzeug-Komponente eine elektrische Leitungsverbindung ist, die von dem hitzequellfähigem Brandschutzmaterial abgedeckt ist. So können – ähnlich zu dem Fall einer Fehlerstelle einer elektrischen Leitung – Kurzschlüsse usw. an der Leitungsverbindung, die Hitze erzeugen (z.B. Lichtbögen), selbstständig bzw. ohne äußeres Auslösen zum Erliegen gebracht werden. Die Leitungsverbindung kann z.B. eine Steckverbindung, eine Lötverbindung usw. sein.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Fahrzeug, aufweisend mindestens eine elektrische Fahrzeug-Komponente wie oben beschrieben. Das Fahrzeug kann analog zu der elektrischen Fahrzeug-Komponente ausgebildet sein und ergibt die gleichen Vorteile.
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Das Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug (z.B. ein Kraftwagen wie ein Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bus usw. oder ein Motorrad), eine Eisenbahn, ein Wasserfahrzeug (z.B. ein Boot oder ein Schiff) oder ein Luftfahrzeug (z.B. ein Flugzeug oder ein Hubschrauber) sein.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass mindestens eine elektrische Fahrzeug-Komponente einen Teil eines Bordnetzes darstellt, das insbesondere eine Betriebsspannung von mehr als zwölf Volt aufweist. Dies ist vorteilhaft, da bei Spannungen über 12 Volt, z.B. von 24 Volt, 48 Volt usw., eine Wahrscheinlichkeit eines Auftretens von Lichtbögen an Fehlerstellen von elektrischen Leitungen und/oder Leitungsverbindungen stark ansteigt.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Fahrzeug ein zumindest teil-elektrisch angetriebenes Fahrzeug ist, insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Der Energiespeicher kann dann z.B. elektrische Energie für einen Antrieb, insbesondere Antriebsmotor, des Fahrzeugs speichern.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.
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1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Energiespeicher mit einem noch nicht aufgequollenen hitzequellfähigen Brandschutzmaterial;
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht den Energiespeicher mit bereits aufgequollenem Brandschutzmaterial;
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine elektrische Leitung mit einem noch nicht aufgequollenen hitzequellfähigen Brandschutzmaterial; und
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4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht die elektrische Leitung mit dem bereits aufgequollenen Brandschutzmaterial.
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1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht Teile eines Energiespeichers in Form eines Akkumulators 1 mit mehreren Lithium-Eisenphosphat-Speicherzellen 2. Die Speicherzellen 2 werden von einem Zellenträger 3 gehalten oder getragen. Die Speicherzellen 2 sind von einem Gehäuse 4 des Akkumulators 1 umgeben, von dem hier nur eine Oberseite und eine Unterseite gezeigt sind.
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In dem Akkumulator 1 sind mehrere Brandschutzbereiche 5, 6, 7 vorhanden, die aus einem hitzequellfähigen, elektrisch isolierenden und nicht brennbaren Brandschutzmaterial M1 bestehen oder ein solches Brandschutzmaterial M1 aufweisen. Das Brandschutzmaterial M1 ist noch nicht aufgequollen. Während die Brandschutzbereiche 5, 6 zwischen der jeweiligen Speicherzelle 2 und dem Zellenträger 3 angeordnet sind und somit die Speicherzellen 2 direkt z.B. seitlich umgeben, ist der Brandschutzbereich 7 zwischen den Speicherzelle 2 und dem Gehäuse 4 angeordnet, nämlich hier an einer Innenseite des Gehäuses 4. Der Brandschutzbereich 7 kann beabstandet zu den Speicherzellen 2 angeordnet sein.
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Der Akkumulator 1 weist ferner mindestens ein durch das Gehäuse 4 ragendes Ventil 8 zum Abführen von Gasen auf.
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Der Akkumulator 1 kann einen Teil eines Fahrzeugs F, z.B. eines Kraftwagens darstellen, also eine Fahrzeug-Komponente sein. Der Akkumulator 1 kann als ein Energiespeicher für ein Bordnetz eines Kraftwagens dienen. Das Bordnetz kann mit einer Spannung von mehr als zwölf Volt, zum Beispiel 48 V oder mehr Nennspannung, betrieben werden. Der Kraftwagen kann ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug sein.
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2 zeigt den Akkumulator 1 mit bereits aufgequollenem Brandschutzmaterial M1 zumindest eines der Brandschutzbereiche 5, 6 und/oder 7. Das Brandschutzmaterial M1 kann beispielsweise deshalb aufgequollen sein, weil die hier rechts eingezeichnete Speicherzelle 2 überbeansprucht oder defekt war und deshalb heißes Elektrolyt-Gas ausgestoßen hat. Das heiße Elektrolyt-Gas hat bewirkt, dass das Brandschutzmaterial M1 zumindest lokal aufgequollen ist, so dass das Elektrolyt-Gas schwerer oder ggf. sogar gar nicht mehr aus der Speicherzelle 2 austreten kann. Alternativ oder zusätzlich wird durch das aufgequollene Brandschutzmaterial M1 ein freier, luftgefüllter Raum in dem Gehäuse 4 so weit verkleinert, dass eine Konzentration des Elektrolyt-Gases nicht unter eine Schwelle abfallen kann, unter der ein zündfähiges Gemisch mit der Luft entsteht.
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Das Elektrolyt-Gas kann durch das Ventil 8 abgeführt werden. Das Ventil 8 kann insbesondere ein Überdruckventil sein, so dass dadurch keine Luft in das Gehäuse 4 einströmen kann.
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine elektrische Leitung 9 mit einem Kabel 10. Die elektrische Leitung 9 kann eine Komponente des Fahrzeugs F sein, z.B. eine elektrische Leitung 9 eines Bordnetzes.
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Das Kabel 10 weist eine metallische Ader 11 und einen Isoliermantel 12 auf. Die elektrische Leitung 9 weist einen Brandschutzbereich in Form einer den Isoliermantel 12 außen umgebenden Brandschutz-Kabelumhüllung 13 auf. Die Brandschutz-Kabelumhüllung 13 weist hitzequellfähiges, elektrisch isolierendes und nicht brennbares Brandschutzmaterial M2 auf. Dieses ist hier in einem noch nicht aufgequollenen hitzequellfähigen Zustand gezeigt. Das Brandschutzmaterial M2 kann von dem Brandschutzmaterial M1 des Akkumulators 1 verschieden sein oder dazu gleich sein.
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Das Kabel 10 weist eine Fehlerstelle in Form z.B. eines Spalts 14 auf. Der Spalt kann beispielsweise durch einen Kabelbruch, eine Materialverdampfung o.ä. erzeugt worden sein. Zwischen den beiden durch den Spalt 14 voneinander getrennten Teilstücken des Kabels 10 hat sich ein Lichtbogen L gebildet, der Hitze entwickelt.
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4 zeigt die elektrische Leitung 9 mit dem bereits aufgequollenen Brandschutzmaterial M der Brandschutz-Kabelumhüllung 13. Das Brandschutzmaterial M2 hat erstens eine Luftzufuhr zu dem Spalt 14 und damit zu dem Lichtbogen L erschwert und hat sich zudem in den Spalt 14 hinein ausgedehnt. Durch das in dem Spalt 14 befindliche, aufgequollene Brandschutzmaterial M2 hat sich eine Luftstrecke des Lichtbogens L so weit erhöht, dass der Lichtbogen L zusammengebrochen ist und dadurch eine Brandgefahr vermieden worden ist.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
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So kann in 3 und 4 die Brandschutz-Kabelumhüllung 13 zwischen der Ader 11 und dem Isoliermantel 12 angeordnet sein, d. h., dass der Isoliermantel 12 die Brandschutz-Kabelumhüllung 13 umgibt oder ummantelt.
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Ferner kann der Isoliermantel 12 Brandschutzmaterial M2 als integralen Bestandteil aufweisen und so auch die Funktion einer Brandschutz-Kabelumhüllung aufweisen.
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Allgemein kann unter "ein", "eine" usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von "mindestens ein" oder "ein oder mehrere" usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck "genau ein" usw.
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Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Akkumulator
- 2
- Speicherzelle
- 3
- Zellenträger
- 4
- Gehäuse
- 5
- Brandschutzbereich
- 6
- Brandschutzbereich
- 7
- Brandschutzbereich
- 8
- Ventil
- 9
- Elektrische Leitung
- 10
- Kabel
- 11
- Ader
- 12
- Isoliermantel
- 13
- Brandschutz-Kabelumhüllung
- 14
- Spalt
- F
- Fahrzeug
- L
- Lichtbogen
- M1
- Brandschutzmaterial
- M2
- Brandschutzmaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013014929 A1 [0002]
