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Die Erfindung betrifft eine Speichereinrichtung zum Speichern von elektrischer Energie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige Speichereinrichtungen für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Kraftwagen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Die jeweilige Speichereinrichtung weist ein Gehäuse auf, welches einen Aufnahmeraum aufweist beziehungsweise begrenzt. Außerdem umfasst die jeweilige Speichereinrichtung wenigstens einen in dem Aufnahmeraum angeordneten Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie. Mit der in dem Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energie kann beispielsweise wenigstens eine elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs versorgt werden, welches mittels der elektrischen Maschine angetrieben werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Speichereinrichtung wie eingangs genannt derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders sicherer Betrieb realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Speichereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen zur zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Speichereinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders sicherer Betrieb realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Speichereinrichtung eine Sicherheitseinrichtung umfasst. Die Sicherheitseinrichtung weist ein Reservoir zum Aufnehmen eines Fluids im komprimierten Zustand auf. Mit anderen Worten ist das Fluid im komprimierten Zustand des Fluids in dem Reservoir aufnehmbar oder aufgenommen. Außerdem weist die Sicherheitseinrichtung wenigstens einen Auslass auf, welcher beispielsweise in den Aufnahmeraum mündet. Über den Auslass kann zum Kühlen des Aufnahmeraums und somit beispielsweise zum Kühlen des Energiespeichers das Fluid entspannt und dadurch im gasförmigen Zustand des Fluids in den Aufnahmeraum eingebracht werden. In einem Normalbetriebszustand ist der Auslass beispielsweise verschlossen. Dadurch kann das Fluid nicht aus dem Reservoir in den Aufnahmeraum strömen. Kommt es dann beispielsweise zu einem Ereignis, insbesondere zu einem thermischen Ereignis, woraus eine Erwärmung des Aufnahmeraums und/oder des Energiespeichers resultiert oder resultieren kann, so wird der Auslass beispielsweise geöffnet. Dadurch kann das Fluid aus dem Reservoir über den Auslass in den Aufnahmeraum strömen. Während das Fluid den Auslass durchströmt und somit aus dem Reservoir aus- und in den Aufnahmeraum einströmt, wird das Fluid entspannt. Hierdurch kommt es beispielsweise zu einer Abkühlung des Fluids beziehungsweise das Fluid kann eine besonders große Wärmemenge aus dem Aufnahmeraum aufnehmen, wodurch der Aufnahmeraum und somit insbesondere der Energiespeicher effektiv und effizient gekühlt werden können. Dadurch kann beispielsweise ein unerwünschtes Fortschreiten, insbesondere ein unerwünscht schnelles Fortschreiten, des thermischen Ereignisses vermieden werden, sodass aus dem thermischen Ereignis resultierende Effekte vermieden oder zumindest besonders lange hinausgezögert werden können.
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Vorzugsweise ist das Fluid als Kohlendioxid (CO2) ausgebildet. Als besonders vorteilhaft hat sich dadurch gezeigt, wenn das Fluid im komprimierten und dadurch flüssigem Zustand in dem Reservoir aufgenommen ist. Das Fluid ist somit beispielsweise ein komprimiertes und dadurch verflüssigtes Gas, welches im flüssigen Zustand in dem Reservoir aufgenommen ist. Durch Öffnen des Auslasses kann das Fluid den Auslass durchströmen und dadurch in den Aufnahmeraum einströmen. Hierbei wird das Fluid entspannt, wodurch es beispielsweise von einem flüssigen Aggregatzustand in einen gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Dadurch kann der Aufnahmeraum effektiv gekühlt werden.
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Die Sicherheitseinrichtung hat Ähnlichkeit mit einer CO2 -Löschanlage. Da das Fluid entspannt, das heißt dekomprimiert wird, kann der Aufnahmeraum beziehungsweise der Energiespeicher nach dem Prinzip des sogenannten Dekompressionskühlens gekühlt werden. Ein solches Dekompressionskühlen ist beispielsweise heute vom Entladen von Gaskartuschen bekannt und nutzt einen physikalischen Effekt, der von heute verbreitenden Kühlgeräten bekannt ist. Das vorzugsweise als Kohlendioxid ausgebildete Fluid per se kann beispielsweise offene Flammen ersticken, sodass die Erfindung zwei Verfahren vereinigen kann. Ein erstes der Verfahren sieht vor, dass der Aufnahmeraum beziehungsweise der Energiespeicher insbesondere durch das Entspannten des Fluids effektiv und effizient gekühlt werden kann. Das zweite Verfahren sieht vor, etwaige, in dem Aufnahmeraum existierende Flammen mittels des Fluids löschen zu können.
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Um die Teilanzahl und somit die Kosten und den Bauraumbedarf besonders gering halten zu können, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Reservoir Teil einer Klimaanlage ist, mittels welcher unter Nutzung des Fluids der Innenraum des Kraftwagens zu klimatisieren ist. Vorzugsweise handelt es sich somit bei dem Fluid um ein Kältemittel, mittels welchem Luft, die dem Innenraum zuzuführen ist, über einen Wärmetauscher gekühlt werden kann.
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Als weiterhin vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn die Speichereinrichtung wenigstens einen Sensor umfasst, mittels welchem das aus dem Auslass ausströmende Fluid erfassbar ist. Dadurch kann beispielsweise ein unerwünschtes Austreten des Gases aus dem Auslass erkannt werden.
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Die Erfindung ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen einen signifikanten Zeitgewinn im Falle eines Eintretens einer exothermen Reaktion in dem Gehäuse. Je nach Ursache einer etwaig auftretenden Übertemperatur des Energiespeichers können irreversible Schäden am Energiespeicher mittels der Erfindung vermieden werden, und das bei geringem Aufwand, da beispielsweise die ohnehin vorgesehene Klimaanlage und/oder eine ohnehin vorgesehene Kühleinrichtung zum Kühlen des Energiespeichers verwendet wird. In der Folge kann das Kraftfahrzeug beispielsweise nach einem thermischen Ereignis in dem Gehäuse sicher abgestellt oder aus einem Gefahrenbereich entfernt wird, woraufhin sich im Innenraum des Kraftfahrzeugs aufhaltende Insassen den Innenraum verlassen können. Mittels der Erfindung können die Insassen und das Kraftfahrzeug selbst sowie Komponenten des Kraftfahrzeugs auch nach einem schweren Unfall geschützt werden, da ein thermisches Ereignis vermieden oder zumindest besonders lange hinausgezögert werden kann. Die Erfindung ist somit eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Absenken der Reaktivität des beispielsweise als Hochleistungsbatteriesystem ausgebildeten Energiespeichers. Dies bedeutet beispielsweise, dass der Energiespeicher als eine Hochvolt- Batterie (HV-Batterie) ausgebildet ist und demzufolge eine elektrische Spannung, insbesondere eine elektrische Betriebsspannung, aufweisen kann, welche größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt, ist und vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt.
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Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise als Hybridfahrzeug oder aber als Elektrofahrzeug ausgebildet und weist wenigstens eine elektrische Maschine auf, mittels welcher das Kraftfahrzeug angetrieben werden kann. Die elektrische Maschine ist mit in dem Energiespeicher gespeicherter elektrischer Energie versorgbar und dadurch beispielsweise in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar. Mittels des Elektromotors kann das Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden. Da der Energiespeicher vorzugsweise als eine Hochvolt-Komponente ausgebildet ist, deren elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebsspannung, größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt, ist und vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt, können besonders große elektrische Leistungen zum elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs gewährleistet werden. Der Erfindung liegen dabei insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde:
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Bei modernen Hochleistungs-Energiespeichersystemen für elektrische Energie wie beispielsweise Hochvolt-Lithium-Ionenbatterien existiert ein sogenannter thermischer Punkt ohne Wiederkehr (Point of no return). Wird beispielsweise bei einem thermischen Ereignis des Energiespeichers dieser Punkt ohne Wiederkehr überschritten, so kommt es zu einer irreversiblen Zerstörung eines Separators zwischen aktivem Zellmaterial des Energiespeichers. In der Folge kommt es zu einer sich selbst beschleunigenden, exothermen Reaktion von Zellen des Energiespeichers. Die sich selbst beschleunigende, exotherme Reaktion der Zellen außerhalb eines Normalbetriebsbereichs wird auch als thermisches Durchgehen oder „thermal runaway“. bezeichnet. Daher wird erfindungsgemäß die Sicherheitseinrichtung vorgeschlagen, mit deren Hilfe bei kritischen Temperaturen für verwendete Separatoren des Energiespeichers eine Abkühlung bewirkt werden kann, um somit eine Überschreitung von zulässigen Grenztemperaturen und aus einer solchen Überschreitung resultierende, exotherme Reaktionen und somit das thermische Durchgehen vermeiden zu können.
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Die auch als Vorrichtung, System, Sicherheitsvorrichtung und Sicherheitssystem bezeichnete Sicherheitseinrichtung, insbesondere der Auslass, kann rein passiv ausgeführt sein oder über eine Messwerterfassung, Auswertung und Auslösung so angesteuert werden, dass beispielsweise bei Versagen einer primären Regeleinrichtung oder bei einem Versagen von primären Regeleinrichtungen ein Schutz gegen direktes Bewirken exothermer Reaktionen gegeben ist oder diese zumindest soweit zeitlich verschoben wird, sodass für ausreichende und/oder begrenzende Maßnahmen zusätzlich Zeit gewonnen wird. Die Sicherheitseinrichtung kann dabei so beschaffen sein, dass auch ein Abschalten eventuell verursachender Überlasten erfolgt. Hinzu kommt, dass das im Inneren des Gehäuses vorhandenes Luftvolumen durch freigesetztes Gas in Form des in den Aufnahmeraum einströmenden Fluids verdrängt wird, wodurch eine flammhemmende Wirkung erreicht werden kann. Die angesprochene Ausführung kann nicht nur bei Überschreitung des Punkts ohne Wiederkehr auftreten, sondern auch bei Unfällen und allgemeiner Beschädigung des beispielsweise mit einer Batterie ausgebildeten Energiespeichers.
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Die in herkömmlichen Energiespeichern üblicherweise zum Einsatz kommenden Zellen benötigen üblicherweise eine Kühleinrichtung, um gekühlt werden zu können. Hierdurch kann eine hinreichende hohe Lebensdauer gewährleistet werden. Für eine erfindungsgemäße Umsetzung einer solchen Bedarfskühlung im Falle unzulässiger Betriebstemperaturüberschreitung existieren drei grundsätzliche Ausgestaltungmöglichkeiten:
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Bei einer ersten der Ausgestaltungsmöglichkeiten ist es vorgesehen, dass die vorgeschlagene Sicherheitseinrichtung wenigstens eine Hochdruckkühlmittelschlange umfasst, die rohrähnliche Kavitäten aufweist, die beispielsweise in einem Kühler zum Kühlen des Energiespeichers integriert sind. Dabei ist das Fluid, insbesondere im komprimierten Zustand des Fluids, in der Hochdruckkühlmittelschlange angeordnet und wird beispielsweise bei einem Normalbetrieb als Kühlmittel zum Kühlen des Energiespeichers genutzt. Die Kavitäten des beispielsweise als Kühlkörper ausgebildeten Kühlers sind somit Teil einer Kühlanlage, die genutzt wird, um die Zellen und/oder wenigstens ein oder mehrere Zellblöcke des Energiespeichers zu kühlen. Somit wird die Kühlanlage beispielsweise zur Zell- beziehungsweise Blockkühlung genutzt. In dieser auch als Kühlsystem bezeichneten Kühlanlage ist das beispielsweise als hochkomprimiertes Gas ausgebildete Fluid, welches als Kohlendioxid ausgebildet sein kann, eingeschlossen, und die Kavitäten sind als Dekompressionsraum für das eingeschlossene Fluid ausgebildet. An einer Stelle am Kühler ist beispielsweise ein Befüllstutzen vorgesehen, der mit einer Auslösereinrichtung verschlossen werden kann.
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Bei einer zweiten der Ausgestaltungsmöglichkeiten sind zusätzlich zu einer betriebsmäßigen vorgesehenen Kühlanlage beziehungsweise Kühlschlange in dem Kühler zusätzliche Kavitäten vorgesehen, in denen das beispielsweise als hochkomprimiertes Kühlmittel ausgebildete Fluid, welches ein hochkomprimiertes Gas sein kann, aufgenommen wird, insbesondere im verflüssigten Zustand des Fluids. Das Fluid wird somit für einen Fehlerfall, insbesondere im Hinblick auf eine Überschreitung einer Grenztemperatur, in den zusätzlichen Kavitäten gehalten. Während somit die ohnehin vorgesehenen Kavitäten des Kühlers bei dem Normalbetrieb zum Kühlen des Energiespeichers genutzt werden, sind die zusätzlichen Kavitäten nur dazu vorgesehen, das Fluid vorzuhalten und insbesondere über den Auslass freizugeben. Ein Vorteil der zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit gegenüber der ersten Ausgestaltungsmöglichkeit besteht insbesondere darin, dass eine Unabhängigkeit zwischen einem zum Kühlen des Energiespeichers ausgebildeten Betriebskühlsystems und der im Fehlerfall vom Kühlsystem fungierenden Sicherheitseinrichtung besteht, wodurch beide Systeme für den Einsatzweck optimiert sein können. Hierbei kann beispielsweise das Betriebskühlsystem ein Niederdrucksystem sein, während das Fehlerfallkühlsystem ein Hochdrucksystem ist. Vorteilhaft ist, wenn das beispielsweise als Kühlmittel ausgebildete Fluid in einem verschlossenen, komprimierten Zustand der Sicherheitseinrichtung in den zusätzlichen Kavitäten beziehungsweise in dem Reservoir verflüssigt vorliegt, dadurch bei einem Aggregatszustandswechsel von flüssig nach gasförmig enorm viel Wärmeenergie aufgenommen und dadurch eine besonders starke Kühlung, insbesondere Unterkühlung, des Aufnahmeraums beziehungsweise Energiespeichers realisiert werden kann.
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Bei der dritten Ausgestaltungsmöglichkeit könnte das beispielsweise als Röhre ausgebildete Reservoir, welches beispielsweise mit dem als hochkomprimiertem Gas ausgebildeten Fluid gefüllt ist, im Zusammenhang mit einem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs stehen, wobei der Kühlkreislauf im Normalfall nicht zwangsweise zur Kühlung des Energiespeichers dient. Das beispielsweise als eine Röhre ausgebildete Reservoir inklusive einer Auslöseeinrichtung, mittels welcher beispielsweise der Auslass öffenbar ist, würde in diesem Fall als Teilsystem in einen Block des Energiespeichers in geeigneter Weise verlegt werden.
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Eine Auslösung der Sicherheitseinrichtung kann erfindungsgemäß so erfolgen, dass bei Erreichen einer festgelegten Grenztemperatur eines Auslöseelements des Auslasses selbst und gegebenenfalls weiterer Parameter eine das Auslöseelement umfassende Auslöseeinrichtung selbsttätig den Auslass und somit beispielsweise die zuvor genannte Kavität im Kühler öffnet und somit ein Einströmen des Fluids aus dem Resevoir in den Aufnahmeraum freigibt. Die selbsttätige Öffnung des Auslöseelements beziehungsweise des Auslasses kann vorzugsweise ohne weitere elektrische Versorgungsenergie, zum Beispiel durch Aufschmelzvorgänge besonders auf die Grenztemperaturen des umgebenden Zellblocks angepassten Materials erreicht werden, sodass selbst dann die erfindungsgemäße Reaktion erfolgt, wenn sämtliche Klein-Spannungs-Versorgungseinrichtungen ausgefallen sein sollten. Mit anderen Worten umfasst der Auslass beispielsweise eine Durchströmöffnung und das genannte Auslöselement, mittels welchem die Durchströmöffnung verschlossen ist. Überschreitet beispielsweise eine Temperatur des Auslöseelements die genannte Grenztemperatur, so öffnet sich beispielsweise das Auslöseelement selbständig, insbesondere dadurch, dass das Auslöseelement versagt und beispielsweise schmilzt. In der Folge gibt das Auslöseelement die Durchströmöffnung zumindest teilweise frei, sodass das Fluid aus dem Reservoir aus- und in den Aufnahmeraum einströmen kann.
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Vorteilhafter Weise weist das Auslöseelement eine direkte, stoffliche Wärmeankopplung an dem Zellblock beziehungsweise an den Energiespeicher und/oder an nächstliegende Zellen auf.
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Bei großen, beispielsweise als Batterien ausgebildeten Energiespeichern sind vorzugsweise mehrere solcher selbsttätigen Auslösereinrichtungen beziehungsweise Auslöseelemente über geometrische Abmessungen des auch als Kühlelement bezeichneten Kühlers gleichmäßig verteilt, sodass dasjenige Auslöseelement zuerst selbsttätig öffnet, welches räumlich und thermisch in engster Nähe zu dem verursachenden Schaden an dem Energiespeicher beziehungsweise zur ersten Zelle mit ungewollter exothermer Reaktion liegt. Erfindungsgemäß soll dann bei gegebenenfalls zur Anwendung kommender Ansteuereinrichtung zum Auslösen der Auslöseeinrichtung oder der Auslöseeinrichtungen eine gegebenenfalls zeitlich gesteuerte Kettenreaktion zum Öffnen sämtlicher Auslösereinrichtungen beziehungsweise Auslöseelemente angestoßen werden, um in entsprechend großen Batterien ein rasches Entweichen des Fluids und somit eine starke thermische Abkühlreaktion durch Deflation zu erreichen. Das entweichende, beispielsweise als Gas ausgebildete Fluides ist vorzugsweise so zu wählen, dass es flammhemmend wirkt, also einen im Aufnahmeraum enthaltenen Luftvorrat verdrängt und Sauerstoff von möglicherweise entflammenden Teilen fernhält. Alternativ oder zusätzlich ist das Fluid beispielsweise so zu wählen, dass es durch seine Entspannung beziehungsweise Dekompression beim Entweichen aus dem beispielsweise als Kühlkörper ausgebildeten Reservoir eine schnelle Abkühlung des Kühlers selbst und auch aller Teile, die mit dem entweichenden Fluid im Inneren des Energiespeichers beziehungsweise des Gehäuses in Berührung kommen, bewirkt.
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Eine gegebenenfalls zur Anwendung kommende, separate, parametergesteuerte Ansteuereinrichtung zum Auslösen der Auslöseeinrichtung beziehungsweise des Auslöseelements, das heißt zum, insbesondere aktiven, Öffnen des Auslöseelements und vorteilhafter Weise sind im Wesentlichen Systemteile von heute zum Einsatz kommenden Batteriemanagementsystemen, wobei diese Systemteile ohnehin vorhanden sind. Dazu werden beispielsweise mindestens ausgewertet:
- - Überströme und Zeitdauern bis zur Kritikalität der zellinternen Separatoren
- - Grenztemperaturüberschreitungen an Zellblöcken beziehungsweise Zellen
- - Unfallereignisse mit Schwere und Auswirkung auf die strukturelle Integrität des Energiespeichers beziehungsweise der Speichereinrichtung, insbesondere des Gehäuses
- - Zerstörung des Energiespeichers beziehungsweise der Speichereinrichtung selbst durch Gewalteinwirkung von außen, zum Beispiel durch Detektion eines plötzlichen Abfalls eines in dem Kühler herrschenden Innendrucks
- - Selbsttätige Auslösung des Auslöseelements durch Übertemperatur oder bei Unfallverhalten übliche Beschleunigung
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Diese Ereignisse sollen erfindungsgemäß nicht nur die Auslöseeinrichtung öffnen, sodass die erfindungsgemäße Reaktion erfolgen kann, sondern auch die in einigen Ländern vorgeschriebene Warnmeldung mit Aufforderung, das Fahrzeug sicher abzustellen und zu verlassen, erzeugen. Der Energiespeicher sollte so ausgeführt sein, dass ein Überdruckventil das Gehäuse selbst vor zu hohem Innendruck schützt, sodass beispielsweise verdrängte Luft und überschüssiges Fluid aus dem Aufnahmeraum in eine Umgebung des Gehäuses entweichen kann. Solche Ventile sind bereits bei abgedichteten Speichern im Einsatz. Die Dekompression bewirkt eine sehr rasche Abkühlung des Kühlers, was die Reaktivität der Zellchemie absenkt und laufende Reaktionen verlangsamt oder sogar ganz verhindern kann. Vorteilhafter Weise ist die Auslösereinrichtung beziehungsweise das Auslöseelement so beschaffen, dass sie beziehungsweise es vor der irreparablen Zerstörung des Separators zwischen Elektroden des Energiespeichers anspricht, bei Bedarf aber auch auf Basis gemessener Parameter aktiv ausgelöst werden kann. Geht die exotherme Reaktion auf einen bereits bestehenden Defekt, zum Beispiel an einem Separator zurück, oder besteht zum Beispiel nach einem Unfall ein nicht abschaltbarer Kurzschluss, dann wird der Effekt bei rechtzeitiger Auslösung zumindest eine Verzögerung bis zum Eintreten der exothermen Reaktion und das Verhindern des Übergreifens auf Nachbarzellen sein. Ist die Ursache ein Versagen von Überwachungseinrichtungen oder einer Störung eines Regelkreises oder eine Unmöglichkeit, fließende Überströme abzuschalten, dann kann das thermische Durchgehen unter Umständen ganz verhindert werden. Vorzugsweise ist die Auslöseeinrichtung so gestaltet, dass sie beim Öffnen auch einen Strompfad trennt oder ein vorhandenes Sicherungselement mitauslöst.
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Wird die reguläre Kühlung und Klimatisierung des Fahrzeugs und des Energiespeichers mit Hilfe einer CO2 -Kühlanlage vorgenommen, herrschen ohnehin hohe Drücke, und es müssen lediglich ausreichend große Kavitäten in dem Kühler vorhanden sein. Im Bedarfsfall öffnet das Auslöseelement die auch als Ausgasöffnung bezeichnete Durchstromöffnung und das ganze System beziehungsweise das Fluid dekomprimiert aus dem Kühler beziehungsweise aus dem Reservoir in den Energiespeicher beziehungsweise in den Aufnahmeraum hinein, um den Aufnahmeraum und insbesondere den Energiespeicher abzukühlen. Nach Abblasen sollte ein weiterer Betrieb verhindert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Speichereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung der Speichereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
- 3 eine schematische Darstellung der Speichereinrichtung gemäß 1 in einem Kühlzustand.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform einer Speichereinrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Die Speichereinrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 auf, welches einen Aufnahmeraum 14 aufweist beziehungsweise begrenzt. Die Speicheinrichtung 10 weist darüber hinaus wenigstens einen in dem Aufnahmeraum 14 und somit in dem Gehäuse 12 angeordneten Energiespeicher 16 auf, mittels beziehungsweise in welchem elektrische Energie gespeichert werden kann. Hierzu umfasst der beispielsweise als Batterie, insbesondere als Hochvolt-Batterie (HV-Batterie), ausgebildete Energiespeicher 16 mehrere, auch als Speicherzellen bezeichnete Zellen 18, welche beispielsweise wenigstens einen Zellblock des Energiespeichers 16 bilden.
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Das Kraftfahrzeug umfasst in seinem vollständig hergestellten Zustand die Speichereinrichtung 10 sowie wenigstens eine elektrische Maschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann. Das Kraftfahrzeug ist somit als Hybridfahrzeug oder aber als Elektrofahrzeug, insbesondere als batterieelektrisches Fahrzeug, ausgebildet. Um dabei besonders große elektrische Leistungen zum elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs realisieren zu können, sind die elektrische Maschine und der Energiespeicher 16 als Hochvolt-Komponenten ausgebildet. Die jeweilige Hochvolt-Komponente weist eine elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebsspannung, auf, welche größer als 50 Volt, insbesondere größer 60 Volt, ist und vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Beispielsweise ist der Energiespeicher 16 als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet.
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Die Speichereinrichtung 10 weist darüber hinaus eine Kühleinrichtung 20 auf, mittels welcher der Energiespeicher 16 in dem Aufnahmeraum 14 gekühlt werden kann. Hierzu umfasst die Kühleinrichtung 20 einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkreislauf 22. Das Kühlmittel ist beispielsweise eine Flüssigkeit. Die Kühleinrichtung 20 weist darüber hinaus einen in dem Kühlkreislauf 22 angeordneten und auch als Kühlkörper 24 bezeichneten Kühler auf. Der Kühlkörper 24 weist erste Kavitäten vorliegend in Form von Röhrchen 26 auf, welche von dem den Kühlkreislauf 22 durchströmenden Kühlmittel durchströmbar und somit in dem Kühlkreislauf 22 angeordnet sind. Dabei ist in dem Kühlkreislauf 22 eine Pumpe 28 angeordnet, mittels welcher das Kühlmittel durch den Kühlkreislauf 22 gefördert werden kann. Hierzu umfasst die Pumpe 28 ein Förderelement 30 zum Fördern des Kühlmittels und einen beispielsweise als Elektromotor ausgebildeten Motor 32. Mittels des Motors 32 kann das Förderelement 30 angetrieben werden, wodurch mittels des Förderelements 30 das Kühlmittel durch den Kühlkreislauf 22 gefördert wird beziehungsweise gefördert werden kann.
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Um nun einen besonders sicheren Betrieb realisieren zu können, umfasst die Speichereinrichtung 10 eine Sicherheitseinrichtung 34. Die Sicherheitseinrichtung 34 weist ein Reservoir 36 auf, in welchem ein, insbesondere von dem Kühlmittel unterschiedliches, Fluid im komprimierten Zustand aufnehmbar beziehungsweise aufgenommen ist. Bei dem Fluid handelt es sich beispielsweise um ein Gas, welches dadurch, dass es im komprimierten Zustand in dem Reservoir 36 aufgenommen ist, in flüssigem Zustand in dem Reservoir 36 aufgenommen ist. Das Reservoir 36 umfasst mehrere, beispielsweise fluidisch miteinander verbundene oder fluidisch voneinander getrennte Kavitäten 38, welche bei der ersten Ausführungsform wie die Röhrchen 26 in dem Kühlkörper 24 angeordnet sind. Dabei ist das Fluid in dem vorliegend rohrähnlichen Kavitäten 38 im komprimierten Zustand des Fluids aufgenommen. Außerdem weist die Sicherheitseinrichtung 34, insbesondere je Kavität 38, einen Auslass 40 auf. Über den jeweiligen Auslass 40 kann das jeweilige, in der jeweiligen Kavität 38 im komprimierten Zustand aufgenommene Fluid entspannen und dadurch im gasförmigen Zustand in den Aufnahmeraum 14 entlassen und somit eingebracht werden. Hierzu umfasst der jeweilige Auslass 40 einen als Durchgangsöffnung ausgebildete Durchströmöffnung 42 und ein Auslöseelement 44, mittels welchem die Durchströmöffnung 42 verschlossen ist.
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Kommt es beispielsweise zu einer übermäßigen, in dem Aufnahmeraum 14 herrschenden Temperatur, die einen vorgebbaren oder vorgegebenen Grenzwert überschreitet, so wird beispielsweise zumindest eines der Auslöseelemente 44, insbesondere aktiv, geöffnet oder das jeweilige Auslöseelement 44 öffnet selbstständig oder selbsttätig, insbesondere durch Versagen, insbesondere durch Schmelzen. Durch Öffnen des Auslöseelements 44 wird die jeweilige, zu dem jeweiligen Auslöseelement 44 gehörende Durchströmöffnung 42 zumindest teilweise freigegeben. In der Folge kann das im komprimierten Zustand in der jeweiligen Kavität 38 aufgenommene Fluid aus der jeweiligen Kavität 38 aus- und in den Aufnahmeraum 14 einströmen, wobei das Fluid während seines Einströmens aus der Kavität 38 und in den Aufnahmeraum 14 entspannt, das heißt dekomprimiert wird. Hierdurch kann das Fluid eine besonders große Wärmemenge aufnehmen. Außerdem kann das Fluid in dem Aufnahmeraum 14 aufgenommene Luft verdrängen. Somit wird einerseits der Aufnahmeraum 14, insbesondere der Energiespeicher 16, effektiv gekühlt, und ein Entstehen von Flammen in dem Aufnahmeraum 14 kann vermieden oder zumindest hinausgezögert werden.
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Bei der ersten Ausführungsform sind die Kühleinrichtung 20 und die Sicherheitseinrichtung 34 unabhängige Komponenten. Demgegenüber zeigt 2 eine zweite Ausführungsform, bei welcher die Sicherheitseinrichtung 34 Bestandteil der Kühleinrichtung 20 ist. Bei der zweiten Ausführungsform wird das Fluid als Kühlmittel verwendet, von welchem der Kühlkreislauf 22 durchströmbar ist. Hierzu umfasst das Reservoir 36 beispielsweise zumindest eine, in dem Kühlkörper 24 verlaufende und von dem Kühlmittel durchströmbare Kühlschlange 46. Durch Öffnen des jeweiligen Auslöseelements 44 kann das zunächst in der Kühlschlange 46 aufgenommene Fluid aus der Kühlschlange 46 aus- und in den Aufnahmeraum 14 einströmen. Bei dem Fluid handelt es sich beispielsweise um ein Kältemittel und/oder um Kohlendioxid.
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1 und 2 zeigen die Sicherheitseinrichtung 34 in einem normalen Betriebszustand, in welchem alle Auslöseelemente 40 geschlossen sind. Demgegenüber zeigt 3 die Sicherheitseinrichtung 34 gemäß 1 in einem Kühlzustand. In dem Kühlzustand ist eines, in 3 mit B bezeichnetes Auslöseelement 44 geöffnet, sodass zumindest ein Teil des Fluids aus dem Reservoir 36 aus- und in den Aufnahmeraum 14 einströmen kann.
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Die Sicherheitseinrichtung 34 weist darüber hinaus wenigstens ein Überdruckventil 48 auf, welches gemäß 1 und 2 geschlossen ist. Um beispielsweise einen übermäßigen, in dem Aufnahmeraum 14 herrschenden Überdruck zu vermeiden, welcher beispielsweise daraus resultiert, dass das Fluid aus dem Reservoir 36 aus- und in den Aufnahmeraum 14 einströmt, wird das Überdruckventil 48 geöffnet. Das Öffnen des Überdruckventils 48 kann beispielsweise aktiv erfolgen und/oder das Überdruckventil 48 öffnet selbstständig, insbesondere dann, wenn ein in dem Aufnahmeraum 14 herrschender Druck eine vorgebbare Grenze überschreitet. Durch Öffnen des Überdruckventils 48 wird eine Ausströmöffnung des Gehäuses 12 freigegeben. Bei dieser freigegebenen Ausströmöffnung kann beispielsweise zunächst in dem Aufnahmeraum 14 aufgenommene Luft und/oder ein auf einem thermischen Ereignis des Energiespeichers resultierendes heißes Gas und/oder das Fluid, welches aus dem Reservoir 36 in den Aufnahmeraum 14 geströmt ist, aus dem Aufnahmeraum 14 und beispielsweise in eine Umgebung des Gehäuses 12 strömen.
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Das in dem Reservoir 36 im flüssigen Zustand aufgenommene Fluid führt dadurch, dass es beim Einströmen in den Aufnahmeraum 14 entspannt wird, einen Aggregatszustandswechsel aus, wodurch das Fluid gasförmig wird. Das gasförmige Fluid kann den Aufnahmeraum 14 besonders effektiv kühlen sowie Luft verdrängen, wodurch das Fluid flammhemmend wird. Außerdem kann das gasförmige Fluid über die Ausströmöffnung und somit über das Überdruckventil 48 aus dem Aufnahmeraum 14 abgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Speichereinrichtung
- 12
- Gehäuse
- 14
- Aufnahmeraum
- 16
- Energiespeicher
- 18
- Zelle
- 20
- Kühleinrichtung
- 22
- Kühlkreislauf
- 24
- Kühlkörper
- 26
- Röhrchen
- 28
- Pumpe
- 30
- Förderelement
- 32
- Motor
- 34
- Sicherheitseinrichtung
- 36
- Reservoir
- 38
- Kavität
- 40
- Auslass
- 42
- Durchströmöffnung
- 44
- Auslöseelement
- 46
- Kühlschlange
- 48
- Überdruckventil
