DE102018220992A1 - Safety device and electrochemical energy store with a safety device - Google Patents

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Abstract

Sicherheitsvorrichtung (100) für einen elektrochemischen Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung (100) ein Berstventil (101) und eine Kühlvorrichtung (102) aufweist.Safety device (100) for an electrochemical energy store, characterized in that the safety device (100) has a burst valve (101) and a cooling device (102).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung für einen elektrochemischen Energiespeicher, einen elektrochemischen Energiespeicher mit solch einer Sicherheitsvorrichtung und ein Verfahren zum Schutz eines elektrochemischen Energiespeichers.The invention relates to a safety device for an electrochemical energy store, an electrochemical energy store with such a safety device and a method for protecting an electrochemical energy store.

Batterien für Elektrofahrzeuge müssen hohe Reichweiten gewährleisten. Dazu werden hohe Energiedichten angestrebt. Die Lithium-Ionen-Technologie und die Post-Lithium-Ionen-Technologie sind geeignete Technologien, da sie sehr hohe Energiedichten aufweisen.Batteries for electric vehicles must ensure long ranges. For this purpose, high energy densities are aimed for. Lithium-ion technology and post-lithium-ion technology are suitable technologies because they have very high energy densities.

Nachteilig ist hierbei, dass es im Fehlerfall aufgrund der hohen Reaktionskinetik und der gleichzeitig großen, freigesetzten Energiemenge zu gefährlichen Situationen kommen kann, wie Feuer oder Explosionen.The disadvantage here is that in the event of a fault, dangerous situations such as fire or explosions can occur due to the high reaction kinetics and the large amount of energy released.

Daher ist es von Bedeutung eine sich selbst beschleunigende Aufheizung der Batteriezelle zu verhindern und eine Propagation von einer Batteriezelle zur nächsten zu vermeiden. Bereits die Entgasung einer einzigen Zelle kann dazu führen, dass heiße Gase oder gar Feuer durch das Überdruckventil bzw. Berstventil des Batteriepacks nach außen gelangen und damit Passanten oder gar Fahrzeuginsassen in Gefahr bringen.It is therefore important to prevent self-accelerating heating of the battery cell and to avoid propagation from one battery cell to the next. Even the degassing of a single cell can lead to hot gases or even fire escaping through the pressure relief valve or bursting valve of the battery pack and thus endangering pedestrians or even vehicle occupants.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, dass weder Feuer noch heißes Gas aus der Batterie nach außen gelangt.The object of the invention is that neither fire nor hot gas can escape from the battery.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung für einen elektrochemischen Energiespeicher umfasst ein Berstventil und eine Kühlvorrichtung.The safety device according to the invention for an electrochemical energy store comprises a burst valve and a cooling device.

Der Vorteil ist hierbei, dass es sich um ein zweistufiges Sicherheitssystem handelt, dass das Austreten heißen Gases verhindert, indem die Temperatur des austretenden Gases verringert wird.The advantage here is that it is a two-stage safety system that prevents hot gas from escaping by reducing the temperature of the escaping gas.

In einer Weiterbildung ist die Kühlvorrichtung hinter dem Berstventil angeordnet.In one development, the cooling device is arranged behind the burst valve.

Vorteilhaft ist hierbei, dass Gas, das durch das Berstventil freigesetzt wird, mittels der Kühlvorrichtung heruntergekühlt wird, sodass die Gefahr für Personen sich daran zu verletzen verringert wird.It is advantageous here that gas which is released by the burst valve is cooled down by the cooling device, so that the risk of injury to persons is reduced.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Kühlvorrichtung passiv.In a further embodiment, the cooling device is passive.

Der Vorteil ist hierbei, dass die Kühlvorrichtung kostengünstig und volumenoptimiert ist.The advantage here is that the cooling device is inexpensive and volume-optimized.

In einer Weiterbildung weist die Kühlvorrichtung Rohre für Kühlflüssigkeit auf.In one development, the cooling device has tubes for coolant.

Vorteilhaft ist hierbei, dass die Temperaturreduktion des Gases schnell erfolgt.It is advantageous here that the temperature of the gas is reduced quickly.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Kühlvorrichtung eine Kühlplatte.In a further embodiment, the cooling device comprises a cooling plate.

Der Vorteil ist hierbei, dass es sich um eine einfache Kühlvorrichtung handelt.The advantage here is that it is a simple cooling device.

Der erfindungsgemäße Energiespeicher umfasst eine Sicherheitsvorrichtung, die ein Berstventil und eine Kühlvorrichtung aufweist.The energy store according to the invention comprises a safety device which has a burst valve and a cooling device.

Der Vorteil ist hierbei, dass eine Explosion der Batterie verhindert wird und dass das Gas, das beim Entgasen einer Batteriezelle aus dem Batteriepack entweicht oder das Batteriepack beim thermischen Durchgehen verlässt, abgekühlt wird, sodass die Gefahr für Passagiere und Passanten verletzt zu werden reduziert wird.The advantage here is that an explosion of the battery is prevented and that the gas that escapes from the battery pack when a battery cell is degassed or leaves the battery pack when it is thermally cooled is cooled, so that the risk of injury to passengers and passers-by is reduced.

In einer Weiterbildung ist die Sicherheitsvorrichtung innerhalb eines Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers angeordnet.In one development, the safety device is arranged within a housing of the electrochemical energy store.

Der Vorteil ist hierbei, dass die heißen Gase innerhalb des Gehäuses heruntergekühlt werden und nicht nach außen gelangen.The advantage here is that the hot gases are cooled down inside the housing and do not escape to the outside.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Kühlvorrichtung hinter dem Berstventil angeordnet.In a further embodiment, the cooling device is arranged behind the burst valve.

In einer Weiterbildung ist die Kühlvorrichtung passiv.In one development, the cooling device is passive.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Kühlvorrichtung Rohre für Kühlflüssigkeit auf.In a further embodiment, the cooling device has tubes for coolant.

In einer Weiterbildung umfasst die Kühlvorrichtung eine Kühlplatte.In one development, the cooling device comprises a cooling plate.

Der Vorteil ist hierbei, dass der austretende Gasstrom entlang der Kühlplatte gelenkt werden kann und die Kühlplatte direkt als Wärmetauscher fungiert.The advantage here is that the escaping gas flow can be directed along the cooling plate and the cooling plate acts directly as a heat exchanger.

Die erfindungsgemäße stationäre Vorrichtung oder das Fahrzeug umfassen einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeicher.The stationary device according to the invention or the vehicle comprise an electrochemical energy store according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schutz eines elektrochemischen Energiespeichers umfasst das Entgasen einer Batteriezelle innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers und das Betätigen eines Berstventils, wenn der Druck innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, sowie das Kühlen des aus dem Berstventil austretenden Gases auf einen Wert unterhalb der Selbstentzündungstemperatur mit Hilfe einer Kühlvorrichtung, die dem Berstventil unmittelbar nachgelagert ist.The method according to the invention for protecting an electrochemical energy store comprises degassing a battery cell within the electrochemical energy store and that Actuation of a burst valve when the pressure within the electrochemical energy store exceeds a predetermined limit value, and cooling of the gas emerging from the burst valve to a value below the self-ignition temperature with the aid of a cooling device which is immediately downstream of the burst valve.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.Further advantages result from the following description of exemplary embodiments or the dependent patent claims.

FigurenlisteFigure list

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine Sicherheitsvorrichtung für einen elektrochemischen Energiespeicher,
  • 2 einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Sicherheitsvorrichtung, und
  • 3 ein Verfahren zum Schutz eines elektrochemischen Energiespeichers.
The present invention is explained below on the basis of preferred embodiments and attached drawings. Show it:
  • 1 a safety device for an electrochemical energy store,
  • 2nd an electrochemical energy store with a safety device, and
  • 3rd a method for protecting an electrochemical energy store.

1 zeigt eine Sicherheitssvorrichtung 100 für einen elektischen Energiespeicher. Die Sicherheitsvorrichtung 100 umfasst ein Berstventil 101 und eine Kühlvorrichtung 102. Die Kühlvorrichtung 102 ist passiv. In einem Ausführungsbeispiel ist die Kühlvorrichtung 102 hinter dem Berstventil 101 angeordnet, sodass durch das Berstventil 101 austretende heiße Gase schnell heruntergekühlt werden können, insbesondere unterhalb der Selbstentzündungstemperatur. Das Herunterkühlen unterhalb der Selbstentzündungstemperatur ist notwendig, da im Batteriepack in der Regel wenig Luft, d. h. Sauerstoff vorhanden ist. Entgast eine Batteriezelle und setzt brennbare Gase frei, so kann nur ein Teil der Gase aufgrund des niedrigen Sauerstoffgehalts innerhalb des Batteriepacks verbrennen. Der austretende Rest würde sich erst beim Verlassen des Batteriepacks bei einer Temperatur, die höher als die Selbstentzündungstemperatur ist, selbst entzünden. Das Herunterkühlen des Gases unterhalb der Selbstentzündungstemperatur ist vor allem bei entgasenden Batteriezellen, die sich in der Nähe des Berstventils befinden, notwendig, da das ausgestoßene Gas aufgrund der kurzen Entfernung zwischen entgasender Batteriezelle und Berstventil keine Möglichkeit hat, seine Temperatur innerhalb des Batteriepacks zu verringern. 1 shows a safety device 100 for an electrical energy storage. The safety device 100 includes a burst valve 101 and a cooling device 102 . The cooler 102 is passive. In one embodiment, the cooling device 102 behind the burst valve 101 arranged so that through the burst valve 101 escaping hot gases can be cooled down quickly, especially below the autoignition temperature. Cooling down below the autoignition temperature is necessary because there is usually little air, ie oxygen, in the battery pack. If a battery cell degasses and releases flammable gases, only some of the gases can burn due to the low oxygen content inside the battery pack. The escaping rest would ignite only when leaving the battery pack at a temperature which is higher than the self-ignition temperature. The cooling of the gas below the autoignition temperature is particularly necessary in the case of degassing battery cells that are located near the burst valve, since the gas that is expelled has no possibility of reducing its temperature inside the battery pack due to the short distance between the degassing battery cell and the burst valve.

In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Kühlvorrichtung 102 aus Aluminium bestehende Lamellen 103. Die spezifische Wärmekapazität von Aluminium beträgt 900 kJ/(kg*K), die des aus einer Batteriezelle austretenden selbstentzündbaren Gases in Summe beispielsweise 2 kJ/(kg*K). Die Gasaustrittstemperatur aus der Batteriezelle kann beispielsweise bei ca. 1000 °C liegen. Das bedeutet, dass das selbstentzündbare Gas aus einer Batteriezelle mit etwa 100 g Elektrolyt, etwa 200 kJ Wärmeenergie tragen kann. Somit ist thermodynamisch ein Volumen von bereits ca. 100 ml Aluminium hinreichend, um die austretende Wärmemenge aufzunehmen und die Temperatur des Gases auf unter 450°C zu reduzieren. In diesem Beispiel ist 450 °C unter der Annahme gewählt, dass Dimethyl Carbonat die Komponente des Elektrolyten mit der niedrigsten Selbstentzündungstemperatur 458°C ist. Aufgrund der geringen Verweildauer des Gases innerhalb des Batteriepacks und der begrenzten Wärmetauschkapazität der Kühlvorrichtung sollte die Kühlvorrichtung jedoch stets größer ausgelegt werden. Desweiteren hängt die Zieltemperatur, auf die das Gas abgekühlt werden soll, maßgeblich vom eingesetzten Elektrolyten in den Zellen ab, welcher im Wesentlichen das selbstentzündbare Gas bildet. Die Größe der Kühlvorrichtung ist abhängig von der Zellkapazität bzw. der Elektrolytmenge pro Batteriezelle, dem eingesetzten Elektrolyten, sowie den Zersetzungsprodukten. Dabei kann bei einer Entgasung der Batteriezelle davon ausgegangen werden, dass maximal 50 % des Elektrolyten aus der Zelle verdampft. Im obigen Beispiel entsprechend also lediglich 50 g.In one embodiment, the cooling device comprises 102 slats made of aluminum 103 . The specific heat capacity of aluminum is 900 kJ / (kg * K), that of the self-igniting gas emerging from a battery cell in total, for example, 2 kJ / (kg * K). The gas outlet temperature from the battery cell can be, for example, approximately 1000 ° C. This means that the self-igniting gas from a battery cell with about 100 g of electrolyte can carry about 200 kJ of thermal energy. This means that a volume of approx. 100 ml aluminum is already thermodynamically sufficient to absorb the amount of heat escaping and to reduce the temperature of the gas to below 450 ° C. In this example, 450 ° C is chosen on the assumption that dimethyl carbonate is the component of the electrolyte with the lowest auto-ignition temperature, 458 ° C. Due to the short residence time of the gas within the battery pack and the limited heat exchange capacity of the cooling device, the cooling device should always be designed larger. Furthermore, the target temperature to which the gas is to be cooled largely depends on the electrolyte used in the cells, which essentially forms the self-ignitable gas. The size of the cooling device depends on the cell capacity or the amount of electrolyte per battery cell, the electrolyte used, and the decomposition products. When the battery cell is degassed, it can be assumed that a maximum of 50% of the electrolyte evaporates from the cell. Accordingly, in the above example only 50 g.

2 zeigt einen elektrochemischen Energiespeicher 200, der ein Gehäuse 203 und eine Vielzahl von Batteriemodulen 204 aufweist. Der elektrochemische Energiespeicher 200 weist eine Sicherheitsvorrichtung 205 auf, die ein Berstventil 201 und eine Kühlvorrichtung 202 umfasst. Die Kühlvorrichtung 202 kann als Passivkühlelement ausgestaltet sein. Alternativ kann die Kühlvorrichtung 202 mit dem Kühlsystem des elektrochemischen Energiespeichers bzw. des Batteriepacks verbunden sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Kühlvorrichtung 202 eine Kühlplatte, sodass das austretende Gas entlang des Unterbodens des Fahrzeugs bzw. entlang der Kühlplatte des Batteriepacks geführt wird, sodass die Kühlplatte direkt als Wärmetauscher fungiert. 2nd shows an electrochemical energy storage 200 which is a housing 203 and a variety of battery modules 204 having. The electrochemical energy storage 200 has a safety device 205 on that's a burst valve 201 and a cooling device 202 includes. The cooler 202 can be designed as a passive cooling element. Alternatively, the cooling device 202 be connected to the cooling system of the electrochemical energy store or the battery pack. In a further exemplary embodiment, the cooling device comprises 202 a cooling plate, so that the escaping gas is guided along the underbody of the vehicle or along the cooling plate of the battery pack, so that the cooling plate acts directly as a heat exchanger.

Die Sicherheitsvorrichtung 100 und der elektrochemische Energiespeicher 200 können sowohl in Fahrzeugen als auch in stationären Vorrichtungen Anwendung finden.The safety device 100 and the electrochemical energy storage 200 can be used both in vehicles and in stationary devices.

3 beschreibt ein Verfahren 300 zum Schutz eines elektrochemischen Energiespeichers. Das Verfahren startet mit einem Schritt 310, indem eine Batteriezelle innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers entgast. Die Batteriezelle entgast beispielsweise aufgrund einer sich selbst beschleunigenden internen Reaktion dem sogenannten Thermal Runaway, aufgrund eines internen Kurzschlusses, Überladung, Überstrom oder auch aufgrund eines externen Kurzschlusses oder mechanischer Verformung infolge eines Unfalls. In einem folgenden Schritt 320 wird ein Berstventil ausgelöst, wenn der Druck des aus der Batteriezelle ausgetretenen Gases einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Der vorbestimmte Grenzwert liegt beispielsweise zwischen 2 bis 3 bar. In einem folgenden Schritt 330 wird aus dem Berstventil austretendes Gas mit Hilfe einer Kühlvorrichtung mindestens bis unter die Selbstentzündungstemperatur gekühlt bzw. abgekühlt, vorzugsweise bis unter 50°C. 3rd describes a procedure 300 to protect an electrochemical energy store. The process starts with one step 310 by degassing a battery cell within the electrochemical energy store. The battery cell degasses, for example, due to a self-accelerating internal reaction to the so-called thermal runaway, due to an internal short circuit, overcharge, overcurrent or due to an external short circuit or mechanical deformation due to an accident. In a subsequent step 320 a burst valve is triggered when the pressure of the gas emerging from the battery cell exceeds a predetermined limit. The predetermined limit is, for example, between 2 and 3 bar. In a subsequent step 330 the gas emerging from the bursting valve is cooled or cooled at least below the self-ignition temperature with the aid of a cooling device, preferably below 50 ° C.

Claims (13)

Sicherheitsvorrichtung (100) für einen elektrochemischen Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung (100) ein Berstventil (101) und eine Kühlvorrichtung (102) aufweist.Safety device (100) for an electrochemical energy store, characterized in that the safety device (100) has a burst valve (101) and a cooling device (102). Sicherheitsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (102) hinter dem Berstventil (101) angeordnet ist.Safety device (100) after Claim 1 , characterized in that the cooling device (102) is arranged behind the bursting valve (101). Sicherheitsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (102) passiv ist.Safety device (100) according to one of the Claims 1 or 2nd , characterized in that the cooling device (102) is passive. Sicherheitsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (102) Rohre für Kühlflüssigkeit aufweist.Safety device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling device (102) has tubes for cooling liquid. Sicherheitsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (102) eine Kühlplatte umfasst.Safety device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling device (102) comprises a cooling plate. Elektrochemischer Energiespeicher (200) mit einer Sicherheitsvorrichtung (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung (100) ein Berstventil (201) und eine Kühlvorrichtung (202) aufweist.Electrochemical energy store (200) with a safety device (100), characterized in that the safety device (100) has a burst valve (201) and a cooling device (202). Elektrochemischer Energiespeicher (200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung (100) innerhalb eines Gehäuses (203) des elektrochemischen Energiespeichers (200) angeordnet ist.Electrochemical energy storage (200) Claim 6 , characterized in that the safety device (100) is arranged within a housing (203) of the electrochemical energy store (200). Elektrochemischer Energiespeicher (200) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (202) hinter dem Berstventil (201) angeordnet ist.Electrochemical energy store (200) according to one of the Claims 6 or 7 , characterized in that the cooling device (202) is arranged behind the bursting valve (201). Elektrochemischer Energiespeicher (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (202) passiv ist.Electrochemical energy store (200) according to one of the Claims 6 to 8th , characterized in that the cooling device (202) is passive. Elektrochemischer Energiespeicher (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (202) Rohre für Kühlflüssigkeit aufweist.Electrochemical energy store (200) according to one of the Claims 6 to 9 , characterized in that the cooling device (202) has tubes for cooling liquid. Elektrochemischer Energiespeicher (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (202) eine Kühlplatte umfasst.Electrochemical energy store (200) according to one of the Claims 6 to 9 , characterized in that the cooling device (202) comprises a cooling plate. Stationäre Vorrichtung oder Fahrzeug mit einem elektrochemischen Energiespeicher (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 11.Stationary device or vehicle with an electrochemical energy store (200) according to one of the Claims 6 to 11 . Verfahren (300) zum Schutz eines elektrochemischen Energiespeichers mit den Schritten: - Entgasen (310) einer Batteriezelle innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers, - Auslösen (320) eines Berstventils, wenn der Druck des aus der Batteriezelle ausgetretenen Gases einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, und - Kühlen (330) des aus dem Berstventil austretenden Gases auf einen Wert unterhalb der Selbstentzündungstemperatur mit Hilfe einer Kühlvorrichtung, die dem Berstventil unmittelbar nachgelagert ist.Method (300) for protecting an electrochemical energy store, comprising the steps: Degassing (310) a battery cell within the electrochemical energy store, - triggering (320) a burst valve when the pressure of the gas emerging from the battery cell exceeds a predetermined limit value, and - Cooling (330) of the gas emerging from the bursting valve to a value below the self-ignition temperature with the aid of a cooling device which is immediately downstream of the bursting valve.
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