DE102020131111A1 - Verfahren und Kühlanordnung zum Kühlen und Löschen eines überhitzten Batteriemoduls einer Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren und Kühlanordnung zum Kühlen und Löschen eines überhitzten Batteriemoduls einer Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlanordnung (10a, 10b) zum Kühlen zumindest eines ersten und/oder zweiten Batteriemoduls (12) einer Hochvolt-Batterie (14), wobei die Kühlanordnung (10a, 10b) eine Leitungsanordnung (22) aufweist, welche einen Zuführanschluss (28), eine erste und zweite Austrittsöffnung (34), die jeweils dem ersten und zweiten Batteriemodul (12) zugeordnet sind, aufweist, und die verzweigt ausgebildet ist, sodass ein am Zuführanschluss (28) bereitgestelltes Kühlmedium (32) über einen ersten Leitungszweig (24) zur ersten Austrittsöffnung (34) und über einen zweiten Leitungszweig (24) zur zweiten Austrittsöffnung (34) führbar und selektiv aus der ersten Austrittsöffnung (34) oder der zweiten Austrittsöffnung (34) ausführbar ist. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist die Leitungsanordnung (22) eine Expansionsvorrichtung (46) aufweist, wobei das von der mindestens einen Expansionsvorrichtung (46) expandierte Kühlmedium (32) über die Austrittsöffnung (34) in ein Inneres des Batteriegehäuses (18, 16) führbar ist, sodass das Kühlmedium (32) in direkten Kontakt mit zumindest einer Batteriezelle des Batteriemoduls (12) bringbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zum Kühlen zumindest eines ersten und/oder zweiten Batteriemoduls einer Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kühlanordnung eine Leitungsanordnung aufweist, welche einen Zuführanschluss zum Koppeln mit einem Reservoir für ein Kühlmedium zum Kühlen des zumindest einen ersten und/oder zweiten Batteriemoduls umfasst und zumindest eine Austrittsöffnung, die zumindest dem ersten und/oder zweiten Batteriemodul zugeordnet ist. Zur Erfindung gehört auch ein korrespondierendes Verfahren zum Kühlen zumindest eines ersten und/oder zweiten Batteriemoduls einer Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf dem Gebiet der Hochvolt-Batterien, insbesondere zum Betrieb von Kraftfahrzeugen, zum Beispiel Elektro- und/oder Hybridfahrzeugen, angesiedelt. In solchen Hochvolt-Batterien kann es unter Umständen, zum Beispiel im Falle eines Unfalls, zu einer sogenannten Thermal Propagation, d.h. einem thermischen Durchgehen, kommen. Ein solches thermisches Durchgehen, zum Beispiel einer Batteriezelle einer solchen Hochvolt-Batterie, äußert sich dabei anfangs in einer zunehmenden Temperatur dieser Batteriezelle, die dann ohne Gegenmaßnahme in der Regel in Flammen aufgeht oder explodiert. Nach aktuellem Stand der Technik wird im Falle einer solchen Thermal Propagation einer Hochvolt-Batterie mit viel Wasser das Fahrzeug gelöscht beziehungsweise gekühlt. Beispielsweise kann nach einem Fahrzeugunfall eines batterieelektrischen Fahrzeugs, insbesondere bei beschädigter und/oder brennender Hochvolt-Batterie, aus Sicherheitsgründen das gesamte Fahrzeug in einen Container gestellt werden und das Fahrzeug im Container mit Wasser geflutet werden. Hierbei ist jedoch ein Container, ein Löschfahrzeug zum Befüllen des Containers mit Wasser und ein Kran zum Heben des Fahrzeugs in den mit Wasser befüllten Container erforderlich.
  • Weiterhin kann nach heutigem Stand der Technik auch das Batteriegehäuse direkt geflutet werden. Jedoch ist dies nur durch eine sogenannte Löschlanze durch die Feuerwehr realisierbar. Hierbei wird eine Löschlanze durch den Fahrzeugboden in die Batterie geschossen und selbiges wird geflutet. Nachteilig hierbei ist beispielsweise, dass dieser Flutungsvorgang strömungstechnisch nicht optimiert ist, wodurch auch die Kühlleistung nicht optimal ist. Ist das Batteriegehäuse mit Wasser vollgelaufen, so quillt neu hinzugeführtes Wasser irgendwo aus dem Gehäuse heraus, ohne dass dessen Kühlwirkung optimal ausgenutzt wurde. Ein weiterer Nachteil besteht zudem darin, dass die Feuerwehr speziell geschult sein muss und es passieren heute noch häufig Fehler, die wiederum das Risiko bergen, dass HV-Spannung auf der Karosserie anliegt. Weiterhin kann eine solche Löschlanze nicht in die Batterie geschossen werden, wenn die Türen nach einem Crash nicht zu öffnen sind, da die Löschlanze vom Passagierraum aus von oben durch den Fahrzeugboden in die Batterie geschossen wird, die in der Regel unterhalb des Fahrzeugbodens angeordnet ist. Zudem muss jede Feuerwehr dann mit einer solchen Löschlanze ausgerüstet sein, was zudem ein teures Spezialequipment darstellt.
  • Weiterhin beschreibt die EP 3 204 978 B1 ein Batteriesystem für ein Fahrzeug mit Steigungen zur Verteilung von Kühlwasser. Das Batteriesystem ist dabei so ausgestaltet, dass Wasser von einem externen Versorgungspunkt durch eine Stelle des Batteriegehäuses, insbesondere oberseitig, eindringen kann, unter dieser Eintrittsöffnung ist eine schiefe Ebene angeordnet, in welcher sich verteilte Öffnungen befinden. Das Wasser kann so über die schiefe Ebene verteilt und in die Batterie durch die Öffnungen eindringen. Dadurch soll eine gleichmäßige Wasserverteilung über alle Zellen der Batterie bereitgestellt werden. Nachteilig dabei ist, dass bei der Flutung der gesamten Hochvolt-Batterie auch intakte Batteriemodule unter Wasser gesetzt werden. Dadurch resultiert eine weitere Gefahr und Zerstörung der Module. Durch den hohen Wasserdurchsatz werden vermutlich hohe Beschädigungen am Gesamtfahrzeug erzeugt. Auch fällt dabei ein sehr hoher Wasserverbrauch an, um die gesamte Hochvolt-Batterie ausreichend kühlen zu können. Solch große Wassermengen können dann wiederum nur extern, zum Beispiel durch die Feuerwehr, bereitgestellt werden. Dadurch ist es beispielsweise nicht möglich, Insassen bereits vor Eintreffen der Feuerwehr am Fahrzeug zu retten, da sich im Fahrzeug eine propagierende Batterie befindet. Dies kann für Insassen lebensgefährlich sein.
  • Weiterhin beschreibt die DE 20 2007 011 578 U1 eine Anordnung mit einer Klimaanlage und einem Energiespeicher, wobei das Kreislaufmedium der Klimaanlage dem Energiespeicher zugeleitet werden kann. Genauer gesagt kann zu diesem Zweck der Energiespeicher von einer Umhüllung, wie zum Beispiel einem aufblasbaren Ballon, umgeben sein, und der Energiespeicher, das Kreislaufmedium und die Umhüllung stellen einen Wärmetauscher dar. Das Kreislaufmedium kann dabei Kohlendioxid aufweisen und insbesondere in einem unter Druck stehenden Behälter aufbewahrt werden. Beim Austreten kann sich das Kreislaufmedium entspannen und sich hierdurch abkühlen. Hierdurch kann eine Kühlung bereitgestellt werden, um vorbeugend einen Brand zu vermeiden.
  • Weiterhin beschreibt die DE 10 2016 200 368 A1 ein Batteriesystem und ein System zum Löschen oder Verhindern eines Brandes eines Batteriemoduls in einem Batteriesystem, wobei ein Kühlmittelkreislaufsystem mit mindestens einem Kühlmittelbehälter und einer Kühlmittelleitung vorgesehen ist, die teilweise durch das Batteriemodul geführt ist, wobei die Kühlmittelleitung derart ausgebildet ist, dass diese mindestens eine Notfallöffnung im Batteriemodul aufweist, die durch ein Betätigungselement verschlossen ist, welches als drucksensitives Betätigungselement ausgebildet ist, das bei einem Druck größer einem vorbestimmten Schwellwert öffnet und die Notfallöffnung freigibt. Weiter weist der Kühlmittelbehälter einen Anschluss für einen Löschmittelschlauch oder eine Schnittstelle zur Befestigung eines Anschlusses für einen Löschmittelschlauch auf. Weiterhin kann das Batteriemodul aus zwei Teilmodulen zusammengesetzt sein, wobei die Kühlmittelleitung innerhalb der Gehäuse der Teilmodule mindestens eine Notfallöffnung aufweist. Dies erlaubt eine selektive Löschung eines Teilmoduls ohne Rückwirkung auf andere nicht betroffene Teilmodule. Nachteilig hierbei ist, dass zum Löschen der Anschluss wiederum eines externen Löschmittelschlauchs erforderlich ist, was wiederum in der Regel nur durch die Feuerwehr erfolgen kann. Weiterhin ist hierbei eine einzelne Kühlmittelleitung mit entsprechenden Öffnungen durch die Batteriemodule geführt, wodurch im Löschfall ein gewisser Druckabfall entlang der Leitung auftritt, sodass beispielsweise, wenn beide Notfallöffnungen zum Löschen geöffnet sein sollen, an der letzten Öffnung eventuell kein ausreichend hoher Druck mehr bereitsteht, um das betreffende Teilmodul zu löschen oder überhaupt um die Notfallöffnung druckbedingt überhaupt öffnen zu können.
  • Grundsätzlich besteht das Problem beim Kühlen oder Löschen einer Hochvolt- Batterie darin, dass aufgrund der dafür erforderlichen großen Menge an Löschmittel, welches im Rahmen der Erfindung auch als Kühlmedium bezeichnet wird, dieses über eine externe Quelle, in der Regel durch die Feuerwehr, bereitgestellt werden muss, was jedoch lange dauert und die zahlreichen weiteren oben beschriebenen Probleme nach sich zieht. Durch ein kraftfahrzeuginternes Löschmittelreservoir könnte zwar gleich bei Auftreten einer solchen Notsituation mit dem Kühlen bzw. Löschen begonnen werden, allerdings kann durch ein kraftfahrzeuginternes Löschmittelreservoir bauraumbedingt keine große Löschmittelmenge aufgenommen werden, so dass das Löschen oder Kühlen einer großen Hochvolt-Batterie mit einer so geringen Menge an Löschmittel wie ein Tropfen auf den heißen Stein wäre, d.h. keinen spürbaren Effekt hat. Die kraftfahrzeuginterne Speicherung größerer Mengen Löschmittel ist bauraumbeding nicht möglich, und würde zu einem extrem hohen Zusatzgewicht des Fahrzeugs führen. Damit sind bisherige Maßnahmen zum Löschen oder Kühlen von Batteriemodulen einer Hochvolt-Batterie im Falle eines Überhitzens oder eines Brandes sowohl zeitlich als auch hinsichtlich ihrer Wirkung relativ ineffizient.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Kühlanordnung bereitzustellen, die ein möglichst effizientes Kühlen zumindest eines Batteriemoduls einer Hochvolt-Batterie, insbesondere im Falle eines thermischen Durchgehens oder eines bevorstehenden thermischen Durchgehens des Batteriemoduls, ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Kühlanordnung mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst die Kühlanordnung zum Kühlen zumindest eines ersten und/oder zweiten Batteriemoduls einer Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug eine Leitungsanordnung, welche einen Zuführanschluss zum Koppeln mit einem Reservoir für ein Kühlmedium zum Kühlen des zumindest einen ersten und/oder zweiten Batteriemoduls aufweist, eine erste Austrittsöffnung, die zumindest dem ersten Batteriemodul zugeordnet ist, und eine zweite Austrittsöffnung, welche zumindest dem zweiten Batteriemodul zugeordnet ist. Dabei ist die Leitungsanordnung verzweigt ausgebildet und weist zumindest einen ersten Leitungszweig und einen vom ersten Leitungszweig verschiedenen zweiten Leitungszweig auf. Weiterhin ist die Leitungsanordnung derart ausgebildet, dass ein am Zuführanschluss bereitgestelltes Kühlmedium über den ersten Leitungszweig zur ersten Austrittsöffnung und über den zweiten Leitungszweig zur zweiten Austrittsöffnung führbar und selektiv aus der ersten Austrittsöffnung und/oder der zweiten Austrittsöffnung ausführbar ist.
  • Die Erfindung hat dabei gleich mehrere Vorteile. Zum einen wird eine gezielte selektive Kühlung einzelner Batteriemodule ermöglicht. Soll beispielsweise nur das erste Batteriemodul gekühlt werden, so kann das Kühlmedium gezielt über die erste Austrittsöffnung dem ersten Batteriemodul zugeführt werden, ohne dass dabei über die zweite Austrittsöffnung ein Teil des Kühlmediums auch dem zweiten Batteriemodul zugeführt wird und umgekehrt. Sollen beide Batteriemodule gekühlt werden, so lässt sich dies durch die Zuführung von Kühlmedium über die beiden ersten und zweiten Austrittsöffnungen ebenfalls bewerkstelligen. Der Vorteil dabei ist, dass eine gezielte Kühlung einzelner Batteriemodule deutlich effektiver ist, als beispielsweise die Flutung der gesamten Batterie. Dadurch wird nämlich viel weniger Kühlmedium benötigt, was beispielsweise auch die Verwendung kraftfahrzeuginterner Kühlmedien ermöglicht, die in der Regel nur in einem sehr begrenzten Volumen vorliegen. Eine Kühlung eines bestimmten Batteriemoduls, welches zum Beispiel überhitzt ist und für welches beispielsweise ein thermisches Durchgehen droht, kann damit besonders frühzeitig und schon vor Eintreffen der Feuerwehr erfolgen, was Insassen eines Kraftfahrzeugs wertvolle Rettungsminuten verschafft. Nichtsdestoweniger ist zum Beispiel dann, wenn die Feuerwehr eingetroffen ist, auch eine Kopplung eines kraftfahrzeugexternen Reservoirs mit dem Zuführanschluss, zum Beispiel über einen Feuerwehrschlauch, möglich, so dass dann deutlich größere Mengen Kühlmedium zugeführt werden können, um noch effizienter und wirkungsvoller zu kühlen. Um aber auch gerade dann, wenn mehrere Batteriemodule, zum Beispiel das erste und das zweite Batteriemodul, der Hochvolt-Batterie gekühlt werden sollen, eine möglichst gleichmäßige Kühlwirkung für beide Batteriemodule erzielen zu können, ist es besonders vorteilhaft, dass die Leitungsanordnung verzweigt ausgebildet ist, sodass beispielsweise die erste und zweite Austrittsöffnung in unterschiedlichen Leitungszweigen bereitgestellt werden können. Dadurch verteilt sich das Kühlmedium auf die beiden Austrittsöffnungen nahezu gleichmäßig und es muss nicht befürchtet werden, dass an einer Austrittsöffnung keine ausreichende Menge an Kühlmedium mehr bereitsteht, um das betreffende Modul kühlen oder löschen zu können, wie das der Fall wäre, wenn die betreffenden Austrittsöffnungen entlang einer gemeinsamen Leitung vorgesehen wären. So kann insgesamt eine besonders effiziente Kühlanordnung bereitgestellt werden, die ein gezieltes Kühlen und Löschen einzelner Batteriemodule einer Hochvolt-Batterie erlaubt.
  • Die Verzweigung der Leitungsanordnung ist entsprechend so ausgestaltet, dass das vom Zuführanschluss zur ersten Austrittsöffnung geführte Kühlmedium nicht die zweite Austrittsöffnung überströmt und vom Zuführanschluss zur zweiten Austrittsöffnung geführtes Kühlmedium nicht die erste Austrittsöffnung überströmt. Die Leitungsanordnung soll so ausgestaltet sein, dass diese sich ausgehend vom Zuführanschluss in zumindest die beiden Leitungszweige aufteilt. Die betreffenden Austrittsöffnungen, das heißt die erste und zweite Austrittsöffnung, können dann zum Beispiel jeweils in einem Endbereich der betreffenden Leitungszweige angeordnet sein.
  • Die Leitungsanordnung, insbesondere die Leitungszweige, können dabei durch Schläuche und/oder Rohre oder Ähnliches bereitgestellt sein, oder auch in eine Platte integriert sein, zum Beispiel als Hohlraum oder als Kanäle in der Platte ausgeführt sein. Auch kann eine solche Platte zum Beispiel als doppelwandige Platte mit einem zwischen den Plattenwänden bereitgestellten Hohlraum ausgebildet sein, wobei sich diese Platte in der bestimmungsgemäßen Anordnung der Kühlanordnung an einer Hochvolt-Batterie über alle Batteriemodule der Hochvolt-Batterie erstreckt, wobei die einzelnen Leitungszweige dann durch jeweilige sich von dem Hohlraum in Richtung der jeweiligen Module erstreckende Durchgangsbohrungen, Kanäle, o.Ä. in der den Modulen zugewandten Plattenwand ausgebildet sein können, die mit der jeweiligen Austrittsöffnung enden, die zum Beispiel selektiv, d.h. unabhängig voneinander, öffenbar und verschließbar ausgebildet sein können.
  • Weiterhin kann eine betreffende Austrittsöffnung genau einem Batteriemodul der Hochvolt-Batterie zugeordnet sein. Dies ist besonders vorteilhaft, da sich hierdurch jedes einzelne Batteriemodul gezielt und separat unabhängig von den anderen kühlen und/oder löschen lässt. Denkbar wäre es aber auch, dass eine einzelne Austrittsöffnung einer Modulgruppe mit mehreren Batteriemodulen zugeordnet ist. Beispielsweise kann die erste Austrittsöffnung einer ersten Modulgruppe mit mehreren ersten Batteriemodulen zugeordnet sein. Der Aufwand bei der Ausgestaltung der Leitungsanordnung lässt sich hierdurch reduzieren. In einem solchen Fall ist es dennoch bevorzugt, dass eine Modulgruppe mit mehreren Batteriemodulen jedoch möglichst wenige Batteriemodule umfasst, zum Beispiel zwei oder drei, oder zumindest eine Anzahl von Modulen im einstelligen Bereich.
  • Um das selektive Zuführen des Kühlmediums zu dem zumindest einen Batteriemodul, welches der betreffenden Austrittsöffnung zugeordnet ist, zu ermöglichen, kann in einem jeweiligen Leitungszweig eine Verschlusseinrichtung, zum Beispiel in Form eines Ventils, angeordnet sein. Eine solche Verschlusseinrichtung kann beispielsweise direkt im Bereich der Austrittsöffnung angeordnet sein und diese bei Bedarf verschließen oder öffnen. Mit anderen Worten kann die Verschlusseinrichtung zumindest einen geöffneten und einen geschlossenen Zustand aufweisen, wobei die Verschlusseinrichtung eine fluidische Verbindung unterbricht, wenn diese sich im geschlossenen Zustand befindet und freigibt, wenn diese sich im geöffneten Zustand befindet. Das Öffnen und Schließen der betreffenden Verschlusseinrichtung kann beispielsweise temperaturgesteuert erfolgen, sodass also vorteilhafterweise gezielt diejenigen Batteriemodule gekühlt werden können, die überhitzt sind und für die ein thermisches Durchgehen bevorsteht oder vielleicht sogar schon stattgefunden hat.
  • Darüber hinaus kann die Kühlanordnung zum Kühlen beliebig vieler Batteriemodule einer Hochvolt-Batterie entsprechend ausgebildet sein. Für ein jeweiliges Batteriemodul der Hochvolt-Batterie, oder zumindest für eine Batteriemodulgruppe, kann eine entsprechende Austrittsöffnung der Leitungsanordnung in einem zugeordneten Leitungszweig vorgesehen sein, welches selektiv, zum Beispiel durch entsprechende Ansteuerung, geöffnet und geschlossen werden kann. Daher ist im Folgenden auch nicht immer speziell zum ersten und zweiten Batteriemodul sowie von der ersten und zweiten Austrittsöffnung oder dem ersten und zweiten Leitungszweig die Rede, sondern allgemein von Batteriemodulen, Austrittsöffnungen und Leitungszweigen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Austrittsöffnungen derart in Bezug auf das Batteriegehäuse angeordnet sind, dass das Kühlmedium über die Austrittsöffnungen in ein Inneres des Batteriegehäuses führbar ist, sodass das Kühlmedium in direktem Kontakt mit zumindest einer Batteriezelle der jeweiligen Batteriemodule bringbar ist. Wie bereits erwähnt, umfasst die Hochvolt-Batterie vorzugsweise mehrere Batteriemodule. Jedes dieser Batteriemodule kann wiederum mehrere Batteriezellen aufweisen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen.
  • Diese umfassen in der Regel einen Zellwickel, der in einem Zellgehäuse angeordnet ist, an welchem weiterhin zwei Batteriepole angeordnet sind, über welche nach außen eine Zellspannung abgreifbar ist. Die einzelnen Batteriezellen werden typischerweise zu einem Zellpack zusammengefasst und können beispielsweise in einem Modulgehäuse zur Bildung eines Batteriemoduls untergebracht sein. Die einzelnen Batteriemodule sind wiederum in einem Batteriegehäuse angeordnet. Ursprünglich wurde davon ausgegangen, dass eine Kühlung oder Löschung einer Hochvolt-Batterie im Falle eines thermischen Events so ausgeführt sein soll, dass das Löschmittel, zum Beispiel Wasser, aufgrund der Hochspannung nicht in direkten Kontakt zu den Batteriezellen treten soll. Entsprechend wurden bislang Modulgehäuse oder Batteriegehäuse entsprechend dicht ausgeführt, sodass bei einer Flutung der Batterie das Kühlmittel oder Kühlmedium allerhöchstens in Kontakt mit einem Modulgehäuse kommt, nicht jedoch in direkten Kontakt mit den Batteriezellen, insbesondere deren Zellpole und Verschaltung, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass gerade im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle die effektivste Art, diese thermische Propagation aufzuhalten und einen Brand oder eine Explosion zu verhindern, gerade darin besteht, ein Löschmittel wie das Kühlmedium im Rahmen der vorliegenden Erfindung in direkten Kontakt mit einer solchen Batteriezelle, das heißt auch in Kontakt mit deren Pole, zu bringen. Daher ist es also bevorzugt, dass die Zuführung des Kühlmediums durch die betreffenden Austrittsöffnungen zu den Batteriemodulen derart erfolgt, dass das Kühlmedium letztendlich in direkten Kontakt mit den betreffenden vom Batteriemodul umfassten Batteriezellen gebracht wird. Weist ein Batteriemodul beispielsweise ein Modulgehäuse auf, welches die Batteriezellen umschließt, so ist es entsprechend also bevorzugt, dass die Austrittsöffnungen auch in die jeweiligen Modulgehäuse münden, sodass das Kühlmedium nicht nur in das Innere des Batteriegehäuses, sondern eben auch in das Innere der zugeordneten Modulgehäuse einführbar ist. Hierdurch lässt sich also vorteilhafterweise eine thermische Propagation aller Batteriemodule beziehungsweise eines Batteriemoduls am effizientesten unterbinden.
  • Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlanordnung ein Batteriegehäuse mit einer ersten Gehäusekammer zur Aufnahme zumindest des ersten Batteriemoduls oder von vom ersten Batteriemodul umfassten Batteriezellen, und mit einer zweiten von der ersten Gehäusekammer separierten zweiten Gehäusekammer zur Aufnahme zumindest des zweiten Batteriemoduls oder von vom zweiten Batteriemodul umfassten Batteriezellen auf, wobei die erste Austrittsöffnung in die erste Gehäusekammer mündet und die zweite Austrittsöffnung in die zweite Gehäusekammer mündet, insbesondere wobei die erste Gehäusekammer gegenüber der zweiten Gehäusekammer fluidisch abgedichtet ist. Auch hier kann es wiederum vorgesehen sein, dass das Batteriegehäuse für die Hochvolt-Batterie, je nach Anzahl vorhandener Batteriemodule, auch entsprechend viele Gehäusekammern aufweist, die den jeweiligen vorzugsweise einzelnen Batteriemodulen, oder aber auch Modulgruppen, zugeordnet sind. Dabei kann eine solche Gehäusekammer von einem Gesamtbatteriegehäuse bereitgestellt sein, in welche die einzelnen Batteriemodule eingesetzt werden können. Die Gehäusekammern können aber auch die Modulgehäuse der einzelnen Batteriemodule selbst darstellen, in welchen die Batteriezellen der Batteriemodule aufgenommen sind.
  • Durch solche Gehäusekammern kann es vorteilhafterweise bewerkstelligt werden, dass gezielt nur ein überhitztes Modul gekühlt wird, das Kühlmedium dann aber nicht mit anderen Batteriemodulen und deren Batteriezellen in Kontakt gerät. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn zum Beispiel mit einem flüssigen Kühlmedium wie beispielsweise Wasser gekühlt wird, denn dadurch können Kurzschlüsse in intakten Modulen verhindert werden. Solche Kurzschlüsse können nämlich wiederum die Wahrscheinlichkeit für ein thermisches Propagieren der anderen anfangs noch intakten Module fördern. Das Vorsehen solcher Gehäusekammern hat aber noch einen anderen großen Vorteil, denn das benötigte Volumen an Kühlmedium, welches zur Kühlung eines einzelnen Batteriemoduls benötigt wird, kann aufgrund der Unterbringung eines Batteriemoduls in einer solchen Kammer minimal gehalten werden, denn zur Kühlung dieses Batteriemoduls muss lediglich die Kammer mit dem darin befindlichen Batteriemodul mit Kühlmedium geflutet werden und nicht die gesamte Batterie. Durch eine zusätzliche fluidische Abdichtung der einzelnen Gehäusekammern kann dieser Effekt noch verstärkt werden. Beispielsweise können die einzelnen Gehäusekammern luftdicht und/oder wasserdicht ausgeführt sein. Dadurch kann zum Beispiel das eingeleitete Löschwasser nicht auf intakte Batteriemodule negativ einwirken.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der ersten Gehäusekammer und der zweiten Gehäusekammer eine thermische Isoliereinrichtung zur thermischen Isolation der ersten und zweiten Gehäusekammern voneinander angeordnet. Auch hier wiederum können mehrere solcher thermischen Isoliereinrichtungen vorgesehen sein, die zwischen den jeweiligen mehreren Gehäusekammern des Batteriegehäuses der Hochvolt- Batterie angeordnet sind. Eine solche Isoliereinrichtung kann beispielsweise als Isolierplatte oder ähnliches ausgebildet sein. Durch eine solche thermische Isoliereinrichtung lässt es sich also bewerkstelligen, dass die Batteriemodule zusätzlich voneinander thermisch isoliert sind, sodass ein Überschlagen eines Brandes auf intakte Batteriemodule weiter gehemmt wird. Durch eine solche passive Isolierung kann vorteilhafterweise auch Zeit gewonnen werden, auch wenn gerade nicht gelöscht werden kann. Mit anderen Worten ist für diese Schutzmaßnahme kein Wasser oder ein anderes Kühlmedium erforderlich. Für die Rettung der Insassen eines Fahrzeugs können damit wichtige Minuten gewonnen werden. Isolierende Materialien, die von der Isoliereinrichtung umfasst sein können oder diese bereitstellen können, können zum Beispiel Keramiken sein, Gewebe, Vliese, Textilien, Glaswolle, Metalle, Luftspalte und so weiter. Bevorzugt ist es, dass sich die Isoliereinrichtung durch einen möglichst geringen Wärmeleitkoeffizienten auszeichnet, zum Beispiel in der Größenordnung des von Luft oder weniger.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Kühlanordnung eine Sensoreinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine dem ersten Batteriemodul zugeordnete erste Temperatur zu erfassen und eine dem zweiten Batteriemodul zugeordnete zweite Temperatur zu erfassen, wobei die Kühlanordnung weiterhin dazu ausgelegt ist, das am Zuführanschluss bereitgestellte Kühlmedium nur für den Fall, dass die erste Temperatur ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt, durch die erste Austrittsöffnung auszuführen und nur für den Fall, dass die zweite Temperatur ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt, durch die zweite Austrittsöffnung auszuführen. Hierdurch kann vorteilhafterweise gezielt ein überhitztes Modul gekühlt werden, wobei mittels der Sensoreinrichtung erfasst werden kann, ob ein betreffendes Batteriemodul überhitzt ist oder nicht. Als Steuerparameter kann zum Beispiel die Temperatur des Batteriemoduls, das heißt die erste und/oder zweite Temperatur, selbst dienen, oder aber auch ein Temperaturgradient oder ähnliches. Weiterhin können als Temperatursensoren bereits in der Batterie verbaute, den einzelnen Batteriemodulen zugeordnete Temperatursensoren genutzt werden. Mit solchen Temperatursensoren können beispielsweise auch die Temperaturen der einzelnen Batteriezellen der betreffenden Batteriemodule separat erfasst werden, sodass auch über solche Temperatursensoren genau ermittelt werden kann, wenn eine Batteriezelle thermisch propagiert, und welche Batteriezelle thermisch propagiert und welchem Modul diese Batteriezelle zugeordnet ist. Bevorzugt ist es dabei, dass ein Freigeben der betreffenden Austrittsöffnung bereits schon dann erfolgt, wenn die Temperatur eines Batteriemoduls beziehungsweise die Temperatur bereits nur einer Zelle des zugeordneten Batteriemoduls einen Grenzwert, vorzugsweise zwischen 70 Grad Celsius und 80 Grad Celsius, überschreitet. Eine Zelltemperatur von über 70 Grad Celsius bis 80 Grad Celsius weist auf ein bevorstehendes thermisches Event hin, sodass hierdurch eine besonders frühzeitige Kühlung des betreffenden Batteriemoduls eingeleitet werden kann. Denkbar wäre es theoretisch auch, den einzelnen Austrittsöffnungen jeweils passive Verschlusseinrichtungen zuzuordnen. Eine steuerbare Ausführung des Freigebens der betreffenden Austrittsöffnungen hat jedoch den großen Vorteil, dass sich hierdurch zum einen ein selektives Ansteuern der einzelnen Austrittsöffnungen auf besonders einfache Weise umsetzen lässt, und zudem ein Freigeben bei Überschreiten eines beliebig vorgebbaren Temperaturgrenzwerts umgesetzt werden kann, der insbesondere kleiner ist als 100 Grad Celsius. Solche Verschlusseinrichtungen, wie diese oben bereits beschrieben wurden, müssen dabei nicht notwendigerweise im Bereich der jeweiligen Austrittsöffnung angeordnet sein, sondern können irgendwo in im dem betreffenden Batteriemodul zugeordneten Leitungszweig angeordnet sein.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die erste und zweite Gehäusekammer jeweils eine Abflussöffnung auf, aus welcher in die erste beziehungsweise zweite Gehäusekammer eingeführtes Kühlmedium aus der ersten beziehungsweise zweiten Gehäusekammer abführbar ist. Durch das Vorsehen einer solchen Abflussöffnung lassen sich innerhalb der Gehäusekammer definierte Strömungsbedingungen bereitstellen und zudem auch der Durchsatz an Kühlmedium erhöhen. Hierdurch kann die Kühlleistung enorm gesteigert werden. Dies ist beispielsweise besonders dann von Vorteil, wenn an dem Zuführanschluss eine externe Kühlmediumquelle angeschlossen wird, zum Beispiel durch die Feuerwehr. Durch die Feuerwehr kann entsprechend viel Kühlmedium der Kühlanordnung zugeführt werden, sodass gerade durch das Vorsehen einer Abflussöffnung in einer jeweiligen Gehäusekammer der Kühlmediumdurchsatz in der Gehäusekammer mit dem zu kühlenden Batteriemodul enorm gesteigert werden kann. Eine solche Abflussöffnung kann beispielsweise permanent offen, zum Beispiel in Form eines Lochs im Modulgehäuse und/oder Batteriegehäuse, vorgesehen sein, oder auch als im normalen Betrieb verschlossene Öffnung ausgestaltet sein, die zum Beispiel erst ab einem bestimmten Mindestdruck öffnet. Dabei kann die Abflussöffnung auch ansteuerbar ausgestaltet sein, um diese ab einem bestimmten Druck zu öffnen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn diese mit einem passiven Verschlusselement ausgestaltet ist, zum Beispiel mit einem Überdruckventil. Dies vereinfacht die Ausgestaltung der Kühlanordnung enorm. Zudem kann es sich dadurch auch bewerkstelligen lassen, dass eine solche Abflussöffnung erst dann freigegeben wird, wenn das Kühlmedium mit entsprechendem Druck in die betreffende Gehäusekammer eingeleitet wird, zum Beispiel wenn am Zuführanschluss eine externe Kühlmediumsquelle angeschlossen wird, die ein Bereitstellen des Kühlmediums am Zuführanschluss mit entsprechend hohem Druck erlaubt, wie dies zum Beispiel im Falle eines Anschließens eines Feuerwehrschlauchs der Fall ist.
  • Weiterhin kann es auch vorgesehen sein, dass, zum Beispiel wenn die Feuerwehr noch nicht vor Ort ist, eine Gehäusekammer mit einem überhitzten Batteriemodul zunächst mit einem fahrzeuginternen Kühlmedium befüllt wird, um das betreffende überhitzte Batteriemodul zu kühlen, wobei in diesem Fall die Abflussöffnung noch geschlossen bleibt. Erst wenn die Feuerwehr auftrifft und ein deutlich größeres Volumen an Kühlmedium dem Zuführanschluss bereitstellen kann, öffnet entsprechend die Abflussöffnung, sodass die Kühlleistung zur Kühlung des betreffenden überhitzten Batteriemoduls gesteigert werden kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlanordnung ein Batteriegehäuse zur Aufnahme des ersten und zweiten Batteriemoduls auf, wobei die Leitungsanordnung eine außerhalb des Batteriegehäuses angeordnete Hauptverschlusseinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine fluidische Verbindung zwischen dem Zuführanschluss und der ersten und zweiten Austrittsöffnung in einem geschlossenen Zustand zu unterbrechen und in einem geöffneten Zustand freizugeben. Eine solche Hauptverschlusseinrichtung kann zum Beispiel in Form eines Hauptventils bereitgestellt sein. Dadurch lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass im Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs das Kühlmedium, wie zum Beispiel Flüssigkeit wie zum Beispiel Wasser, von der Batterie ferngehalten wird und außerhalb des Batteriegehäuses aufbewahrt wird, zum Beispiel in einem kraftfahrzeuginternen Reservoir außerhalb der Batterie. Dadurch wird die Kurzschlussgefahr durch ein Leck in der Leitungsanordnung vermieden. Erst in einer Notsituation, in der ein Batteriemodul gekühlt werden muss, kann die Hauptverschlusseinrichtung öffnen und damit ein Strömen des Kühlmediums in die einzelnen Leitungszweige ermöglichen, die entsprechend innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet sein können. Weiterhin ist das Hauptventil beziehungsweise die Hauptverschlusseinrichtung vorzugsweise an einer Position bezogen auf die bestimmungsgemäße Strömungsrichtung des Kühlmediums vor der Verzweigung der Leitungsanordnung angeordnet, zum Beispiel in einer Hauptleitung vom Reservoir beziehungsweise vom Zuführanschluss zu den einzelnen Leitungszweigen, sodass nur ein einziges Hauptventil beziehungsweise eine einzelne Hauptverschlusseinrichtung nötig ist. Dadurch kann der Aufwand auf ein Minimum reduziert werden. Denkbar wäre es natürlich auch, eine jeweilige solche Hauptverschlusseinrichtung in außerhalb der Batterie angeordneten Teilen der einzelnen Leitungszweige anzuordnen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlanordnung mindestens eine Anschlusseinrichtung zum Anschließen eines kraftfahrzeugexternen Reservoirs, insbesondere eines Feuerwehrschlauchs, auf, die mit dem Zuführanschluss koppelbar ist oder gekoppelt ist oder durch den Zuführanschluss bereitgestellt ist. Dadurch kann also vorteilhafterweise zum Beispiel ein Feuerwehrschlauch mit dem Zuführanschluss gekoppelt werden, wodurch gerade dann, wenn mehrere Batteriemodule gekühlt werden müssen, eine besonders effiziente Kühlung bereitgestellt werden kann, da durch ein externes Reservoir, wie es von der Feuerwehr bereitgestellt werden kann, eine deutlich größere Menge an Kühlmedium zur Kühlung der Batteriemodule genutzt werden kann. Dabei ist es zudem besonders vorteilhaft, wenn mehrere solcher Anschlusseinrichtungen zum Anschließen eines kraftfahrzeugexternen Reservoirs, zum Beispiel an verschiedenen Positionen des Kraftfahrzeugs, welches die Kühlanordnung umfasst, vorgesehen sind. Mit anderen Worten können solche Anschlusseinrichtungen rund um das Fahrzeug vorgesehen sein, zum Beispiel auf der Fahrerseite und auf der Beifahrerseite, im Kofferraumbereich, im Frontbereich oder ähnliches. Dadurch kann gerade im Falle eines Unfalls, bei welchem manche Seiten eines Kraftfahrzeugs nur schwer zugänglich sein können, die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass zumindest eine der Anschlusseinrichtungen von der Feuerwehr einfach zum Anschließen eines Schlauchs erreicht werden kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kühlanordnung das Reservoir für das Kühlmedium, welches als ein kraftfahrzeuginternes Reservoir ausgebildet ist und welches mit dem Zuführanschluss fluidisch gekoppelt oder koppelbar ist. Diese Ausführungsform lässt sich insbesondere mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform, gemäß welcher mindestens eine Anschlusseinrichtung zum Anschließen eines kraftfahrzeugexternen Reservoirs vorgesehen ist, auch vorteilhaft kombinieren. Denn durch ein kraftfahrzeuginternes Reservoir, welches insbesondere mit einem Kühlmedium befüllt ist, lässt sich bereits eine Kühlung zumindest eines Batteriemoduls bereitstellen, wenn die Feuerwehr noch gar nicht vor Ort ist, wodurch wichtige zusätzliche Rettungsminuten für die Rettung von Insassen bereitgestellt werden können. Trifft die Feuerwehr dann letztendlich ein, kann diese an der Anschlusseinrichtung ein zusätzliches Kühlmedium beziehungsweise eine zusätzliche Menge an Kühlmedium, zum Beispiel Wasser, bereitstellen, um die Kühlung fortzusetzen. Als Kühlmedium eignen sich aber nicht nur Wasser, sondern auch andere Kühlmedien, gerade als Kühlmedium für das kraftfahrzeuginterne Reservoir. Vorzugsweise ist in dem Reservoir ein Kühlmedium aus der folgenden Gruppe aufgenommen: Kohlenstoffdioxid, Stickstoff oder ein zum Großteil Wasser umfassendes Kühlmedium. Das Kohlenstoffdioxid und/oder der Stickstoff können dabei flüssig und/oder gasförmig, vorzugsweise unter hohem Druck, im Reservoir aufgenommen sein. Insbesondere kann das Kraftfahrzeug, welches die Kühlanordnung umfasst, auch mehrere verschiedene kraftfahrzeuginterne Reservoirs aufweisen, die mit dem Zuführanschluss fluidisch gekoppelt oder koppelbar sind, und in welchen unterschiedliche Kühlmedien bereitgestellt sein können. Insbesondere können so auch kraftfahrzeuginterne Kühlmedien verwendet werden, die ansonsten im normalen Betrieb des Kraftfahrzeugs einen ganz anderen Zweck erfüllen. Solche anderen Kühlmedien können zum Beispiel Kühlwasser sein, mit welchem im normalen Betrieb eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Hochvolt-Batterie durchströmt wird. Es kann alternativ oder zusätzlich auch Wischwasser sein, welches üblicherweise für die Scheibenwischeranlage im Front- und Heckbereich verwendet wird. Handelt es sich beim Kraftfahrzeug beispielsweise um ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, so kann es sich auch um Wasser aus einem Wasserbehälter für eine Wassereinspritzung gemäß der Abgasnorm EU7 handeln. Weist das Kraftfahrzeug zum Beispiel eine Brennstoffzelle auf, so umfasst das Kraftfahrzeug typischerweise auch einen Wasserauffangbehälter für die Brennstoffzelle. Auch solches in einen solchen Wasserauffangbehälter abgeschiedenes Wasser kann als Kühlmedium verwendet werden. Theoretisch stehen als weitere Kühlmedien auch Getriebeöl oder Motoröl bereit. In Summe lässt sich durch solche normalerweise anderweitig verwendete Kühlmedien insgesamt ein relativ großes Volumen an Kühlmedium bereitstellen, welches in einer Notsituation vorteilhafterweise auch zur Kühlung zumindest eines Batteriemoduls genutzt werden kann. Mit anderen Worten kann die Kühlanordnung ein kraftfahrzeuginternes Reservoir aufweisen, aus welchem dem Zuführanschluss in einem ersten Betriebsmodus, welcher einen Notbetrieb darstellt, zum Beispiel mittels einer Pumpe, das im Reservoir enthaltene Kühlmedium zugeführt wird, wobei das Reservoir einer von der Hochvoltbatterie verschiedenen Einrichtung des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, welche in einem vom ersten verschiedenen zweiten Betriebsmodus mit dem Kühlmedium aus dem Reservoir versorgbar ist und/oder durch welche das Kühlmedium im Reservoir bereitstellbar ist. Dabei kann die Einrichtung eine der oben bereits genannten Einrichtungen darstellen. Es kann also vorgesehen sein, dass die Einrichtung eine Scheibenwischeranlage des Kraftfahrzeugs darstellt und das Reservoir einen Wischwasserbehälter darstellt und das Kühlmedium Wischwasser darstellt, und/oder einen Kühlmittelkreislauf zur Kühlung eines Motors des Kraftfahrzeugs und/oder eines Fahrzeuginnenraums darstellt, wobei das Reservoir einen Kühlwasserausgleichsbehälter darstellt und das Kühlmedium Kühlmittel darstellt, und/oder eine Wassereinspritzeinrichtung zur Wassereinspritzung für einen Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs, wobei das Reservoir einen Wasserbehälter der Wassereinspritzeinrichtung und das Kühlmedium Wasser für die Wassereinspritzung darstellt, und/oder eine Brennstoffzelle darstellt und das Reservoir einen Wasserauffangbehälter zum Auffangen des von der Brennstoffzelle im Betrieb ausgeschiedenen Wassers als Reaktionsprodukt darstellt und das Kühlmedium das ausgeschiedene Wasser darstellt.
  • Gerade in Kombination mit der lokalen selektiven Kühlmöglichkeit, die durch die Erfindung bereitgestellt wird, ist dies besonders vorteilhaft, da zur gezielten Kühlung einzelner oder nur eines einzigen Batteriemoduls auch nur sehr wenig an Kühlmedium erforderlich ist, sodass diese geringe Menge ohne weiteres durch die im Kraftfahrzeug üblicherweise ohnehin vorhandenen Flüssigkeiten gedeckt werden kann. Besonders vorteilhaft ist es aber vor allem auch, wenn ein kraftfahrzeuginternes Reservoir bereitgestellt ist, zum Beispiel eigens für die Zwecke des Kühlens oder Löschens zumindest eines Batteriemoduls in einer solchen Notsituation, und welches flüssiges Kohlenstoffdioxid oder flüssigen Stickstoff umfasst. Zu diesem Zweck kann das Reservoir als entsprechender Überdruckbehälter ausgebildet sein, um das Kohlenstoffdioxid beziehungsweise den Stickstoff im flüssigen Zustand zu halten. Durch flüssiges Kohlenstoffdioxid oder flüssigen Stickstoff lässt sich nämlich vorteilhafterweise eine besonders effiziente Expansionskühlung bereitstellen. Wird der flüssige Stickstoff oder das flüssige Kohlenstoffdioxid expandiert, so kann hierdurch eine enorme Temperaturerniedrigung erreicht werden, zum Beispiel bei flüssigem Kohlenstoffdioxid auf zum Beispiel -70 Grad Celsius, und bei flüssigem Stickstoff auf noch niedrigere Temperaturen.
  • Entsprechend stellt es eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Leitungsanordnung mindestens eine Expansionsvorrichtung, zum Beispiel ein Expansionsventil, aufweist, welche dazu ausgelegt ist, das Kühlmedium beim Durchströmen der Expansionsvorrichtung zu expandieren und dadurch abzukühlen, insbesondere auf eine Temperatur unter maximal -20 Grad Celsius, vorzugsweise maximal -70 Grad Celsius. Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise sogar ein Einfrieren einzelner Batteriemodule erreichen. Dies führt dann zwar zu einer irreversiblen Schädigung des betreffenden Batteriemoduls, ist aber hinsichtlich der Unterbrechung der chemischen Reaktion, die bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle abläuft, maximal effizient. Dies ist insbesondere deshalb so wirkungsvoll, da nach dem Arrhenius-Prinzip auf eine Erniedrigung der Temperatur von 10 Grad Celsius eine Halbierung der Reaktionsrate einhergeht. Die Arrhenius- Beziehung lautet dabei: k = A ∗ e − E A R ∗ T .
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  • Dabei stellt k die Reaktionsrate dar, A eine Systemkonstante, R die universelle Gaskonstante, T die Temperatur und EA die Aktivierungsenergie. Das bedeutet für eine Abkühlung von zum Beispiel 80 Grad Celsius auf -150 Grad Celsius eine Reduktion der Reaktionsgeschwindigkeit auf 0,01 Prozent. Hierdurch wird der Thermal Runaway in einer enormen Größenordnung verlangsamt und es wird effektiv mehr Zeit für die Rettung von Insassen bereitgestellt, auch bevor die Feuerwehr eintrifft. Somit können in vorteilhafter Weise durch die Kühlanordnung einzelne Batteriemodule lokal abgekühlt und eingefroren werden. Gleichzeitig wird es dabei ermöglicht, dass möglichst keine negative Beeinflussung benachbarter intakter Batteriemodule stattfindet.
  • Hierdurch resultiert also die Möglichkeit, eine thermische Propagation einzelner Batteriezellen sofort nach Detektion lokal mit Kältemittel einzufrieren. Die Reaktionsrate lässt sich dabei um das Hundertfache reduzieren. Eine effektive Verlängerung der Rettungszeit, bis die Feuerwehr eintrifft beziehungsweise während die Feuerwehr bereits an der Rettung arbeitet, kann ebenso bereitgestellt werden. Ein weiterer positiver Nebeneffekt besteht zudem darin, dass Stickstoff, das heißt N2, und Kohlenstoffdioxid, das heißt CO2, Löschgase sind, welche zusätzlich eine flammenerstickende Wirkung haben.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt eine Kühlanordnung zum Kühlen zumindest eines Batteriemoduls einer Hochvolt-Batterie, die eine Leitungsanordnung aufweist, welche einen Zuführanschluss zum Koppeln mit einem Reservoir für ein Kühlmedium zum Kühlen des zumindest einen Batteriemoduls aufweist, und eine Austrittsöffnung, die zumindest dem zumindest einen Batteriemodul zugeordnet ist, wobei die Leitungsanordnung dazu ausgebildet ist, ein am Zuführanschluss bereitgestelltes Kühlmedium zur ersten Austrittsöffnung zu führen. Dabei weist die Leitungsanordnung weiterhin eine mindestens eine Expansionsvorrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, das Kühlmedium beim Durchströmen der mindestens einen Expansionsvorrichtung zu expandieren, wobei die Kühlanordnung ein Batteriegehäuse zur Aufnahme des zumindest einen Batteriemoduls aufweist, und wobei die Austrittsöffnung derart in Bezug auf das Batteriegehäuse angeordnet ist, dass das von der mindestens einen Expansionsvorrichtung expandierte Kühlmedium über die Austrittsöffnung in ein Inneres des Batteriegehäuses führbar ist, sodass das Kühlmedium in direkten Kontakt mit zumindest einer Batteriezelle des Batteriemoduls bringbar ist.
  • Hieraus resultieren Vorteile, wie sie bereits zu Ausführungsformen, insbesondere zur letzten Ausführungsform, der Kühlanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Durch eine solche Expansionsvorrichtung lässt sich also vorteilhafterweise eine Expansionskühlung zur Kühlung zumindest eines Batteriemoduls bereitstellen, durch welche sich enorm tiefe Temperaturen erzielen lassen, insbesondere wenn als Kühlmedium beispielsweise Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid verwendet wird. Die Verwendung eines Edelgases, zum Beispiel Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, ist ebenso denkbar, sowie beliebige Gemische aus den genannten Gasen. Insbesondere kann, wie oben beschrieben, hierdurch ein Einfrieren eines Batteriemoduls erreicht werden. Im Übrigen können die genannten Komponenten der Kühlanordnung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, also zum Beispiel der Zuführanschluss, die Austrittsöffnung, die Leitungsanordnung sowie auch optionale weitere Komponenten, wie zum Beispiel die Batteriemodule, die Hochvolt-Batterie, das Batteriegehäuse wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben, ausgebildet sein. Zudem ermöglichen auch die zum ersten Aspekt der Erfindung beschriebenen Merkmale die Weiterbildung der Kühlanordnung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung durch korrespondierende Merkmale, und umgekehrt.
  • Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlanordnung gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung oder einer ihrer Ausgestaltungen zur Erfindung gehörend angesehen werden. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das Kraftfahrzeug einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel und einem Kältemittelverdichter aufweist, wobei das Reservoir Teil des Kältemittelkreislaufs ist, wobei die Kühlanordnung dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebsmodus, welcher einen Notbetrieb darstellt, das Kältemittel als das Kühlmedium dem Zuführanschluss zuzuführen, und in einem zweiten vom ersten verschiedenen Betriebsmodus ein Kühlmittel des Kraftfahrzeugs in einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs mittels des Kältemittelkreislaufs zu temperieren. Der Kältemittelkreislauf stellt dabei vorteilhafterweise ein Kühlmedium bereit, welches sich gleichzeitig zum Kühlen und/oder Löschen zumindest eines Batteriemoduls eignet, und welches zudem für eine Expansionskühlung, wie oben beschreiben, sehr gut eignet, zum Beispiel Kohlenstoffdioxid. Gerade mit der optionalen Kombination der lokalen, modulspezifischen Kühl- und/oder Löschmöglichkeit kann eine sofortige und besonders effektive Kühlung und Löschung bereitgestellt werden.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung gemäß der ersten Aspekt auch ein Verfahren zum Kühlen zumindest eines ersten und/oder zweiten Batteriemoduls einer Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug mittels einer Kühlanordnung, die eine Leitungsanordnung aufweist, welche einen Zuführanschluss zum Koppeln mit einem Reservoir für ein Kühlmedium zum Kühlen des zumindest einen ersten und/oder zweiten Batteriemoduls aufweist, eine erste Austrittsöffnung, die zumindest dem ersten Batteriemodul zugeordnet ist, und eine zweite Austrittsöffnung, welche zumindest dem zweiten Batteriemodul zugeordnet ist. Die Leitungsanordnung ist dabei verzweigt ausgebildet und weist einen ersten Leitungszweig und einen vom ersten Leitungszweig verschiedenen zweiten Leitungszweig auf, wobei ein am Zuführanschluss bereitgestelltes Kühlmedium über den ersten Leitungszweig zur ersten Austrittsöffnung und über den zweiten Leitungszweig zur zweiten Austrittsöffnung geführt wird und in Abhängigkeit von zumindest einem Parameter, zum Beispiel der Temperatur eines Batteriemoduls, selektiv aus der ersten Austrittsöffnung und/oder der zweiten Austrittsöffnung ausgeführt wird. Der Parameter kann also die Temperatur des betreffenden Batteriemoduls und/oder auch einen Temperaturgradienten darstellen oder auch eine andere Steuergröße. Eine solche andere Steuergröße ist dabei vorzugsweise dazu ausgelegt, einen kritischen Zustand zumindest einer Batteriezelle eines Batteriemoduls zu charakterisieren. Die für die erfindungsgemäße Kühlanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und ihren Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt auch ein Verfahren zum Kühlen zumindest eines Batteriemoduls einer Hochvolt-Batterie mittels einer Kühlanordnung, welche eine Leitungsanordnung aufweist, die einen Zuführanschluss zum Koppeln mit einem Reservoir für ein Kühlmedium zum Kühlen des zumindest einen Batteriemoduls und eine Austrittsöffnung aufweist, die dem zumindest einen Batteriemodul zugeordnet ist, wobei mittels der Leitungsanordnung ein am Zuführanschluss bereitgestelltes Kühlmittel zur ersten Austrittsöffnung geführt wird. Dabei weist die Leitungsanordnung weiterhin eine Expansionsvorrichtung auf, welche das Kühlmedium beim Durchströmen der Expansionsvorrichtung expandiert. Weiterhin wird das von der Expansionsvorrichtung expandierte Kühlmedium über die Austrittsöffnung in ein Inneres eines Batteriegehäuses zur Aufnahme des zumindest einen Batteriemoduls geführt, sodass das Kühlmedium in direkten Kontakt mit zumindest einer Batteriezelle des Batteriemoduls gebracht wird.
  • Auch hier gelten die im Zusammenhang mit der gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschriebenen Kühlanordnung genannten Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren gemäß diesem zweiten Aspekt der Erfindung.
  • Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlanordnungen gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung hier nicht noch einmal beschrieben.
  • Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
  • Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
    • 1 eine schematische Explosionsdarstellung einer Kühlanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    • 2 eine schematische Explosionsdarstellung einer Kühlanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    • 3 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Kühlanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
    • 4 eine schematische Darstellung einer Hochvolt-Batterie mit mehreren Batteriemodulen für eine Kühlanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
  • 1 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung einer Kühlanordnung 10a gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kühlanordnung 10a ist dabei zum Kühlen zumindest eines Batteriemoduls 12 einer Hochvolt-Batterie 14 vorgesehen. Die Hochvolt-Batterie 14 sowie das zumindest eine Batteriemodul 12 sind in diesem Beispiel lediglich schematisch dargestellt. Eine etwas realistischere Abbildung ist zum Beispiel in 4 gezeigt, welche eine schematische und perspektivische Darstellung einer Hochvolt- Batterie 14 mit mehreren Batteriemodulen 12 zeigt, von denen lediglich eines aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die einzelnen Batteriemodule 12 können dabei jeweils mehrere Batteriezellen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, umfassen, die in einem Zellpack angeordnet sind. Dieser Zellpack kann wiederum in einem Modulgehäuse 16 des Batteriemoduls 12 angeordnet sein. Weiterhin können die Batteriemodule 12 in einem Batteriegehäuse 18 (siehe 4) angeordnet sein, welches in 4 lediglich schematisch und gestrichelt dargestellt ist, und welches eine Gehäusedeckel 20 aufweisen kann.
  • In 1 ist die Hochvolt-Batterie 14 sowie ein einzelnes Batteriemodul 12 jeweils schematisch als ein Quader illustriert. Die Kühlanordnung 10a weist weiterhin eine Leitungsanordnung 22 auf. Die Leitungsanordnung 22 ist weithin verzweigt ausgebildet und weist entsprechend mehrere den einzelnen Batteriemodulen 12 zugeordnete Leitungszweige 24 auf. Diese Leitungszweige 24 können insbesondere Teil einer Verteilungsvorrichtung 26 der Kühlanordnung 10a sein. Die Kühlanordnung 10a weist weiterhin einen Zuführanschluss 28 zum Koppeln mit einem Reservoir 30 für ein Kühlmedium 32 auf. Das Reservoir 30 kann beispielsweise ein kraftfahrzeuginternes Reservoir darstellen oder auch kraftfahrzeugextern bereitgestellt sein, zum Beispiel von einer Feuerwehr. Mit anderen Worten kann der Zuführanschluss 28, der Teil des Kraftfahrzeugs ist, in welchem die Kühlanordnung 10a bestimmungsgemäß Anwendung finden soll, sein. An diesem Zuführanschluss 28 kann dann entweder ein kraftfahrzeuginternes Reservoir 30 angeschlossen sein und/oder dieser Zuführanschluss kann zum Beispiel auch mit einem Feuerwehrschlauch gekoppelt werden, der dann den entsprechenden Zuführanschluss mit einem kraftfahrzeugexternen Reservoir 30 verbindet. Letztendlich kann über diesen Zuführanschluss 28 ein Kühlmedium 32 der Leitungsanordnung 22 zugeführt und über die Verteilungsvorrichtung 26 verteilt zu den einzelnen Batteriemodulen 12 geleitet werden. Um eine lokale und selektive Modulkühlung zu ermöglichen, ist vorzugsweise ein Leitungszweig 24 pro Batteriemodul 12 vorgesehen, welcher zudem eine dem betreffenden Batteriemodul 12 zugeordnete Austrittsöffnung 34 aufweist. Zur Veranschaulichung dieser Zuordnung ist die Verteilungsvorrichtung 26 in 1 schematisch in einzelne quadratische Segmente 36 untergliedert, von welchen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eins mit einem Bezugszeichen versehen ist. Mit anderen Worten müssen diese Segmente 36 nicht notwendigerweise gegenständlich bereitgestellt sein, sondern veranschaulichen lediglich die Gliederung der Verteilungsvorrichtung 26 in einzelne, den jeweiligen Batteriemodulen 12 zugeordnete Segmente 36. Dabei ist vorzugsweise eine jeweilige Austrittsöffnung 34 direkt oberhalb des zugeordneten Batteriemoduls 12 angeordnet. Insbesondere mündet diese Austrittsöffnung 34, welche einem jeweiligen Batteriemodul 12 zugeordnet ist, in das Innere des Modulgehäuses 16 (vergleiche 4). Auf diese Weise ist es möglich, das Kühlmedium 32 dem betreffenden Batteriemodul 12 derart zuzuführen, dass dieses in direktem Kontakt mit den vom Batteriemodul 12 umfassten Batteriezellen gebracht werden kann. Gerade im Fall einer thermisch propagierenden Batteriezelle lässt sich hierdurch am effektivsten eine Verlangsamung oder sogar Unterbrechung der in der Batteriezelle ablaufenden chemischen Reaktion bereitstellen. Die Hochvolt-Batterie 14 umfasst also mehrere Batteriemodule 12, welche sich direkt unterhalb der Verteilungsvorrichtung 26 befinden, welche wiederum einzelne Löschvorrichtungssegmente, das heißt die Segmente 36, bereitstellt. Ein jeweiliges Löschvorrichtungssegment 36 besitzt wiederum mindestens eine Austrittsöffnung 34, welche zum Beispiel als eine Wassereinleitungsstelle ausgebildet sein kann. Diese einzelnen Austrittsöffnungen 34 münden also in die einzelnen Batteriemodule 12. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Austrittsöffnung pro Batteriemodul 12, da sich hierdurch eine besonders hohe Auflösung der lokalen Löschmöglichkeit bereitstellen lässt. Ebenso wäre aber auch eine Clusterung mehrerer Batteriemodule 12 pro Löschvorrichtungssegment 36 möglich. Mit anderen Worten kann einem Löschvorrichtungssegment 36 nicht nur ein einzelnes Batteriemodul 12, sondern zum Beispiel eine Gruppe mit mehreren Batteriemodulen zugeordnet sein. Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein HV-Batteriedeckel, wie zum Beispiel der Gehäusedeckel 20 (vergleiche 4), von oben abschließt, wie dies zum Beispiel auch in 3 illustriert ist. Mit anderen Worten befindet sich vorzugsweise die Verteilungsvorrichtung 26 zwischen einem solchen Batteriedeckel 20 und den Batteriemodulen 12. Um nun zu ermöglichen, dass ein überhitztes Batteriemodul 12 gezielt gekühlt wird, indem diesem Batteriemodul 12 ein Teil des Kühlmediums 32 zugeführt wird, während die übrigen Batteriemodule 12 davon weitestgehend unberührt bleiben, ist weiterhin jedem Leitungszweig 24 eine Verschlusseinrichtung zum Beispiel in Form eines Zuschaltventils 38 zugeordnet. In diesem Beispiel sind die Zuschaltventile 38 zu Beginn eines jeweiligen Leitungszweigs 34 in der bestimmungsgemäßen Strömungsrichtung des Kühlmediums 32 angeordnet. Grundsätzlich können diese Zuschaltventile an beliebiger Stelle irgendwo in einem jeweiligen Leitungszweig 34, zum Beispiel auch im Bereich der jeweiligen Austrittsöffnungen 34, angeordnet sein. Durch diese Zuschaltventile 38 lässt sich vorteilhafterweise der Zufluss des Kühlmediums 32 in die jeweiligen Leitungszweige 24 separat und unabhängig voneinander steuern. Entsprechend sind diese Zuschaltventile auch vorzugsweise als steuerbare Ventile ausgebildet.
  • Weiterhin kann auch eine hier nicht explizit dargestellte Sensoreinrichtung vorgesehen sein, die dazu ausgelegt ist, die Temperaturen der jeweiligen Batteriemodule 12 zu erfassen. Zu diesem Zweck kann die Sensoreinrichtung Temperaturfühler umfassen, welche gemäß dem Stand der Technik ohnehin bereits ortsaufgelöst die Temperaturen für jede Batteriezelle messen können und in den entsprechenden Batteriemodulen verbaut sein können. Registrieren also die Temperaturfühler, dass ein kritischer Temperaturanstieg in einem oder mehreren Batteriemodulen 12 erfolgt, so können unmittelbar nach diesem Registrieren und noch vor Eintreffen der Feuerwehr und auch vor bzw. zeitgleich zum Auslösen eines Notrufs zum Beispiel im Kraftfahrzeug vorhandene flüssige Medien, zum Beispiel Kühlwasser, Wischwasser, Getriebeöl, Motoröl, Wasser im Wasserbehälter für eine Wassereinspritzung bei einem vorhandenen Verbrennungsmotor, Wasser im Wasserauffangbehälter einer Brennstoffzelle, falls vorhanden, als Kühlmedium 32 für die lokale Batteriemodulkühlung beziehungsweise -löschung verwendet werden. Die lokale Verwendung der fahrzeuginternen Medien als Kühlmedium 32 wird durch die selektive Öffnung der betreffenden Austrittsöffnungen bereitgestellt. Dabei kann es vorgesehen sein, dass diese Austrittsöffnungen zusätzlich zu den vorhandenen Zuschaltventilen 38 geöffnet oder geschlossen werden können, um das Einleiten des betreffenden Kühlmediums 32 in die jeweiligen Batteriemodule 12 freizugeben oder zu sperren. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass diese Austrittsöffnungen lediglich als nicht verschließbare Öffnungen vorgesehen sind und die Steuerung des Austritts des Kühlmediums 32 durch diese Austrittsöffnungen 34 allein über die Zuschaltventile 38 erfolgt. Entsprechend wird dann das Kühlmedium 32 den betreffenden ausgewählten Batteriemodulen 12 zugeführt und diese dadurch gekühlt beziehungsweise gelöscht.
  • Weiterhin kann auch ein Ablauf 40, vorzugsweise pro Batteriemodul 12, vorgesehen sein, insbesondere ein verschließbarer Ablauf 40, der geöffnet werden kann, um zum Beispiel den Wasserdurchsatz oder im Allgemeinen den Durchsatz des Kühlmediums zu erhöhen, oder um ein Volllaufen des Batteriemoduls 12 zu realisieren. Der Ablauf 40 kann dabei auch passiv ausgestaltet sein, zum Beispiel automatisch bei entsprechend hohem Druck oder entsprechend hoher Temperatur öffnen, oder auch aktiv angesteuert werden. Der Ablauf 40 kann reversibel öffenbar und verschließbar ausgebildet sein, oder auch irreversibel öffenbar, zum Beispiel als Berstelement oder Berstmembran.
  • Um gezielt einzelne Batteriemodule 12 kühlen zu können, insbesondere ohne Auswirkungen auf benachbarte intakte Batteriemodule 12, ist es weiterhin bevorzugt, wenn die jeweiligen Batteriemodule 12 in einer zugeordneten Gehäusekammer 42 angeordnet sind, welche schematisch in 1 als die Wand des dargestellten Quaders, welcher das Batteriemodul 12 veranschaulicht, bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann diese Gehäusekammer 42 auch auf besonders einfache Weise durch die zu 4 beschriebenen Modulgehäuse 16 bereitgestellt sein, in welchen die Zellpacks angeordnet sind. Der oben genannte Ablauf 40 kann dann zum Beispiel in einer Wand eines solchen Modulgehäuses 16 angeordnet sein.
  • Die Begriffe „oben“ und „unten“ beziehen sich vorliegend auf die bestimmungsgemäße Einbaulage der Kühlanordnung 10a und der Batterie 14 in einem Kraftfahrzeug. Bezüglich dieser bestimmungsgemäßen Einbaulage ist es weiterhin bevorzugt, dass der Ablauf 40 nicht, wie in 1 dargestellt, an einer Unterseite der Gehäusekammer 40 beziehungsweise des Modulgehäuses 16 angeordnet ist, sondern vorzugsweise an einer Seitenwand des Modulgehäuses 16, welche von einer Oberseite und einer Unterseite des Modulgehäuses verschieden ist, wobei die Oberseite des Modulgehäuses 16 der Verteilungsvorrichtung 26 zugewandt ist. Das Vorsehen des Ablaufs 40 in einer Seitenwand des Modulgehäuses 16 hat den Vorteil, dass der Ablauf 40 nicht durch die im Modulgehäuse 16 angeordneten Batteriezellen verblockt wird. Die Batteriezellen sind nämlich typischerweise am Boden des betreffenden Modulgehäuses 16, das heißt auf dessen Unterseite, angeordnet, um diese über diese Unterseite an eine Batteriekühlung zur Kühlung der Batterie 14 im normalen Betrieb anzubinden.
  • Möchte man also eine bestimmte Gehäusekammer 15 zur Kühlung des darin enthaltenen Batteriemoduls 12 volllaufen lassen oder steht initial, zum Beispiel vor Eintreffen der Feuerwehr, nicht viel Kühlmedium 32 bereit, so kann zunächst der zugeordnete Ablauf 40 geschlossen bleiben. Trifft die Feuerwehr ein und stellt zusätzliches Kühlmedium am Zuführanschluss 28 bereit, so kann entsprechend zur Erhöhung der Durchflussmenge und zur Effizienzsteigerung der Kühlung der betreffende Ablauf 40 geöffnet werden. Um das Anschließen eines kraftfahrzeugexternen Reservoirs 30 zu ermöglichen, ist es also vorteilhaft, mindestens einen Anschluss am Gesamtfahrzeug bereitzustellen, der mit dem Zuführanschluss 28 gekoppelt ist oder koppelbar ist. Für den Fall, dass die Feuerwehr beim Fahrzeug eintrifft, kann diese dann über diesen Anschluss am Gesamtfahrzeug Wasser oder ein anderes Kühlmedium über die Zuleitung 44, die insbesondere den Zuführanschluss 28 mit der Verteilungsvorrichtung 26 fluidisch verbindet, in die Verteilungsvorrichtung 26 einbringen und die propagierenden Batteriemodule 12 löschen. Ein solcher Außenanschluss am Kraftfahrzeug ist dann entsprechend von außerhalb des Kraftfahrzeugs zugänglich. Um Missbrauch zu vermeiden, können solche Außenanschlüsse eine Sicherung aufweisen, die zum Beispiel durch ein Überdruckventil bereitgestellt werden kann, welches die fluidische Verbindung zwischen dem Außenanschluss und dem Zuführanschluss erst freigibt, wenn ein bestimmter Mindestdruck überschritten wird. Dieser bestimmte Mindestdruck ist so bemessen, dass dieser von einem durchschnittlichen Wasserdruck, der über einen Feuerwehrschlau normalerweise bereitgestellt wird, ohne Weiteres überschritten wird.
  • Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die einzelnen Gehäusekammern 42, also beispielsweise die jeweiligen Modulgehäuse 16, wasserdicht ausgelegt sind, sodass das eingeleitete Löschwasser nicht auf intakte Batteriemodule 12 negativ einwirken kann. Zudem ist es äußerst vorteilhaft, wenn die Batteriemodule 12 zueinander zusätzlich thermisch isoliert sind, sodass ein Überschlagen des Brandes auf intakte Batteriemodule weiter gehemmt wird.
  • Weiterhin kann die lokale Ansteuerung technisch über die bereits beschriebenen Zuschaltventile 38 in der Verteilervorrichtung 26 realisiert werden, welche die Zuleitung in das jeweilige Löschvorrichtungssegment 36 gezielt ansteuert. Das Wasser oder im Allgemeinen das Kühlmedium 32 wird dann aus der Austrittsöffnung 34, zum Beispiel der Wassereinleitungsstelle, in das betreffende Batteriemodul 12 geleitet. Die Zuschaltventile 34 können innerhalb oder außerhalb des Batteriegehäuses 18 angeordnet sein. Es ist natürlich ebenso möglich, mehrere Zuschaltventile 38 gleichzeitig zu öffnen, beispielsweise um benachbarte Batteriemodule 12 vorsorglich zu fluten und zu kühlen, um ein Überspringen des Brandes hinauszuzögern. Mit anderen Worten wird, zum Beispiel in Abhängigkeit der erfassten Modultemperatur, detektiert, dass ein Batteriemodul 12 überhitzt ist und gegebenenfalls ein thermisches Event bevorsteht, so kann durch entsprechende Ansteuerung des zugeordneten Zuschaltventils 38 dieses Modul 12 gezielt mit dem Kühlmedium 32 durch Zuführung in das Modulgehäuse 16 gekühlt werden. Zusätzlich können in diesem Fall auch die den benachbarten Batteriemodulen 12 zugeordneten Zuschaltventile 38 geöffnet werden, um auch diese Batteriemodule 12 vorsorglich zu fluten, selbst wenn deren Modultemperatur einen vorgegebenen Grenzwert noch nicht überschritten hat oder kein thermisches Event anderweitig für diese Batteriemodule 12 prognostiziert wurde. Dadurch kann die Sicherheit weiter gesteigert werden.
  • Weiterhin ist die Hochvolt-Batterie 14 mit der beschriebenen Kühlanordnung 10a in einem Kraftfahrzeug derart verbaut, dass sich die Hochvolt-Batterie 14 mit der Kühlanordnung 10a, zumindest mit der Verteilungsvorrichtung 26, unterhalb des Fahrzeugunterbodens befindet. Zwischen dem Fahrzeugunterboden und der Hochvolt-Batterie 14 mit der Verteilungsvorrichtung 26 ist dabei vorzugsweise ein Luftspalt vorbestimmter Breite. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Kühlanordnung 10a weiterhin so ausgebildet ist, dass beispielsweise auch dieser Luftspalt gelöscht werden kann. Zu diesem Zweck können eine oder mehrere weitere Leitungszweige von der Leitungsanordnung 22 umfasst sein, die zum Beispiel diesem Luftspalt zugeordnet sind und über welche ganz analog Kühlmedium 32 gezielt und selektiv in diesen Luftspalt einführbar ist.
  • Wie beschrieben, kann als Kühlmedium Wasser 32 verwendet werden, das zum Beispiel extern über die Feuerwehr bereitgestellt werden kann oder auch durch interne Wasservorräte bereitgestellt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass als Kühlmedium 32 Stickstoff und/oder Kohlenstoffdioxid verwendet wird. Dieses kann als verflüssigtes oder stark komprimiertes Gas im Reservoir 30, welches dann vorzugsweise ein kraftfahrzeuginternes Reservoir 30 darstellt, gespeichert sein. In diesem Zusammenhang ist es zusätzlich besonders vorteilhaft, wenn die Kühlanordnung 10a weiterhin ein Expansionsventil 46 aufweist. Dieses kann beispielsweise im Bereich des Zuführanschlusses 28 bereitgestellt sein, wie dies beispielhaft in 1 veranschaulicht ist, oder aber auch an beliebig anderer Stelle der Leitungsanordnung 22. Vorteilhaft ist es zum Beispiel, wenn das Expansionsventil 46 in einem Bereich vor der Verzweigung der Leitungsanordnung 22 bereitgestellt ist, da dann zur Expansion des Kühlmediums 32 lediglich ein einziges Expansionsventil 46 ausreichend ist und die Leitungszweige dann für geringere Drücke ausgelegt sein können und damit einfacher ausgebildet werden können. Alternativ könnten aber auch in einem jeweiligen Leitungszweig 24 Expansionsventile 46 angeordnet sein. Beispielsweise könnten auch die Zuschaltventile 34 als solche Expansionsventile ausgebildet sein oder die Expansionsventile können im Bereich der jeweiligen Austrittsöffnungen 34 bereitgestellt sein. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders lokale und effiziente Kühlung mit minimalen Kühlverlusten.
  • Durch Expansion dieses stark komprimierten Kühlmediums 32 kann vorteilhafterweise ein Einfrieren mindestens eines Hochvolt-Batteriemoduls 12 bereitgestellt werden, welches thermisch propagiert. Zum Einfrieren wird eine sogenannte Expansionskühlungsvorrichtung verwendet, welche das genannte mindestens eine Expansionsventil 46 umfasst. Weiterhin kann die Expansionskühlung über einen Vorratsbehälter, dem genannten Reservoir 30, mit verflüssigtem oder stark komprimiertem Gas, welches bevorzugt nicht brennbar ist, also zum Beispiel Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid, oder durch den fahrzeuginternen Kältemittelkreislauf gespeist werden. Hierzu lässt sich gleichzeitig auch der Kältemittelverdichter, der im Kältemittelkreislauf im Fahrzeug vorhanden ist, wenn zum Beispiel CO2 als Kältemittel für Klimaanlagen verwendet wird, genutzt werden. Alternativ könnte auch eine separate Verdichtereinheit zu diesem Zweck ins Fahrzeug integriert werden. Eine solche Verdichtereinheit kann dann ebenso Teil der beschriebenen Kühlanordnung 10a sein. Das verflüssigte oder stark komprimierte Arbeitsgas wird als Kühlmedium 32 dann wiederum über Ventile und Zuleitungen zu einem lokalen Punkt in der Hochvolt-Batterie 14 geführt, wie dies bereits für ein allgemeines Kühlmedium 32 ausführlich beschrieben wurde. Dieses Arbeitsgas kann dann beispielsweise im Bereich der Austrittsöffnungen 34 über ein dort angeordnetes Expansionsventil 46 in das betreffende Batteriemodul 12 hineinexpandiert werden, oder kann bereits schon früher als expandiertes Gas, zum Beispiel durch das im Bereich des Zuführanschlusses 28 angeordnete Expansionsventil 46, expandiert bereitgestellt werden, um dieses dann zu den jeweiligen gewünschten Austrittsöffnungen 34 zu leiten. Durch die Expansion des Arbeitsgases kommt es zu einem signifikanten Temperaturabfall. Rechnerisch kommt man über das ideale Gasgesetz bei Drücken von bereits 4 bar, zum Beispiel des initial unter Druck gespeicherten Arbeitsgases, auf zirka -70 Grad Celsius, wenn dieses auf einen Normaldruck von 1 bar expandiert wird. Bei einem Anfangsdruck des Arbeitsgases von 80 bar beispielsweise auf zirka -180 Grad Celsius, wobei die genauen Werte abhängig vom verwendeten Gas und den Ventilen sind. Entsprechend ist es vorteilhaft, einen möglichst hohen Gas- oder Flüssigkeitsdruck im Reservoir 30 bereitzustellen, der vorzugsweise bei zirka 80 bar liegt, beziehungsweise zumindest größer als 10 bar ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn es je ein Expansionsventil 46 pro Batteriemodul 12 gibt, welches dann in der dem Batteriemodul 12 zugeordneten Leitung beziehungsweise dem zugeordneten Leitungszweig 24, zum Beispiel direkt an der Austrittsöffnung 34, angeordnet ist, da bei einem detektierten Thermal Runaway mit einer Temperatur größer 80 Grad Celsius sofort mit dem Kältemittel eine signifikante Temperaturerniedrigung, insbesondere unter -100 Grad Celsius, im betreffenden Batteriemodul 12 eingestellt werden kann. Dadurch kann der Thermal Runaway in einer enormen Größenordnung verlangsamt werden. Wenngleich auch ein Expansionsventil 46 pro Batteriemodul 12 vorteilhaft ist, wäre auch hier ebenso eine Clusterung mehrerer Batteriemodule 12 pro Expansionsvorrichtungssegment 36 möglich.
  • Registrieren also wiederum die Temperaturfühler, welche gemäß Stand der Technik heute bereits ortsaufgelöst Temperaturen für jede Batteriezelle messen, dass ein kritischer Temperaturanstieg erfolgt, könnte unmittelbar vor Eintreffen der Feuerwehr das Kältemittel für das Einfrieren der Batterie verwendet werden. Optional kann auch in diesem Fall wiederum ein Ablauf 40 im Batteriemodul 12, insbesondere im Modulgehäuse 16, wie bereits beschrieben, vorgesehen sein beziehungsweise geöffnet werden, um den Kältemitteldurchsatz gegebenenfalls zu erhöhen oder um ein Volllaufen der Zelle beziehungsweise des Moduls 12 zu realisieren. Auch in diesem Fall kann der Ablauf 40 wiederum passiv, zum Beispiel als Berstventil oder Berstmembran oder im Allgemeinen druck- und/oder temperaturgesteuert, ausgebildet sein, oder stattdessen auch aktiv ansteuerbar ausgebildet sein.
  • Auch ist es hier wiederum denkbar, dass die Feuerwehr beim Fahrzeug eintrifft und diese dann über den externen Anschluss am Gesamtfahrzeug zusätzliches Kältemittel zuführt, sodass über die Zuleitung 44 die Einfrierung der Batteriemodule 12 dauerhaft erfolgen kann.
  • Auch in diesem Beispiel können die betreffenden Batteriemodule in einer besonders vorteilhaften Ausführung wiederum fluid- und gasdicht ausgelegt sein, sodass das eingeleitete gasförmige Kältemittel nicht auf intakte Batteriemodule 12 negativ einwirken kann. Auch hier ist es wiederum denkbar, mehrere Zuschaltventile 38 gleichzeitig zu öffnen, beispielsweise um benachbarte Batteriemodule 12 vorsorglich mit dem gasförmigen Kältemittel zu fluten und zu kühlen, um ein Überspringen des Brandes hinauszuzögern.
  • Darüber hinaus können die einzelnen Leitungszweige 24 beziehungsweise im Allgemeinen die Verteilungsvorrichtung 26 durch Leitungsrohre und/oder Leitungsschläuche oder ähnliches bereitgestellt sein. Alternativ können diese Leitungen der Verteilungsvorrichtung 26 aber auch in eine Platte integriert sein. Dies ist schematisch in 2 dargestellt.
  • 2 zeigt wiederum eine schematische Darstellung einer Kühlanordnung 10b gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel ist die Verteilungsvorrichtung 26 nun durch eine Platte 48 bereitgestellt, in welche die in 1 explizit dargestellten Leitungen, das heißt die Leitungszweige 24, sowie die die einzelnen Leitungszweige 24 miteinander verbindenden Querleitung 50 integriert sein können und in 2 daher nicht mehr explizit dargestellt sind. Diese Platte kann entsprechend unterseitig die betreffenden Austrittsöffnungen 34, die in die jeweiligen zugeordneten Batteriemodule 12 münden, aufweisen. Auch im Übrigen kann die Kühlanordnung 10b wie zu 1 beschrieben ausgebildet sein. Auch können die genannten Verschlusseinrichtungen und Ventile wie zu 1 beschrieben in die einzelnen Leitungen integriert sein, selbst wenn diese in der Platte 48 verlaufen.
  • Gerade im Zusammenhang mit der oben erwähnten Expansionskühlung kann es zudem auch vorgesehen sein, dass in diesem Beispiel die Zuführung des Kältemittels zu den einzelnen Batteriemodulen 12 nicht separat und unabhängig voneinander gesteuert werden können. Beispielsweise kann das Kältemittel zum Einfrieren der gesamten Hochvolt-Batterie 14 im detektierten Notfall auch einfach in alle Batteriemodule 12 eingeleitet werden. Eine selektive Zuleitung ist dennoch bevorzugt, da dies gerade bei einem geringen Kältemittelvorrat einen gezielten Einsatz ermöglicht.
  • 3 zeigt nunmehr eine schematische Darstellung einer Kühlanordnung 10a, 10b mit einer Hochvolt-Batterie 14, wobei die Kühlanordnung 10a, 10b wie zu 1 und/oder zu 2 beschrieben ausgebildet sein kann. Zusätzlich ist in dieser Darstellung noch der oben erwähnte Gehäusedeckel 20 dargestellt, der als Teil eines Batteriegehäuses 18 aufgefasst werden kann und welcher im vorliegenden Beispiel auf der Verteilungsvorrichtung 26 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Verteilungsvorrichtung 26 in die Batterie 14 integriert. Die Zuführung des Kühlmediums 42 erfolgt über die Zuführleitung 44. Die Verteilervorrichtung 26 muss aber nicht zwingend in die Batterie 14 integriert sein. Denkbar wäre auch eine Anordnung der Verteilervorrichtung 26 außerhalb der Batterie 14, zum Beispiel über der Batterie 14, d.h. über dem Gehäusedeckel 20, mit entsprechenden Zuleitungen in die HV-Batterie 14, die dann entsprechend durch den Gehäusedeckel 20 geführt sein können.
  • Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Kühlanordnung bereitgestellt werden kann, die eine lokale Batteriemodullöschung einer Hochvolt-Batterie im Falle einer Thermal Propagation ermöglicht, sowie eine Expansionskühlung für eine thermisch propagierende HV-Batterie zum Einfrieren des Batteriebrandes. Durch die Erfindung und ihre Ausführungsformen wird es dann vorteilhafterweise ermöglicht, eine thermische Propagation einzelner Batteriezellen sofort nach Detektion lokal mit fahrzeuginternen Medien zu kühlen beziehungsweise zu löschen. Hierzu ist durch das lokale Löschen ein äußerst geringer Wasserbedarf beziehungsweise Kühlmittelbedarf nötig. Durch eine thermische Isolierung und eine wasserdichte Auslegung einzelner Batteriemodule kann die Brandausbreitung gehemmt werden, was insgesamt zu einer äußerst geringen Beschädigung des Gesamtfahrzeugs durch ein solches Kühl- oder Löschmanöver führt. Außerdem werden intakte Batteriezellen nicht unnötig negativ vom Löschwasser beziehungsweise Kühlmedium beeinflusst und eine effektive Erhöhung der Rettungszeit, auch bevor die Feuerwehr eintrifft, kann bereitgestellt werden. Weiterhin kann hierdurch für eine erhöhte Sicherheit für die Feuerwehr und umstehende Personen und Infrastrukturen gesorgt werden. Zudem ist zur Umsetzung lediglich ein kleiner Eingriff in die bestehende Fahrzeugstruktur erforderlich, sodass hier nur geringe Mehrkosten entstehen. Zudem birgt die Erfindung ein hohes Potential für branchenübergreifende Normen und Standardisierung. Gerade bei Verwendung einer Expansionskühlung wird es zusätzlich ermöglicht, einzelne Batteriezellen und Module sofort nach Detektion lokal mit Kältemittel einzufrieren, wodurch die Reaktionsrate um das Hundertfache reduziert werden kann. Dies führt zu einer effektiven Verlängerung der Rettungszeit, bis die Feuerwehr eintrifft beziehungsweise wenn die Feuerwehr bereits an der Rettung arbeitet. Da vor allem Stickstoff und Kohlenstoffdioxid Löschgase sind, kann zusätzlich ihre flammenerstickende Wirkung genutzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 3204978 B1 [0004]
    • DE 202007011578 U1 [0005]
    • DE 102016200368 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Kühlanordnung (10a, 10b) zum Kühlen zumindest eines ersten und/oder zweiten Batteriemoduls (12) einer Hochvolt-Batterie (14) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kühlanordnung (10a, 10b) eine Leitungsanordnung (22) aufweist, welche umfasst: - einen Zuführanschluss (28) zum Koppeln mit einem Reservoir (30) für ein Kühlmedium (32) zum Kühlen des zumindest einen ersten und/oder zweiten Batteriemoduls (12); - eine erste Austrittsöffnung (34), die zumindest dem ersten Batteriemodul (12) zugeordnet ist, und - eine zweite Austrittsöffnung (34), welche zumindest dem zweiten Batteriemodul (12) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsanordnung (22) verzweigt ausgebildet ist, und zumindest einen ersten Leitungszweig (24) und einen vom ersten Leitungszweig (24) verschiedenen zweiten Leitungszweig (24) aufweist, wobei die Leitungsanordnung (22) derart ausgebildet ist, dass ein am Zuführanschluss (28) bereitgestelltes Kühlmedium (32) über den ersten Leitungszweig (24) zur ersten Austrittsöffnung (34) und über den zweiten Leitungszweig (24) zur zweiten Austrittsöffnung (34) führbar und selektiv aus der ersten Austrittsöffnung (34) und/oder der zweiten Austrittsöffnung (34) ausführbar ist.
  2. Kühlanordnung (10a, 10b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (10a, 10b) ein Batteriegehäuse mit einer ersten Gehäusekammer (42,16) zur Aufnahme zumindest des ersten Batteriemoduls (12) oder von vom ersten Batteriemodul (12) umfassten Batteriezellen, und mit einer zweiten von der ersten Gehäusekammer (42,16) separierten zweiten Gehäusekammer (42,16) zur Aufnahme zumindest des zweiten Batteriemoduls (12) oder von vom zweiten Batteriemodul (12) umfassten Batteriezellen aufweist, wobei die erste Austrittsöffnung (34) in der ersten Gehäusekammer (42,16) mündet und wobei die zweite Austrittsöffnung (34) in die zweite Gehäusekammer (42,16) mündet, insbesondere wobei die erste Gehäusekammer (42,16) gegenüber der zweiten Gehäusekammer (42,16) fluidisch abgedichtet ist.
  3. Kühlanordnung (10a, 10b) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Gehäusekammer (42,16) und der zweiten Gehäusekammer (42,16) eine thermische Isoliereinrichtung zur thermischen Isolation der ersten und zweiten Gehäusekammern (42,16) voneinander angeordnet ist.
  4. Kühlanordnung (10a, 10b) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Gehäusekammer (42,16) jeweils eine Abflussöffnung (40) aufweisen, aus welcher in die erste bzw. zweite Gehäusekammer (42,16) eingeführtes Kühlmedium (32) aus der ersten bzw. zweiten Gehäusekammer (42,16) abführbar ist.
  5. Kühlanordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (10a, 10b) ein Batteriegehäuse (18) zur Aufnahme des ersten und zweiten Batteriemoduls (12) aufweist, wobei die Leitungsanordnung (22) ein außerhalb des Batteriegehäuses (18) angeordnete Hauptverschlusseinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine fluidische Verbindung zwischen dem Zuführanschluss (28) und der ersten und zweiten Austrittsöffnung (34) in einem geschlossenen Zustand zu unterbrechen und in einem geöffneten Zustand freizugeben.
  6. Kühlanordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (10a, 10b) mindestens eine Anschlusseinrichtung zum Anschließen eines kraftfahrzeugexternen Reservoirs (30), insbesondere über einen Feuerwehrschlauch, aufweist, die mit dem Zuführanschluss (28) koppelbar ist oder gekoppelt ist oder durch den Zuführanschluss (28) bereitgestellt ist.
  7. Kühlanordnung (1 0a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (10a, 10b) das Reservoir (30) für das Kühlmedium (32) umfasst, welches als ein kraftfahrzeuginternes Reservoir (30) ausgebildet ist, und welches mit dem Zuführanschluss (28) fluidisch gekoppelt oder koppelbar ist, wobei insbesondere mindestens ein Kühlmedium (32) aus der folgenden Gruppe in dem Reservoir (30) aufgenommen ist: - Kohlenstoffdioxid; - Stickstoff; - ein zum Großteil Wasser umfassendes Kühlmedium (32).
  8. Kühlanordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsanordnung (22) mindestens eine Expansionsvorrichtung (46) aufweist, welche dazu ausgelegt ist, das Kühlmedium (32) beim Durchströmen der mindestens einen Expansionsvorrichtung (46) zu expandieren und dadurch abzukühlen, insbesondere auf eine Temperatur unter maximal - 20°Celsius, vorzugsweise maximal - 70° Celsius.
  9. Kraftfahrzeug mit einer Kühlanordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere wobei das Kraftfahrzeug einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel (32) und einem Kältemittelverdichter aufweist, wobei das Reservoir (30) Teil des Kältemittelkreislaufs ist, wobei die Kühlanordnung (10a, 10b) dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebsmodus, welcher einen Notbetrieb darstellt, das Kältemittel (32) als das Kühlmedium (32) dem Zuführanschluss (28) zuzuführen, und in einem zweiten vom ersten verschiedenen Betriebsmodus ein Kühlmittel des Kraftfahrzeugs in einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs mittels des Kältemittelkreislaufs zu temperieren.
  10. Verfahren zum Kühlen zumindest eines ersten und/oder zweiten Batteriemoduls (12) einer Hochvolt-Batterie (14) für ein Kraftfahrzeug mittels einer Kühlanordnung (10a, 10b), die eine Leitungsanordnung (22) aufweist, welche umfasst: - einen Zuführanschluss (28) zum Koppeln mit einem Reservoir (30) für ein Kühlmedium (32) zum Kühlen des zumindest einen ersten und/oder zweiten Batteriemoduls (12); - eine erste Austrittsöffnung (34), die zumindest dem ersten Batteriemodul (12) zugeordnet ist, und - eine zweite Austrittsöffnung (34), welche zumindest dem zweiten Batteriemodul (12) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsanordnung (22) verzweigt ausgebildet ist, und zumindest einen ersten Leitungszweig (24) und einen vom ersten Leitungszweig (24) verschiedenen zweiten Leitungszweig (24) aufweist, wobei ein am Zuführanschluss (28) bereitgestelltes Kühlmedium (32) über den ersten Leitungszweig (24) zur ersten Austrittsöffnung (34) und über den zweiten Leitungszweig (24) zur zweiten Austrittsöffnung (34) geführt wird und in Abhängigkeit von zumindest einem Parameter selektiv aus der ersten Austrittsöffnung (34) und/oder der zweiten Austrittsöffnung (34) ausgeführt wird.
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