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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterieanordnung eine Batteriezellenanordnung mit mindestens einer Batteriezelle aufweist, und wobei die Batteriezellenanordnung eine erste Seite aufweist, die im Falle einer bestimmungsgemäßen Anordnung der Batterieanordnung am Kraftfahrzeug einem Passagierraum des Kraftfahrzeugs zugewandt ist. Dabei weist die Batterieanordnung eine Brandschutzeinrichtung auf. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterieanordnung.
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Aus dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge mit Batterien, insbesondere Traktionsbatterien, bekannt. Diese sind oftmals als Hochvolt-Batterien ausgebildet und beispielsweise in einem Unterbodenbereich unterhalb eines Passagierraums des Kraftfahrzeugs angeordnet. Solche Hochvolt-Batterien umfassen typischerweise vielzählige Batteriezellen. Im Falle eines Defekts, zum Beispiel infolge eines Unfalls des Kraftfahrzeugs oder beim einem Kurzschluss, kann es zu einem thermischen Durchgehen der Batteriezellen kommen. Dies resultiert im schlimmsten in einem Batteriebrand. Nach heutigem Stand der Technik gibt es gesetzliche Anforderungen, welche beschreiben, wie lange keine sichtbare Flammen aus einem Batteriegehäuse im Falle eines solchen Batteriebrands herausschlagen dürfen. Zudem ist die Zeit gesetzlich vorgeschrieben, wie lange nach Start eines Batteriebrands die entstandenen Flammen nicht negativ auf die Passagiere einwirken dürfen. Diese Zeitspanne beträgt heute fünf Minuten und soll in manchen Ländern teilweise in den kommenden Jahren noch erhöht werden, beispielsweise bis auf 60 Minuten. Eine Möglichkeit, um zu versuchen, solche Vorgaben zu erfüllen, ist die Verwendung von neuartiger, kaum brennbarer Zellchemie, welche jedoch eine deutlich geringere Kapazität der Batterie im Vergleich zu konventioneller Zellchemie zur Folge hat. Dies würde einen starken Verlust der Reichweite zur Folge haben.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 10 2013 012 250 A1 einen Hochleistungs- oder Hochenergiespeicher mit Betriebsraum für elektrische Anlagen mit entgasungsfreien Batterien, der zum Erdreich gegen einen Stoffdurchtritt aus dem Betriebsraum geschützt ist und zumindest teilweise unter der Geländelinie angeordnet ist. Die dort beschriebenen Schutzmaßnahmen lassen sich jedoch aufgrund des enormen Bauraumbedarfs und Gewichts in einem Kraftfahrzeug nicht umsetzen.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 10 2017 216 421 A1 eine Schutzanordnung für einen Energiespeicher in einem E-Fahrzeug mit einer hitzebeständigen Brandschale mit einem Boden und Wänden, wobei die Brandschale zwischen Energiespeicher und Fahrzeugrahmen des E-Fahrzeugs angeordnet ist. Dabei ist zwischen dem Boden der Brandschale und dem Fahrzeugrahmen des E-Fahrzeugs eine isolierende Barriere in Form eines Luftspalts angeordnet. Die Brandschale kann eine hitzebeständige Beschichtung aufweisen, beispielsweise Keramik, Wolfram oder eine andere feuerfeste Beschichtung, oder auch vollständig aus hitzebeständigem Material wie Metall oder Keramik gebildet sein. Dabei kann die Position der Batterie innerhalb der Brandschale im Prinzip beliebig gewählt werden, jedoch immer so, dass falls im Falle eines Brands Flüssigkeit aus der Batterie austritt, diese Flüssigkeit in jedem Falle in die Brandschale fließt, sodass die Batterie gezielt abbrennen kann. Die Batterie ist dabei bevorzugt auf einem Dach eines Busses angeordnet.
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Eine Integralstruktur und ein thermisches Schutzsystem für hypersonische Aerospace-Fahrzeuge ist in der
DE 39 31 976 A1 beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die es ermöglichen, im Falle eines Batteriebrands für möglichst viel Sicherheit für Insassen zu sorgen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterieanordnung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug weist eine Batteriezellenanordnung mit mindestens einer Batteriezelle auf. Weiterhin weist die Batteriezellenanordnung eine erste Seite auf, die im Falle einer bestimmungsgemäßen Anordnung der Batterieanordnung am Kraftfahrzeug einem Passagierraum des Kraftfahrzeugs zugewandt ist, wobei die Batterieanordnung eine Brandschutzeinrichtung aufweist. Dabei ist die Brandschutzeinrichtung zumindest auf der ersten Seite der Batterieanordnung angeordnet und umfasst eine thermische Isolationsschicht, die eine Keramik und einen vorbestimmten Anteil eines Gases umfasst.
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Die Erfindung beruht einerseits auf der Erkenntnis, dass im Falle eines Batteriebrands, gerade wenn eine solche Batterie beziehungsweise Batteriezellenanordnung unterhalb eines Passagierraums im Kraftfahrzeug angeordnet ist, nicht nur die Flammen des Brands vom Passagierraum abgehalten werden müssen, um die Insassen zumindest zeitweise ausreichend zu schützen, sondern dass vor allem auch eine Ausbreitung der extrem hohen Temperaturen, die bei einem solchen Batteriebrand entstehen und teilweise bis zu 1400 °C betragen können, bis in den Innenraum solange wie möglich hinausgezögert werden muss. Beim Durchgehen einer Batterie gasen die einzelnen Batteriezellen typischerweise aus. Dabei schießt in der Regel das austretende heiße Gas explosionsartig durch eine in den Zellen vorgesehene Entgasungsöffnung, die oftmals nach oben gerichtet ist und damit im Falle einer im Unterbodenbereich eines Kraftfahrzeugs angeordneten Batterie in Richtung des Passagierraums gerichtet ist. Ein reiner Luftspalt zwischen der Batterie und beispielsweise einer darüber angeordneten hitzebeständigen Schicht oder Wanne würde in diesem Fall für keinerlei thermische Isolation sorgen. Des Weiteren beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, thermische Isolationseigenschaften gleichzeitig auch in eine hitzebeständige Schicht beziehungsweise eine Schicht mit einem hitzebeständigen Material, wie Keramik, zu integrieren, in dem ein vorbestimmter Anteil eines Gases, z.B. Luft, in diese Schicht integriert wird. Eine solche thermische Isolationsschicht kann sich dabei durch eine äußerst geringe thermische Leitfähigkeit auszeichnen, die zum Beispiel insgesamt noch geringer sein kann als die von Keramik, z.B. Ähnlich der von Luft unter Standardbedingungen oder noch geringer. Wird eine solche thermische Isolationsschicht gezielt, so wie es erfindungsgemäß vorgesehen ist, auf einer dem Passagierraum zugewandten Seite der Batteriezellenanordnung angeordnet, so erlaubt dies nicht nur ein Verhindern des Eindringens von Flammen in den Passagierraum, sondern erlaubt zudem auch ein Verhindern des Ausbreitens hoher Temperaturen von der Batteriezellenanordnung in Richtung des Passagierraums über sehr lange Zeiten. So können vorteilhafterweise hitzebeständige Eigenschaften, die durch die Keramik bereitgestellt werden, und thermische Isolationseigenschaften in einer thermischen Isolationsschicht vereint werden. Dies bietet einen deutlich effizienteren Schutz für Insassen und erlaubt zudem eine deutlich kompaktere und effizientere Ausgestaltung einer solchen Brandschutzeinrichtung.
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Im Allgemeinen kann die Batteriezellenanordnung auch mehrere Batteriezellen aufweisen. Diese können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Weiterhin können die Batteriezellen optional auch zur Batteriemodulen zusammengefasst sein. Die Batteriezellenanordnung kann zum Beispiel Teil einer Hochvolt-Batterie des Kraftfahrzeugs sein. Dabei können die Batteriezellen der Batteriezellenanordnung in einem Gehäuse angeordnet sein. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Batteriezellenanordnung in ihrer bestimmungsgemäßen Einbaulage am Kraftfahrzeug unterhalb eines Passagierraums, insbesondere in einem Unterbodenbereich eines Kraftfahrzeugs, angeordnet ist. Grundsätzlich sind aber auch andere Anordnungsmöglichkeiten der Batteriezellenanordnung denkbar. Beispielsweise kann eine solche Batteriezellenanordnung auch in einem Kofferraumbereich, in einem Frontbereich des Kraftfahrzeugs oder in einem Dachbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. In jedem Fall ist es vorgesehen, dass sich die Brandschutzeinrichtung, wenn die Batterieanordnung bestimmungsgemäß am Kraftfahrzeug angeordnet ist, zwischen der mindestens einen Batteriezelle und dem Passagierraum befindet. Dadurch kann mittels der Brandschutzeinrichtung der Passagierraum optimal geschützt werden.
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Dass die thermische Isolationsschicht sowohl eine Keramik aufweist als auch einen bestimmten Anteil an Gas, umfasst dabei einerseits, dass der bestimmte Anteil an Gas in der Keramik selbst eingebracht sein kann, zum Beispiel in Form einer materialspezifischen Porosität der Keramik, sowie zusätzlich oder alternativ auch, dass als Keramik eine nicht-poröse Keramik ohne Gaseinschluss verwendet wird, zum Beispiel in Form von keramischen Fasern, die ein Gewebe oder Vlies bereitstellen können, wobei sich in diesem Fall das Gas zwischen den einzelnen Fasern befinden kann. Die Isolationsschicht muss dabei auch nicht hermetisch abgedichtet sein. Sie kann auch so ausgebildet sein, dass ein Gasaustausch mit der Umgebung stattfinden kann. Entsprechend kann die Isolationsschicht auch durch einen Verbund von nicht-porösen Glasfasern bereitgestellt sein. Folglich kann der Gasanteil entweder materialintrinsisch, d.h. von Material, insbesondere keramischem Material, umschlossen und/oder eingeschlossen sein und/oder materialextrinsisch, d.h. bspw. in den Zwischenräumen mehrerer Fasern, insbesondere keramischer Fasern, angeordnet sein. Die thermische Isolationsschicht ist weiterhin vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit aufweist. Vorzugsweise umfasst die thermische Isolationsschicht ein keramisches Bauteil, welches ursprünglich aus der Raumfahrtentwicklung herrührt. Derartige keramische Bauteile sind dazu angelegt, zum Beispiel Passagiere in einem Spaceshuttle beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre vor extremen äußeren Temperaturen zu schützen. Ein solches keramisches Bauteil hat also den entscheidenden Vorteil, dass es auch höchster Hitzeeinwirkung, beispielsweise bis zu 1600 °C, standhalten kann und zudem durch die kaum vorhandene Wärmeleitfähigkeit diese Hitze nicht an Konstruktionswerkstoffe des Kraftfahrzeugs weiterleitet. Am Beispiel der Raumfahrt können solche Keramikkacheln beispielsweise bis zu hundert Wiedereintritten in die Erdatmosphäre standhalten und schützen zudem die darunterliegende Konstruktion. Weiterhin haben solche keramischen Bauteile den großen Vorteil, dass die aller äußersten Atomlagen bereits sehr schnell in Kontakt mit der normal temperierten Atmosphäre abkühlen, sodass nach Ende der Temperatureinwirkung so gut wie keine Energie an die Umgebung abgegeben wird. Dies erleichtert zum Beispiel auch Lösch- und Rettungsarbeiten im Falle eines Batteriebrands.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Isolationsschicht zum Großteil aus dem Gas, insbesondere Luft, vorzugsweise zu mindestens 70 %, besonders bevorzugt zu mindestens 80%. Ein derart hoher Gasanteil, insbesondere Luftanteil, lässt sich auf verschiedene Arten und Weisen realisieren, wie dies später näher erläutert wird. Um ein Beispiel zu nennen, kann die thermische Isolationsschicht Kieselglasfasern mit einem Porenanteil von 90 % Luft umfassen. Bevorzugt sind in der thermischen Isolationsschicht Keramik und Luft möglichst homogen verteilt, d.h. die thermische Isolationsschicht gliedert sich nicht in Abschnitte reiner Luft und Abschnitte reiner Keramik. Aufgrund des hohen Luftanteils werden dabei gleich mehrere Vorteile erzielt. Zum einen kann die thermische Isolationsschicht hinsichtlich ihres Gewichts sehr leicht ausgebildet werden, was gerade bei Kraftfahrzeuganwendungen enorm von Vorteil ist, da sich hierdurch die Reichweite erhöhen lässt, und zum anderen können hierdurch die extrem guten thermischen Isolationseigenschaften der thermischen Isolationsschicht bereitgestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die thermische Isolationsschicht als eine poröse keramische Schicht, insbesondere als Keramikschaum, ausgebildet. Durch eine poröse keramische Schicht lassen sich vorteilhafterweise extrem gute thermische Isolationseigenschaften bedingt durch die enthaltenen, mit Luft gefüllten Poren und eine extreme Hitzebeständigkeit durch die Keramik in einer Schicht vereinen. Wie bereits erwähnt, kann eine solche keramische Schicht beispielsweise Kieselglasfasern aufweisen oder durch solche gebildet sein. Vorzugsweise weisen diese einen Porenanteil von mindestens 50%, vorzugsweise jedoch höher, auf. Der prozentuale Porenanteil bezieht sich dabei insbesondere auf das Volumen der thermischen Isolationsschicht. Beispielsweise kann die poröse keramische Schicht bezogen auf deren Volumen zumindest zum Großteil durch Luft, welches die Poren der porösen keramischen Schicht füllt, gebildet sein, vorzugsweise zumindest zu mindestens 70%, besonders bevorzugt zu mindestens 80%.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die thermische Isolationsschicht als ein keramischer Faserverbundwerkstoff ausgebildet, welcher insbesondere als ein Gewebe oder eine Fasermatte ausgebildet ist. Auch durch ein solches Gewebe oder eine Fasermatte lässt sich auf besonders einfache und vorteilhafte Weise ein hoher Anteil eines Gases, insbesondere Luft, in die thermische Isolationsschicht integrieren. Dies sorgt wiederum für ein geringes Gewicht und vor allem für eine extrem gute thermische Isolation.
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Die Ausbildung als Gewebe und Fasermatte hat zudem den Vorteil, dass hierdurch ein gewisses Maß an Flexibilität durch die thermische Isolationsschicht bereitgestellt wird. Die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung dieser thermischen Isolationsschicht bei mechanischer Beanspruchung, zum Beispiel während der Fahrt, ist dadurch deutlich reduziert. Dagegen hat eine poröse Schicht, insbesondere ein Keramikschaum, den Vorteil, dass dieser einem aus einer Batteriezelle austretenden heißen Gasstrom im Falle eines thermischen Events deutlich besser standhalten kann, wenn er diesem direkt ausgesetzt ist, als eine Gewebeschicht oder eine Fasermatte.
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Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die Brandschutzeinrichtung mehrere verschiedenartig ausgebildete Keramikschichten aufweist. Insbesondere können dabei auch die zuvor genannten Schichtbeispiele in beliebiger Weise kombiniert werden.
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Aufgrund der extrem guten thermischen Isolationseigenschaften, die sich durch eine solche Keramik-Luft-Mischschicht bereitstellen lassen, sind bereits sehr dünne solcher thermischen Isolationsschichten ausreichend, um den Passagierraum ausreichend lange zu schützen. Vorzugsweise weist die thermische Isolationsschicht eine Schichtdicke von maximal 1 cm, besonders bevorzugt von maximal 5 mm auf, und liegt beispielsweise im Bereich von 1 mm und 3 mm.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die thermische Isolationsschicht eine erste Isolationsseite aufweist, die der Batteriezellenanordnung zugewandt ist und eine zweite Isolationsseite aufweist, die der Batteriezellenanordnung abgewandt ist, wobei die Brandschutzeinrichtung eine Schutzschicht, beispielsweise ein Stahlblech, aufweist, die auf der ersten und/oder zweiten Isolationsseite angeordnet ist. Durch eine solche Schutzschicht lässt sich vorteilhafterweise die Robustheit der Brandschutzeinrichtung weiter steigern. Gerade vor mechanischen Einflüssen kann hierdurch ein zusätzlicher Schutz für die thermische Isolationsschicht bereitgestellt werden. Solche mechanischen Einflüsse können zum einen während des normalen Fahrbetriebs auftreten, andererseits können sie auch im Falle eines thermischen Durchgehens aus einem aus den Zellen austretenden Gasstrom resultieren, der auf die thermische Isolationsschicht auftrifft. Gerade für den letzten Fall ist es daher sehr vorteilhaft, wenn eine solche Schutzschicht ebenfalls aus einem sehr hitzebeständigen Material, wie zum Beispiel Stahl, gebildet ist oder ein solches Material umfasst. Eine Beschichtung aus Borosilikatglas ist ebenso denkbar. Zudem ist es für den letzten Fall vorteilhaft, wenn eine solche Schutzschicht der Batteriezellenanordnung zugewandt ist. Um lediglich die mechanische Stabilität, zum Beispiel während der Fahrt, der thermischen Isolationsschicht zu erhöhen, ist es auch denkbar, eine Schutzschicht aus einem weniger hitzebeständigen Material bereitzustellen. Denkbar ist es zum Beispiel auch, dass auf der thermischen Isolationsschicht einseitig oder beidseitig eine dünne Kunststoffbeschichtung appliziert ist, welche im Falle eines Brandes verdampft, jedoch unter normalen Fahrtbedingungen die mechanische Stabilität der thermischen Isolationsschicht beziehungsweise der Brandschutzeinrichtung erhöht. Auch kann eine solche Schutzschicht in Form einer Alu-Folie oder Ähnlichem bereitgestellt sein. Eine solche Schutzschicht kann zudem auch durch ein ohnehin vorhandenes Bauteil der Batterieanordnung und/oder des Kraftfahrzeugs bereitgestellt sein. Beispielsweise kann die thermische Isolationsschicht auch Teil einer Sandwichstruktur sein und entsprechend zwischen zwei Platten oder Blechen eingepasst beziehungsweise eingeklemmt sein. Eine solche Platte kann zum Beispiel als Gehäusedeckel des Batteriegehäuses bereitgestellt sein, in welchem die Batteriezellenanordnung aufgenommen ist und/oder als ein Teil des Fahrzeugunterbodens selbst, der zum Beispiel an einen Passagierraum angrenzt.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die thermische Isolationsschicht auch elektrisch isolierend ausgeführt ist. Dies erhöht die Sicherheit gerade im Zusammenhang mit der Batteriezellenanordnung.
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Die Brandschutzeinrichtung kann auch nur aus der thermischen Isolationsschicht bestehen, insbesondere mit den optionalen einseitige oder beidseitigen Schutzschichten. Für die Anordnung und geometrische Ausbildung der Brandschutzeinrichtung mit der thermischen Isolationsschicht gibt nun vielzählige Möglichkeiten, die nachfolgend näher erläutert sind und beliebig kombinierbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batterieanordnung ein Batteriegehäuse auf, in welchem die Batteriezellenanordnung angeordnet ist, wobei die thermische Isolationsschicht zumindest zum Teil oder auch vollständig innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist. Ein Teil der Brandschutzeinrichtung kann zum Beispiel zwischen einem Deckel des Batteriegehäuses und der darunterliegenden Batteriezellenanordnung angeordnet sein. Hierdurch lässt sich also vorteilhafterweise die Brandschutzfunktion gleich in eine Batterie direkt integrieren. Dabei kann zudem die Brandschutzeinrichtung nicht nur auf die erste Seite der Batteriezellenanordnung, das heißt auf einen Bereich zwischen der Batteriezellenanordnung und dem Passagierraum des Kraftfahrzeugs, in ihrer Anordnung beschränkt sein, sondern kann zum Beispiel auch die Batteriezellenanordnung seitlich umgeben beziehungsweise begrenzen, zum Beispiel in Richtung der Fahrzeugfront oder in Richtung des Hecks und/oder in Richtung des linken und/oder rechten Seitenschwellers, bezogen auf die bestimmungsgemäße Einbaulage der Batterieanordnung am Kraftfahrzeug. Auch eine Begrenzung nach unten durch die Brandschutzeinrichtung ist denkbar.
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Entsprechend kann es auch vorgesehen sein, wie dies gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass die Brandschutzeinrichtung die Batteriezellenanordnung vollständig bis auf zumindest einen Kabeldurchführungsbereich, der auf einer von der ersten Seite verschiedenen Seite der Batteriezellenanordnung angeordnet ist, und/oder bis auf einen Druckausgleichsbereich, z.B. ein Druckausgleichsventil, einschließt. Dadurch lässt sich ein umfassender Schutz bereitstellen. Der Kabeldurchführungsbereich kann auf die Querschnittsdimensionen der in oder aus der Batterie herauszuführenden Kabel, insbesondere Kühlwasserleitungen und/oder elektrische Leitungen, abgestimmt bzw. beschränkt sein. Dadurch lässt sich dieser Durchführungsbereich so klein wie möglich ausgestalten.
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Diese Ausgestaltungen sind jedoch nicht nur möglich, wenn die Brandschutzeinrichtung innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist, sondern auch, wenn diese außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist.
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Entsprechend stellt es auch eine weitere, sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Batterieanordnung ein Batteriegehäuse aufweist, in welchem die Batteriezellenanordnung angeordnet ist, wobei die thermische Isolationsschicht zumindest zum Teil außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist. Beispielsweise kann diese also in einem Bereich zwischen dem Batteriegehäuse, zum Beispiel einem Deckel des Batteriegehäuses, und einem Fahrzeugunterboden angeordnet sein. Die Brandschutzeinrichtung kann zum Beispiel auch direkt als Platte an einem Bodenblech des Unterbodens des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Auch hier besteht wiederum die Möglichkeit, dass die Brandschutzeinrichtung sich nicht auf den Bereich oberhalb der Batteriezellenanordnung beschränkt, sondern diese zum Beispiel teilweise auch seitlich oder nach unten umgibt und zum Beispiel auch wieder vollständig bis auf einen Kabeldurchführungsbereich und/oder eine Druckausgleichsbereich einschließt. Hierdurch lässt sich die Kabelzufuhr und -abführung leichter bewerkstelligen, insbesondere wenn die Batteriezellenanordnung nicht vollständig von der Brandschutzeinrichtung umschlossen ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Brandschutzeinrichtung nicht auf einer der ersten Seite der Batteriezellenanordnung gegenüberliegenden zweiten Seite der Batteriezellenanordnung angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Brandschutzeinrichtung nach unten offen sein bezogen auf die bestimmungsgemäße Einbaulage der Batterieanordnung am Kraftfahrzeug.
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Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Brandschutzeinrichtung nicht auf der der ersten Seite der Batteriezellenanordnung gegenüberliegenden zweiten Seite der Batteriezellenanordnung angeordnet ist, insbesondere wobei sich die zweite Seite im Falle einer bestimmungsgemäßen Anordnung der Batterieanordnung am Kraftfahrzeug unterhalb von der ersten Seite der Batteriezellenanordnung befindet. Dies erleichtert zudem die Gasabführung und den Druckausgleich im Falle eines thermischen Events.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Batterieanordnung und ihre Ausgestaltung beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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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.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Brandschutzeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Brandschutzeinrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung einer Brandschutzeinrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer in der Batterie integrierten und unten offenen Brandschutzeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer außerhalb des Batteriegehäuses angeordneten Brandschutzeinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 6 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer außerhalb der Batterie angeordneten Brandschutzeinrichtung, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Brandschutzeinrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kraftfahrzeug 10 weist in diesem Beispiel weiterhin eine Hochvolt-Batterie 14 auf. Diese Hochvolt-Batterie 14 umfasst eine Batteriezellenanordnung 16 mit mehreren Batteriezellen 18, die beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein können. Weiterhin umfasst die Batterie 14 ein Batteriegehäuse 20, in welchem die Batteriezellen 18 angeordnet sind. Das Batteriegehäuse 20 kann sich zum Beispiel in eine Batteriewanne 22 und einen Deckel 24 gliedern. Die Batteriezellenanordnung 16 weist darüber hinaus eine erste Seite 16a auf, welche einem Passagierraum 26 des Kraftfahrzeugs 10 zugewandt ist und eine zweite Seite 16b, welche dem Passagierraum 26 abgewandt ist. Zudem ist die Batterie 14 in diesem Beispiel in einem Unterbodenbereich, das heißt unterhalb eines Unterbodens 28 des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet, welcher sich unterhalb des Passagierraums 26 befindet. Zu diesem Zweck kann die Batterie 14, beispielsweise ein Teil des Gehäuses 20, mit dem Unterboden 28 des Kraftfahrzeugs 10 oder einer anderen Tragstruktur des Kraftfahrzeugs 10 verschraubt sein. Entsprechende Befestigungsmittel sind in 1 mit 30 bezeichnet. Dabei kann die Batterie 14 derart am Kraftfahrzeug 10 befestigt sein, dass ein Luftspalt 32 zwischen dem Batteriedeckel 24 und dem Unterboden 28 verbleibt.
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Im Falle eines Defekts der Batterie 14, insbesondere der Batteriezellenanordnung 16, zum Beispiel im Falle eines Unfalls, kann es zu einem Batterieband 34 kommen. Um sowohl das Eindringen von Flammen in den Passagierraum 26 zu verhindern, als auch die Temperaturausbreitung in den Innenraum 26 so lange wie möglich hinauszuzögern, ist die bereits erwähnte Brandschutzeinrichtung 12 vorgesehen. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist diese Brandschutzeinrichtung 12 so ausgestaltet, dass dieser die Batteriezellenanordnung 16 einerseits vollständig bis auf nachfolgend noch näher erläuterte Bereiche vollständig umschließt und andererseits in die Batterie 14 integriert ist und somit auch vollständig innerhalb des Batteriegehäuses 20 angeordnet ist. In der Brandschutzeinrichtung 12 können dabei einerseits Kabeldurchführungsbereiche 36 zur Durchführung von zum Beispiel HV-Kabeln und/oder Kühlwasserleitungen 38 vorgesehen sein, sowie ein nicht näher dargestelltes Gasauslassventil zum Druckausgleich.
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Für die Ausbildung und Anordnung dieser Brandschutzeinrichtung 12 gibt es vielzählige, später noch näher erläuterte Möglichkeiten. Grundsätzlich ist zumindest ein Teil 12a, hier eine Oberseite der Brandschutzeinrichtung 12, auf der ersten Seite 16a der Batteriezellenanordnung 16 angeordnet und separiert damit den Passagierraum 26 von der Batteriezellenanordnung 16. Zusätzlich umfasst nunmehr die Brandschutzeinrichtung 12, zumindest der Teil 12a, der auf der ersten Seite 16a der Batteriezellenanordnung 16 angeordnet ist, eine thermische Isolationsschicht, die eine Keramik und vorzugswiese einen bestimmten Anteil eines Gases, insbesondere Luft, umfasst. Dadurch können vorteilhafterweise thermische isolierende Eigenschaften und hitzebeständige Eigenschaften in einer gemeinsamen Isolationsschicht kombiniert werden.
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2 zeigt ein Beispiel einer solchen Brandschutzeinrichtung 12, welche eine solche thermische Isolationsschicht 40 umfasst. In diesem Beispiel ist die thermische Isolationsschicht 40 noch von einer weiteren Beschichtung 42, zum Beispiel aus Borosilikatglas, beschichtet. Diese Beschichtung 42 zeichnet sich durch eine besonders hohe Härte aus. Die thermische Isolationsschicht 40 kann beispielsweise als eine Keramik aus der Raumfahrt bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann die thermische Isolationsschicht 40 aus Kieselglasfasern mit einem Porenanteil von mindestens 50 Vol.-%, zum Beispiel 90 Vol.-%, gebildet sein und damit zum Großteil aus Luft bestehen. Dadurch kann ein extrem geringes Gewicht der Brandschutzeinrichtung 12 erreicht werden. Die Deckschicht aus Borsilikat 42 kann darüber hinaus vergleichsweise dünn und spröde ausgebildet sein. Die thermische Isolationsschicht 40 kann insbesondere eine durch Sinterung verfestigte Quarzglasfaserschicht sein. Durch den hohen Porenanteil, insbesondere um 90 %, kann ein besonders hohe Maß an Wärmeisolation bereitgestellt werden.
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3 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Beispiels einer Brandschutzeinrichtung 12 mit einer thermischen Isolationsschicht 40 im Querschnitt. In diesem Beispiel weist die Brandschutzeinrichtung 12 eine Sandwichstruktur mit einer beidseitig von der thermischen Isolationsschicht 40 angeordneten Stützschicht 44 auf. Optional kann diese Stützschicht 44 ebenfalls lediglich als Beschichtung 42, wie zu 2 beschrieben, ausgebildet sein, oder aber als Folie, beispielsweise Alu-Folie oder Blech, vorzugsweise als Stahlblech. In diesem Beispiel sind zudem auch die Poren 46, die mit Luft 48 gefüllt sind, der thermischen Isolationsschicht 40, die als Keramikschaum ausgebildet ist, illustriert.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, die Brandschutzeinrichtung 12 ohne diese stabilisierenden Stützschichten 44 auszubilden. Gerade jedoch wenn die thermische Isolationsschicht 40 beispielsweise als keramische Fasermatte oder Fasergewebe ausgebildet ist, ist eine solche mechanische Stütz- und Schutzwirkung, die durch diese Stützschichten 44 bereitgestellt wird, sehr vorteilhaft. Zur Bereitstellung der thermischen Isolationsschicht 40 können auch keramische Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz kommen. Diese eignen sich insbesondere zur Bereitstellung einer solchen keramischen Fasermatte beziehungsweise eines keramischen Gewebes.
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Eine solche Isolationsschicht 40 hat den entscheidenden Vorteil, dass sie auch höchster Hitzeeinwirkung, beispielsweise bis zu 1600 °C, standhalten kann und zudem durch die kaum vorhandene Wärmeleitfähigkeit diese Hitze nicht an Konstruktionswerkstoffe weiterleitet. Ein weiterer Vorteil besteht zudem darin, dass nach Ende der Temperatureinwirkung so gut wie keine Energie an die Umgebung abgegeben wird und die äußersten Atomlagen bereits in schnellen Kontakt mit der normal temperierten Atmosphäre abkühlen. Da bei einem Batteriebrand 34 üblicherweise Maximaltemperaturen von 700 bis 800°C resultieren, ist dies für die Keramik der thermischen Isolationsschicht 40 im normalen Anwendungsfenster für die thermische Isolation. Aufgrund der guten thermischen Isolationseigenschaften lässt sich die Brandschutzeinrichtung 12 äußerst dünn realisieren. Die thermische Isolationsschicht 40 kann zum Beispiel eine Dicke d im Bereich zwischen 1 mm und 3 mm aufweisen. Die optionalen Stützplatten 44 können ebenfalls eine Dicke im Millimeter-Bereich, zum Beispiel 1 mm, aufweisen.
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Aufgrund einer solchen dünn ausgestaltbaren Brandschutzeinrichtung 12 besteht ein besonders hohes Maß an Flexibilität bezüglich ihrer geometrischen Ausbildung und Anordnung im Kraftfahrzeug 10.
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Beispielsweise lässt sich auf einfache Weise die komplette Batteriezellenanordnung 16 umschließen, wie in 1 dargestellt, ohne dass dies zu viel Bauraum oder zusätzliches Gewicht erfordern würde. Nichtsdestoweniger ist es auch denkbar, dass diese Brandschutzeinrichtung 12 nur als Platte oberhalb der Batteriezellenanordnung 16 angeordnet ist und/oder diese gegebenenfalls auch nur zusätzlich seitlich umschließt, wie dies exemplarisch in 4 dargestellt ist. Insbesondere kann das Kraftfahrzeug 10 sowie die Brandschutzeinrichtung 12 und die Batterie 14 wie zuvor beschrieben ausgebildet sein, insbesondere bis auf die nachfolgend noch näher erläuterten Unterschiede. In diesem Beispiel ist die Brandschutzeinrichtung 12 nach unten offen, sodass auf der zweiten Seite 16b der Batteriezellenanordnung 16 kein Teil der Brandschutzeinrichtung 12 angeordnet ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn zum Beispiel die oben beschriebenen Kabel 38, wie zum Beispiel die HV-Kabel oder Kühlmittelkabel 38, durch diese unterseitige Öffnung der Brandschutzeinrichtung 12 durch das Batteriegehäuse 20 in die Batterie 14 geführt sind. Dadurch ist es nicht erforderlich, in der Brandschutzeinrichtung 12 selbst irgendeinen Durchgangsbereich 36, wie zu 1 beschrieben, vorzusehen. Auch muss kein separates Druckausgleichsventil in die Brandschutzeinrichtung 12 eingebracht sein. In diesem Beispiel ist die Brandschutzeinrichtung 12 so ausgestaltet, dass sie zusätzlich eine Frontseite 12b aufweist, die zwischen der Batteriezellenanordnung 16 und einer Fahrzeugfront 10b angeordnet ist, sowie eine Heckseite 12c, die zwischen der Batteriezellenanordnung 16 und einer Heckseite 10c des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet ist. Zusätzlich kann die Brandschutzeinrichtung 12 auch noch zwei weitere Seiten in Richtung der Seitenschweller aufweisen, die vorliegend nicht dargestellt sind. Auch ein Überschlagen von Flammen zur Seite hin kann auf diese Weise effizient vermieden oder im Ausmaß zumindest reduziert werden. Auch die Zugänglichkeit des Fahrzeugs 10 bei Löscharbeiten kann durch solche zusätzlichen seitlichen Abschirmungen vereinfacht werden.
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5 zeigt ein weiteres Beispiel eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Brandschutzeinrichtung 12. Diese kann ebenfalls wie zuvor beschrieben ausgebildet sein, bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede. Diese ist nun nicht in das Batteriegehäuse 20 integriert, sondern außerhalb des Batteriegehäuses 20 angeordnet, diese weist zumindest eine erste Seite 12a auf, die wieder zwischen dem Passagierraum 26 und der Batteriezellenanordnung 16 angeordnet ist. Optional können noch weitere Seiten, zum Beispiel wiederum eine Frontseite 12b und/oder eine Heckseite 12c vorgesehen sein, sowie eventuelle weitere Seiten in Richtung der Seitenschwellerbereiche, die vorliegend ebenfalls nicht dargestellt sind. In diesem Beispiel ist die Brandschutzeinrichtung 12 wieder nach unten offen ausgestaltet.
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In 6 ist ein weiteres Beispiel eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Brandschutzeinrichtung 12 gezeigt, die insbesondere, wie zu 5 beschrieben, ausgebildet ist, bis auf den Unterschied, dass hier nunmehr auch ein Unterteil 12d von der Brandschutzeinrichtung 12 umfasst ist, welches die Batteriezellenanordnung 16 nach unten hin von der Umgebung abgrenzt. Auch in diesem Fall ist wiederum ein Kabeldurchführungsbereich 36 in der Brandschutzeinrichtung 12 vorgesehen, um Kabel 38, wie HV-Kabel und/oder Kühlwasserkabel, in das Innere der Brandschutzeinrichtung, welche ansonsten die Batteriezellenanordnung 16 vollständig umschließt, einführen zu können. In diesem Beispiel ist der Kabeldurchführungsbereich 36 U-förmig beziehungsweise siphon-förmig ausgestaltet. Dies erschwert es, dass Flammen und/oder Partikel aus entgasenden Zellen aus dem durch die Brandschutzeinrichtung 12 bereitgestellten Zusatzgehäuse nach außen gelangen können. Auch hier kann wiederum noch ein Druckausgleichsventil, welches nicht dargestellt ist, vorgesehen sein.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine thermische Insassen des Gesamtfahrzeugs beziehungsweise Batteriegehäuses im Falle eines Batteriebrands bereitgestellt werden kann. Durch die beschriebenen Isolationsmaßnahmen können schwere Stahlplatten oder Zellchemien mit deutlich niedrigerer Kapazität und Reichweite vermieden werden. Nichtsdestoweniger kann der Insassenschutz im Falle eines Batteriebrands deutlich gesteigert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013012250 A1 [0003]
- DE 102017216421 A1 [0004]
- DE 3931976 A1 [0005]
