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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kühlanordnung einen Energiespeicher mit einem Gehäuse und mindestens einer in dem Gehäuse aufgenommenen Batteriezelle aufweist, und eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Energiespeichers mittels eines Kühlfluids umfasst.
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Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeuge, weisen typischerweise eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie, als Traktionsbatterie auf. Diese kann vielzählige Batteriezellen umfassen, die bekanntlich mittels einer Kühleinrichtung gekühlt oder im Allgemeinen temperiert werden können.
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Bei einem Crashereignis, einem Brand, einem Kurzschluss an der Hochvoltbatterie oder in einem anderen Havariefall besteht die Möglichkeit, dass bei solchen Ereignissen die Hochvoltbatteriezellen derart beschädigt werden, dass es zu einem Brand aufgrund stark exothermer, chemischer Reaktionen der Bestandteile von Batteriezellen kommen kann. Dieser ist von außen sehr schwer zu löschen, da die Zellen meist innerhalb eines Batteriekastens sitzen, der vorliegend auch als Gehäuse bezeichnet wird. Die Feuerwehr hat eigentlich keine Möglichkeit zu erkennen, in welchem kritischen oder unkritischen Zustand die Batterie beziehungsweise die Zellen sich befinden. Eine herkömmliche Kühlanordnung zur Kühlung eines solchen Energiespeichers kann gegen einen solchen Brand üblicherweise nichts ausrichten.
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Die
DE 10 2017 004 723 A1 beschreibt eine Kraftfahrzeugbatterie mit mindestens einem Zellblock, der zumindest zwei Batteriezellen umfasst, sowie ein spannungsführendes Verbindungsbauteil, in welches ein Kühlmittelkanal integriert ist, welcher zu einer Kühlung des Zellblocks vorgesehen ist. Im Schadensfall ist der Kühlmittelkanal dazu vorgesehen, das Kühlfluid als Löschmittel freizusetzen.
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Die Führung eines Kühlmittels in einem spannungsführenden Bauteil ist dabei sehr sicherheitskritisch und daher aufwendig umzusetzen. Beispielsweise kommt hierfür nur ein sehr spezielles Kühlmittel infrage, welches inert ist und von einem sich unter Spannung nicht zersetzenden Wärmeträger gebildet ist.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2008 059 948 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Brandprävention und Bekämpfung für eine Lithium-Ionen-Batterie, wobei ein Innenraum der Batterie über eine Notfallleitung mit einem Löschmittelspeicher verbunden ist und wobei zur Brandprävention oder Bekämpfung zumindest zeitweilig das Löschmittel aus dem Löschmittelspeicher in den Innenraum eingeleitet wird. Das Vorsehen eines separaten Löschmittelspeichers und einer separaten Löschmittelvorrichtung erfordert dabei enorm viel zusätzlichen Bauraum und ist daher sehr ineffizient. Hierbei kann auch der Kühlmittelkreislauf als Löschmittelspeicher genutzt werden. Als Löschmittel wird vorliegend unter Überdruck stehendes CO
2 verwendet, was jedoch im normalen Betrieb zur Temperierung der Batterie sehr ineffizient ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, die gleichzeitig eine möglichst effiziente und bauraumsparende Löschmöglichkeit für den Energiespeicher bereitstellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
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Eine erfindungsgemäße Kühlanordnung für ein Kraftfahrzeug weist einen Energiespeicher mit einem Gehäuse und mindestens einer im Gehäuse aufgenommenen Batteriezelle auf, und eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Energiespeichers mittels eines Kühlfluids. Dabei ist als Kühlfluid ein wasserbasiertes Kühlmittel mit einem von Wasser verschiedenen Löschmittelzusatz bereitgestellt, wobei die Kühleinrichtung dazu ausgelegt ist, in einem bestimmten Notfall das Kühlfluid in das Gehäuse des Energiespeichers einzuleiten.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es Löschmittelzusätze gibt, die die Löschfähigkeit von zum Beispiel reinem Wasser deutlich steigern können. Gleichzeitig bleiben die hervorragenden Kühl- oder Temperiereigenschaften, z.B. hohe Wärmekapazität, von Wasser erhalten, sodass sich ein solches Kühlfluid auch im normalen Betrieb hervorragend zum Kühlen oder Temperieren des Energiespeichers eignet. Da zudem die bestehenden Strukturen der Kühleinrichtung auch im Notfall zum Löschen oder Verhindern eines Brands genutzt werden können, stellt dies eine besonders effiziente und bauraumsparende Lösung zur Bereitstellung einer Löschmöglichkeit im Notfall dar. Damit ist durch die Kühlanordnung gleichzeitig auch eine Löscheinrichtung bereitgestellt, die zur Brandverhinderung und/oder Brandbekämpfung bzw. Brandlöschung ausgelegt ist.
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Die erfindungsgemäße Kühlmittelanordnung und ihre Ausführungsbeispiele müssen dabei nicht notwendigerweise in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, insbesondere auch nicht notwendigerweise ausschließlich in Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, wenngleich dies auch bevorzugt, ist, sondern können grundsätzlich überall dort eingesetzt werden, wo Energiespeichersysteme zum Einsatz kommen, zum Beispiel auch bei Schiffen, Flugzeugen, Energiespeichern im Haus beziehungsweise im Allgemeinen auch bei stationären Energiespeichern. Die Kühleinrichtung kann dabei im Allgemeinen nicht nur zum Kühlen des Energiespeichers verwendet werden, sondern zum Beispiel in gleicher Weise auch zum Beheizen des Energiespeichers im normalen Betrieb, zum Beispiel im Rahmen einer Vorkonditionierung des Energiespeichers. Im Allgemeinen ist die Kühleinrichtung im normalen Betrieb also zum Temperieren des Energiespeichers ausgelegt. Zu diesem Zweck ist die Kühleinrichtung dazu ausgelegt, das Kühlfluid auf eine entsprechende Temperatur zu temperieren und hierzu entweder zu beheizen oder zu kühlen. Im Falle eines bestimmten Notfalls kann das Kühlfluid, welches ein wasserbasiertes Kühlmittel mit einem zugesetzten Löschmittelzusatz darstellt, in das Gehäuse des Energiespeichers eingebracht werden. Das Einbringen in das Gehäuse des Energiespeichers mit der darin aufgenommenen mindestens einen Batteriezelle erfolgt dabei dergestalt, dass das in das Gehäuse eingebrachte Kühlfluid in direkten Kontakt mit der mindestens einen Batteriezelle bringbar ist. Dadurch kann die Kühl- und Löschwirkung maximiert werden. Die Kühleinrichtung kann zum Beispiel eine Kühlplatte oder einen Kühlboden umfassen, der gleichzeitig auch eine Wand des Gehäuses bereitstellen kann. In diesem Fall sind die Kühlkanäle, in welchen das Kühlfluid geführt wird, in eine solche Platte integriert. Um das Kühlfluid im Notfall in das Gehäuse einzubringen, kann zum Beispiel, wie später näher erläutert, eine freigebbare Öffnung in einer solchen Kühlplatte vorgesehen sein. Die Kühleinrichtung kann aber auch Kühlleitungen oder Kühlschläuche umfassen, in denen das Kühlfluid geführt wird und die gegebenenfalls auch innerhalb des Gehäuses verlaufen können. Denkbar ist es auch, dass eine solche Kühlmittelleitung von einer Kühlplatte in das Innere des Gehäuses verläuft. Dabei sind den Ausgestaltungen grundsätzlich keine Grenzen gesetzt. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise im Allgemeinen einen Kühlmittelkreislauf aufweisen. In diesem wird das Kühlfluid zirkuliert. Dieser Kühlmittelkreislauf kann zum Beispiel ein Kühlmittelreservoir aufweisen, in welchem das Kühlfluid aufgenommen ist, diverse Kühlkanäle und Kühlmittelleitungen, eine Kühlmittelpumpe, um das Kühlfluid durch den Kühlmittelkreislauf zu zirkulieren, und so weiter. Grundsätzlich kann ein solcher Kühlmittelkreislauf wie üblich aufgebaut sein. Zum Kühlen des Kühlmittelkreislaufs kann dieser an einen Kältemittelkreislauf des Kraftfahrzeugs angebunden sein. Insgesamt sind zur Umsetzung der zusätzlichen Löschfunktion keine sonderlich großen baulichen Änderungen am Kühlmittelkreislauf erforderlich. Es ist lediglich eine Zuführmöglichkeit vorgesehen, die es ermöglicht, das Kühlfluid im Notfall in das Gehäuse einzuleiten. Diese kann im einfachsten Fall, wie bereits erwähnt, zum Beispiel als Ventil oder anderweitig freigebbare Öffnung ausgestaltet sein. Zudem ist das Kühlmittel nicht, wie üblich, bereitgestellt, sondern weist zusätzlich einen Löschmittelzusatz auf, der von reinem Wasser verschieden ist. Dadurch wird eine besonders effiziente und bauraumsparende Kühlung ermöglicht.
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Der Energiespeicher stellt vorzugsweise eine Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug dar. Zudem kann der Energiespeicher zum Beispiel als Hochvoltbatterie ausgebildet sein. Entsprechend ist es bevorzugt, dass der Energiespeicher nicht nur eine einzelne Batteriezelle umfasst, sondern mehrere Batteriezellen. Diese können zudem auch optional zu Batteriemodulen zusammengefasst sein. Mit anderen Worten kann der Energiespeicher auch mehrere Batteriemodule mit jeweils mehreren Batteriezellen umfassen. Dabei kann ein jeweiliges Batteriemodul auch ein eigenes zusätzliches Modulgehäuse aufweisen, was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Die Batteriezellen können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das wasserbasierte Kühlmittel Wasser und ein Frostschutzmittel. Der Wasseranteil dominiert hierbei bevorzugt. Mit anderen Worten stellt ein Großteil des Kühlmittels Wasser dar, insbesondere bezogen auf den Gewichtsanteil und/oder Volumenanteil des Kühlmittels. Beispielsweise kann das Kühlmittel als ein Wasser-Glykol-Gemisch bereitgestellt sein. Als Löschmittel wird diesem Kühlmittel vorzugsweise ein nicht-gasförmiges Löschmittel zugesetzt. Insbesondere kann das Löschmittel ebenfalls ein flüssiges Löschmittel darstellen. Die Mischbarkeit mit dem wasserbasierten Kühlmittel lässt sich hierdurch optimieren. Das Löschmittel kann beispielsweise auch ein Schaummittel darstellen. Dies ermöglicht es beispielsweise, beim Zuführen des Kühlfluids zum Gehäuse im Notfall das Kühlfluid als Löschschaum dem Gehäuse zuzuführen. Denkbar ist auch ein Zusatz von Salzen als Löschmittel oder Gelbildnern. Auch diverse andere einem Fachmann bekannte Löschmittel können dem wasserbasierten Kühlmittel als Löschmittelzusatz zugesetzt werden, um das Kühlfluid bereitzustellen. Durch diese Zusätze bleibt vorteilhafterweise die Eignung des Wassers als Kühlfluid im normalen Betrieb weiter erhalten.
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Der bestimmte Notfall stellt vorzugsweise ein thermisches Durchgehen der zumindest einen Batteriezelle dar. Dies kann auf verschiedenste Arten und Weisen detektiert werden, die entsprechend auch als Auslöser zum Zuführen des Kühlfluids in das Gehäuse infrage kommen. Beispielsweise kann eine Temperaturüberwachung des Energiespeichers beziehungsweise der von diesem umfassten Batteriezellen vorgesehen sein. Übersteigt die Temperatur zumindest einer der Batteriezellen oder eines Batteriemoduls oder des Energiespeichers insgesamt einen vorgegebenen Grenzwert, so kann ein solcher Notfall als detektiert gelten. Die Zuführung zum Gehäuse kann zum Beispiel auch durch einen Crashsensor ausgelöst werden, der einen Crash detektiert. Es können auch Detektionsvorrichtungen zum Detektieren von Kurzschlüssen oder ähnlichen elektrischen Anomalien der Batteriezellen vorgesehen sein und in Abhängigkeit von einem solchen detektierten Kurzschluss kann zum Beispiel die Zuführung des Kühlfluids zum Gehäuse ausgelöst werden. Denkbar sind zudem auch Gasdetektionssensoren oder Drucksensoren, die eine anormale Druckerhöhung oder das Austreten von Gas aus einer der Batteriezelle detektieren. Die beschriebenen Detektionsmaßnahmen können auch in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlanordnung mindestens einen Kühlkanal auf, der ein in einem bestimmten Kühlmodus der Kühleinrichtung vom Kühlfluid zur Temperierung des Energiespeichers durchströmbares Inneres und eine das Innere begrenzende Kanalwand aufweist, wobei der Kühlkanal mindestens eine in der Kanalwand angeordnete und im bestimmten Notfall freigebbare Öffnung aufweist, die in einem geöffneten Zustand das Innere des Kühlkanals mit einem Inneren des Gehäuses fluidisch verbindet. Der mindestens eine Kühlkanal weist also ein Inneres auf, welches von einer Kanalwand begrenzt wird. Ein solcher Kühlkanal kann dabei zum Beispiel auch in eine oben bereits beschriebene Kühlplatte integriert sein. In einem bestimmten Kühlmodus oder Temperiermodus zum normalen Kühlen oder Temperieren des Energiespeichers wird dieser Kühlkanal dabei vom Kühlfluid durchströmt. In der Kanalwand ist entsprechend eine freigebbare Öffnung vorgesehen, die im Notfall freigegeben werden kann, sodass das im Inneren des Kühlkanals befindliche Kühlfluid aus dem Kühlkanal austreten kann und in das Innere des Gehäuses eingeführt werden kann. Dabei kann sich an die freigebbare Öffnung zum Beispiel eine Leitung anschließen, die das Kühlfluid aus dem Inneren des Kühlkanals in das Gehäuse einführt. Die freigebbare Öffnung kann aber auch direkt an das Innere des Gehäuses angrenzen, sodass keine zusätzliche Leitung erforderlich ist. Dies ist bevorzugt und auch sehr vorteilhaft, da sich eine Kühleinrichtung beziehungsweise die von dieser umfassten Kühlkanäle oder Kühlplatten typischerweise ohnehin in der Nähe der zu kühlenden Batteriezellen befinden. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Umsetzung der Kühlanordnung, da hierfür lediglich eine oder mehrere im Notfall freizugebende Öffnungen vorgesehen werden müssen, und im Übrigen zur Umsetzung dieser Löschmöglichkeit das bestehende Kühlsystem genutzt werden kann.
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Diese freigebbare Öffnung kann nun vielzählige verschiedene Ausprägungen annehmen. Zur Umsetzung eignen sich Ventile und/oder pyrotechnische oder thermische Instrumente, die die Leitungen im Bedarfsfall öffnen und so das Löschmittel, das heißt das Kühlfluid, welches aus dem wasserbasierten Kühlmittel und dem Löschmittelzusatz bereitgestellt ist, aus dem Behälter beziehungsweise dem Kühlsystem in den Batteriekasten, das heißt das Gehäuse, strömen lassen. Eine solche freigebbare Öffnung kann dabei auch als passiv öffnende Öffnung ausgestaltet sein. Beispielsweise kann diese eine Verschlusseinrichtung aufweisen, die temperaturbasiert automatisch öffnet, zum Beispiel wenn die Temperatur dieser Verschlusseinrichtung einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Hierzu können temperaturabhängige Aktorsysteme verwendet werden, zum Beispiel Dehnungselemente und/oder Bimetallelemente, Aktoren aus Formgedächtnislegierungen oder ähnliches. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die freigebbare Öffnung aktiv ansteuerbar ausgebildet ist, um diese freizugeben.
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Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Kühlanordnung eine der mindestens einen freigebbaren Öffnung zugeordnete, ansteuerbare Verschlusseinrichtung zum Verschließen der freigebbaren Öffnung aufweist, wobei die Kühlanordnung dazu ausgebildet ist, die Verschlusseinrichtung in Abhängigkeit von einer Detektion des bestimmten Notfalls zu öffnen. In allen übrigen Situationen, die vom bestimmten Notfall verschieden sind, verschließt die Verschlusseinrichtung also die freigebbare Öffnung. Durch die ansteuerbare Ausbildung dieser Verschlusseinrichtung lässt sich ein zuverlässiges und situationsangepasstes Öffnen der freigebbaren Öffnung bereitstellen. Auch lässt sich hierdurch zum Beispiel ein sehr frühzeitiges Öffnen bewirken, zum Beispiel wenn ein Crashsensor einen Crash detektiert, ohne dass zu diesem Zeitpunkt bereits die Batterietemperatur einen bestimmten Grenzwert überschritten haben muss. Dies erlaubt also deutlich effizientere und angepasstere Löschmaßnahmen. Die Verschlusseinrichtung kann zum Beispiel als ansteuerbares Ventil in der Kanalwand des Kühlkanals ausgebildet sein. Auch kann die Öffnung als pyrotechnisch zu öffnende Öffnung ausgebildet sein. In diesem Fall kann der Verschluss durch einen Teil der Kanalwand selbst bereitgestellt sein, der mit pyrotechnischen Mittel im Notfall geöffnet wird. Auch diverse andere Ausbildungsmöglichkeiten sind denkbar.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Gehäuse des Energiespeichers mehrere räumlich separierte Kammern aufweist, wobei der Energiespeicher mehrere Batteriezellen aufweist und wobei in einer jeweiligen Kammer des Gehäuses jeweils mindestens eine der Batteriezellen angeordnet ist, wobei die Kühlanordnung dazu ausgelegt ist, im bestimmten Notfall das Kühlfluid in zumindest eine der Kammern selektiv einzuleiten, insbesondere in zumindest eine vom Notfall betroffene Kammer der mehreren Kammern. Dies erlaubt vorteilhafterweise ein selektives Kühlen der Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule oder Zellstacks, die in den jeweiligen Kammern angeordnet sind. Diese selektive Kühl- und Löschmöglichkeit hat extrem große Vorteile: Die Speichermöglichkeit von Kühlfluid im Kraftfahrzeug ist typischerweise bauraumtechnisch stark begrenzt. Zum Kühlen oder Löschen im Notfall steht entsprechend auch nur eine extrem begrenzte Menge an Kühlfluid zur Verfügung. Wird dieses Kühlfluid dann gezielt zum Löschen oder Kühlen nur des betroffenen Batteriemoduls oder Zellstacks eingesetzt, kann vorteilhafterweise die Kühl- und Löschwirkung des Kühlfluids auf das betreffende Batteriemodul konzentriert werden, wodurch eine besonders effiziente und wirksame Kühl- und Löschwirkung trotz der begrenzten Menge an Kühlfluid erreicht werden kann. Module und Zellen in anderen Kammern, die aktuell zumindest thermisch nicht durchgehen und vom Notfall entsprechend auch nicht betroffen sind, müssen entsprechend nicht gekühlt werden und für die Kühlung dieser nicht betroffenen Zellen muss entsprechend auch ein Kühlfluid verschwendet werden. Da hierdurch zudem auch ein deutlich effizienteres Kühlen des betreffenden Batteriemoduls oder der zumindest einen Batteriezelle in der betroffenen Kammer bereitgestellt werden kann, sinkt auch die Wahrscheinlichkeit, dass sich das thermische Durchgehen auf Zellen oder Module in benachbarten Kammern ausbreitet. Eine thermische Propagation über mehrere Module hinweg kann somit deutlich effizienter gestoppt werden oder zumindest deutlich länger hinausgezögert werden. Dass also die Kühlanordnung dazu ausgelegt ist, das Kühlfluid im Notfall selektiv in eine der Kammern einzuleiten, bedeutet, dass das Kühlfluid gezielt in eine der Kammern eingeleitet werden kann, unabhängig vom Einleiten des Kühlfluids in andere der Kammern. Das Kühlfluid kann also beispielsweise gezielt nur in eine einzelne Kammer eingeleitet werden, in andere Kammern jedoch nicht, oder auch gezielt in einige mehrere Kammern oder auch in alle Kammern, zum Beispiel wenn alle Kammern vom Notfall betroffen sind. Auch hierbei zeigt sich wiederum der große Vorteil eines ansteuerbaren Verschlusses für die freigebbare Öffnung, da sich hierdurch auf einfache Weise eine solch selektive Auswahl zum Einleiten des Fluids in die betreffenden Kammern bereitstellen lässt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt die vom Notfall betroffene Kammer eine Kammer dar, für welche mindestens eine in der Kammer befindliche Batteriezelle als thermisch durchgehende Batteriezelle detektiert wurde. Einer jeweiligen Kammer kann hierfür zum Beispiel ein geeigneter Sensor zugeordnet sein, zum Beispiel ein Drucksensor, Temperatursensor und/oder Gassensor. Es kann alternativ oder zusätzlich auch eine elektrische Sensorik vorgesehen sein, das heißt eine oder mehrere elektrische Größen der Batteriezellen einer jeweiligen Kammer können erfasst und überwacht werden, um zum Beispiel einen Kurzschluss oder ähnliches zu detektieren. Darauf basierend kann also ermittelt beziehungsweise festgestellt werden, wann eine Batteriezelle in welcher Kammer thermisch durchgeht. Mit anderen Worten lässt sich das thermische Durchgehen einer Batteriezelle nicht nur detektieren, sondern auch kammerspezifisch lokalisieren. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, das Kühlfluid zur Effizienzsteigerung gezielt nur in eine oder mehrere der betroffenen Kammern einzuleiten.
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Dabei ist es weiterhin sehr vorteilhaft, wenn die Kühlanordnung mehrere der mindestens einen freigebbaren Öffnung aufweist, wobei jeder der Kammern mindestens eine der mehreren freigebbaren Öffnungen zugeordnet ist, wobei die Kühleinrichtung dazu ausgelegt ist, die freigebbaren Öffnungen unabhängig voneinander selektiv freizugeben. Dabei können die mehreren freigebbaren Öffnungen zum Beispiel alle in der Kanalwand des mindestens einen Kühlkanals angeordnet sein. Es können aber auch mehrere Kühlkanäle vorgesehen sein oder Kühlkanalabschnitte und einem jeweiligen Kühlkanalabschnitt kann mindestens eine solche freigebbare Öffnung zugeordnet sein. Ein solcher Kühlkanal oder auch mehrere Kühlkanäle oder Kühlkanalabschnitte können dabei wiederum in Form separater Leitungen oder Rohre oder auch integriert in eine Kühlplatte realisiert sein. An den jeweiligen zu öffnenden Positionen können beispielsweise ansteuerbare Ventile oder pyrotechnische Elemente angeordnet sein, die die entsprechende Kanalwandung an der entsprechenden Stelle im Notfall öffnen. Auch in diesem Fall müssen die freigebbaren Öffnungen bzw. die ihnen zugeordneten Verschlusseinrichtungen nicht notwendigerweise aktiv ansteuerbar ausgebildet sein sondern können auch als passiv freigebbare Öffnungen ausgebildet sein, die jeweils unabhängig voneinander öffnen, wenn z.B. die Temperatur am Ort der jeweiligen Öffnung einen bestimmten der Verschlusseinrichtung zugeordneten Grenzwert überschreitet.
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Bezogen auf die bestimmungsgemäße Einbaulage in einem Kraftfahrzeug kann sich dabei eine jeweilige freigebbare Öffnung oberhalb der betreffenden Kammer befinden, was sehr vorteilhaft ist, da somit das Kühlfluid beim Öffnen der jeweiligen Öffnung schwerkraftunterstützt in die entsprechende Kammer eingebracht werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass sich die freigebbare Öffnung unterhalb oder seitlich der betreffenden Kammer befindet, wobei es dann vorteilhaft ist, wenn das Kühlfluid durch den Kühlkanal mittels einer Pumpe gepumpt wird, sodass das Kühlfluid aus der freigegebenen Öffnung durch diese Pumpwirkung herausgedrückt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlanordnung eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der jeweiligen Verschlusseinrichtungen der freigebbaren Öffnungen auf, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, ein Signal zu empfangen, das zumindest mittelbar diejenige Kammer spezifiziert, welche vom bestimmten Notfall betroffen ist, wobei die Kühlanordnung dazu ausgelegt ist, die mindestens eine der durch das Signal spezifizierten Kammer zu öffnen.
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Dieses Signal kann zum Beispiel von einer Detektionseinrichtung bereitgestellt sein, insbesondere von einer der oben bereits erwähnten Detektionseinrichtungen. Eine solche Detektionseinrichtung kann also einen oder mehrere gleiche oder verschiedene Sensoren aufweisen, um einen solchen Notfall, insbesondere kammerspezifisch wie oben beschrieben, zu detektieren, oder einen allgemeinen Notfall, zum Beispiel unter Verwendung von Crashsensoren, Temperatursensoren, oder ähnlichem. Wird also ein solcher Notfall detektiert, so kann dann ein entsprechendes Signal an die Steuereinrichtung übermittelt werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn ein solcher Notfall nicht nur allgemein, zum Beispiel ein Crash als solcher, detektiert werden kann, sondern das thermische Durchgehen einer Zelle einer bestimmten Kammer, sodass durch ein solches Signal auch zumindest mittelbar diejenige Kammer spezifiziert werden kann, welche vom Notfall betroffen ist. Dann kann die zumindest eine dieser Kammer zugeordnete freigebbare Öffnung freigegeben werden, indem die betreffende Verschlusseinrichtung geöffnet wird. Im Übrigen kann pro Kammer auch mehr als nur eine solche freigebbare Öffnung vorgesehen sein. Zumindest mittelbar bedeutet hierbei, dass das Signal nicht notwendigerweise die Kammer direkt angeben muss, es kann auch vorgesehen sein, dass zum Beispiel einer jeweiligen Kammer ein Sensor zugeordnet ist und die Steuereinrichtung die Sensorsignale empfängt. Wird zum Beispiel von einem Temperatursensor einer Kammer ein Sensor im Signal empfangen, welches angibt, dass die Temperatur einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet, so kann die Steuereinrichtung basierend darauf, von welchem der Sensoren dieses Signal empfangen wurde, auch die entsprechende Kammer identifizierten. Auch jeweils andere Ausgestaltungen sind denkbar. Beispielsweise können sich Temperatursensoren auch in unmittelbarer Nähe zu den jeweiligen Verschlusseinrichtungen befinden. Zum Beispiel kann auch ein jeweiliger Sensor einer Verschlusseinrichtung zugeordnet sein. Wird an einem Sensor ein vorgegebener Grenzwert überschritten oder unterschritten, je nach Sensor, so kann dies unmittelbar das Öffnen der zugeordneten Verschlusseinrichtung der freigebbaren Öffnung auslösen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Kühlanordnung und ihre Ausgestaltungen 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 beschriebene Kühlmittelanordnung und ihre Ausführungsbeispiele können jedoch analog auch bei stationären Energiespeichern zum Einsatz kommen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlanordnung, wobei die Kühlanordnung einen Energiespeicher mit einem Gehäuse und mindestens einer im Gehäuse aufgenommenen Batteriezelle aufweist, und eine Kühleinrichtung, die den Energiespeicher mittels eines Kühlfluids temperiert. Dabei temperiert die Kühleinrichtung den Energiespeicher mittels eines wasserbasierten Kühlmittels mit einem von Wasser verschiedenen Löschmittelzusatz als Kühlfluid, wobei die Kühleinrichtung in einem bestimmten Notfall das Kühlfluid in das Gehäuse des Energiespeichers einleitet.
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Auch hier gelten die für die erfindungsgemäße Kühlanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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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. 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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Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Kühlanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kühlanordnung 10 weist dabei einen Energiespeicher 12 auf, der im vorliegenden Beispiel als Hochvoltbatterie 12 ausgeführt ist. Diese Hochvoltbatterie 12 umfasst ein Batteriegehäuse 14, in welchem mehrere Batteriezellen 16 angeordnet sind. Im vorliegenden Beispiel umfasst das Gehäuse 14 mehrere Kammern 18, die räumlich von Trennwenden 20, 22 voneinander separiert sind. Eine jeweilige Kammer 18 stellt damit einen Aufnahmebereich zur Aufnahme von mindestens einer Batteriezelle 16 bereit. Die einzelnen Gehäusekammern 18 stellen somit Parzellen dar, die durch die beschriebenen Trennwände 20, 22 voneinander separiert sind. Das Gehäuse 14 kann dabei mehrere in einer ersten Richtung, zum Beispiel der hier dargestellten x-Richtung, verlaufende Trennwände 22, sowie senkrecht dazu verlaufende zweite Trennwände 20, die in diesem Beispiel in y-Richtung verlaufen, aufweisen. Ist der Energiespeicher 12 in einem Kraftfahrzeug bestimmungsgemäß angeordnet, so weist die dargestellte z-Richtung vorzugsweise in Fahrzeughochrichtung.
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In jeder dieser Kammern 18 ist aber mindestens eine Batteriezelle 16 des Energiespeichers 12 aufgenommen. In diesem Beispiel ist in jeder dieser Kammern 18 ein Zellpack, das heißt ein Zellstapel 24 mit mehreren Batteriezellen 16 angeordnet. Ein solcher Zellstapel 24 kann zum Beispiel auch als Energiezell-Verbund bezeichnet werden. Als Batteriezellen 16, die entsprechend auch als Energiezellen bezeichnet werden können, sind im vorliegenden Beispiel prismatische Batteriezellen dargestellt. Diese können analog jedoch auch als Pouchzellen oder Rundzellen ausgebildet sein. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der Fig. nur in einer der Kammern 28 ein solcher Zellstapel 24 mit mehreren Batteriezellen 16 dargestellt. Zudem sind aus Gründen der Übersichtlichkeit auch nur eine Batteriezelle 16, und nur zwei der Kammern 18 und Trennwände 22, 24, sowie nur manche der nachfolgend noch näher beschriebenen Löschmodule 30 und ihre Komponenten mit einem Bezugszeichen versehen.
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Des Weiteren umfasst die Kühlanordnung 10 auch eine Kühleinrichtung 26 zum Kühlen des Energiespeichers 12 beziehungsweise zum Temperieren des Energiespeichers 12, insbesondere im normalen Betrieb. Zu diesem Zweck weist die Kühleinrichtung 26 einen oder mehrere Kühlkanäle 28 auf. In diesem Beispiel ist ein solcher Kühlkanal 28 als eine Leitung beziehungsweise ein Rohr ausgebildet ist, welches dazu ausgelegt ist, ein Kühlfluid 31, insbesondere ein flüssiges Kühlfluid, welches im Folgenden auch als Löschmittel 31 bezeichnet wird, zu führen. Dieses Kühlfluid 31 ist in einem Behälter 33, zum Beispiel einem Ausgleichsbehälter für Kühlmittel, als Teil der Kühleinrichtung 26 aufgenommen. Dieses Kühlfluid 31 ist dabei als wasserbasiertes Kühlmittel 35 mit zumindest einem Löschmittelzusatz 37 ausgestaltet. Solche Löschmittelzusätze 37 sind dabei von reinem Wasser verschieden. Das Kühlmittel 35 selbst kann dagegen Wasser darstellen, und zum Beispiel als Wasser-Glykol-Gemisch bereitgestellt sein. Durch solche Löschmittelzusätze 37 kann die Löschmittelwirkung des Wassers beziehungsweise des Kühlmittels 35 im Allgemeinen zusätzlich gesteigert werden. Die guten temperierenden Eigenschaften des Kühlmittels 35 selbst, die im normalen Betrieb von Nutzen sind, bleiben dabei vorteilhafterweise erhalten. Mit anderen Worten kann durch ein solches Kühlfluid 31 sowohl im normalen Betrieb eine effiziente Temperierung des Energiespeichers 12 bereitgestellt werden, als auch im Notfall eine sehr gute Löschwirkung. Die Kühleinrichtung 26 ist darüber hinaus dazu ausgelegt, in einem solchen Notfall, wie dem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle 16 des Zellpacks 24 in einer Kammer 18, das Kühlfluid 31, welches im Folgenden auch einfach als Löschmittel 31 bezeichnet wird, in das Gehäuse 14 der Hochvoltbatterie 12 einzuführen, insbesondere in die vom Notfall betroffene Kammer 18. Zu diesem Zweck weist der Kühlkanal 28 pro Kammer 18 mindestens ein Löschmodul 30 auf. Dieses stellt ein Modul 30 für eine Temperatur-, Rauch- oder Kurzschlussauslösung dar. Dieses Löschmodul 30 kann zum Beispiel zumindest einen Sensor 32 umfassen, der beispielsweise eine übermäßig erhöhte Temperatur, einen Rauchaustritt oder einen Kurzschluss detektieren kann. Zudem kann das Löschmodul 30 einen Öffnungsmechanismus 34 zum Freigeben einer Öffnung 36 im Kühlkanal 28 aufweisen. Dieser Öffnungsmechanismus 34 kann auch als Verschlusseinrichtung 34 bezeichnet werden, die dieser freigebbaren Öffnung 36 zugeordnet ist. Beispielsweise kann die freigebbare Öffnung 36 zusammen mit dieser Verschlusseinrichtung 34 als Ventil, insbesondere ansteuerbares Ventil, im Kühlkanal 28 ausgebildet sein. Alternativ kann der Freigabe- beziehungsweise Öffnungsmechanismus 34 auch als pyrotechnisches Instrument ausgebildet sein, durch welches sich ein explosionsartiges Freigeben der Öffnung 36 im Kühlkanal 28 bereitstellen lässt. Das Freigeben kann zum Beispiel von einem geeigneten Signal der Sensoren 32 initialisiert werden. Wird in einer Kammer 18, wie beispielsweise der vorliegend exemplarisch mit 18a bezeichneten Kammer, ein thermisches Durchgehen einer der Zellen 16 des betreffenden in dieser Kammer 18a angeordneten Batteriemoduls 24 detektiert, insbesondere über die dieser Kammer 18a zugeordnete Sensorik 32, so kann der Öffnungsmechanismus 34 das Öffnen der freigebbaren Öffnung 36 auslösen, wodurch das durch den Kühlkanal 28 geführte Kühlfluid 31 in die betreffende Kammer 18a durch diese Öffnung 36 eingeleitet wird. Die anderen Öffnungen 36, welche den anderen Kammern 18 zugeordnet sind, bleiben entsprechend verschlossen. Dadurch kann eine gezielte Löschwirkung für das betroffene Batteriemodul 24 in der betroffenen Kammer 18a bereitgestellt werden.
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Innerhalb des Batteriekastens, welcher vorliegend als Gehäuse 14 bezeichnet ist, werden also vorzugsweise Löschmittel-Rohre und/oder Leitungen verlegt, die durch den vorliegenden Kühlkanal 28 illustriert sind, und die mit Ventilen und/oder pyrotechnischen oder thermischen Instrumenten versehen sind, die durch die beschriebenen Löschmodule 30 repräsentiert sind, und die die Leitungen im Bedarfsfall öffnen und so das Löschmittel 31 aus dem Behälter 33 in den Batteriekasten, das heißt das Gehäuse 14, strömen lassen. Die Batteriezellen 16 werden umhüllt und so kann die exotherme Reaktion verlangsamt und/oder unterbunden werden. Die Auslösung kann über die Temperaturüberwachung der Zellen 16 und/oder über die Crasherkennung und/oder über die Ventile und/oder pyrotechnischen und/oder thermischen Instrumente stattfinden, das heißt über die in den Löschmodulen 30 integrierten Sensoren 32. Dabei werden bevorzugt nicht alle Batteriezellen 16 der gesamten Hochvoltbatterie 12 mit Löschmittel 31 beaufschlagt, sondern nur einzelne Parzellen, das heißt Kammern 18, die gelöscht werden müssen, aufgrund der thermischen Belastung. Das Kühlsystem, das heißt die Kühleinrichtung 26, der Batterie 12, welches im Allgemeinen ähnlich aufgebaut sein kann, wie übliche Kühlsysteme in Fahrzeugen, wird mit einem Löschmittelzusatz 37 versehen, welcher im Normalbetrieb bereits dem Kühlmittel 35 beigemischt ist. Im Crashfall und/oder Auslösefall werden vordefinierte Kühlmittelleistungsstellen, die durch die jeweiligen Löschmodule 30 bereitgestellt sind, innerhalb des Batteriekastens 14 geöffnet, zum Beispiel durch Ventilsteuerung und/oder pyrotechnisch und/oder thermisch. Infolgedessen übernimmt das Kühlmittel, das heißt das Löschmittel 31, welches normalerweise die Funktion hat, die Batterie 12 und weitere Fahrzeugkomponenten zu kühlen, jetzt die Funktion, die Zellen 16 zu löschen und/oder einen Brand einzudämmen und/oder zu verlangsamen.
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Die beschriebene Kühlmittelanordnung 10 und ihre Ausführungsbeispiele müssen dabei nicht notwendigerweise in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, das heißt nicht notwendigerweise ausschließlich in Pkws oder Lkws, sondern können grundsätzlich überall dort eingesetzt werden, wo Energiespeichersysteme zum Einsatz kommen, zum Beispiel auch bei Schiffen, Flugzeugen, Energiespeichern im Haus beziehungsweise im Allgemeinen auch bei stationären Energiespeichern.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Löschmöglichkeit von Energiespeichersystemen bereitgestellt werden kann, die es ermöglicht, unter Verwendung bestehender Kühlstrukturen eine besonders effiziente und bauraumsparende Löschmöglichkeit bereitzustellen und gleichzeitig im normalen Betrieb weiterhin eine kostengünstige und effiziente Kühlung des Energiespeichers.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017004723 A1 [0004]
- DE 102008059948 A1 [0006]
