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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher und einer Löscheinrichtung zum Zuführen eines Löschmittels zum Energiespeicher, wobei die Löscheinrichtung eine erste Löschmittelleitung aufweist, in welche ein Löschmittel einleitbar ist, wobei die erste Löschmittelleitung zumindest bis zum Energiespeicher führt, und wobei der Energiespeicher mindestens eine Batteriezelle aufweist, die ein Zellgehäuse aufweist und eine im Zellgehäuse angeordnete freigebbare erste Entgasungsöffnung, aus welcher im Falle eines thermischen Durchgehens der Batteriezelle ein Gas aus dem Zellgehäuse herausführbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch Verfahren zum Zuführen eines Löschmittels zu einem Energiespeicher.
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Im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen gibt es zum Teil Vorschriften und Gesetzgebungen, die fordern, dass nach Eintreten eines Thermal Runaways, das heißt einem thermischen Durchgehen einer ersten Zelle für fünf Minuten kein externes Feuer oder Flammen außerhalb der Hochvoltbatterie sichtbar sein dürfen. Um dies zu erreichen, gibt es verschiedene Überlegungen. Beispielsweise kann das Hochvoltbatteriegehäuse so gut gekapselt ausgeführt werden, dass innerhalb von fünf Minuten keine Flamme nach außen freigegeben werden kann. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass eine thermische Propagation, das heißt ein Überspringen der ersten propagierenden Zelle auf eine Nachbarzelle, hierdurch selten zu verhindern ist. Zudem macht diese Variante das Hochvoltbatteriegehäuse zudem unnötig schwer, was erforderlich ist, um ein Ausbeulen der Batterie zu verhindern und gleichzeitig den Druckanstieg innerhalb der Hochvoltbatterie zu kompensieren. Zusätzliche Deckeldichtungen und weitere Komponenten sind ebenfalls erforderlich. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die frei werdenden Gase der ersten propagierenden Zelle nach außen abzuführen. Üblicherweise weisen zu diesem Zweck die Batteriezellen freigebbare Entgasungsöffnungen auf. Diese öffnen sich bei Überdruck in der Zelle, um ein unkontrolliertes Explodieren der Zelle zu verhindern. Die aus einer solchen Zelle austretenden Gase sind dabei sehr heiß und sehr leicht selbst entzündlich. Werden also solche brennenden Gase einfach nach außen abgeleitet, so sind oben beschriebene Anforderungen ebenfalls nicht erfüllt, da diese sich beim Austritt in die Umgebung entzünden würden.
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Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit thermisch durchgehenden Batteriezellen besteht zudem darin, einen bereits entstandenen Batteriebrand effizient zu löschen. Dies ist oft nur mit Spezialwerkzeug der Feuerwehr, wie beispielsweise Löschlanzen, möglich.
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Weiterhin gibt es Möglichkeiten, ein Löschmittel in ein Batteriegehäuse einzuleiten. Beispiele hierfür sind in der
DE 10 2013 021 416 A1 , der
DE 10 2012 021 095 A1 und der
EP 3 466 494 A1 beschrieben. Das Löschmittel kann dabei durch ein kraftfahrzeuginternes Reservoir bereitgestellt werden oder über einen Anschluss von außen zugeführt werden.
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Wünschenswert wäre es dennoch, die Effizienz beim Löschen oder Entgegenwirken eines Batteriebrands im Zusammenhang mit einem thermischem Durchgehen einer Batteriezelle einer Kraftfahrzeugbatterie weiter zu steigern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, einen Batteriebrand resultierend aus einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle auf möglichst effiziente Weise entgegenzuwirken.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist einen Energiespeicher und eine Löscheinrichtung zum Zuführen eines Löschmittels zum Energiespeicher auf, wobei die Löscheinrichtung eine erste Löschmittelleitung aufweist, in welche ein Löschmittel einleitbar ist, wobei die erste Löschmittelleitung zumindest bis zum Energiespeicher führt, und wobei der Energiespeicher mindestens eine Batteriezelle aufweist, die ein Zellgehäuse aufweist und eine im Zellgehäuse angeordnete freigebbare erste Entgasungsöffnung, aus welcher im Falle eines thermischen Durchgehens der Batteriezelle ein Gas aus dem Zellgehäuse herausführbar ist. Dabei ist die erste Löschmittelleitung an die freigebbare erste Entgasungsöffnung der Batteriezelle angeschlossen, so dass bei freigegebener erster Entgasungsöffnung und im Falle, dass ein Löschmittel der ersten Löschmittelleitung zugeführt wird, das Löschmittel über die erste Löschmittelleitung durch die freigegebene erste Entgasungsöffnung in das Zellgehäuse einleitbar ist.
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Die Erfindung beruht dabei gleichzeitig auf mehreren Erkenntnissen: Zum einen lässt sich einem Batteriebrand und einer thermischen Propagation viel besser entgegenwirken, wenn ein Löschmittel nicht nur in ein Gesamtbatteriegehäuse, in welchem beispielsweise mehrere Batteriezellen aufgenommen sind, eingeleitet wird, um dieses Gehäuse zu fluten, sondern wenn dieses Löschmittel direkt in die Zellen selbst, das heißt in die einzelnen Zellgehäuse, eingeleitet wird. Zum anderen ist ein Zugang zu einer solchen Batteriezelle vorteilhafterweise bereits durch die üblicherweise bereitgestellte freigebbare Entgasungsöffnung einer solchen Zelle vorhanden. Diese ist im Normalfall verschlossen und kann zum Beispiel ab einem vorbestimmten Überdruck in der Zelle freigegeben werden. Somit kann diese Öffnung gleichzeitig dazu genutzt werden, das Löschmittel der Zelle zuzuführen, insbesondere auch gezielt der thermisch Durchgehenden Zelle, da deren Entgasungsöffnung dann bereits geöffnet ist. Zudem kann dabei nicht nur diese vorhandene freigebbare Entgasungsöffnung genutzt werden, um die Löschmittelleitung, die vorliegend als erste Löschmittelleitung bezeichnet wird, anzuschließen, sondern die Löschmittelleitung selbst kann ganz oder teilweise auch durch einen Entgasungskanal bereitgestellt sein, durch welchen im Entgasungsfall das aus der Zelle austretende Gas aus dem Kraftfahrzeug herausführbar ist. Somit kann ein solcher Entgasungskanal dafür verwendet werden, einen Zentralanschluss für die Feuerwehr zum Einlöschen von Löschmedien darzustellen. Löschmedien beziehungsweise das Löschmittel können damit vorteilhafterweise gezielt in die betroffene Zelle eingeleitet werden, deren zugeordnete freigebbare Entgasungsöffnung bereits freigegeben ist. Damit kann also die Feuerwehr direkt in die betroffene Zelle in Thermal Runaway einlöschen, da jeder vom Energiespeicher umfassten Zelle eine solche freigebbare Entgasungsöffnung, wie beispielsweise eine Schmelzsicherung und/oder ein Überdruckgasventil, zugeordnet sein kann, welche bei intakten Zellen geschlossen ist. Somit kann automatisch direkt die zu kühlende Zelle mit Kühl- beziehungsweise Löschmittel angesteuert, das heißt beaufschlagt werden. Hierdurch kann also einem Batteriebrand resultierend aus einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle auf möglichst effiziente Weise entgegengewirkt werden. Zudem ermöglicht es die Erfindung auch, wie im Zusammenhang mit den Weiterbildungen näher erläutert, eine sichtbare Flammenbildung zu vermeiden.
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Die erste Löschmittelleitung kann einen Schlauch und/oder ein Rohr umfassen oder als solche ausgebildet sein, und/oder auch eine oder mehrere Kammern umfassen, oder Ähnliches. Die erste Löschmittelleitung weist ein durch Leitungswände der ersten Löschmittelleitung begrenztes Inneres auf, das vom Löschmittel bei Zuführung zur ersten Löschmittelleitung durchströmbar ist. Die Leitungswände bzw. das Innere kann dabei mit jeder beliebigen Geometrie geformt sein. Die Löscheinrichtung dann zudem nicht nur die erste Löschmittelleitung, sondern auch weitere Löschmittelleitungen, insbesondere noch eine später näher beschriebene zweite Löschmittelleitung aufweisen. Für diese zweite Löschmittelleitung sollen dabei auch die Ausbildungsmöglichkeiten gelten, die im Zusammenhang mit der ersten Löschmittelleitung beschreiben sind. Die erste Löschmittelleitung wird im Folgenden daher auch zum Teil einfach nur Löschmittelleitung genannt.
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Beim Energiespeicher kann es sich zum Beispiel um einen Hochvoltenergiespeicher des Kraftfahrzeugs handeln, der gleichzeitig auch als Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug fungiert. Der Energiespeicher kann weiterhin mehrere Batteriezellen umfassen. Die Batteriezellen können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Optional können die Batteriezellen auch zu Batteriemodulen zusammengefasst sein. Mit anderen Worten kann der Energiespeicher auch mehrere Batteriemodule aufweisen, die wiederum mehrere Batteriezellen umfassen. Weiterhin kann der Energiespeicher auch ein Gesamtbatteriegehäuse aufweisen, in welchem die Batteriezellen angeordnet sind. Die Batteriezellen können dabei wie zur mindestens einen Batteriezelle beschrieben ausgebildet sein. Grundsätzlich können die Batteriezellen als prismatische Zellen, Pouchzellen oder Rundzellen ausgebildet sein oder auch mit jeder beliebigen anderen Zellgeometrie. Ein Zellgehäuse ist dabei so definiert, dass dieses einen Innenraum der Batteriezelle einschließt, in welchem die Zellchemie aufgenommen ist, so dass das Zellgehäuse die Zellchemie von einer Umgebung der Batteriezelle separiert. Die Zellchemie umfasst dabei zum Beispiel einen Elektrolyt und einen in den Elektrolyt getauchten Elektrodenwickel, der eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht und eine dazwischen befindliche Separatorschicht in aufgewickelter Form umfassen kann. Jeder vom Energiespeicher umfassten Batteriezelle kann also mindestens eine freigebbare erste Entgasungsöffnung zugeordnet sein.
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Wie bereits erwähnt und wie gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist die freigebbare erste Entgasungsöffnung als eine Schmelzsicherung oder ein Überdruck-Berstventil ausgebildet. Dadurch lässt es sich bewerkstelligen, dass die freigebbare erste Entgasungsöffnung automatisch im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle öffnet, entweder bedingt durch die dabei entstehende Erhitzung der Zelle oder bedingt durch den daraus resultierenden erhöhten Zellinnendruck. Es ist also bevorzugt kein Ansteuermechanismus vorgesehen, um die freigebbare erste Entgasungsöffnung freizugeben.
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Ist die die freigebbare Entgasungsöffnung als Schmelzsicherung ausgebildet, dann wird diese freigegeben, wenn eine Temperatur im Bereich dieser freigebbaren Entgasungsöffnung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, indem die freigebbare Entgasungsöffnung zum Beispiel schmilzt oder anderweitig temperaturbeding in ihrer Form verändert oder zerstört wird. Auch kann die freigebbare erste Entgasungsöffnung als Überdruckberstmembran ausgebildet sein. Die freigebbare Entgasungsöffnung öffnet in diesem Fall ab einem bestimmten Überdruck innerhalb der Batteriezelle. In diesem Fall kann die freigebbare Entgasungsöffnung auch als Sollbruchstelle, z.B. mit einer lokalen Materialschwächung, des Zellgehäuses ausgebildet sein.
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Im Falle mehrerer Batteriezellen können die jeweiligen freigebbaren ersten Entgasungsöffnungen auch an eine gleiche Löschmittelleitung angeschlossen sein. Beispielsweise kann die Löschmittelleitung mehrere Kopplungsöffnungen aufweisen, wobei eine jeweilige dieser Öffnungen einer freigebbaren Entgasungsöffnung einer Batteriezelle zugeordnet ist und zum Beispiel direkt oberhalb von dieser angeordnet ist, und mit anderen Worten kann die Löschmittelleitung abschnittsweise an einer Seite der Batteriezellen verlaufend angeordnet sein, so dass sich die betreffende Kopplungsöffnung der Löschmittelleitung direkt oberhalb bezüglich einer definierten Richtung von der freigebbaren Entgasungsöffnung der betreffenden Batteriezelle befindet. Die Kopplung kann aber auch über ein zusätzlich vorgesehenes Zwischenstück, ähnlich einem Kamin bzw. Entgasungskamin, realisiert sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Kraftfahrzeug einen Entgasungskanal zum Abführen des aus der mindestens einen freigebbaren Entgasungsöffnung der Batteriezelle im Falle eines thermischen Durchgehens der Batteriezelle austretenden Gases aus dem Kraftfahrzeug auf, wobei zumindest ein erster Teil des Entgasungskanals durch zumindest einen ersten Teil der ersten Löschmittelleitung bereitgestellt ist. Dadurch kann die Löschmittelleitung besonders kostengünstig und bauraumeffizient in das Kraftfahrzeug integriert werden, da zumindest Abschnitte der Löschmittelleitung eine Doppelfunktion übernehmen können, nämlich die der Gasabführung eines aus der Batteriezelle austretenden Gases. Ein solcher Entgasungskanal ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass dieser sich ausgehend von der freigebbaren Entgasungsöffnung der Batteriezelle aus dem Energiespeicher heraus, insbesondere aus dem Batteriegehäuse des Energiespeichers heraus, und auch aus dem Kraftfahrzeug heraus erstreckt. Dies ermöglicht es, die aus der Batteriezelle austretenden Gase beziehungsweise das Gas-Partikel-Gemisch aus dem Kraftfahrzeug in die Umgebung abzuleiten. Der Mündungsbereich dieses Entgasungskanals kann außerhalb des Kraftfahrzeugs grundsätzlich an jeder beliebigen Stelle angeordnet sein. Beispielsweise kann dieser Mündungsbereich im Heckbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, zum Beispiel dort, wo bei herkömmlichen verbrennungsmotorisch betriebenen Kraftfahrzeugen das Auspuffrohr mündet. Beispielsweise kann dieser Mündungsbereich des Entgasungskanals gleichzeitig auch einen Anschlussbereich zum Zuführen eines Löschmittels zur Löschmittelleitung bereitstellen. Mit anderen Worten kann dieser Eignungsbedingung des Entgasungskanals, der außerhalb des Kraftfahrzeugs mündet, gleichzeitig auch einen Teil der Löschmittelleitung bereitstellen, insbesondere ein Ende dieser Löschmittelleitung, welches später auch als erstes Ende der Löschmittelleitung bezeichnet wird. Auch der Anschlussbereich des Entgasungskanals, in welchem dieser an die freigebbare Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle gekoppelt ist, kann gleichzeitig vorteilhafterweise einen Teil der Löschmittelleitung bereitstellen. Das Löschmittel kann dann beispielsweise unmittelbar, nachdem das Gas aus der Zelle ausgetreten ist, über die Löschmittelleitung und teilweise über den Entgasungskanal in die Batteriezelle eingeleitet werden. In diesem Fall befindet sich die freigebbare Entgasungsöffnung also bereits im geöffneten Zustand, und es kann gezielt die betroffene Batteriezelle gekühlt beziehungsweise gelöscht werden. Auch an diesen Entgasungskanal können wiederum mehrere Batteriezellen des Energiespeichers angeschlossen sein. Im Übrigen können dieser Entgasungskanal und entsprechend auch die erste Löschmittelleitung entsprechend verzweigt ausgeführt sein. Dadurch lässt sich einfacher ein Kanalsystem beziehungsweise Leitungssystem etablieren, an welches einfach alle vom Energiespeicher umfassten Zellen angeschlossen werden können.
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Wird ein aus einer thermisch durchgehenden Batteriezelle austretendes Gas einfach nach außerhalb des Kraftfahrzeugs abgeführt, so besteht die Gefahr, dass sich dieses Gas beim Austritt in die Umgebung selbst entzündet. Dies ist dadurch bedingt, dass das Gas einerseits sehr heiß ist und andererseits dadurch, dass in diesem Gas stromauf leicht entzündliche Partikel enthalten sind. Daher ist es sehr vorteilhaft, wie dies gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, wenn der Entgasungskanal eine Umlenkstruktur zur Umlenkung eines im Falle des thermischen Durchgehens der mindestens einen Batteriezelle den Entgasungskanal durchströmenden Gasstroms und/oder eine Filterstruktur zum Filtern von Partikeln aus einem im Falle des thermischen Durchgehens der mindestens einen Batteriezelle den Entgasungskanal durchströmenden Gasstroms aufweist. Durch eine solche Umlenkstruktur kann der Gasstrom einmalig oder auch mehrmals, zum Beispiel mäanderförmig, umgelenkt werden. Durch ein solches Umlenken findet eine vermehrte Verwirbelung des Gasstroms statt, was wiederum eine Verlangsamung und Abkühlung des Gasstroms zur Folge hat, sowie eine vermehrte Partikelabscheidung, insbesondere noch innerhalb des Entgasungskanals. Ebenso kann es durch Filterstrukturen bewirkt werden, dass Partikel gezielt aus dem Gasstrom gefiltert werden. Durch diese Maßnahmen kann es vorteilhafterweise erreicht werden, dass der letztendlich aus dem Entgasungskanal austretende und auch aus dem Fahrzeug austretende Gasstrom abgekühlt ist und keine oder kaum noch Partikel umfasst, so dass das Risiko für eine Entzündung des austretenden Gasstroms deutlich reduziert ist. Eine Flammenbildung außerhalb des Energiespeichers kann so auf effiziente Weise vermieden werden.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Entgasungskanal einen zweiten Teil auf, der von der ersten Löschmittelleitung verschieden ist, insbesondere wobei der zweite Teil eine Umlenkstruktur, insbesondere die oben beschriebene Umlenkstruktur, zur Umlenkung eines im Falle des thermischen Durchgehens der mindestens einen Batteriezelle den Entgasungskanal durchströmenden Gasstroms und/oder eine Filterstruktur, insbesondere die oben beschriebene Filterstruktur, zum Filtern von Partikeln aus einem im Falle des thermischen Durchgehens der mindestens einen Batteriezelle den Entgasungskanal durchströmenden Gasstroms aufweist. Gerade dann, wenn der Entgasungskanal also solche zusätzlichen Strukturen, wie die Umlenkstruktur und/oder die Filterstruktur, aufweist, ist es besonders vorteilhaft, wenn nicht der komplette Entgasungskanal gleichzeitig auch als Löschmittelleitung genutzt wird, sondern stattdessen die Löschmittelleitung beispielsweise mit einer Art Bypass ausgeführt wird, um diesen zweiten Teil des Entgasungskanals fluidisch zu umgehen. Dies hat den Hintergrund, dass sich die beschriebenen Umlenk- und Filterstrukturen nachteilig auf die Strömungseigenschaften des Löschmittels auswirken. Soll also ein Löschmittel der Batteriezelle zugeführt werden, so sind zusätzliche Umlenkungen oder Verwirbelungen strömungstechnisch eher nachteilig und erhöhen den Strömungswiderstand. Durch eine Bypass ist es möglich, die Effizienz bei der Zuführung des Löschmittels der Batteriezelle deutlich zu steigern. Dadurch gestaltet sich das Löschen noch effizienter.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist ein erstes Ende der ersten Löschmittelleitung, über welches das Löschmittel der ersten Löschmittelleitung zuführbar ist, eine Anschlusseinrichtung zum Koppeln mit einer Löschmittelzuführeinrichtung auf. Eine solche Löschmittelzuführeinrichtung kann zum Beispiel durch einen Feuerwehrschlauch bereitgestellt sein, über welchen Wasser als Löschmittel der Löschmittelleitung zugeführt werden kann. Wie oben bereits beschrieben, kann das erste Ende der Löschmittelleitung beispielsweise auch durch ein Ende des Entgasungskanals beziehungsweise Entgasungskanals bereitgestellt sein. Dieser kann dann entsprechend mit einer Anschlusseinrichtung versehen sein, um eine solche Löschmittelzuführeinrichtung zu koppeln. Diese Anschlusseinrichtung kann zum Beispiel als Schnellkopplung ausgebildet sein, als einfacher Anschlussstutzen, als Gewindeanschluss oder Ähnliches.
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Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn dieses erste Ende der ersten Löschmittelleitung, über welches also das Löschmittel der ersten Löschmittelleitung zuführbar ist, an einer Außenseite des Kraftfahrzeugs in eine Umgebung des Kraftfahrzeugs mündet. Dies hat den großen Vorteil, dass das erste Ende zum Anschließen einer Löschmittelzuführeinrichtung besonders einfach zugänglich ist. Gerade wenn das erste Ende der Löschmittelleitung gleichzeitig auch einen Teil eines Entgasungskanals bereitstellen soll, ist es vorteilhaft, wenn das erste Ende nach außerhalb des Kraftfahrzeugs mündet. Hier können die Gase unschädlich für Passagiere des Kraftfahrzeugs abgeführt werden.
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Weiterhin ist es denkbar, dass das erste Ende von außen mittels einer Verschlusseinrichtung verschließbar ausgebildet ist. Diese ist dann jedoch vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass diese im Falle eines Gasaustritts aus einer Zelle öffnet, um das Gas in die Umgebung ableiten zu können. Die Verschlusseinrichtung kann auch so ausgebildet sein, z.B. als flussrichtungsabhängiges Ventil, dass ein ausdringen eines Fluids, insbesondere des Ventinggases, aus der ersten Löschmittelleitung, bedingungslos bzw. bereits ab sehr geringen Fluiddrücken möglich ist, und ein Eindringen erst ab einem vorbestimmten höheren Fluiddruck.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein erstes Ende der ersten Löschmittelleitung, über welches das Löschmittel der ersten Löschmittelleitung zuführbar ist, mit einem kraftfahrzeuginternen Löschmittelreservoir gekoppelt oder koppelbar ist. Mit anderen Worten muss das Löschmittel nicht notwendigerweise kraftfahrzeugextern der Löschmittelleitung zugeführt werden, sondern es können alternativ oder zusätzlich auch kraftfahrzeuginterne Medien als Löschmittel verwendet werden. Beispielsweise kann das Löschmittel durch eine Kühlflüssigkeit oder durch Scheibenwischerwasser des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden. Insgesamt können alle im Kraftfahrzeug vorhandenen, nicht brennbaren Flüssigkeiten oder Gase als Löschmittel verwendet werden und im Bedarfsfall der Löschmittelleitung zum Löschen zugeführt werden. Dies lässt sich auch mit einer zusätzlichen externen Anschlussmöglichkeit für eine externe Löschmittelzufuhr kombinieren. Durch die Verwendung kraftfahrzeuginterner Medien ist es möglich, einen Löschvorgang bereits vor dem Eintreffen der Feuerwehr einzuleiten. Als Löschmittel können aber auch eigens zu diesem Zweck im Kraftfahrzeug vorgesehene Medien genutzt werden. Zu diesem Zweck kann das Kraftfahrzeug zum Beispiel einen Löschmittelspeicher aufweisen, der das Löschmittel umfasst. Da das Löschmittel gezielt in einzelne Zellen eingebracht werden kann, ist die Löschwirkung auch bei geringen Mengen an Löschmittel sehr groß.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Batteriezelle eine freigebbare zweite Entgasungsöffnung auf, wobei die Löscheinrichtung eine zweite Löschmittelleitung aufweist, die an die freigebbare zweite Entgasungsöffnung der Batteriezelle angeschlossen ist, so dass bei freigegebener erster Entgasungsöffnung und im Falle, dass ein Löschmittel der ersten Löschmittelleitung zugeführt wird, das Löschmittel durch die freigegebene zweite Entgasungsöffnung aus dem Zellgehäuse heraus in die zweite Löschmittelleitung und aus dem Energiespeicher, insbesondere aus dem Kraftfahrzeug, herausführbar ist.
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Das Vorsehen einer solchen zweiten freigebbaren Entgasungsöffnung sowie einer zweiten Löschmittelleitung, die mit dieser zweiten Entgasungsöffnung gekoppelt ist, hat dabei zwei große Vorteile: Zum einen kann hierdurch ein effizientes Durchspülen der Zelle mit Löschmittel bereitgestellt werden. Das Löschmittel kann also über die erste Entgasungsöffnung der Zelle zugeführt werden und aus der zweiten Entgasungsöffnung abgeführt werden und dann entsprechend über die zweite Löschmittelleitung aus dem Energiespeicher und letztendlich auch aus dem Kraftfahrzeug herausgeführt werden. Ein Durchströmen der Batteriezelle führt dabei zu einem noch deutlich effizienteren Kühlen der Batteriezelle. Weiterhin hat dies den großen Vorteil, dass das Zuführen des Löschmittels auch parallel zum Abführen von aus der Zelle austretenden Gasen erfolgen kann. Die zweite Löschmittelleitung kann dann entsprechend nicht nur zum Abführen des Löschmittels aus der Zelle genutzt werden, sondern ebenso auch wiederum, zumindest bereichsweise, als Entgasungskanal. Im Allgemeinen kann an die zweite Entgasungsöffnung ebenfalls ein Entgasungskanal angeschlossen sein, der ganz oder nur teilweise mit der zweiten Löschmittelleitung übereinstimmt. Für die zweite Löschmittelleitung können dabei im Übrigen alle in Bezug auf die erste Löschmittelleitung erläuterten Ausbildungsvarianten ganz analog gelten. Entsprechend kann also auch ein Teil dieser zweiten Löschmittelleitung gleichzeitig einen Teil eines Entgasungskanals, insbesondere eines zweiten Entgasungskanals, bereitstellen. Somit können vorteilhafterweise im Falle einer simultanen Ausgasung weiterhin einerseits ein Löschen und andererseits ein Entgasen ermöglicht werden. In mindestens eine der beiden Entgasungskanäle beziehungsweise in eine der beiden Löschmittelleitungen könnte entsprechend eingelöscht werden, das heißt das Löschmittel zugeführt werden, während in dem mindestens einen anderen Entgasungskanal beziehungsweise in der anderen Löschmittelleitung Druck abgebaut werden kann. Auch hierbei ist es wiederum vorteilhaft, wenn die zweite Löschmittelleitung, zum Beispiel wenn ein solcher zweiter Entgasungskanal wiederum eine Filterstruktur und/oder Umlenkstruktur aufweist, einen entsprechenden Bypass umfasst, um diesen Teil des zweiten Entgasungskanals zu umgehen. Die zweite freigebbare Öffnung kann ebenso, wie zur ersten freigebbaren Öffnung beschrieben, ausgebildet sein.
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Denkbar ist es zudem auch, dass noch weitere, z.B. eine dritte, vierte, usw. Löschmittelleitung vorgesehen ist, und die Zellen entsprechend noch weitere, z.B. eine dritte, vierte usw. freigebbare Entgasungsöffnungen aufweisen, an die die weiteren Löschmittelleitungen angeschlossen sind.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Löscheinrichtung derart ausgebildet ist, dass in die zweite Löschmittelleitung ein Löschmittel einführbar ist und bei freigegebener zweiter Entgasungsöffnung und im Falle, dass ein Löschmittel der zweiten Löschmittelleitung zugeführt wird, das Löschmittel über die zweite Löschmittelleitung durch die freigegebene zweite Entgasungsöffnung in das Zellgehäuse einleitbar ist und über die erste Entgasungsöffnung in die erste Löschmittelleitung einleitbar ist und aus dem Energiespeicher, insbesondere aus dem Kraftfahrzeug, herausführbar ist. Mit anderen Worten kann ein Löschmittel nicht nur der ersten Löschmittelleitung zugeführt und aus der zweiten Löschmittelleitung wieder herausgeführt werden, sondern es kann auch die zweite Löschmittelleitung stattdessen verwendet werden, um das Löschmittel der Batteriezelle zuzuführen, und das Löschmittel kann dann entsprechend aus der ersten Löschmittelleitung wieder herausgeführt werden. Auch aus der Zelle austretende Gase können dann wie beschrieben über die erste Löschmittelleitung, zumindest partiell, abgeführt werden, die dann, wie zuvor beschrieben, zumindest einen Teil eines ersten Entgasungskanals bereitstellen kann. Dies hat den großen Vorteil, dass frei gewählt werden kann, zu welcher Leitung das Löschmittel zugeführt wird. Beispielsweise können beide Leitungen mit ihren jeweiligen Enden nach außen außerhalb des Kraftfahrzeugs geführt sein und zum Beispiel an unterschiedlichen Positionen der Außenseite des Kraftfahrzeugs in die Umgebung münden. Je nach besserer Zugänglichkeit kann dann einer dieser beiden Enden als Anschluss zur Zuführung des Löschmittels gewählt werden.
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Denkbar ist es zudem auch, dass die erste Löschmittelleitung, sowie auch die zweite Löschmittelleitung, nicht nur mit einem einzelnen ersten Ende in die Umgebung münden, sondern es können auch pro Löschmittelleitung mehrere solcher ersten Enden vorgesehen sein, die in die Umgebung münden. Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit einer guten Zugänglichkeit zumindest einer dieser beiden Enden ebenfalls gesteigert werden. Denkbar wäre also eine Anordnung von Anschlüssen, die durch die jeweiligen ersten Enden der ersten und/oder zweiten Löschmittelleitung bereitgestellt sind, in einem Frontbereich des Kraftfahrzeugs und/oder in einem Heckbereich des Kraftfahrzeugs und/oder auf einer Fahrerseite und/oder auf einer Beifahrerseite, insbesondere im Schwellerbereich und/oder im Bereich der Radhäuser oder Ähnliches.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Zuführen eines Löschmittels zu einem Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, wobei ein Löschmittel in eine erste Löschmittelleitung eingeleitet wird, die zumindest bis zum Energiespeicher führt, und wobei der Energiespeicher mindestens eine Batteriezelle aufweist, die ein Zellgehäuse aufweist und eine im Zellgehäuse angeordnete freigebbare erste Entgasungsöffnung, aus welcher im Falle eines thermischen Durchgehendes der Batteriezelle ein Gas aus dem Zellgehäuse herausgeführt wird. Dabei ist die erste Löschmittelleitung an die freigebbare erste Entgasungsöffnung der Batteriezelle angeschlossen, so dass bei freigegebener erster Entgasungsöffnung und im Falle, dass ein Löschmittel der ersten Löschmittelleitung zugeführt wird, das Löschmittel über die erste Löschmittelleitung durch die freigegebene erste Entgasungsöffnung in das Zellgehäuse eingeleitet wird.
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Die für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und seine Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten 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 des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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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 einer Löscheinrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Löscheinrichtung und zwei Löschmittelleitungen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Löscheinrichtung 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 einer Löscheinrichtung 10 und einem Energiespeicher 11 für ein Kraftfahrzeug 12 (siehe 2) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Energiespeicher 11 kann dabei zum Beispiel als Hochvoltbatterie ausgebildet sein. Darüber hinaus umfasst der Energiespeicher 11 in diesem Beispiel mehrere Batteriezellen 14, von welchem aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, und die in einem vorliegend in 1 nicht explizit dargestellten Batteriegehäuse 11 a (vgl. 2) aufgenommen sein können. Die Batteriezellen 14 umfassen wiederum ein Zellgehäuse 14a, welches ein Zellinneres einschließt, in welchem die Zellchemie angeordnet ist. Die Batteriezellen 14 können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Zusätzlich ist im Zellgehäuse 14a eine freigebbare Entgasungsöffnung 14b angeordnet. Diese freigebbare Entgasungsöffnung 14b kann zum Beispiel als eine Schmelzsicherung oder als ein Überdruckventil ausgebildet sein. Im Falle einer Thermal Propagation einer der Batteriezellen 14 schmilzt die von dieser Batteriezelle 14 umfasste Schmelzsicherung beziehungsweise öffnet sich das Überdruckventil, und ein Gemisch aus heißen Gasen und Partikeln kann aus der betreffenden Zelle 14 ausströmen, insbesondere in einen Entgasungskanal 16, in welchem die Gase nach außen geführt werden. Dieser Entgasungskanal 16 hat den Vorteil, dass die aus der propagierenden Zelle 14 austretenden Gase nach außen abgeführt werden können, wodurch sich eine thermische Propagation, das heißt ein Überspringen auf Nachbarzellen 14, unterbunden werden kann oder zumindest hinausgezögert werden kann.
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Zusätzlich kann nun vorteilhafterweise dieser Entgasungskanal 16 zumindest teilweise dafür verwendet werden, einen Zentralanschluss 18 für die Feuerwehr zum Einlöschen von Löschmedien darzustellen. Beispielsweise kann, wie in 1 dargestellt, ein Feuerwehrschlauch 20 über diesen Anschluss 18 an den Entgasungskanalauslass 22 oder optional auch an alternativer Stelle angeschlossen werden. Optional kann hier noch ein Ventil 24 vorgesehen sein, das ein Einleiten von Medien in den Entgasungskanal 16 erst ab einem bestimmten Mindestdruck zulässt, um den Zugang von Missbrauch zu schützen. Ein Austreten von Gasen aus diesem Entgasungskanalauslass 22 kann dagegen schon bei geringeren Drücken möglich sein. Der Entgasungskanal 16 fungiert zumindest bereichsweise in diesem Beispiel gleichzeitig auch als Löschmittelleitung 26. Der Entgasungskanalauslass 22 stellt in diesem Beispiel auch gleichzeitig ein erstes Ende 22 der Löschmittelleitung 26 dar, in welchen also ein Löschmittel einfüllbar ist. Dieses kann mit der Löschmittelleitung 26 zu den thermisch durchgehenden Batteriezellen geführt werden. Die Löschmittelleitung 26 kann dabei über Anbindungsstücke 28, die auch als Entgasungskamin 28 fungieren, an die jeweiligen freigebbaren Entgasungsöffnungen 14b der Batteriezellen 14 angebunden sein. Nur wenn also die entsprechende freigebbare Entgasungsöffnung 14b der betreffenden Batteriezelle 14 geöffnet ist, ist auch eine fluidische Verbindung zwischen dieser Löschmittelleitung 26 und dem Inneren einer jeweiligen Batteriezelle 14 hergestellt. Die Feuerwehr kann somit direkt in die betroffene Zelle 14 in Thermal Runaway einlöschen, da es über jeder Zelle 14 eine solche Schmelzsicherung beziehungsweise ein Überdruckgasventil gibt, welches bei intakten Zellen 14 geschlossen ist. Somit kann direkt die zu kühlende Zelle 14 mit Kühl- und/oder Löschmedien angesteuert werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 12 mit einem Energiespeicher 11 und einer Löscheinrichtung 12 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Übrigen kann das Kraftfahrzeug 12, der Energiespeicher 11 sowie die Löscheinrichtung 10, wie zur 1 beschrieben, ausgebildet sein, bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede. Im vorliegenden Fall sind der Energiespeicher 11 sowie die Löscheinrichtung 10 in einer Draufsicht auf die dargestellte z-Richtung illustriert, während 1 den Energiespeicher 11 und die Löscheinrichtung 10 in einer Seitenansicht bezogen auf die dargestellte z-Richtung illustriert. Der Energiespeicher 11 weist wiederum ein Batteriegehäuse 11 a auf, in welchem die Batteriezellen 14 aufgenommen sind. Im vorliegenden Beispiel sind nunmehr zwei Entgasungskanäle 16a, 16b vorgesehen, die zumindest partiell auch gleichzeitig wiederum als zwei Löschmittelleitungen 26a, 26b fungieren. Die Löscheinrichtung 10 umfasst somit eine erste Löschmittelleitung 26a sowie eine zweite Löschmittelleitung 26b. Jede dieser Löschmittelleitungen 26a, 26b ist wiederum an eine jeweilige Entgasungsöffnung 14b der jeweiligen Batteriezellen 14 angeschlossen, wobei nunmehr pro Batteriezelle 14 zwei solcher Entgasungsöffnungen 14b vorgesehen sind. Diese Entgasungsöffnungen 14b sind vorliegend aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für einige der Batteriezellen 14 illustriert. Ansonsten kann jede dieser Löschmittelleitungen 26a, 26b wie zur Löschmittelleitung 26 aus 1 beschrieben ausgebildet sein und an die entsprechenden freigebbaren Entgasungsöffnungen 14b angebunden sein. Das Vorsehen von zwei Löschmittelleitungen 26a, 26b beziehungsweise Entgasungskanäle 16a, 16b hat nun den großen Vorteil, dass ein Löschen einer thermisch durchgehenden Batteriezelle 14, wie in diesem Beispiel die Batteriezelle 14c, und ein Entgasen gleichzeitig möglich ist. Somit kann in den einen Entgasungskanal 16a beziehungsweise die dadurch bereitgestellte erste Löschmittelleitung 26a eingelöscht werden, während in dem anderen Entgasungskanal 16b beziehungsweise in der durch diesen partiell bereitgestellten Löschmittelleitung 26b die Gase aus den thermisch durchgehenden Zellen 14c abgeführt werden können. Die doppelte Ausführung von Entgasungskanälen 16a, 16b beziehungsweise Löschmittelleitungen 26a, 26b hat zudem den Vorteil, dass man einen gezielten Ein- und Auslass mit einem Kühlmedienstrom direkt durch die betroffene Zelle 14c einstellen kann. Diese Kühlmedienstrom ist in 2 schematisch durch den Pfeil 28 illustriert. Das aus einem der beiden Entgasungskanäle 16b beziehungsweise die zweite Löschmittelleitung 26b austretende und abgeführte Gas ist zudem mit 30 bezeichnet. Die ersten Enden 22 der jeweiligen Löschmittelleitungen 26a, 26b münden dabei in eine Umgebung 44 des Kraftfahrzeugs 12. Wenngleich auch in diesem Beispiel nicht explizit dargestellt, so kann auch die zweite Löschmittelleitung 16b an ihrem in die Umgebung 44 mündenden zweiten Ende 22 einen Anschluss 18 aufweisen.
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3 zeigt ein weiteres Beispiel eines Kraftfahrzeugs 12 mit einem Energiespeicher 11 und einer Löscheinrichtung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier kann das Kraftfahrzeug 12 sowie der Energiespeicher 11 und die Löscheinrichtung 10 wie zuvor beschrieben ausgebildet sein, bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede. Insbesondere ist vorliegend die Löscheinrichtung 10 wiederum wie zur 2 beschrieben ausgebildet, wobei in diesem Beispiel der Gasabführpfad 16a, 16b einen Teil 32 umfasst, der von der Löschmittelleitung 26a, 26b verschieden ist. Dieser Teil 32 ist in diesem Beispiel sowohl für den ersten Entgasungskanal 16a als auch für den zweiten Entgasungskanal 16b vorgesehen. Dieser dient zur Umlenkung und Filterung des aus der betroffenen Zelle 14c austretenden Gasstroms 30.
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Daher kann dieser Teil 32 Umlenkelemente 34 und/oder Filterelemente 36 umfassen. Diese können zum Beispiel so ausgebildet sein, dass die Gasströmung 30 gezielt mehrfach umgelenkt wird und Partikel aus dem Gasstrom 30 abgeschieden werden können. Dadurch kann der letztendlich an einem der Ausgänge 22, d.h. der Entgasungskanalauslässe 22, austretende Gasstrom 30 abgekühlt und mit deutlich weniger Partikeln bereitgestellt werden, so dass sich das austretende Gas 30 dadurch bedingt nicht mehr selbst entzündet. Da sich derartige Umlenk- und Filtermechanismen 34, 36 bezüglich der Zuführung des Löschmittels 28 ungünstig auf dessen Strömungseigenschaften auswirken, kann es vorteilhaft sein, diesen Umlenk- und Filterteil 32 des betreffenden Gasabführkanals 16a, 16b bei der Einleitung des Löschmittels in die betreffenden Zellen 14c und Ausleitung in die Umgebung 44 zu umgehen. Entsprechend sind die jeweiligen Löschmittelleitungen 26a, 26b mit einem jeweiligen Bypassteil 38 ausgebildet, d.h. mit einem Leitungsabschnitt 38 zur Umgehung des Umlenk- und Filterteils 32 des jeweiligen Gasabführpfads 16a, 16b. Um beispielsweise zu verhindern, dass das über den Anschlussstutzen 18 zugeführte Löschmittel 28 in den Teil 32 des Gasabführpfads 16a, 16b gelangt, kann dieser eingangsseitig bezogen auf eine Strömungsrichtung vom Anschluss 18 zum Energiespeicher 11 zum Beispiel ein strömungsrichtungsabhängiges Ventil 40 aufweisen, welches einen Fluidstrom nur in Richtung des ersten Endes 22 durchlässt, jedoch keinen entgegengesetzt gerichteten Fluidstrom. Das Löschmittel 28, welches die Zelle 14c bereits durchströmt, nimmt in Richtung des ersten Endes 22 der zweiten Löschmittelleitung 26b automatisch den Weg des geringsten Widerstands. Selbst wenn also hierbei auch Löschmittel zum Teil in den Umlenk- und Filterteil 32 des Entgasungskanals 16b gelangt, so wird ein großer Teil des Löschmittels automatisch über den Bypassteil 38 der zweiten Löschmittelleitung 26b geführt. Um dagegen zu verhindern, dass aus der Zelle 14c austretendes Gas 30 entlang des Bypassteils 38 der betreffenden Löschmittelleitung 26a, 26b geführt wird, kann dieser Bypassteil 38 beziehungsweise der Zugang zu diesem durch ein entsprechend weiteres Ventil 42 gesperrt sein, welches zum Beispiel als Überdruckventil ausgebildet sein kann, das erst ab einem bestimmten Mindestfluiddruck öffnet, welcher typischerweise durch das zugeführte Löschmittel 28, nicht jedoch durch das ausströmende Gas 30 erreicht wird. Auch ein steuerbares Ventil 42 wäre an dieser Stelle denkbar, das erst öffnet, nachdem das Gas 30 ausgeleitet ist, oder ein wasserlöslicher Verschluss oder Ähnliches.
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Alternativ zur Zuführung des Löschmittels 28 über den externen Anschluss 18 wäre es auch denkbar, kraftfahrzeuginterne Medien als Löschmittel 28 zu verwenden. Beispiele hierfür sind Kühlwasser des Kraftfahrzeugs 12 oder Wischwasser des Kraftfahrzeugs 12. Auch Löschmittel 28 aus kraftfahrzeuginternen Löschmittelreservoirs können also verwendet werden und an geeigneter Stelle der Löschmittelleitung 26 beziehungsweise einer der zwei Löschmittelleitungen 26a, 26b zugeführt werden. Dieser Zuführungspunkt muss dabei nicht im Bereich des Entgasungskanalauslasses 22 sein. So besteht insgesamt die Möglichkeit, einen Hochvoltbatteriebrand, beispielsweise nach einem Unfall, über die Feuerwehr oder fahrzeuginterne Medien zu löschen.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Löschen in dem Entgasungskanal einer Hochvoltbatterie im Thermal Runaway bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013021416 A1 [0004]
- DE 102012021095 A1 [0004]
- EP 3466494 A1 [0004]
