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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Hochvoltspeicher bzw. einen Hochvoltspeicher für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug sowie ein Sicherheitsgehäuseelement zum Einbau im Gehäuse eines Hochvoltspeichers für ein Fahrzeug, wobei der Hochvoltspeicher derart ausgestaltet ist, dass eine Brandgefahr reduziert wird.
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Ein Hochvoltspeicher für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug wird beispielsweise auch als Batterie, Energiespeicher, Traktionsbatterie oder Traktionsakkumulator bezeichnet.
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Üblicherweise enthält ein Hochvoltspeicher mindestens eine Batteriezelle mit einem Batteriezellgehäuse, das eine sich ab einem vorgegebenen Zellinnendruck öffnende Notentgasungsvorrichtung aufweist, durch die bei einer Störung oder Beschädigung der Batteriezelle heißes oder brennendes Gas aus dem Inneren des Batteriezellgehäuses gezielt entweichen kann. Üblicherweise ist eine Notentgasungsvorrichtung als Sollbruchstelle ausgebildet, welche sich bei Überschreiten eines vorgegebenen Zellinnendrucks öffnet und ein Entweichen von Gas aus dem Inneren der Batteriezelle nach außen ermöglicht.
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Hochvoltspeicher von Elektro- oder Hybridfahrzeugen weisen in der Regel ein Hochvoltspeichergehäuse mit mehreren darin angeordneten sogenannten „Zellmodulen“ auf. Jedes der Zellmodule besteht aus mehreren nebeneinander angeordneten Batteriezellen („Zellpack“), die elektrisch miteinander verschaltet sind.
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Ein Fahrzeug mit einem derartigen Hochvoltspeicher ist beispielsweise in der
DE 10 2018 210 152 A1 beschrieben. Das daraus bekannte Prinzip besteht darin, das Gehäuse des Hochvoltspeichers zumindest in denjenigen Bereichen, in denen die Notentgasungsöffnungen der Batteriezellen angeordnet sind, lokal thermisch resistenter zu gestalten. Dementsprechend zielt die Erfindung darauf ab, das Gehäuse des Hochvoltspeichers (nur) in denjenigen Bereichen zu verstärken, die insbesondere bei einem sogenannten „thermischen Ereignis“ thermisch besonders hoch belastet sind.
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In Extremfällen, wie z. B. bei einer massiven Beschädigung einzelner Batteriezellen, kann in sehr ungünstigen Konstellationen das austretende Gas entflammen, wobei nach dem Stand der Technik bisher ein Austritt in die Umgebung oder in die Fahrgastzelle des Fahrzeugs dadurch verhindert wird, dass die Batteriezellen zusätzlich von einem thermisch resistenten Gehäuse des Hochvoltspeichers umschlossen sind. Dieses Gehäuse könnte jedoch brechen.
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Beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2022 105 539 der Anmelderin wird ein Sicherheitsgehäuseelement für einen Hochvoltspeicher beschrieben. Diese Anmeldung geht davon aus, dass das aus der Entlüftungsöffnung bzw. Notentgasungsvorrichtung der Batteriezelle ausströmende Heißgas eine Heißgasausgangstemperatur von etwa 850°C (Grad Celsius) und mehr sowie eine besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit innehaben kann. Bei Kontakt des Heißgases mit Luftsauerstoff kann eine Stichflamme entstehen, die aus dem Gehäuse des Hochvoltspeichers, in welchem die Batteriezelle aufgenommen ist, herausschlägt.
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Zur einfachen Reduzierung dieser Gefahr kann zwar ein Batteriegehäuse verwendet werden, dessen Gehäusedeckel mit einer Brandschutzschicht gefüllt ist. Diese Lösung ist jedoch nur begrenzt verlässlich.
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Gemäß der oben genannten Patentanmeldung
DE 10 2022 105 539 kann der Hochvoltspeicher im fertig hergestellten Zustand ein Sicherheitsgehäuseelement als Teil des Gehäuses aufweisen. Das Sicherheitsgehäuseelement weist eine Öffnung sowie eine fluidisch durchströmbare Gaskühleinrichtung auf, wobei die Gaskühleinrichtung in oder an die Öffnung gesetzt ist, um bei einem thermischen Durchgehen das aus der betroffenen Batteriezelle strömende Heißgas zu kühlen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einem Hochvoltspeicher zu schaffen, das im Vergleich zu Fahrzeugen mit herkömmlichen Hochvoltspeichern eine noch größere Sicherheit in Bezug auf eventuelle Brandgefahren bietet.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft insbesondere ein Sicherheitsgehäuseelement zum Einbau im Gehäuse eines Hochvoltspeichers für zumindest teilweise elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge. Dabei weist das Sicherheitsgehäuseelement eine Wirbelkammer mit mindestens einer über eine Öffnung in der Wirbelkammer-Wand angeschlossenen Partikel-Auffangkammer (Separierkammer) auf. Weiterhin weist das Sicherheitsgehäuseelement einen Führungspfad zur seitlichen Ableitung eines im Gehäuse befindlichen Heißgas-Partikel-Gemisches in die Wirbelkammer auf.
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Vorzugsweise ist der Führungspfad seitlich am unteren Ende des Sicherheitsgehäuseelements als tangentialer Schlot in die Wirbelkammer derart ausgestaltet, dass das Heißgas-Partikel-Gemisch an einem geraden Entweichen nach oben gehindert wird.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Wand der Wirbelkammer mehrere Öffnungen im gleichen Abstand auf, die jeweils zu einer Partikel-Auffangkammer führen.
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Die Wirbelkammer kann vorzugsweise ein zentrales Rohr aufweisen. Das zentrale Rohr kann derart oberhalb der Öffnungen zu den Partikel-Auffangkammern enden, dass das reine Heißgas nach der Separierung der Partikel aus dem Heißgas-Partikel-Gemisch durch das zentrale Rohr weiter abgekühlt wird; denn das Heißgas kann so dieses Rohr noch weiter umwirbeln, wobei zusätzlich das Innere des Rohres aktiv gekühlt werden kann.
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Der Erfindung liegen folgende Überlegungen und Erkenntnisse zugrunde:
- Derzeit werden Elektrofahrzeuge entwickelt, die ein Lithium-Ionen-Speichersystem als Hochvoltspeicher bzw. Traktionsbatterie verwenden. Wenn die Zellen im Speichersystem defekt sind, besteht ein hohes Brandrisiko. Eine der Brandursachen ist, dass mit dem Heißgas bei einem thermischen Durchbrechen einer Batterie-Zelle auch heiße Partikel mit hoher Geschwindigkeit gewaltsam aus der Zelle ausgestoßen werden, durch die das Gemisch aus Heißgas und Partikel leicht entzündet. Um dieses Entzünden des Heißgas-Partikel-Gemisches zu verhindern, wird erfindungsgemäß eine „Partikelfalle“ vorgeschlagen, um zu verhindern, dass dieser heiße Schmutz entweicht.
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Zwar kann beispielsweise auch ein Metallsieb in einer Öffnung des Hochvoltspeicher-Gehäuses als Sicherheitsgehäuseelement platziert werden, um die Partikel vor dem Austreten abzuhalten. Dies hat aber den Nachteil, dass das Metallsieb verstopft und somit blockiert werden kann. Dies erhöht die Gefahr eines vollständigen Gehäusebruchs im Hochvoltspeicher-System.
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Die Erfindung verzichtet auf ein derartiges Sieb, das verstopft werden kann, sondern setzt darauf, dass vergleichsweise schwere Partikel im Heißgas-Gemisch in sogenannten „Fallen“ gefangen werden, da die Partikel im Unterschied zum reinen Heißgas nicht leicht von ihrem Pfad abweichen können.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Grundprinzip wird das Heißgas-Partikel-Gemisch durch tangentiale Schlote in eine Wirbelkammer geführt. Hier folgt das Gemisch nun einem kreisförmigen Pfad, wodurch die glühenden Partikel durch die zentrifugalen Kräfte zur äußeren Wand der Wirbelkammer transportiert werden. Die Wand der Wirbelkammer weist Öffnungen zu Auffangkammern auf, in denen die Partikel gefangen werden. Das von den Partikeln separierte Heißgas kann auf seinem Pfad gehalten und nach außen entweichen. Die Auffangkammern können auch als Separierkammern bezeichnet werden, da dadurch die Partikel aus dem Heißgas-Partikel-Gemisch separiert werden, so dass nur noch das reine Heißgas entweichen kann. Ebenso kann die Wirbelkammer auch als passive Kühlkammer für das Heißgas bezeichnet werden, da darin durch den längeren Pfad und die Entfernung der heißen Partikel eine Kühlung des Heißgases vor dem Entweichen erfolgt.
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Mit dieser Erfindung soll verhindert werden, dass die glühenden Partikel aus dem Hochvoltspeicher-Gehäuse entweichen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Partikel mehr Masse als das Gas aufbringen und ihren Pfad (Weg-Vektor) nicht leicht ändern können.
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Die mindestens eine im Gehäuse des Hochvoltspeichers oder Hochvoltspeichermoduls angeordnete Batteriezelle weist dabei vorzugsweise weiterhin eine sich ab einem vorgegebenen Zellinnendruck öffnende Notentgasungsvorrichtung auf, durch die bei einem thermischen Durchgehen der Batteriezelle das Heißgas-Partikel-Gemisch aus dem Inneren des Batteriezellgehäuses gezielt entweichen kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine seitliche Vorderansicht auf ein erfindungsgemäßes Sicherheitsgehäuseelement in schematischer Darstellung mit Schnittachsen A-A bis D-D;
- 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sicherheitsgehäuseelement entlang der Hochachse A-A;
- 3 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sicherheitsgehäuseelement entlang der Hochachse D-D;
- 4 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sicherheitsgehäuseelement entlang der Querachse C-C;
- 5 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sicherheitsgehäuseelement entlang der Querachse B-B; und
- 6 eine isometrische dreidimensionale Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Sicherheitsgehäuseelement.
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Die 1 und 6 zeigen in einer zweidimensionalen und in einer dreidimensionalen Gesamtansicht eine mögliche Konstruktion eines erfindungsgemäßen Sicherheitsgehäuseelements 1 mit einer Wirbelkammer 3 und hier drei Partikel-Auffangkammern 4.
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2 zeigt den Eintritt des Heißgas-Partikel-Gemisches 5 aus dem nicht näher dargestellten Hochvoltspeicher-Gehäuse in das Sicherheitsgehäuseelement 1 (Verlauf des Heißgases bzw. Gemisches siehe jeweils handschriftlich eingetragene Pfeile in den Figuren). Durch einen tangentialen Schlot 2 wird das Heißgas-Partikel-Gemisch 5 seitlich am unteren Teil des Sicherheitsgehäuseelements 1 in die Wirbelkammer 3 eingespeist, wodurch es in Hochgeschwindigkeit um ein zentrales Rohr 9 wirbelt, das in einer Draufsicht in den Querschnitt-Darstellungen der 4 und 5 noch näher gezeigt ist.
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Die Wirbelkammer 3 ist oben nach den Auffangkammern 4 offen, so dass das reine Heißgas 7 ohne die Partikel 8 im Zentrum des Sicherheitsgehäuseelements 1 das Hochvoltspeicher-Gehäuse verlassen kann.
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Wie in den 4 und 5 dargestellt, werden die glühenden Partikel 8 durch die Wirbelkammer 3 radial an den Rand geschleudert, wobei an Öffnungen der Wirbelkammerwand die Auffangkammern 4 (hier drei im gleichen Abstand) angebracht sind, die die Partikel 8 in Form von geschlossenen Separierkammern auffangen. Dort können die Partikel 8 abkühlen.
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Der Querschnitt A-A (2) zeigt schematisch den gesamten Weg des Gemisches 5, Querschnitt B-B (5) zeigt das Gemisch 5, das tangential in die Wirbelkammer 3 geführt wird, um den Wirbel zu beginnen, Querschnitt C-C ( 4) zeigt den Weg, den die Partiekel 8 nehmen und Querschnitt D-D (3) zeigt den Weg in die Auffangkammern 4, in die die Partikel 8 gelangen.
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Erfindungsgemäß ist also im Wesentlichen in einem Hochvoltspeicher-Gehäuse ein Sicherheitsgehäuseelement 1 mit einer Wirbelkammer 3 und mit mindestens einer thermisch resistenten Separierkammer 4 als „Partikel-Falle“ für die Partikel 8 eines Heißgas-Partikel-Gemisches 5 vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018210152 A1 [0005]
- DE 102022105539 [0007, 0009]
