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Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, der ein Batteriemodul und mindestens ein thermisch isolierendes Füllelement, zum Beispiel in Form eines Zelltrennelements zwischen zwei Batteriezellen des Batteriemoduls, aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Entgegenwirken eines Brands eines Batteriemoduls.
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Es gibt diverse Gesetzesanforderungen, die sich mit der Sicherheit von Elektrofahrzeugen und deren Energiespeichern beschäftigen. Beispielsweise gibt es Vorgaben, die fordern, dass innerhalb von fünf Minuten im Falle eines Thermal Runaways einer ersten Zelle, das heißt eines thermischen Durchgehens einer solchen ersten Zelle, keine weitere Zelle angesteckt werden darf. Um diese Zeitspanne zu gewährleisten und dadurch diese Anforderung zu erfüllen und in Zukunft diese Zeitspanne auch deutlich zu verlängern, besteht eine Möglichkeit darin, Brandschutzmaterialien in Form von Füllelementen, insbesondere Zelltrennelementen, zwischen die Hochvoltzellen einzubringen. Solche Brandschutzmaterialien können so konzipiert sein, dass, wenn diese zwischen den Zellen angeordnet werden und wenn im Laborversuch über ein Heizpad eine erste Zelle in den Thermal Runaway überführt wird, nachhaltig ein Überschlagen des Brandes auf andere Zellen verhindert wird. Ein solches Laborszenario entspricht jedoch nicht immer der Realität. Beispielsweise kann es in der Realität vorkommen, dass mehrere Zellen gleichzeitig in einen Thermal Runaway übergehen, wie dies zum Beispiel im Falle eines Crashs sein könnte. In einem solchen Fall kann dann entsprechend nicht notwendigerweise gewährleistet werden, dass die in Laborversuchen konzipierten NTP (No Thermal Propagation)-Maßnahmen, wie die oben erwähnte Einbringung von Brandschutzmaterialien, einen Batteriebrand oder Gesamtfahrzeugbrand zuverlässig verhindern können. Somit ist es theoretisch immer noch möglich, dass trotz NTP-Maßnahmen Elektrofahrzeuge immer noch in Brand geraten können. Diese müssen dann anschließend von einer Feuerwehr gelöscht werden.
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Dabei kann eine Feuerwehr beispielsweise im Falle eines Batteriebrands in eine Hochvoltbatterie mit Wasser einlöschen. Hierzu kann zum Beispiel eine Löschlanze in die Hochvoltbatterie getrieben werden, über welche die Batterie mit Wasser geflutet werden kann. Allerdings stehen die oben erwähnten NTP-Maßnahmen derzeit im Kontrast beziehungsweise Zielkonflikt mit solchen Löschmaßnahmen, da die NTP-Konzepte dazu führen, dass nahezu kein freies Volumen mehr in der Hochvoltbatterie zur Verfügung steht, um eine effektive Überströmung aller Zellen zu gewährleisten. Das Vorsehen zusätzlicher Freiräume in einer Hochvoltbatterie würde jedoch zusätzlichen Bauraum erfordern, der jedoch nicht zur Verfügung steht.
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Die
WO 2021/188421 A1 beschreibt ein Papier geeignet zur Verwendung in einer Batterie oder einen Batteriepack als Flammenbarriere oder thermische Isolierung, wobei das Papier 60 bis 95 Gewichtsprozent Aerogelpuder und 5 bis 40 Gewichtsprozent Polymerfasern umfasst, wobei das Papier eine Dicke zwischen 50 und 4.000 Mikrometern aufweist. Als Aerogelpuder werden dabei hochporöse, hydrophobische und vorzugsweise amorphe Silikatteilchen mit großer Oberfläche verwendet oder ein Granulat mit einer Teilchengröße im Bereich zwischen 10 Nanometern bis 50 Nanometern.
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Weiterhin beschreibt die
WO 2022/008153 A1 eine Schutzvorrichtung für Batteriezellen, die für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs in einer Mehrzahl zu einem Modul zusammengefasst sind, wobei ein Gerüst aus Kunststoff zwischen den Batteriezellen vorgesehen ist, das mit einer feuerunterdrückenden Schicht ummantelt ist und jede Batteriezelle von der anderen Batteriezelle seitlich separiert. Dabei kann eine feuerunterdrückende Schicht zusätzlich direkt auf das Gehäuse der Batteriezellen aufgebracht werden. Zwischen jeder Batteriezelle und jeder Separationskammer des Gerüsts kann ein Luftspalt vorgesehen sein. Die thermische Isolationsschicht kann aus einem Material bestehen, das bei Hitze in Keramik verwandelt wird oder bei Hitze einen thermisch isolierenden Schaum bildet oder das bei erhöhten Temperaturen einen endothermen chemischen oder physikalischen Prozess durchgeht, der Wärme absorbiert.
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Das Vorsehen eines Luftspalts ermöglicht zwar prinzipiell auch ein Einbringen einer Löschflüssigkeit im Brandfall, allerdings erfordert das Vorsehen eines solchen Luftspalts wiederum enorm viel zusätzlichen, im Normalfall ungenutzten Bauraum.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Energiespeicher und ein Verfahren bereitzustellen, die es erlauben, die Sicherheit im Zusammenhang mit einem möglichen thermischen Durchgehen einer Batteriezelle eines Batteriemoduls auf möglichst bauraumsparende Weise zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Energiespeicher und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug weist ein Batteriemodul und mindestens thermisch isolierendes Füllelement auf. Dabei ist das Füllelement auflösbar ausgebildet, sodass es sich zumindest bei Kontakt mit einer bestimmten Mindestmenge einer bestimmten Flüssigkeit zumindest zum Teil auflöst.
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Wird dem Energiespeicher beispielsweise zum Zwecke des Entgegenwirkens eines Batteriebrands oder des Löschens eines Batteriebrands eine Löschflüssigkeit als solche bestimmte Flüssigkeit zugeführt, so kann das Füllelement, welches sich z.B. als Zelltrennelement zwischen zwei Batteriezellen befindet, vorteilhafterweise durch die zugeführte Löschflüssigkeit herausgespült werden. Dadurch, dass das Füllelement also auflösbar ausgebildet ist, gibt dieses bei Kontakt mit der bestimmten Mindestmenge der bestimmten Flüssigkeit Raum frei, der entsprechend von der Löschflüssigkeit durchspült werden kann, um so die Batteriezellen deutlich effizienter kühlen zu können beziehungsweise löschen zu können. Ohne Gegenwart der bestimmten Flüssigkeit wirkt das Füllelement jedoch thermisch isolierend und kann im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle ein Übergreifen auf benachbarte Zellen oder ein benachbartes Batteriemodul, je nach Anordnung des Füllelements im Energiespeicher, effizient verhindern. Das Fülllelement verhindert damit vorteilhafterweise im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle das Übergreifen auf die benachbarte Batteriezelle und sollte es dennoch zu einem Brand kommen und entsprechend erforderlich sein, dem Energiespeicher zu Löschzwecken eine Löschflüssigkeit zuzuführen, kann durch das Zuführen dieser Flüssigkeit das Füllelement aufgelöst werden, wodurch sich die durch das Auflösen entstehenden Freiräume, z.B. zwischen den Batteriezellen, effizient von der Löschflüssigkeit durchströmen lassen. Dadurch können die Batteriezellen des Energiespeichers deutlich effizienter gekühlt werden beziehungsweise ein Brand kann deutlich effizienter gelöscht werden. Zudem entsteht kein zusätzlicher Platzbedarf zur Schaffung der notwendigen Durchströmungsquerschnitte, um ein effizientes Entgegenwirken eines Brands mittels des Zuführens einer Löschflüssigkeit zu ermöglichen. Somit sind mehrere Verzögerungsmaßnahmen zur Brandverhinderung oder -bekämpfung mit einer einzigen Technologie zu vereinen, nämlich das thermische Isolieren von Zellen oder Batteriemodulen sowie auch das Löschen mit einer Löschflüssigkeit, zum Beispiel Wasser. Zudem ermöglicht diese Technologie auch die Verwendung von konventionellen Löschlanzen. Die Ausbildung eines solchen Füllelements hat zudem noch den Vorteil, dass dieses sich zum Beispiel auch im Reparaturfall einfach mittels des Zuführens der bestimmten Flüssigkeit durch Auflösen und Ausspülen entfernen lässt. Dies vereinfacht zudem auch die Demontage von Batteriemodulen.
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Das Füllelement kann Teil des Batteriemoduls sein bzw. innerhalb des Batteriemoduls angeordnet sein und/oder zwischen zwei solchen Batteriemodulen eines Energiespeichers angeordnet sein. Der Energiespeicher kann als eine Hochvoltbatterie ausgebildet sein und kann nicht nur ein Batteriemodul, sondern auch mehrere Batteriemodule aufweisen. Das eine oder die mehreren Batteriemodule können jeweils wiederum mehrere Batteriezellen aufweisen. Das Füllelement ist vorzugsweise zwischen zwei benachbarten Batteriezellen des gleichen Batteriemoduls oder zweier benachbarter Batteriemodule angeordnet. Grundsätzlich ist jede Position des Füllelements innerhalb des Energiespeichers möglich. Sehr vorteilhaft ist dabei vor allem eine an mindestens eine Batteriezelle angrenzende Positionierung, um im Falle eines Einlöschens in den Energiespeicher einen Durchströmungsfreiraum zu schaffen, der unmittelbar an diese mindestens eine Batteriezelle angrenzt, was eine besonders effiziente Kühlung dieser Batteriezelle ermöglicht.
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Dass das Füllelement sich zumindest bei Kontakt mit einer bestimmten Mindestmenge einer bestimmten Flüssigkeit zumindest zum Teil auflöst, kann dabei so verstanden werden, dass das Füllelement einerseits so ausgebildet sein kann, dass es sich sofort anfängt aufzulösen, sobald es in Kontakt mit der bestimmten Flüssigkeit gerät, oder auch so, dass der Auflöseprozess erst dann einsetzt, wenn das Füllelement mit der bestimmten Mindestmenge der bestimmten Flüssigkeit in Kontakt gerät. Die bestimmte Mindestmenge kann dabei darüber hinaus von der Materialmenge abhängig sein, die vom Füllelement umfasst ist. Je mehr Material das Füllelement aufweist, zum Beispiel je größer oder schwerer das Füllelement bei gleichbleibenden Materialeigenschaften ausgebildet ist, desto größer kann die bestimmte Mindestmenge der bestimmten Flüssigkeit sein.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass es sich bei der bestimmten Flüssigkeit um Wasser handelt oder die bestimmte Flüssigkeit zumindest Wasser umfasst. Dies hat den Vorteil, dass ein Auflösen des Füllelements durch die Zuführung von Wasser erreicht werden kann, wobei Wasser ein besonders effizientes Löschmittel zur Brandlöschung darstellt und insbesondere das von Feuerwehren am häufigsten verwendete Löschmittel. Das Füllelement ist also bevorzugt in Wasser auflösbar ausgebildet, zumindest wenn dieses in Kontakt mit einer bestimmten Mindestmenge an Wasser gerät. Das Füllelement kann dabei zusätzlich aber auch in anderen Flüssigkeiten als Wasser auflösbar ausgebildet sein.
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Unter einer auflösbaren Ausgestaltung des Füllelements soll dabei sowohl ein chemisches Lösen in einem Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser, verstanden werden können, als auch ein Auflösen oder Zersetzen in kleinere Einzelbestandteile, die jedoch immer noch makroskopische Abmessungen aufweisen können. Beispielsweise kann das Zelltrennelement mit in einer Matrix eingebetteten keramischen Fasern ausgebildet sein, wobei sich beim Kontakt mit der bestimmten Mindestmenge der bestimmten Flüssigkeit die Matrix auflöst, wodurch die keramischen Fasern einfach voneinander separierbar sind, jedoch selbst nicht aufgelöst werden. Die Fasern können auch ohne die Einbettung in eine Matrix so verwoben sein, dass diese durch die durchströmende Flüssigkeit auseinandergerissen bzw. voneinander separiert werden und einfach aus den Zellzwischenräumen ausgespült werden können. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine chemisch lösbare Ausbildung des Zelltrennelements, welches dann zum Beispiel in Wasser vollständig gelöst werden kann. Dadurch ergeben sich keine makroskopischen Rückstände, die zu einer Verstopfung oder Verjüngung der Durchströmungsquerschnitte führen könnten. Das Füllelement kann also zum Beispiel ein Material umfassen, welches sich ähnlich wie ein Salz in Wasser löst.
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Wird das Füllelement zumindest zum Teil aufgelöst, so verliert dieses seine Struktursteifigkeit. Insbesondere zerfällt dieses in kleinere makroskopische oder auch mikroskopische Bestandteile, wodurch das Füllelement einfach aus z.B. dem Zwischenraum zwischen zwei Batteriezellen und insbesondere aus dem Gehäuse des Energiespeichers ausgespült werden kann.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul mindestens zwei in einer ersten Richtung benachbart zueinander angeordnete Batteriezellen aufweist, wobei das Füllelement als ein zwischen den zwei Batteriezellen angeordnetes, thermisch isolierendes Zelltrennelement ausgebildet ist. Gerade durch die Anordnung zwischen zwei Batteriezellen, insbesondere zwischen je zwei benachbart angeordneten Batteriezellen des Batteriemoduls, lässt sich eine besonders gute thermische Isolation der Batteriezellen zueinander bereitstellen und so einer thermischen Propagation besonders effizient entgegenwirken und im Falle des Einlöschens eines Löschmittels als die bestimmte Flüssigkeit ein besonders effizientes Kühlen oder Löschen der brennenden Zellen bereitstellen.
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Die Batteriezellen können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Batteriezellen als prismatische Batteriezellen, Pouchzellen oder Rundzellen ausgebildet sein. Sind die Batteriezellen zum Beispiel als Pouchzellen oder prismatische Batteriezellen ausgebildet, können mehrere in der ersten Richtung nebeneinander angeordnete solcher Batteriezellen einen Zellstapel des Batteriemoduls bilden. Das Zelltrennelement kann in diesem Beispiel als rechteckige dünne Platte ausgebildet sein, die im Zwischenraum zwischen den beiden Batteriezellen angeordnet ist. Weist das Batteriemodul, insbesondere ein solcher Zellstapel, vielzählige Batteriezellen auf, so kann das Batteriemodul auch entsprechend viele solcher Zelltrennelemente umfassen, die dann bevorzugt zwischen je zwei in der ersten Richtung benachbart angeordneten Batteriezellen angeordnet sind. Die nachfolgende Beschreibung weiterer Ausbildungsmöglichkeiten des Zelltrennelements oder im Allgemeinen des Füllelements soll dann entsprechend für alle weiteren optional zusätzlich im Batteriemodul vorgesehenen Zelltrennelemente und Füllelemente analog gelten. Auch wenn die Batteriezellen beispielsweise als Rundzellen ausgebildet sind, so können die Zwischenräume zwischen solchen Rundzellen mit einem solchen Zelltrennelement oder auch mehreren solchen Zelltrennelementen ausgefüllt sein. Das Zelltrennelement kann die Batteriezellen dann zum Beispiel ringförmig umgeben oder in Form einer Gitterstruktur mit zylindrischen Öffnungen ausgebildet sein, in welchen die Rundzellen angeordnet sind.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Füllelement derart ausgebildet ist, dass es sich bei Kontakt mit der bestimmten Flüssigkeit unterhalb der bestimmten Mindestmenge nicht auflöst oder nicht vollständig auflöst. Dies hat den großen Vorteil, dass das Füllelement seine Funktion nicht verliert, selbst wenn dieses beispielsweise in Kontakt mit einer hohen Luftfeuchtigkeit gerät. Erst wenn die bestimmte Mindestmenge an Flüssigkeit überschritten wird, löst sich das Füllelement auf. Außerdem hat dies noch einen weiteren sehr großen Vorteil, der nachfolgend im Zusammenhang mit einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erläutert wird.
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Gemäß dieser weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Füllelement dazu ausgebildet, eine bestimmte Menge der bestimmten Flüssigkeit, insbesondere unterhalb der bestimmten Mindestmenge der bestimmten Flüssigkeit, aufzunehmen und insbesondere zu binden. Das Füllelement kann also sozusagen superabsorbierende Eigenschaften aufweisen. Gerät das Füllelement also mit der bestimmten Flüssigkeit in Kontakt und handelt es sich dabei zum Beispiel um eine kleine Menge an Flüssigkeit, so kann diese geringe Menge an Flüssigkeit vom Füllelement absorbiert werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise die Bereitstellung einer zusätzlichen Schutzfunktion und zum Beispiel auch die Umsetzung eines zweistufigen Löschprozesses. Die zusätzliche Schutzfunktion ist dadurch bereitgestellt, dass das mit Flüssigkeit vollgesogene Füllelement eine zusätzliche thermische Barriere zwischen den Zellen bereitstellt und zudem auch enorm viel Energie erforderlich ist, um die vom Füllelement aufgenommene und gebundene Flüssigkeit zu verdunsten. Dies entzieht einem möglichen Brand enorm viel Energie und trägt zusätzlich zum Löschen und Entgegenwirken eines solchen Brands bei. Außerdem sind Ausgestaltungen denkbar, gemäß welchen zum Löschen oder Entgegenwirken eines Batteriebrands der das Batteriemodul umfassenden Batterie oder des Batteriemoduls selbst eine Löschflüssigkeit, zum Beispiel Wasser, aus einem fahrzeuginternen Löschflüssigkeitsreservoir zugeführt wird und nicht extern von der Feuerwehr. Typischerweise können aufgrund der begrenzten Bauraumsituation in einem Kraftfahrzeug lediglich geringe Mengen an Löschflüssigkeit bereitgestellt werden. Bei der Löschflüssigkeit kann es sich zum Beispiel um Kühlerwasser handeln, Scheibenwischerwasser oder Kühlwasser eines Kühlkreislaufs, welches im Notfall der Batterie zu Löschzwecken zugeführt werden kann. Diese geringe Menge an Flüssigkeit, insbesondere Wasser, führt dann noch nicht dazu, dass sich das Füllelement beziehungsweise die Füllelemente auflösen oder vollständig auflösen, sondern dazu, dass diese geringe Flüssigkeitsmenge zunächst vom Füllelement aufgenommen und gebunden wird. Dadurch kann das Füllelement beispielsweise aufquellen. In diesem Zusammenhang kann das Zelltrennelement auch aufweichen und eventuell seine zuvor steife Struktur verlieren, sich jedoch nicht auflösen. Dadurch wird eine zusätzliche thermische Barriere um die Zellen geschaffen. Erst, wenn die Feuerwehr eintrifft beziehungsweise von außen der Batterie beziehungsweise dem Batteriemodul Wasser oder eine andere Löschflüssigkeit in entsprechend größeren Mengen und oberhalb der bestimmten Mindestmenge zuführt, so löst sich das Füllelement auf und gibt die Freiräume an oder zwischen den Batteriezellen oder Batteriemodulen zur Durchspülung mittels des Wassers frei. Damit können durch das Füllelement nicht nur zwei, sondern auch drei Lösch- beziehungsweise Verzögerungsmaßnahmen mit einer Technologie vereint werden, nämlich thermisch Isolieren, Superabsorbieren und Löschen mit Wasser.
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Um das Füllelement mit superabsorbierenden Eigenschaften auszubilden, kann dieses ein superabsorbierendes Material, zum Beispiel ein superabsorbierendes Polymer, aufweisen. Das Füllelement kann dabei beispielsweise aus mehreren verschiedenen Materialien zusammengesetzt sein, zum Beispiel kann ein superabsorbierendes Polymer in eine wasserlösliche Matrix eingebettet sein. Besonders vorteilhaft und bevorzugt ist es jedoch, wenn das Füllelement ein hydrophiles Aerogel umfasst und insbesondere vollständig aus einem hydrophilen Aerogel gebildet ist. Aerogele sind dabei im Allgemeinen offenporige, nanostrukturierte Werkstoffe, die zum Beispiel aus wässrigen Lösungen durch Gelation, das heißt einem sogenannten Sol-Gel-Verfahren, und geeignete Trocknungsverfahren gewonnen werden. Aerogele lassen sich dabei mit unzähligen verschiedenen gewünschten Eigenschaften und Strukturen bereitstellen. Die Porengröße solcher Aerogele kann im Nanometerbereich liegen und die inneren Oberflächen können außergewöhnlich groß werden. Dadurch eignen sich Aerogele beispielsweise hervorragend als thermische Isolatoren, da sie zum Großteil aus Luft bestehen. Aerogele können mit einer äußerst geringen Wärmeleitfähigkeit ausgebildet werden und mit einer hoher Temperaturstabilität. Damit eignen sie sich grundsätzlich besonders gut als thermische Barriere zwischen Zellen. Auch können Aerogele mit den oben beschriebenen gewünschten superabsorbierenden und/oder lösbaren Eigenschaften ausgestaltet werden. Unter einem hydrophilen Aerogel soll dabei, insbesondere im Gegensatz zu einem hydrophoben Aerogel, ein Aerogel verstanden werden, welches zumindest auflösbar ausgebildet ist und welches vorzugsweise auch dazu ausgelegt ist, eine gewisse Menge an Flüssigkeit aufzunehmen beziehungsweise zu absorbieren. Während für die meisten Anwendungen hydrophobe Aerogele bevorzugt sind und gerade wasserlösliche Aerogele unerwünscht sind, so nutzt diese Ausführungsform der Erfindung gerade die Erkenntnis, dass sich durch ein hydrophiles Aerogel ein Füllelement bereitstellen lässt, welches unter normalen Bedingungen und ohne das Zuführen von Wasser zu einem Batteriemodul hervorragende thermische isolierende Eigenschaften zwischen den Zellen bereitstellen lässt, während zu Löschzwecken das Füllelement aus dem Zellzwischenraum einfach mit Wasser ausgespült werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Füllelement derart auflösbar ausgebildet ist, dass es sich zumindest zum Teil auflöst, sobald es mit der bestimmten Flüssigkeit in Kontakt kommt. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass ein vollständiges Auflösen des Füllelements erst dann möglich ist, wenn es mit der bestimmten Mindestmenge jeder bestimmten Flüssigkeit in Kontakt kommt. Es kann aber auch sein, dass das Füllelement bereits vollständig aufgelöst werden kann, sobald es mit der bestimmten Flüssigkeit in Kontakt kommt, ohne dass eine bestimmte Mindestmenge erforderlich ist. Dies ist jedoch weniger bevorzugt, da gerade durch die oben beschriebene Möglichkeit der Flüssigkeitsabsorption eine zusätzliche Schutzfunktion bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul mehrere der als Zelltrennelemente ausgebildete Füllelemente und vielzählige in der ersten Richtung nebeneinander angeordnete Batteriezellen auf, wobei zwischen je zwei in der ersten Richtung benachbart angeordneten Batteriezellen eines der Zelltrennelemente angeordnet ist. Dabei können alle diese Zelltrennelemente wie zum Füllelement bereits beschrieben ausgebildet sein. Damit kann vorteilhafterweise auch bei großen Batteriemodulen mit sehr vielen Batteriezellen eine sehr gute thermische Trennung der einzelnen Batteriezellen bereitgestellt werden, die kein effizientes Löschen im Falle eines Batteriebrands verhindert.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass der Energiespeicher einen Zwischenraum aufweist, der sich nicht zwischen zwei Batteriezellen des gleichen Batteriemoduls befindet und der insbesondere außerhalb des von den Batteriezellen des Batteriemoduls gebildeten Zellstapels angeordnet ist, wobei das Füllelement im Zwischenraum angeordnet ist. Das Füllelement kann zum Beispiel außenseitig an einem Zellstapel angeordnet sein beziehungsweise diesen bereichsweise oder vollständig umgeben. Beispielsweise kann das Füllelement zwischen zwei Batteriemodulen einer Hochvoltbatterie angeordnet sein. Dadurch kann eine zusätzliche thermische Barriere zwischen den Batteriemodulen geschaffen werden. Auch kann ein solches Füllelement zwischen dem Batteriemodul und zum Beispiel einem Gehäusedeckel eines Gesamtbatteriegehäuses oder einem Gehäuseboden eines Gesamtbatteriegehäuses oder einer Seitenwand des Gesamtbatteriegehäuses angeordnet sein. Dadurch kann auch eine thermische Isolierung der Batteriemodule nach außen hin bereitgestellt werden. Damit kann auch die Umgebung eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs sehr gut von einer eventuellen Hitzeentwicklung im Zusammenhang mit dem thermischen Durchgehen einer oder mehrerer der Batteriezellen geschützt werden. Das Füllelement kann auch zwischen dem Batteriemodul und einer Trennwand zwischen zwei Batteriemodulen angeordnet sein. Das Füllelement kann zum Beispiel an einer beliebig anderen Stelle innerhalb eines Batteriemoduls oder des Energiespeichers angeordnet sein.
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Umfasst der Energiespeicher mehrere Füllelemente können diese auch hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung und/oder ihrer Materialeigenschaften unterschiedlich ausgebildet sein.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energiespeicher oder einer seiner Ausgestaltungen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Entgegenwirken eines Brands eines Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug, der ein Batteriemodul und mindestens ein thermisch isolierendes Füllelement aufweist. Dabei wird zum Entgegenwirken des Brands dem Energiespeicher eine bestimmte Flüssigkeit zugeführt, wobei sich das Füllelement zumindest bei Kontakt mit einer bestimmten Mindestmenge der bestimmten Flüssigkeit zumindest zum Teil auflöst.
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Auch hier gelten die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Energiespeicher und seinen Ausführungsformen beschriebenen 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 des erfindungsgemäßen Energiespeichers 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 Hochvoltbatterie mit mehreren Batteriemodulen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Teils der Hochvoltbatterie aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung der Hochvoltbatterie aus 1 im Falle eines Modulbrands gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 4 eine schematische Darstellung eines Teils der Hochvoltbatterie aus 3 während beziehungsweise nach der Zuführung von Löschwasser zum Löschen des Brands gemäß einem 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 Hochvoltbatterie 10 als Beispiel für einen Energiespeicher 10, mit mehreren Batteriemodulen 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Hochvoltbatterie 10 weist dabei im Allgemeinen ein Batteriegehäuse 14 auf, welches für jedes Batteriemodul 12 einen jeweiligen Aufnahmebereich 16 bereitstellt. Die Aufnahmebereiche 16 können dabei zum Beispiel durch Trennwände 18 voneinander räumlich separiert sein, was aber nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Ein jeweiliges Batteriemodul 12 weist wiederum mehrere Batteriezellen 20 auf, die in diesem Beispiel in x-Richtung nebeneinander angeordnet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur einige der Batteriezellen 20 mit einem Bezugszeichen versehen. In diesem Beispiel sind die Batteriezellen 20 als prismatische Batteriezellen ausgebildet, können jedoch im Allgemeinen auch anders ausgebildet sein. Zwischen je zwei in Stapelrichtung X benachbart angeordneten Batteriezellen eines jeweiligen Batteriemoduls 12 befindet sich in diesem Beispiel ein Füllelement 22 in Form eines Zelltrennelements 22. Auch hier sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige dieser Zelltrennelemente 22 mit einem Bezugszeichen versehen. Diese Zelltrennelemente 22 sind aus einem NTP(No thermal Propagation)-Material, das in diesem bevorzugten Beispiel durch ein hydrophiles Aerogel 24 bereitgestellt ist, gefertigt. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, die Zelltrennelemente 22 mit besonders vorteilhaften Eigenschaften auszustatten. Dabei sind die Zelltrennelemente 22 so ausgebildet, dass sie, wenn sie sich nicht in Kontakt mit einer bestimmten Flüssigkeit, insbesondere Wasser, befinden, in einem formstabilen Zustand befinden, wie dies in 1 und 2 veranschaulicht ist. 2 zeigt dabei insbesondere eine vergrößerte Detailansicht eines Teils A des Energiespeichers 10 aus 1. In diesem formstabilen Zustand der Zelltrennelemente 22 weisen diese sehr gute thermisch isolierende Eigenschaften auf, da sie durch die Ausbildung aus einem hydrophilen Aerogel 24 eine sehr poröse Struktur besitzen und entsprechend zu einem Großteil aus Luft oder im Allgemeinen Gas bestehen. Dadurch kann durch die Zelltrennelemente 22 im Falle eines thermischen Durchgehens eine der Batteriezellen 20 eine sehr gute thermische Barriere zu den benachbarten Batteriezellen 20 bereitgestellt werden. Ein thermisches Übergreifen auf eine benachbarte Batteriezelle 20 kann somit besonders effizient verhindert werden. Dabei kann es von Vorteil sein, solche thermischen Isolationen nicht nur in Form von Zelltrennelementen 22 zwischen den Zellen 20 vorzusehen, sondern beispielsweise auch als entsprechende Füllelemente 26 an anderer Stelle, wie hier beispielsweise umlaufend um die jeweiligen Zellstapel der mehreren Batteriezellen 20 eines jeweiligen Batteriemoduls 12. So können die Batteriemodule 12 auch nach außen hin und zueinander thermisch isoliert werden. Diese Füllelemente 26 können mit den gleichen Eigenschaften ausgebildet sein, wie die Zelltrennelemente 22 und insbesondere auch aus demselben Material 24 gefertigt sein. Entsprechend sind auch diese Füllelemente 26 bevorzugt durch ein hydrophiles Aerogel 24 bereitgestellt. Die folgenden Beschreibungen zu den Zelltrennelementen 22 gelten damit auch in gleicher Weise für diese weiteren Füllelemente 26.
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Trotz der guten thermischen Isolierung zwischen den Zellen 20 kann es unter Umständen zu einem thermischen Durchgehen mehrerer der Batteriezellen 20 gleichzeitig kommen, zum Beispiel im Falle eines Crashs beziehungsweise Unfalls des Kraftfahrzeugs, von welchem diese Hochvoltbatterie 10 umfasst ist. Infolgedessen kann es unter Umständen zu einem Batteriebrand 30 kommen, wie dieser schematisch in 3 und in 4 dargestellt ist. 3 zeigt dabei wiederum die Hochvoltbatterie 10 aus 1, jedoch nun im Brandfall, in welchem mehrere Batteriezellen 20 Feuer gefangen haben, sowie 4 wiederum eine schematische Detailansicht eines Ausschnitts A der Hochvoltbatterie aus 3.
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Dabei hat es sich zur Brandbekämpfung am effektivsten erwiesen, ein Löschmittel, wie in diesem Beispiel Wasser 32, der Batterie 10 oder dem betreffenden Batteriemodul 12 zuzuführen und mit diesem Wasser 32 entsprechend die Batteriezellen 20 zu umströmen. Um ein Durchströmen zu ermöglichen, kann die Batterie 10 zudem auch einen geeigneten Ablauf, zum Beispiel im Gehäuse 14, aufweisen.
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Bei herkömmlichen Batterien besteht jedoch das Problem, dass die Befüllung jeglicher Zwischenräume mit thermisch isolierendem Material dazu führt, dass im Flutungsfall kein Freiraum mehr zur Verfügung steht, um eine effiziente Umströmung der Batteriezellen zu ermöglichen. Ein effizientes Löschen eines Batteriebrands ist somit bei herkömmlichen Batterien nicht möglich, oder zumindest nicht auf bauraumsparende Weise, denn andernfalls müssen durchströmbare Freiräume vorgehalten werden, was zusätzlich Bauraum erfordert.
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Die Zelltrennelemente 22, sowie auch die weiteren Füllelemente 26, sind nun vorteilhafterweise so ausgebildet, dass diese bei Kontakt mit Wasser oder zumindest bei Kontakt mit einer bestimmten Mindestmenge an Wasser sich zumindest zum Teil auflösen. Besonders bevorzugt ist es dabei, dass die Zelltrennelemente 22 sich zunächst bei Kontakt mit einer geringen Menge an Wasser, insbesondere weniger als die vorbestimmte Mindestmenge, nicht auflösen, sondern stattdessen das Wasser 32 aufsaugen beziehungsweise absorbieren und dabei binden und selbst dabei aufquellen. Erst, wenn die maximal mögliche Wassermenge von den Zelltrennelementen 22 aufgenommen ist und diese sozusagen gesättigt sind, lösen diese sich bei weiterer Wasserzuführung auf und werden aus den Zwischenräumen 34 durch das zugeführte Wasser 32 herausgespült. Gleiches gilt auch für die Füllelemente 26, die dann entsprechend aus dem Freiraum 36, in welchem sie angeordnet sind, herausgespült werden.
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4 zeigt entsprechend einen Zustand eines Teils des Energiespeichers 10, in welchem die Zelltrennelemente 22, sowie die Füllelemente 26, bereits aufgelöst sind und entsprechend die Batteriezellen 20 von dem zugeführten Wasser 32 umspült werden. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Brandlöschung und -bekämpfung.
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Zwischen den Zellen 20 beziehungsweise zwischen den Zellmodulen 12 befindet sich also das beschriebene Brandschutzmaterial 24 in Form der Zelltrennelemente 22 beziehungsweise Füllelemente 26, welches den Fokus besitzt, eine möglichst geringe thermische Leitfähigkeit zu besitzen. Dieses Material 24 sorgt für eine „No Thermal Propagation“, verhindert also eine thermische Propagation über alle Batteriezellen 20 hinweg, wenn eine der Batteriezellen 20 thermisch durchgeht. Durch die hydrophile Ausführung dieses NTP-Materials 24, beispielsweise in Form von hydrophilen Aerogelen 24, lässt sich gleichzeitig eine gute thermische Isolation im unaufgelösten Zustand dieses Materials 24 bereitstellen, sowie gleichzeitig auch eine Wasserlöslichkeit. Dies ermöglicht es, dass das Material 24, insbesondere in Form der Zelltrennelemente 22 und der Füllelemente 26, durch Wasser 32 aus dem Gehäuse 14 gespült werden kann. Dadurch werden zusätzliche Durchströmungsquerschnitte freigelegt. Zusätzlich können durch dieses Material 24 Superabsorber-Eigenschaften bereitgestellt werden. Bei geringen Wassermengen kann das Material 24, aus welchem die Zelltrennelemente 22 und die Füllelemente 26 gebildet sind, analog eines Superabsorbers aufgequollen werden. Dies führt dazu, dass das Wasser 32, welches von den Zelltrennelementen 26 absorbiert wurde, an Ort und Stelle bleibt, um die brennende Zelle 20 herum, was einen großen Energieaufwand bedarf, um die Wassermenge, die vom Zelltrennelement 22 aufgenommen wurde, zu verdunsten. Durch die Zelltrennelemente 22 bzw. Füllelemente 26s können grundsätzlich eine der folgenden Kombinatoriken der Eigenschaften vorgesehen sein: Thermische Isolation und Wasserlöslichkeit, thermische Isolation und Superabsorber-Eigenschaft, thermische Isolation und Wasserlöslichkeit und Superabsorber-Eigenschaft. Das Umsetzen der wasserlöslichen Eigenschaften ist hierbei jedoch besonders von Vorteil.
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Dadurch, dass die Zelltrennelemente 22 superabsorbierende Eigenschaften aufweisen, kann ein zweistufiges Löschverfahren besonders vorteilhaft umgesetzt werden. Dies ermöglicht es nämlich, dass zunächst in einem ersten Löschschritt fahrzeuginternes Wasser, zum Beispiel Wischwasser, Kühlwasser, lokal in den Bereich der brennenden Zellen 20 geleitet wird. Durch die Superabsorber-Eigenschaften wird das Wasser 32 vom NTP-Material 24, vorliegend dem hydrophilen Aerogel 24, aufgesaugt und um die Zellen 20 permanent gehalten. Das Verdampfen des Wassers benötigt entsprechend viel Energie und hat in Vorversuchen zu einer Verhinderung des Überspringens des Brands 30 auf weitere Zellen 20 geführt.
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In einem nächsten Schritt wäre beispielsweise eine Feuerwehr nun vor Ort und könnte mit der großen mitgeführten Löschmittelmenge, insbesondere Wasser 32, das hydrophile Brandschutzmaterial 24 aus dem Gehäuse 14 ausschwemmen, was wiederum zu einer Eröffnung der Strömungsquerschnitte in der Hochvoltbatterie 10 führen würde. Spätestens mit dieser Maßnahme kann auch nach übersteigerten Lastfällen ein Löschen eines brennenden Elektrofahrzeugs erfolgen.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung hydrophile Aerogele als Zellzwischenmaterial zur Erfüllung NTP und zum aktiven Ausspülen im Löschfall bereitgestellt werden können. Dies ermöglicht unter Beibehaltung der NTP-Brandschutzmaßnahmen, nämlich der thermischen Isolation, ein Einlöschen von außen mit Wasser. Dabei entsteht kein zusätzlicher Platzbedarf zur Schaffung der notwendigen Durchströmungsquerschnitte und es ist auch eine synergetische platzneutrale Einbringung von Superabsorbern realisierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2021/188421 A1 [0004]
- WO 2022/008153 A1 [0005]
