DE202013010308U1

DE202013010308U1 - Anordnung für sicherere Batterien in Beförderung und Anwendung

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Publication number: DE202013010308U1
Application number: DE201320010308
Authority: DE
Original assignee: ENVITES ENERGY GES fur UMWELTTECHNIK und ENERGIESYSTEME MBH; Envites Energy Gesellschaft fur Umwelttechnik und Energiesysteme Mbh
Current assignee: ENVITES ENERGY GES fur UMWELTTECHNIK und ENERGIESYSTEME MBH; Envites Energy Gesellschaft fur Umwelttechnik und Energiesysteme Mbh
Priority date: 2013-11-17
Filing date: 2013-11-17
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2023-11-18

Abstract

Anordnung für sicherere Batterien in Beförderung und Anwendung dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Abtrennung und mindestens eine Brandgasbindungseinrichtung angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Anordnungen für sicherere Batterien als Energiespeicher oder -systeme in Beförderung und Anwendung (stationär wie mobil und als Transportverpackung).
Darüber hinaus kann die Erfindung auch auf andere brandgefährliche Stoffe oder Erzeugnisse oder auf elektrisch betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge, Elektrofahrzeuge oder Energiesysteme, Geräte und Maschinen und dergleichen selbst angewandt werden. Im Folgenden soll die Erfindung im Wesentlichen anhand von Batterien, speziell Lithium-Ionen Batterien beschrieben werden.
Besonders in und für Versagensfälle wie Bränden (Elektrolytbrände, Kaskadeneffekt „fire propagation” und Thermal Runaway auch im internen Kurzschlußfall), die auch zu Explosionen führen können. Unsere globale Gesellschaft sucht Wege zu mehr Energieeffizienz, die in einem mehr an Elektrifizierung gekennzeichnet sein soll. Dies insbesondere auch, um wertvolle Ressourcen zu schonen oder eine Umweltbelastung reduzieren zu können.
Batterien, Energiesysteme allgemein spielen hierbei eine große Rolle. Man kann aber auch sehen, dass diese Energiesysteme, die immer mehr Energie und Leistung speichern bzw. abgeben können, im extremen Missbrauch Brandereignisse entwickeln können, die teilweise, wie im Folgenden exemplarisch anhand von Lithium-Ionen Batterien erläutert, schwer zu löschen sind, ohne signifikantere, schädigende oder wiederum gefährlichere Auswirkungen zu haben (gefährliche Hitze, Explosionen (Knallgas), Rauchgase, Feuer e. c.).
Eine Folge etwa einer Überhitzung oder eines internen Kurzschlusses kann ein Batteriebrand sein, der besonders bei Lithiumbatterien in der aktuellen Diskussion steht. Dabei gehen mehrere Konzepte speziell bei mobilen Anwendungen wie Elektrofahrzeugen davon aus, dass ein solcher Batteriebrand mit Wasser und Zusätzen als Löschmittel bekämpft werden soll, wobei zweifellos Wasser in ausreichendem Maße in der Lage ist, die Gesamtreaktionsenergie einer solchen Batterie zu neutralisieren.
Andererseits werden dazu bei größeren Batterien oder Batteriebaugruppen relativ große Mengen von Wasser oder Löschmittel benötigt, welches ggf. zugeführt werden muss. Dabei soll das Löschmittel nicht ins Grundwasser gelangen, dies ist aufgrund der beschriebenen Problematik schwierig zu realisieren. Zwar sind Batterien insbesondere hermetisch abgeschlossen (Lithium-Ionen Batterien, Li-Polymer, Li-Metall), aber im Falle einer Schädigung oder Öffnung der Sicherheitseinrichtungen oder des Berstens der Einhausung, kann es zu gefährlichen, plötzlichen Reaktionen kommen. Das vorzugsweise in den Kohlenstoff eingelagerte Lithium kann mit Wasser unter Flammbildung reagieren. Da bei der Reaktion des Lithiums mit dem Elektrolyten als auch mit dem Löschmittel kann Wasserstoff oder HF freigesetzt werden. Auch andere giftige Reaktionsprodukte entstehen regelmäßig in signifikantem Gehalt. Entstehender Wasserstoff kann mit der Umgebungsluft zündfähige Gemische bilden und schlagartig abrennen.
Das HF kann die Batterieperipherieanlagen, wie Kabel, Teile, Isolierung, Elektronik, Sensorik und Sicherheits- oder Schalteinrichtungen nebst Dämmungen und Isolation und dergleichen derart beeinträchtigen, dass es zu Kettenreaktionen kommt, mithin die gesamte Batteriebaugruppe irreversibel insbesondere auch im schleichenden Prozeß geschädigt wird oder im Batteriebrand, auch temporär versetzter Natur, zerstört wird.
Wasserstoff/Luft-Mischungen sind in einem weiten Mischungsverhältnis zündfähig (4 bis 75 Vol.-% Wasserstoff in Luft oder Gasgemisch). Diese benötigen eine sehr geringe Zündenergie, so dass auch schon bereits geringe elektrostatische Entladungen als Zündquelle ausreichen. Im Mischungsbereichen von 18 bis 59 Vol.-% sind Wasserstoff/Luft Mischungen sehr reaktionsfreudig. Sie haben eine sehr schnelle Flammenausbreitungsgeschwindigkeit.
Alle Energiespeicher haben potenzielle oder latente Risiken. Elektrochemische Systeme können also bei unsachgemäßer Behandlung wie schlechter Reinigung bei Bleibatterie basierten Energiespeichern explodieren und entsprechenden Schaden anrichten. Dabei ist jeweils der Schaden durch mechanische oder thermische Einwirkung des Speichers zu unterscheiden von Schäden die durch ggf. umweltunverträgliche Materialien freigesetzt werden können.
Ein Abdecken mit Sand oder Brandpulvern deckt einen Brandherd ab, kann weitere Reaktionen partiell eindämmen, aber wie im Falle einer Abdeckung mit Glas- (wie Pyro-Bubbles) oder keramischen Perlen kann es eben auch zu Druckaufbau unter einem Weiterfressen des Brandherdes kommen, der bei Aufbruch oder Durchbruch durch die Abdeckung zu einer gefährlichen, schlagartigen auch heftigen Reaktion führen kann.
Solche Reaktionen hat man jüngst auch bei Elektroautos sehen können, deren Batterie aber offenbar durch massiven Einschlag von Gegenständen zerstört worden waren und es zu einem Brand kam.
Öfters wird beobachtet, dass eine starke Rauchentwicklung aus einem solchen Batterieereignis generiert wird, dies kann schnell gefährlich werden. Das wurde so insbesondere auch aus einem Bericht der GCAA (Dubai UPS Frachtflugzeug) konstatiert. Schließlich können diese Rauchgase aufgrund Ihrer Bestandteile wiederum rückzünden und stichflammenartig sich sehr schnell ausbreiten.
Die DE 2010 035 959 schlägt eine gesonderte Aufnahme- mit mindestens einer Sicherungseinrichtung vor, die auch Druckausgleichseinrichtungen als gesonderte Anordnungselemente integrativ umfassen soll. Es gibt aber Anwendungen, die eine zusätzliche Druckentlastung in einer solchen Anordnung nicht ermöglichen.
Die DE 10 2010 050 742 schlägt eine stabile Inertgasbeaufschlagung vor. Diese reduziert insbesondere entstehende Rauchgase nicht hinreichend im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit von Batterien in Beförderung und Anwendung zu verbessern. Das Ziel ist es dabei auch, keine gesonderten Druckausgleichseinrichtungen anordnen zu müssen. Dabei sollen Standardverpackungen von und für Lithium-Ionen Batterien weiterhin Verwendung finden können. So soll weitergehend auch ein bereits einsetzender Thermal Runaway oder sonstiger Batteriebrand eingedämmt oder gelöscht werden, so dass kein Druckaufbau erfordert, das Ereignis begrenzt bleibt und möglichst wenig giftiger Rauch generiert wird.
Weiter kann die Aufgabe so verstanden werden, gefährliche Reaktionen wie gefährliche Hitze sicherer zu beherrschen und ein zu dämmen, auch bezogen für etwaige umweltschädigende Folgen oder einen großen Folgeschaden durch Verlust von Gerät und Infrastruktur oder deren Widerherstellung als Risiko extrem zu minimieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung nach Maßgabe des Schutzanspruches oder eines unabhängigen Unteranspruches gelöst. Die Unterschutzansprüche sollen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung unter Schutz stellen.
Eine erfindungsgemäße Anordnung für sicherere Batterien in Beförderung und Anwendung besteht im einfachsten Falle aus zumindest einer Abtrennung und mindestens einer Brandgasbindungseinrichtung.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der gesicherten Beherrschung von seltensten, aber möglichen Batteriebränden, wie beschrieben. Dabei kann vorteilhaft mit normalen, heute gebräuchlichen Verpackungsmethoden gearbeitet werden. Vorteilhaft ohne Druckaufbau und leicht zu reinigen, d. h. durch die Erfindung geschütztes Gut kann quasi sofort einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
Rauchgase emittieren nicht in technische Systeme, es bilden sich keine durchzündfähigen Rauchgaskonzentrationen. Gefährliche Hitze wird eingedämmt, wichtiges Gerät geschützt. Ein sehr geringer Wasseranteil wird gebunden und ist lediglich erforderlich, somit kann auch nichts in Erdreich gelangen. Die Erfindung lässt sich auch für den Aftermarket und Lösungen in Vorbereitung oder zum Nachrüsten zu einer Beförderung oder Lagerung auch defekter Batterien wie erläutert vorteilhaft einsetzen.
Die erfindungsgemäße Lösung hat ferner den Vorteil ohne größere elektrischen oder sensorischen Anlagen leicht eingerüstet zu werden, somit ist die Anordnung flexibel und mehrwegfähig nutzbar.
In Fahrzeugen kann dazu Wasser aus Kühlkreisläufen oder Waschanlagen in dem Bedarfsfall genutzt werden, die Anordnung der Brandgasbindeeinrichtung in einem Fahrzeug oder Flugzeug kann flexibel und mit einfachem Aufwand aufgerüstet werden.
Vorteilhaft ist schließlich, dass in einem Unfallfalle diese Brandgasbindeeinrichtung prädikativ oder vorbeugend eingesetzt werden kann, etwa dann wenn ein Impact erfolgt ist oder etwa die Managementelektronik oder Sicherheitselektronik einen Gefahrfall sieht und diese quasi dann Batterieairbag Funktion auslöst.
Hier sind im Folgenden für diese Erfindung Batterien auch als Energiesysteme oder Energiespeicher bzw. Stromspeicher esp. -wandler oder Erzeuger oder Netz- und Verteileinrichtungen, auch wie folgt, definiert. Dabei kann es sich um Komponenten wie Zellen oder Module, Batterien, Batteriebaugruppen und dergleichen, auch Brennstoffzellen, andere Erzeugnisse oder Stoffe und deren Mischungen, Bauarten oder Derivate handeln.
Ebenso Windkraftanlagen, Solarzellen, Bio-Zellen, Tauscher, Öl- und Gas oder deren Wandler- und Verdichter. Die Definitionen am Beispiel Lithiumbatterien kann man aus den internationalen Normen sowohl der ISO wie IEC sowie UL und dergleichen dafür jeweils heranziehen oder sich am UN Prüfhandbuch Test und Kriterien (bei Lithiumbatterien 38.3) orientieren.
Das Funktionsprinzip dieser ionischen Batterien basiert auf der Intercalation (von Varta früher auch als Swing-Batterie bezeichnet). Der Begriff der Intercalation wird in unterschiedlicher und oft missverständlicher Weise gebraucht. Im weiteren Sinne des Wortes ist eine Intercalation die Einlagerung einer beweglichen Gastspezies in ein Wirtsgitter ohne Zerstörung des Bauprinzips der Wirtssubstanz.
Die Wirtsgitter weisen dabei z. B. Schicht-, Röhren- oder Käfigstrukturen auf, in denen die Gäste in 1-, 2- oder 3-dimensionaler Anordnung (häufig unter Quellung) eingelagert werden können. Vielfach wird der Begriff ”Intercalieren” (= ”dazwischenschieben” nur für 2-dimensionale Wirte verwendet. Die Intercalation von Ionen (Anionen bzw. Kationen) ist mit einer Oxidation bzw. Reduktion des Wirtsgitters verbunden. Bei einer elektrochemischen Intercalation wird ein elektronisch leitender Wirt als Elektrode in einem Elektrolyten anodisch oder kathodisch polarisiert, wodurch Anionen bzw. Kationen (eventuell solvatisiert) aus dem Elektrolyten in das Wirtsgitter übertreten.
Durch diese Elektronen-/Ionen-Transferreaktion entsteht ein Mischleiter mit meist besserer elektronischer Leitfähigkeit als das Ausgangsmaterial. Elektrochemische Intercalationsreaktionen sind in der Regel reversibel, und die Beweglichkeit der Gastionen ist insbesondere in Wirtsgittern mit Schichtstruktur hoch.
Das Konzept der Intercalationselektroden für elektrochemische Stromquellen hat spätestens seit der rasanten Entwicklung der wiederaufladbaren Lithiumzellen wieder großes Interesse gefunden. Graphitintercalationskathoden sind seit den 70er Jahren für Anwendungen in organischen und wässrigen Elektrolytlösungen vielfach untersucht worden.
Auch in anderen, schon lange Zeit bekannten galvanischen Elementen, z. B. dem Zn/MnO₂-Element und dem Bleiakkumulator, verläuft die Reduktion der kathodischen Oxide über die Einlagerung eines Protons (H⁺) in MnO₂ bzw. PbO₂.
Die hochreaktiven Elektroden in Li-Ionen Batterien sind nur kinetisch, d. h. durch „passivierende” Oberflächenfilme, gegen eine plötzliche Reaktion mit dem organischen, leicht entflammbaren Elektrolyten geschützt. So sollte auf jeden Fall ein Betriebszustand der Lithium-Ionen-Zelle vermieden werden, der ein plötzliches Aufbrechen der Filme begünstigt, also z. B. eine Überladung oder Überentladung. Der auf die H₂- bzw. O₂-Entwicklung beruhende chemische Überlade- und Überentladeschutz in wässrigen Elektrolyten kann nämlich in den nichtwässrigen Lithiumzellen nicht realisiert werden. Die Entladung und Ladung von Lithium-Ionen-Zellen muss elektronisch überwacht und geregelt werden.
Dendritenbildung oder flächige Abscheidungen von metallischem Lithium oder Eisen in bspw. Interkalationssystemen wie Lithium-Ionen Batterien können zum totalen Fehlversagen des Systems führen. Li-Dendriten können als feine gegliederte Strukturen nadelhaft eine Elektroden-Separatoranordnung durchstoßen und kurzschließen. Solche Dendriten können auch um die Wickel oder Stapelkanten herum Kurzschlüsse ggf. erzeugen.
Deren Folge kann eine Überhitzung des Zellsystems mit folgendem Thermal Runaway sein. Flächig abgeschiedenes Lithium im Beispiel von Lithium Ionen Batterien kann eine reaktive Schnittstelle zur oder mit dem Elektrolyten ausbilden. Zumindest eine vorzeitige Gebrauchsreduktion wird hier signifikant oder es kann ebenso zu den beispielhaft beschriebenen kritischen Folgen oder Zuständen im Betrieb im Feld besonders kommen.
Stromspeicher im Rahmen der Erfindung sind vorzugsweise elektrochemische Speichermedien oder auch elektrostatische Ladungsspeicher, auch in beliebigen Kombinationen oder gemeinsam zur Beförderung angeboten. Elektrochemische Speichermedien umfassen dabei einen Akkuzellensatz (Batterie, Akkumulator, Akku) mit mindestens einer einzelnen Akkuzelle oder Akkuzellen.
Energiespeicher, im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie Lithium-Ionen oder Ni-MH Batterien, dienen der Speicherung von Energie zur späteren Nutzung. Vorteilhaft erfindungsgemäß sind nach Energie und Leistung optimierte Systeme.
Lithium Ionen Batterie ist dabei ein Sammelbegriff für die Vielzahl diverser sekundärer Batteriesysteme. Es gibt eine Fülle möglicher Kombinationen von Anoden, Elektrolyt und Kathodenmaterialien und design-in Varianten. Lithium ist quasi als Linksaußen das leichteste Metall im Periodensystem (Atommasse M = 6,941 g/mol; Dichte 0,53 g/cm³) und steht am negativen Ende der elektrochemischen Spannungsreihe (–3,04 VH). Die daraus resultierende hohe theoretische Kapazität von 3860 Ah/kg und die in Kombination mit verschiedenen Kathodenmaterialien realisierbaren hohen Zellspannungen machen es zum idealen Anodenmaterial.
Ist die Speicherung einer Energieform wegen technischer Probleme, ungenügender Kapazität oder Stillstandsverlusten ungünstig oder nicht möglich, wird sie in eine andere, für die Speicherung geeignetere, Energieform umgewandelt und gespeichert. Im Bedarfsfalle wird die Energie dann zurückgewandelt. Ein Beispiel ist die Wandlung chemischer Energie (Brennstoff) in thermische Energie (Wärme). Sowohl bei der Speicherung als auch bei der Energieumwandlung treten immer Verluste auf. Lithium-Ionen Batterien sind entgasungsdicht und scheiden im normalen Betriebsfall insbesondere kein gefährliches Knallgas aus.
Man bezeichnet diese Batterien gemeinhin auch als elektrochemische Vorrichtungen, meist sind diese mit einer Management- und Schutzelektronik ausgestattet, wobei eine vorteilhafte Konfiguration eine serielles String-BMS (= Batteriemanagementsystem) mit einer übergeordneten Batteriebaugruppenmanagementsystemeinrichtung (BMMS) kombiniert oder autark abgebildet werden kann.
Vorteilhaft ist, wenn dieses BMMS die Batteriebaugruppe immer, auch im sleep Modus oder während einer Wartung bzw. einer Entnahme einer Batteriebaugruppe im Batterieraum monitort, so dass keine Kurzschlüsse, gefährliche Hitzeentwicklungen und dergleichen im Havariefalle auftreten können. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere solche Vorfälle auch als Ereignisfall bezeichnet.
Von Vorteil ist, wenn diese BMS und oder BMS/BMMS die Funktion einer Laderegelung integriert haben, weil dann eine gesonderte Ladeschaltung entbehrlich ist.
Vorteilhaft ist wenn das BMS oder das BMMS an die Abtrennung und/oder die Brandgasbindungseinrichtung gekoppelt ist. Von besonderem erfinderischem Vorteil ist es wenn das BMS oder das BMMS über eine Regelung, die vorteilhaft redundant aufgebaut ist die Brandgasbindungseinrichtung in Gang setzt, wie dies hier beschrieben ist.
Vorzugsweise kann für eine Luftbatterie Zellenelement eine Elektrode mit einer zusätzlichen Dichtmembran oder -Beschichtung angeordnet sein. Ein Luftbatteriesystem nutzt dann optional Sauerstoff aus der Luft als Gegenelektrode.
Galvanische Batterien werden häufig auch in der Form stapelbarer oder gewickelter Einheiten hergestellt, aus denen durch Zusammenfassung einer Mehrzahl solcher Zellen Batterien oder Batteriebaugruppen für verschiedene Anwendungen, insbesondere für einen Einsatz in ortsfesten Batterieanlagen verschiedener Anwendungen hergestellt werden können.
Diese werden aus Zellen-Modulen, Batteriebaugruppen oder Batterien aufgebaut, die über ein Batteriemanagement verfügen. In jüngerer Zeit werden insbesondere Lithiumbatterien auch gefaltet und gewickelt.
Vorliegend ist der SOC als Ladezustand gekennzeichnet. State of Charge (SoC) ist ein Kennwert für den Ladezustand von Akkus als Stromspeicher. Der SoC-Wert kennzeichnet die noch verfügbare Kapazität eines Akkus im Verhältnis zum Nominalwert. Erfindungsgemäß vorteilhaft ist es den SOC in einem bestimmten Bereich einzustellen oder auch zu betreiben, vorteilhaft zwischen 20–80% oder im Falle der Beförderung bei vorzugsweisen 30–70%.
Der Ladezustand wird in Prozent vom vollgeladenen Zustand angegeben. 30% bedeuten somit, dass der Akku noch eine Restladung von 30% bezogen auf die Vollladung von 100% hat.
In Sekundärzellen weißt eine Batterie bspw. auch Ionen auf. Diese Ausführung bietet den Vorteil einer erhöhten Energiedichte der Sekundärbatterie, insbesondere einer Energiedichte von wenigstens 40 Wh/kg.
Diverse Materialkombinationen und auch Hochvoltzellbatteriestromspeichersysteme erfinderisch der Lithium-Ionen oder Li-Metall, Li-Luft-Typen einsetzbar. Besonders vorteilhaft war bei einem Li-Ionen System mit Mischoxiden die U_max bis 4,3 V einzustellen. Statt einem Lithium System kann auch etwa eine Schwefelbatterie oder beispielsweise auch eine Magnesiumbatterie und dergleichen vorzüglich verwendet werden.
Erfindungsgemäß von besonderem Vorteil ist der Einsatz eines Stromspeichers der auf Systemen beruht, die 5 V in Bizellentechnologie oder als Hochvoltzellen (5 V Systeme wie Spinel, LiNiMno4 und dergleichen) verwenden.
Als untere Spannungsgrenzen kommen bei einem LTO System nach dem Vorschlag der Erfindung 1,9 V oder bei einem LiFP system 2,9 V in Frage, temperaturabhängig ggf. variiert. Bei einem Hochvoltspinell Zellsystem wären dies 4,5 V vorschlagsgemäß für den optimalen Effizienzbereich.
Kritisch für das Verhalten unter Extrembedingungen, die z. B. durch innere oder äußere Kurzschlüsse zu einem hohen Temperaturanstieg führen können, ist die Temperaturstabilität der Aktiv-Materialien des Zellsystems. Ab einer kritischen Temperatur (Onset) kommt es im Stage 2 zu einer exothermen Reaktion der anodischen Schutzschicht (SEI) mit dem Elektrolyten, was die Temperatur weiter ansteigen lässt.
Bei einer weiteren kritischen Temperatur zerfallen der meisten Kathodenmaterialien unter interner Freisetzung von Sauerstoff, was dann zu einem Thermal Runaway führt.
Mit weiterem Bezug zu den Sicherheitspuffern aus den Materialien kann festgestellt werden, dass je höher diese kritische Temperatur der Kathodenmaterialien ist, umso größer ist der Sicherheitspuffer, nimmt also in der Materialreihenfolge:
LFP > LiMn2O4 >> NCM > NCA > LCO ab.
Die Hersteller gehen aber auch Wege, bestimmte stabilere Materialien (siehe Evonik: Separion), Additive wie PCT Materialien und PTC und dergleichen und weitere vorbeigende Sicherheitselemente einzusetzen. Membrane oder Ventile gehören auch dazu. Dazu werden auch sogenannte HRL Technologien kommerziell eingesetzt oder shut-down Mechanismen zum Schutz gegen Thermal runaway angeordnet.
Insbesondere auch sogenannte „positive-temperature-coefficient (PTC) Materialien werden in einem Blend oder als Schicht auf, unter neben oder in Elektroden bzw. Separatoren eingearbeitet. Man konnte in Ergebnissen bereits nachweisen, dass diese Maßnahme wirksam war bei etwa 90°C die Zelle elektrochemisch zu blockieren, vgl. bspw. Li (etall) in Int. J. Electrochem. Sci., 8 (2013) 5223–5231, „A Positive-Temperature-Coefficient Layer Based on Ni-Mixed Poly(Vinylidene Fluoride) Composites for LiFePO4 Electrode":
Auf Basis organisch-anorganischer Hybridpolymere, die verglichen mit anderen Feststoffpolymeren eine hohe intrinsische ionische Leitfähigkeit zeigen (bis zu 10 –4 S/cm), werden verschiedene Komposite entwickelt. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften werden funktionalisierte Silicat- oder Keramikpartikel eingearbeitet. So entstehen Materialien mit einer wesentlich geringeren Flammbarkeit sowie höherer thermischer Stabilität.
Untersuchungen der DLR haben ergeben, dass es auch zu Brandfällen mit PTC oder PTC Materialien in/an Elektroden gekommen ist, bei denen die Batterie nur zu 50% geladen war. D. h. in diesem Kontext ist die Erfindung von besonderer Bedeutung überall dort, wo es in hohem Maße auf Sicherheit und Gefährdungsfreiheit ankommt, etwa bspw. auch in einem Flugzeug, einem Boot oder einer militärischen Einrichtung.
2004 gab es in Memphis/FedEx offenbar ein solcher Brandereignis in einer 2s66p großen Batterie dadurch, dass das PTC einen Fehler hatte oder bekam, wobei die Batterie sogar nur in einem vermeintlichen sicheren Bereich des Ladezustandes vom 50% SOC gewesen sein soll.
Die mechanische Einwirkung bei Unfällen mit Elektroautos kann auch über Zellkurzschlüsse zu einer Temperaturerhöhung mit starker Innendruckerhöhung durch Elektrolytverdampfung und schließlich zum Bersten der Zellen mit Elektrolytaustritt und zum Elektrolytbrand führen. Durch die dadurch weiter ansteigende Temperatur (Thermal Runaway) kann es sicherlich in einem zweiten Schritt zur Sauerstofffreisetzung aus dem Kathodenmaterialien wie LiNiCoAlO2 (NCA) kommen, die zu quasi Explosionserscheinungen führen kann.
Dabei wird oder werden signifikant Gas oder Brandgase, hier für die Erfindung im Folgenden auch Brandgase genannt, freigesetzt, deren Menge und Intensität der Freisetzung aber von Fall zu Fall abhängig von konkreten Gegebenheiten ist, gemessen wurden bis zu 7 Liter pro Amperestunde im Fall von Lithium-Ionen Batterien. Bestimmte Batteriesysteme mit Lithiumeisenphosphate und PVDF/Anoden mit Grafit zeigen höhere Gasmengen als Lithiumeisenphosphate und SBR/Anoden mit Grafit oder Mischoxidsystemen mit einem NMC (Nickel-Mangan-Kobalt), optional mit Lithiummanganat ergänzt oder eingemischt.
Bei auslaufendem Benzin im Beispiel eines Hybridfahrzeugs mit Benzinmotor braucht man eine Zündquelle (die in der Regel im Fahrzeug auch vorhanden ist). Bei Batterien kann sich das System durch einen Kurzschluss aber auch selbst entzünden. Benzinbrände sind in der Regel schwerer beherrschbar und breiten sich auf das gesamte Fahrzeug aus. Batteriebrände wurden auch schon durch Ausrüstungen oder Gerätfehler generiert, wie bspw. elektronische Zigaretten oder Taucherlampen.
Solche Gerätefehler können auch durch Bedienfehler oder Ladegeräte, resp. Wechselrichter oder die Bordelektronik eines Fahrzeugs erzeugt werden.
Im Sinne der Erfindung sind die Batterien durch eine angeordnete Abtrennung quantitativ je nach Leistungsvermögen der Brandgasbindungseinrichtung oder der örtlichen Verhältnisse in quasi eigene Brandschutzabschnitte ge- oder aufgeteilt.
Dabei kann die Abtrennung als stabiliserendes Element verstanden werden, welches insbesondere einer möglichen gefährlichen Hitze und Druck usw. standhält. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind dies T-Profile die horizontal oder vertikal und oder beides oder in Kombination in eine bekannte Verpackungslösung aus zugelassenen Kartons oder UN-4D Kisten auf einer Palette darin integriert werden. Dies wird noch beispielhaft näher erläutert.
Dabei sind die genannten Materialien oder Marken nur beispielhaft angeführt, es sind natürlich die jeweiligen Materialgruppen, Derivate, andere geeignete Materialien oder dergleichen erfindungsgemäß eingeschlossen.
Vorteilhaft besteht eine Abtrennung lediglich aus einem beständigen Blech oder Stahl oder Verbundmaterial, das kann auch Holz oder Kunststoff basiert sein.
Von besonderem Vorteil ist es, diese Module oder Batterien/Zellen durch eine Abtrennung mit Isolationsmaterial wie einem zu 1000°C schmelzsicheren Material wie bspw. einer Ingenieurkeramik wie im Folgenden beschrieben oder einem Material wie Microtherm Platten oder Formkörper wie Zylinder daraus zur Umwicklung bei zylindrischen Batterien (Großformatig), seitlichen Beanstandung und als Box ohne festen Deckel oder einfach als Abschottung zum nächsten Modul zu verwenden. Dabei ist es von erfinderischem Vorteil, dass ein Material oberflächlich oder in der ersten Lage bei Auftreten von Übertemperatur verbackt, denn die unteren Lagen oder das weitere Material hält seine dämmende und schützende Funktion aufrecht, um den sogenannten Kaskadeneffekt, also das Durchbrennen eines Elements oder Moduls in Folge der Hitzeübertragung von außen, auszuschließen.
Das ist besonders vorteilhaft, weil somit lediglich unter Umständen ein lokal gut beherrschbares Überhitzungs- oder Brandevent aus einer Ursache wie einem internen Kurzschluss auftritt, welches dann lokal gut beherrschbar ist.
Vorteilhaft ist daher die Auskleidung oder Isolation der vorzüglich flüssigkeitsdichten Abtrennung durch geeignete Ingenieurkeramiken oder deren Belegung mit Pyrobubbles. Gemäß einer besonderen Ausführung sind diese Keramiken mehrlagig aufgebracht und können optional mit Sonderdichtwerkstoffen + Fasern angeordnet oder embedded sein. Wegen der beschriebenen Problematik des Auftretens von HF oder der schnellen Temperaturwechselbelastung ist erfindungsgemäß eine Karbid-Keramik oder ein Derivat daraus vorteilhaft.
Diese Karbid Keramiken sind vorzüglich erfindungsgemäß vorteilhaft zur Auskleidung auch als Abtrennung verwendet oder bilden seitlich Formkörper, die eine Batterie oder ein – Modul zumindest teilweise umschließen. Ingenieurkeramiken der beschrieben Art halten mehr als 1200°C aus bei schnellen Temperaturwechseln, gegen solche Schocks verbinden diese die Eigenschaft der HF-Resistenz, so dass solche Keramiken wie Karbide, speziell rekristallisiertes Siliziumkarbid nach einer besonderen erfinderischen Ausführungsform vorzüglich geeignet sind. Die geometrische Form eines Hohlzylinders um ein Batteriemodul kann gemäß einer besonderen Abwandlung einer erfinderischen Detaillösung dafür sorgen, dass die entstehende Hitze und die Gase besser abgeleitet werden und sich kein Stau über der Brandgasbindungseinrichtung bildet. Vorteilhaft bauen diese Anordnungen auch ggf. einen Druckanstieg gut ab. Vorteilhaft ist die direkte ausreichend formschlüssige Verbindung eines solchen Hohlzylinders mit der Brandgasbindungseinrichtung.
Nach einer weiteren Abwandlung kann die Keramik auch aus NSI oder SSn oder ATI (Aluminiumtitanat) sowie RSCI oder Derivaten und Kombinationen davon auch mit einem der hier erfinderisch beschrieben Materialien sein.
Vorteilhaft sind Keramiken, ggf. mit Sonderdichtstoffen und Fasern oder aus Verbundwerkstoffen und dergleichen jeder Art mehrlagig ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausführung werden Glasfasern eingesetzt.
Gemäß einer Abwandlung besteht die Abtrennung aus abgedichtetem GFK aus einem Recyclingprozess, welcher mit solchen Keramiken mehrlagig ausgelegt oder beschichtet, beklebt verspannt und dergleichen ist.
Erfinderisch vorteilhaft und überraschend wurde gefunden, dass diese Keramiken, Schaumbildner oder auch Microtherm in den beschriebenen beispielhaften Anordnungen oder auch Kombinationen einen Kaskadeneffekt wirksam verhindern konnten. Somit ist ein wesentlicher Beitrag zur Eindämmung eines Ereignisses für Energiespeicher vorteilhaft erbracht worden. Andere Energiespeicher wurden nicht mehr angesteckt.
Obschon die vorliegende Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungen und das Beispiel in Ihren wesentlichen Merkmalen beschrieben worden ist, versteht sich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern in dem durch die Schutzansprüche vorgegebenen Umfang und Bereich abgewandelt und erweitert werden kann.
In einer Abwandlung wird eine Abtrennung der Batterie mit einer teilflexiblen Microtherm Isolierung angeordnet, die direkt die Module nach allen Seiten abdeckt, die Kanten umschließt und so verschlossen ist, dass diese auch bei Auftreten eines lokalen Überdruckes aus dem Energiespeicher stand hält. Vorzüglich sind dazu Klettverschlüsse, Nähte, Verklebungen und dergleichen.
Gemäß einer weiteren Abwandlung sind die Außenwände mit der beschriebenen Ingenieurkeramik ausgekleidet und mit Microtherm zusätzlich gepolstert.
In einer weiteren Abwandlung bestehen die Abtrennung aus Microtherm oder sind damit umhüllt, wobei nur jede zweite Batterie oder jedes dritte Modul mit einer Keramikeinheit zusätzlich geschützt ist. Diese Keramikeinheit kann ein beschichtetes, beklebtes oder beplanktes Teil sein und dergleichen.
Vorteilhaft sind Überdruckentlastungen auch an in oder am oder um den Energiespeicher, gemeint ist dessen Gehäuse, vorgesehen, die vorzugsweise als Sollbruchstellen, Membranen oder Bersteinrichtungen (Berstscheiben) oder Ventilen und dergleichen bestehen können. Vorteilhaft ist es zumindest eine solche Einrichtung anzuordnen.
Eine weitere Abwandlung hat eine besondere, auslösende und abdeckende Isolationsschicht, vorzüglich aus glas- und glasartigen oder keramischen oder -artigen Partikeln wie Perlen, Tubes, Granulaten die neben oder über dem Energiespeicher angeordnet sind. Auch Glasschaum- oder Keramikschaumbildner sind vorteilhaft. Kommt es nun zu einem Brand können diese aus dem vorzugsweise übergeordneten Isolationsteil herausrieseln und über und zwischen den betroffen Teil des Energiespeichers rieseln und Ihre dämmende und schützende Funktion ausüben. Dabei wirkt eine Zuführeinrichtung optional, etwa eine automatische Erkennungs- und Fördereinrichtung die über eine elektronische Steuer und Messeinrichtung das Material an den Ereignisort befördert und verteilt. Das hat den Vorteil, dass eine solche Einrichtung gezielt auf mehrere Abtrennungen konzentriert werden kann. Dies ist effizienter bei gleich hoher Reaktionsgeschwindigkeit.
Von besonderem Vorteil ist aber auch ein System, welches die Erdanziehungskraft nutzt. Dabei ist das rieselfähige Material vorzüglich über dem Energiespeicher angeordnet und wird durch das Auftreten von Hitze, etwa durch Wegschmelzen einer Membran oder Eröffnung einer Sollbruchstelle aus einem Kunststoff freigesetzt. Rieselt somit auf den Ereignisort, lokal, bis zur jeweiligen Abtrennung.
Vorteilhaft ist hier, dass dies etwas temporär verzögert erfolgt und quasi auch temporär verzögert auf den betroffenen Ereignisort oder den Batteriespeicher einrieselt und schließlich zumindest teilweise bedeckt, weil dadurch sich einerseits der Druck aus dem Ereignis lokal besser abbaut und es somit nicht zu einem plötzlichen freisetzten kommt, auch nicht durch ein verzögertes Weiterbrennen und Druckaufbau, weil das Material sukzessive die Reaktion insbesondere durch massive Aufnahme gefährliches Hitze eindämmt.
Gemäß einer besonderen Abwandlung rieselt das Material dann zwischen die Abtrennung und Energiespeicher zunächst und stützt oder stärkt an der Stelle die bereits angeordnete Isolierung. Dies hat den Vorteil, dass man die an, um zwischen usw. den Abtrennung angeordnete beschrieben Isolierung dünner ausgestalten kann, nur im Ernstfall würde dies verstärkt. Eine Schicht von Schaumbildnern von 3 cm kann Wärme bis 1000°C standhalten resp. aufnehmen. Eine weitere Abwandlung würde für das über den Abtrennung und dem Energiespeicher gespeicherte rieselfähige Material mit Sollbruchstellen versehen, die durch eine Brandmeldeanlage ausgelöst werden.
Gemäß einer weiteren Abwandlung könnte dies aus selbstauslösenden Feuerlöschgeräten oder mittels einer Treibladung, etwa aus einem Airbag geschehen bzw. ausgelöst werden. Bei letzterem würde der Treibsatz des Airbag oder der Airbag selbst, die oben beschriebene Rückhaltungsmembrane für das rieselfähige Material aufreißen oder soweit zerstören, dass genug Material eventgerecht ausrieseln kann.
Vorteilhaft kann wenn es um einen Elektrofahrzeug regelmäßig auf eine Abtrennung innerhalb des Energiespeichers auch verzichtet werden, weil man dort ggf. bereits thermisch stabile Materialien in Anordnungen umgesetzt hat.
Erfindungsgemäß wird hier vorgeschlagen, im Beförderungsfall eine Abtrennung um das Elektrofahrzeug oder in Abhängigkeit von der Größe der Batterien (kwh) einzelne Beförderungseinheiten zu bilden, die dann zu einer ausreichenden Brandgasbindungseinrichtung korrespondieren. Vorteilhaft und effizient kann dies so geschehen, dass redundante Brandgasbindungseinrichtungen mehrere Beförderungseinheiten absichern.
Von besonderem Vorteil ist, dass eine erfindungsgemäße Abtrennung auch den sonstigen Aufbau der Verpackungseinheit oder der Batterie oder – Anordnung stabilisiert, auch bei gefährlicher Hitze und/oder diese nicht auf andere Batterien überträgt.
Eine solche erfindungsgemäße Abtrennung kann auch durch eine „Cap” kappenartige überklappende Einrichtung hergestellt werden, die also etwa über eine Palette Batterien kippt, durchfällt oder eine geeignete Kappe aus flexiblen oder teilflexiblen Materialien im Kontext der Beschreibung als Abtrennung raumbildend und abgrenzend etwa beispielhaft über eine Palette Batterien ausbildet.
Solche geeigneten Materialien können aus bereits hier beschriebenen Materialien oder solchen wie fiberseal evolution oder fibersschield, geeigneten Löschdecken, Feuerschutzplanen oder Matten und dergleichen bestehen.
Von besonderem Vorteil ist, dass die Abtrennung, die ja auch die Verpackungseinheit oder ggf. die Batterie stabilisiert, im hier genutzten Beispiel einer Palette mit Lithium-Ionen Batterien in Boxen mit der beschrieben „Cap” Lösung, die eine Abtrennung ausbilden kann, so zusammen angeordnet ist, dass diese stabil aber ebenso demontierbar wie andere Teile einer erfinderischen Abtrennung zur Stabilisierung im Brandfall wirksam beiträgt.
Die Abtrennung kann alleine oder in Kombination mit anderen Einrichtungen angeordnet sein. Vorzugsweise können mindestens eine Abtrennung oder Teile einer Abtrennung stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit mindestens einer weiteren Einrichtung verbunden sein.
Die Abtrennung und bspw. die Brandgasbindungseinrichtung und/oder auch die Batterie können in diversen Formen und Anordnungen mit anderen Einrichtung oder irgend gekoppelt angeordnet sein. Die Abtrennung kann vorzugsweise eine Funktionssensorik oder eine Elektronik beinhalten. Dies kann nach einer besonders vorteilhaften beispielhaften Ausführung so angeordnet dass Parameter oder ein Parameter wie beispielweise die Temperatur ständig überwacht, übertragen oder visualisiert werden können. Dies wird an einem vorzüglichen Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die Abtrennung, die Batterie, die Brandgasbindungseinrichtung können auch in vorteilhaft in Wirkbeziehungen oder in keinen Wirkbeziehungen stehen, auch mit anderen Einrichtungen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Brandgasbindungseinrichtung vorteilhaft auch eine Brandlöscheinrichtung, die auch mit herkömmlichen Anlagen wie Sprinkler, oder Intertisierungen oder inerten Abdeckungen mit Schaumbildnern kombinatorisch oder integriert betrieben werden kann.
Vorteilhaft ist, wenn die Brandgasbindungseinrichtung gemeinsam oder separat mit der Abtrennung die Stabilität der Abtrennung oder, um im Beispiel der Palette mit Lithium-Ionen Batterien zu bleiben, diese im Brandfall mit stabilisiert. Von besonderem Vorteil und volumetrisch wie gravimetrisch optimiert ist eine Anordnung von Brandgasbindungseinrichtung und Abtrennung, die gleichzeitig als Zuführung von Material für die Brandgasbindungseinrichtung angeordnet ist. Besonders vorteilhaft wird dies reversibel entkoppelbar gestaltet um besonders für die Beförderung mehrwegfähig und flexibel zu sein.
Vorteilhaft ist eine erfindungsgemäße Brandgasbindungseinrichtung ein Heißschaum-Anlage einzusetzen, welche ohne aufwendige Baumaßnahmen eine sichere Löschung erzielt. Das Prinzip dieses Löschverfahrens beruht hierbei auf die Ansaugung rauchgefüllter Luft (0°–1.200°C) aus dem zu schützenden, erfindungsgemäß abgetrennten Raum. Der dabei entstandene graue Leichtschaum (relativ trocken) füllt den Schutzraum innerhalb weniger Minuten. Es findet praktisch ohne Druckaufbau ein Austausch von Rauch enthaltender Luft zu Rauch enthaltenden Schaum statt. Vorteilhaft ist, dass schnell Luft entzogen wird.
Vorteilhaft ist, diese Anlage so ggf. insbesondere überdimensioniert auszulegen, dass die praktische Rauchmenge des maximalen Ereignisses, welches sich nach der Auslegung, mithin also den angeordneten beschriebenen Maßnahmen bestimmen lässt (je nach Batteriesystem divers), handelbar ist.
Für Lithium-Ionen Batterien wurde der maximale, jetzt bekannte Anfall in Litern Rauchgas beschrieben. Es ist zu berücksichtigen, dass beim Thermal Runaway, bspw. der Metalloxidzersetzung, der Treiber ja mit Sauerstoff selbst aus dem Material generiert wird.
Durch das vollständige Binden des am Brandherd entstandenen Rauches, gelangt kein Rauch/Partikel in die Atmosphäre und es kommt zur sehr schnellen Löschung in allen Bereichen des zu schützenden Raumes in seiner erfindungsgemäß vorgeschlagenen Abtrennung.
Der bspw. nach ca. 9 Stunden zerfallene Schaum kann abgesaugt und entsorgt werden. Das Heißschaum Löschsystem, erfüllt Löscheigenschaften in bestimmten außergewöhnlichen Brandlastsituationen. Andere Systeme, wie Wassernebel-, Kompaktschaum-, Dampf-, Suppressions-, Inhibations- oder PyroBubbles Systeme sind optional.
Ein Brand von Lithium, welches auch in Akkumulatoren (Lithium-Ionen Akkus oder Lithium-Polymer Akkus) verwendet wird, ist schwer prädikativ zu detektieren und zu löschen. Lithium selbst brennt in der Entstehungsphase, mit einer hellblauen Flamme, die schwer zu detektieren ist. Bei einem Lithium Brand, entstehen im Zentrum Temperaturen von um 2000°C.
Durch eine Löschanlage, die mit Wasser, Sprühnebel oder Wassernebel löscht, ist dieses Feuer nicht zu löschen. Ein unsensibel falsch oder in einem falschen Szenario zum falschen Zeitpunkt eingesetztes Löschmittel kann sogar zu Explosionen oder Beförderung des Brandes führen. Da Lithium zu der Brandklasse D gehört, welche zu den schwer zu beherrschenden Metallbränden gehört, ist bisher der Brandschutz und das Löschen ein viel betrachtetes Problem. Zum Löschen von Lithium-Bränden werden insbesondere zwei Möglichkeiten auch diskutiert. Löschen mit Wasser oder das Abdecken mit Sand, Öl, Metallbrandlöscher etc.
Das Abdecken mit Sand, Öl oder einem Metallbrandpulverlöscher entzieht dem Brandherd nur den zur Verbrennung notwendigen Sauerstoff. Damit ist zwar die Verbrennung unterdrückt aber das Problem nicht gelöst. Diese Methode birgt auch ein nicht unerhebliches Gefährdungspotential in sich: Bei Entfernen der Abdeckung kann durch die schlagartige Sauerstoffzufuhr zum heißen Schwelherd eine starke Verpuffung auftreten. Des Weiteren wird mit dieser Methode kaum gekühlt, d. h. die Reaktion zwischen dem Lithium und organischen Bestandteilen der Batterie, wie z. B. dem Elektrolyten, werden nicht unterdrückt.
Sowohl bei der Reaktion des Lithiums mit dem Elektrolyten (oder anderen organischen Substanzen) als auch bei der Reaktion des Lithiums mit dem Löschwasser entsteht Wasserstoff. Dieser Wasserstoff kann unter Umständen mit der Umgebungsluft zündfähige Gemische bilden. Wasserstoff/Luft-Mischungen sind in einem sehr weiten Mischungsverhältnis zündfähig (4 bis 75 Vol.-% H₂ in Luft) und sie benötigen eine sehr niedrige Zündenergie (~ 0,02 mJ), so dass bereits geringe elektrostatische Entladungen als Zündquelle ausreichen. Im Mischungsbereich von 18 bis 59 Vol.-% sind Wasserstoff/Luft Mischungen detonationsfähig.
Beim löschen mit Wasser entsteht auch hier Knallgas. Sie sind daher besonders gefährlich. Diese Brände der Kategorie ”D” stellen ausgesprochene Sonderfälle dar, die nur äußerst selten auftreten und einer ganz besonderen Taktik bedürfen. Brennende Metalle können Temperaturen von über 1000 Grad Celsius erreichen.
Bei diesen Temperaturen wird Wasser bereits in seine Bestandteile aufgetrennt. Die beiden Gase Wasserstoff und Sauerstoff, die dadurch entstehen, bilden ein Knallgas-Gemisch, das sofort explosiv reagiert. Versucht man einen Metallbrand mit Wasser zu löschen, so verursacht man dadurch also eine gewaltige Explosion.
Erfindungsgemäß von besonderem Vorteil ist es, als Brandgasbindungseinrichtungen hier vorzüglich Heißschaumanlagen einzusetzen, hier wird ein Gemisch aus etwa 97% Wasser und 3% Schaumkonzentrat mit hoher Viskosität in einem Heißschaumgenerator bis auf das 600-fache Volumen aufgeschäumt. Der Schaum wird gegen ein Sieb gepresst, wonach die aufsteigenden Rauchgase in den viskosen Schaumblasen gebunden werden.
Da der Schaum sich vornehmlich mit Hilfe der an der Decke sammelnden Rauchgase bildet, entfällt also der Einbau von Druckentlastungsöffnungen. Der Schaum fällt mitsamt der gebundenen Rauchgase in Richtung Boden des zu schützenden Objektes und füllt dessen Innenraum innerhalb weniger Minuten aus.
Heißschaumlöschanlagen können als erfindungsgemäße Brandgasbindungseinrichtungen auch mit Sprinkleranlagen oder ähnlichen technischen Löschmöglichkeiten vorteilhaft kombiniert werden.
Um nun besonders hohe Brandlasten von Batterien beherrschen zu können, ist es zweckmäßig ein Heißschaum Löschverfahren einzusetzen, welche ohne die aufwendigen Baumaßnahmen eine sichere Löschung erzielt. Das Prinzip dieses Löschverfahrens beruht hierbei auf der Ansaugung rauchgefüllter Luft (0°–1.200°C) aus dem zu schützenden Raum oder der Batterie bzw. deren Verpackung. Der dabei entstandene graue Leichtschaum (relativ trocken) füllt den durch die Abtrennung erreichten Schutzraum innerhalb weniger Minuten. Es findet praktisch ohne Druckaufbau ein Austausch von Rauch enthaltender Luft zu Rauch enthaltenden Schaum statt.
Durch das vollständige Binden des am Brandherd entstandenen Rauches, gelangt kein Rauch in die Atmosphäre und es kommt zur sehr schnellen Löschung in allen Bereichen des zu schützenden Raumes. Der nach ca. 9 Stunden zerfallene Schaum kann abgesaugt und entsorgt werden.
Dieses Heißschaum Feuerlöschsystem (Smoke Foam) ist also auch eine sinnvolle Alternative zu konventionellen Feuerlöschverfahren. Es löscht den Brand sehr schnell durch vollständige Schaumverfüllung ohne Druckaufbau. Dies ist im Kontext der Erfindung vorteilhaft, weil im Falle von Batterien Elektrolytbrände als Vorläufer von Thermal Runaway sicher ablöschen lassen.
Vorteilhaft ist, dass durch den Wegfall der nicht benötigten elektrischen Schaumgeneratoren, Schaumtore und Druckentlastungsöffnungen und deren Steuerungen, dieses Löschverfahren eine durchaus effiziente und sicherere Feuerlöschlösung sichert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Beispielen in Zusammenhang mit der Figur. Dabei zeigt die:
1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Palette, bspw. für eine Flugbeförderung von UN 3480 Lithium-Ionen Batterien mit Abtrennung und Brandgasbindungseinrichtung (Schaumbildner)
1 zeigt eine Palette mit UN 3480 Lithium-Ionen Batterien, exemplarisch mit einer beispielhaften Ausführung eines Feuerschutzvorhangs (4) als Abtrennung (4, 1) und stabilisierender Abtrennung (6), die mit der Brandgasbindungseinrichtung (1–3) kombiniert ist. Thermische Sensoren (5) sind mit der Wirkeinrichtung der Brandgasbindungseinrichtung verbunden.
Die Brandgasbindungseinrichtung (1–3) deren Vorrat aus diversen Quellen oder einem integrierten oder separaten Behälter gespeist werden kann, ist als automatische Heißschaum (Smoke Foam) Löschanlage angeordnet.
Der Heißschaumgenerator (hier nur 3 Düsen mit Sieb, keine Elektrik) ist geschützt. Die rauchhaltige Luft wird in der Abtrennung gehalten, in rauchhaltigen Schaum (Rauchbindung) umgewandelt und alles ohne Druckaufbau. Durch die Anordnung der Wirkeinrichtung werden jegliche Größen und Verzweigungen erreicht. Nach ca. 8 Stunden können die Schaumreste abgesaugt werden. Der nicht betroffene Teil kann weiter verwirtschaftet werden.
Die Branderkennung erfolgt mittels faseroptischer Lösung. Die verteilte faseroptische Temperaturmesstechnik, ein faseroptisches Laserradar-Temperaturmessverfahren, nutzt die Temperaturabhängigkeit bestimmter optischer Eigenschaften von Lichtwellenleitern zur ortsaufgelösten Erfassung der Temperatur entlang eines Temperatursensorkabels. Dabei ist die temperaturbedingte Schwingungsbewegung der Gitterbausteine des Glases die wesentliche Ursache für die Wechselwirkung des Laserlichtes mit diesen Gitterbausteinen.
Bei der Messung werden kurze Laserlichtimpulse in die Glasfasern des Temperatursensorkabels eingekoppelt. Ein geringer Teil des Laserlichtes wird zurückgestreut. Neben dem Hauptpeak mit der eingestrahlten Wellenlänge (sogenannter Rayleigh-Peak) enthält das Rückstreuspektrum weiterhin je ein sogenanntes Stokes- und ein Anti-Stokes-Band (Raman-Effekt), die in ihrer Wellenlänge jeweils zu geringeren bzw. größeren Wellenlängen hin verschoben sind. Insbesondere die Intensität des Anti-Stokes-Bandes ist streng temperaturabhängig. Durch die zeitaufgelöste Messung der Intensitäten der Stokes(IS)- und Anti-Stokes(Ia)-Bänder kann in eindeutiger Weise die Temperatur und der Ort des Lichtwellenleiterabschnitts, aus dem das Licht zurückgestreut wurde, berechnet werden. Dabei handelt es sich um die mittlere Temperatur desjenigen Längenabschnitts, aus dem das rückgestreute Licht innerhalb eines bestimmten Zeitfensters stammt. Das Auswertegerät verknüpft die Intensitätsmessung mit einer Laufzeitmessung des Lichts im Lichtwellenleiter und liefert auf diese Weise die Temperaturwerte sämtlicher Längenabschnitte.
Die technische Ausrüstung besteht im Wesentlichen aus der optoelektronischen Auswerteeinheit und dem Temperatursensorkabel. Das Temperatursensorkabel ist ein Glasfaserkabel wie es auch in der Telekommunikation verwendet wird. Die Glasfasern selbst sind die temperatursensitiven Elemente.
Mit der eindeutigen und sicheren Lokalisierung des Brandherdes, erfolgt die Löschung bzw. Brandgasbindung der brennenden Palette in Abtrennung mit Trockenschaum oder Heißschaum.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2010035959 [0013]
DE 102010050742 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

UN Prüfhandbuch Test und Kriterien (bei Lithiumbatterien 38.3) [0025]
Li (etall) in Int. J. Electrochem. Sci., 8 (2013) 5223–5231, „A Positive-Temperature-Coefficient Layer Based on Ni-Mixed Poly(Vinylidene Fluoride) Composites for LiFePO4 Electrode” [0055]
UN 3480 [0115]
UN 3480 [0116]

Claims

Anordnung für sicherere Batterien in Beförderung und Anwendung dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Abtrennung und mindestens eine Brandgasbindungseinrichtung angeordnet ist.
Anordnung für sicherere Batterien in Beförderung und Anwendung dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine praktisch ohne Druckaufbau wirkende Brandgasbindungseinrichtung angeordnet ist.
Anordnung für sicherere Batterien in Beförderung und Anwendung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Abtrennung und mindestens eine Brandgasbindungseinrichtung angeordnet ist, die einen Austausch von Rauch enthaltener Luft zu Rauch enthaltenden Schaum sichert.
Anordnung für sicherere Batterien in Beförderung und Anwendung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung aus oder mit Materialien angeordnet ist, die temperaturbeständig von 250°C bis 2200°C sind.
Anordnung für sicherere Batterien in Beförderung und Anwendung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Heißschaumlöscheinrichtung als Brandgasbindungseinrichtung angeordnet ist.
Anordnung für sicherere Batterien in Beförderung und Anwendung nach einem oder mehreren der vorherigen Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abtrennung und/oder Brandgasbindungseinrichtung mit anderen Einrichtungen in einer Verbindung angeordnet sind.
Anordnung für sicherere Batterien in Beförderung und Anwendung nach einem oder mehreren der vorherigen Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung mit einer optional embedded Sensorik und/oder Elektronik ausgestattet ist, die in Wirkverbindung mit der Brandgasbindungseinrichtung angeordnet ist.