WO2020221808A1 - Hitzeschild - Google Patents

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WO2020221808A1
WO2020221808A1 PCT/EP2020/061915 EP2020061915W WO2020221808A1 WO 2020221808 A1 WO2020221808 A1 WO 2020221808A1 EP 2020061915 W EP2020061915 W EP 2020061915W WO 2020221808 A1 WO2020221808 A1 WO 2020221808A1
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layer
heat
heat shield
battery
intumescent
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PCT/EP2020/061915
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French (fr)
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Heribert Walter
Michael Maag
Tobias Fritz
Markus GRÄDLER
Jessica UHLEMANN
Thomas ÜBLER
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CrossLink GmbH
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Priority to JP2021564860A priority patent/JP2022531358A/ja
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Priority to CN202080033198.7A priority patent/CN113785430A/zh
Priority to US17/605,614 priority patent/US20230030022A1/en
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a heat shield for use in electrical systems and devices which are operated with batteries, nowadays usually lithium-ion batteries.
  • the present invention relates to heat shields for electric vehicles.
  • Battery-powered vehicles are becoming increasingly popular as an environmentally friendly alternative to conventional vehicles with internal combustion engines.
  • One problem is the operational reliability of the cells and cell packs.
  • the aim is to keep the battery cells in a temperature range between 15 to 35 ° C, which can be achieved by appropriate cooling or heating, depending on the operating state of the battery system.
  • z. B. Overcharging, overheating or short circuit in a cell, it can lead to the so-called "thermal runaway", an uncontrollable heating up to the fire and explosion of the cells. This is a cascading process in which mutually influencing physical and chemical processes build up each other, which leads to a continuous rise in temperature in the cell.
  • the components of the electrolyte in particular are converted into the gas phase depending on their boiling point, which leads to an increase in pressure in the cell.
  • An electrolyte is composed of different components, with some of these components having relatively low boiling points of only 90.5 ° C (dimethyl carbonate, DMC) or slightly more than 100 ° C (ethyl methyl carbonate, EMC: 107.5 ° C); Methyl butyrate, MB: 102 ° C).
  • Safety valves are provided in the battery housings which open when the cell pressure rises in order to be able to discharge the reaction gases form in the battery cells when they overheat. Together with the hot gases, a particle stream of solid decomposition products is carried away at high speed. These solid decomposition products form as a result of the melting of the current collectors, typically made of aluminum, and decomposition of the electrode coatings.
  • the pressure relief resulting from the valve opening leads to a sudden release of an easily inflammable gas-particle mixture with a temperature of initially 400 ° C to 700 ° C and a high speed of up to 400 m / sec. out of the cell.
  • the particle flow is up to 100 g in the first minute, depending on the cell size.
  • the escaping gas usually ignites in the air, so that the temperatures can quickly rise to 800 ° C to 1,400 ° C for approx. 30 to 60 seconds.
  • the burned-out cell then slowly cools down.
  • a heat protection above the safety valve of the cell or generally above the cells e.g. B. used as a module cover, or directly below, or in conjunction with the battery cover, whose task is primarily to protect the passenger compartment above the battery system from high thermal loads.
  • the aim is to keep the temperature that acts on the vehicle floor in the event of a “thermal runaway” as low as possible, ideally below 200 ° C, and to prevent direct flames. It is also necessary to absorb the impact force of the particles as a result of the high impact speed in order to prevent damage, in particular to the passenger compartment.
  • a heat shield must therefore be able to fulfill at least three functions in order to be effective:
  • this object is achieved by a heat shield which is composed of several layers of different materials which, in combination, can meet the various requirements set out above that are placed on effective blow-out protection.
  • the heat shield according to the invention has a first layer made of a heat-resistant elastomer or a fiber composite with an elastomer matrix, which can compensate for the impact force of the particles hitting at high impact speed via elastic deformation and also prevents mechanical damage to the subsequent layers as a result of the impact of the particles.
  • This first layer is usually the layer that is closest to the battery cells.
  • a second layer made of a material with high temperature resistance, which can withstand temperatures of up to 1400 ° C for approx. 60 Can withstand seconds; a third layer made of an intumescent material which, when exposed to heat, exhibits a swelling or inflating behavior and, as a result of the inflation, forms an insulating layer which acts as a heat brake.
  • a heat-spreading layer can be arranged between the second and third layer, which can distribute the heat coming from the second layer over a larger area and thus thermally stress the intumescent layer over a larger area, whereby the intumescent effect can be intensified.
  • a carrier layer for the functional layers can be provided as the top layer to increase the stability of the stack.
  • the length and width of the layers depends on the dimensions of the battery arrangement, taking into account the trajectory of a gas and particle flow in the event of a gas eruption from the valves.
  • the total thickness and thus the thickness of the individual layers of the heat shield composite is essentially determined by the space available. For use in electric vehicles, a total thickness of no more than 1.5 mm is generally desired.
  • the mean thickness of the individual layers is 0.3 mm with a variation between 0.2 mm and 0.5 mm.
  • the thickness of the individual layers is expediently determined by their function in the stack. For example, the thickness of the heat protection layer is more in the larger range and the thickness of the heat-spreading layer is more in the lower range.
  • the layers or individual layers can be sewn to one another, for example to prevent unintentional detachment. So it turned out to be It has been shown to be beneficial to sew the intumescent layer to the layer arranged below and / or above in order to prevent detachment as a result of inflation.
  • Heat-resistant threads such as those known from fire protection can be used as sewing material. Examples are aramid threads, such as those sold under the product name Kevlar® or Nomex®.
  • a great advantage of the heat shield composite stack according to the invention is its very good 3D deformability. This means that the shield is well deformed and can therefore be adapted to the structural requirements and spatial circumstances of its place of use or intended use.
  • Figure 1 shows an arrangement of a heat shield according to the invention above a battery module
  • FIG 2 is an exploded view of the heat shield in Figure 1
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a heat shield according to the invention.
  • FIG. 4 shows a diagram with a comparison of the temperature profile on the side of the heat shield facing the battery and the side facing away from the battery over time in the event of a battery failure.
  • the impact absorbing layer is the layer of the heat shield composite that is closest to the battery assembly. It is therefore also referred to as the “first” or “bottom” layer of the stack.
  • the heat shield 1 is located above the surface of a battery module 2 which has safety valves 3. If the battery ensemble fails, for example as a result of a fire, the hot gas that is formed escapes together with the likewise formed particles of decomposition products through the bursting safety valves 3 in the direction of the heat shield 1.
  • the gas and particle flow is indicated in FIG. 1 by a dark line-shaped cloud which rises from the safety valve 3 in the direction of the heat shield 1.
  • the heat shield 1 brakes the impact force of the hot gas and particle stream that hits the underside of the heat shield 1 at high speed, and at the same time protects the side facing away from the battery, e.g. B. in vehicles the side with the passenger compartment, before the high temperatures.
  • FIG. 2 shows the layer structure of the heat shield 1 shown in FIG. 1.
  • the heat shield 1 is made up of several layers of different materials which, in combination, on the one hand compensate for the impact of the hot gas and particle flow and on the other hand dissipate heat so that the side of the heat shield 1 opposite the hot flow is protected from the high temperatures on the impact side of the heat shield 1 is protected.
  • the first layer 4 consists of a high-temperature-resistant elastomer with impact-absorbing properties, which by elastic deformation can compensate for the impact of the gas and particle stream hitting at high speed and at the same time can withstand the high thermal loads of up to approx. 400 ° C to 450 ° C. According to the invention, this first layer 4 is therefore also referred to as an “impact-absorbing layer”.
  • Suitable elastomers are silicone elastomers e.g. fluorine-vinyl-methyl-silicone rubber (FVMQ), methyl-phenyl-silicone rubber (PMQ), methyl-phenyl-vinyl-silicone rubber (PVMQ), methyl-silicone rubber, methyl-vinyl-silicone rubber (VMQ) , Ethylene propylene diene rubber (EPDM), styrene Butadiene rubber (SBR), acrylonitrile butadiene rubber (NBR), natural rubber (NR), butyl rubber, isobutene-isoprene rubber (IIR), and isoprene rubber (IR).
  • FVMQ fluorine-vinyl-methyl-silicone rubber
  • PMQ methyl-phenyl-silicone rubber
  • PVMQ methyl-phenyl-vinyl-silicone rubber
  • VMQ methyl-silicone rubber
  • EPDM Ethylene propy
  • Mineral fibers can be incorporated into this elastomer layer as a particularly effective embodiment. Suitable examples are basalt fiber or silicate fiber fabrics with weights per unit area of 100 to 600 g / m2.
  • the main purpose of the impact-absorbing layer 4 is to intercept the initially very high particle load of the impinging gas and particle stream. This very high load from the particle impact at the beginning generally leads to at least partial erosion of layer 4. However, since the particle load decreases significantly after the first impact, adequate protection of the other layers is ensured by the subsequent heat-absorbing layer 5.
  • the subsequent second layer 5 serves as heat protection from the extreme temperatures during the high-temperature phase of the uncontrolled gas outbreak. For effective protection of a passenger compartment, it must be able to withstand the highest thermal loads of temperatures of up to 1400 ° C for approx. 60 seconds. According to the invention, this second layer 5 is therefore also referred to as a “heat protection layer”.
  • high-temperature resistant materials are mica materials, basalt fiber composites, oxide ceramic composites, silica fiber composites.
  • Heat protection layer 5 at the same time protects the subsequent layers from damage by kelimpakt particles in the event that particles cannot be sufficiently intercepted by the first layer 4.
  • a heat-spreading layer 8 is preferably provided between the heat protection layer 5 and the intumescent layer 6.
  • the heat-spreading layer 8 serves to distribute the heat over a larger area in order to reduce the thermal load on the heat shield.
  • this layer which has a high thermal conductivity, also has the strongest possible anisotropic thermal properties, so that the heat coming from the heat-spreading layer 8 is distributed over a larger area into the subsequent layer 6 with intumescent properties , and the layer 6 with intumescent properties can simultaneously foam over a large area and thus form a continuous insulating layer.
  • the heat-spreading layer 8 is as gas-tight as possible in order to support the intumescent effect of the layer 6.
  • the gas tightness prevents the inflating gases, which form when the intumescent layer 6 is activated, from being able to escape via the heat-spreading layer 8 and are thus no longer available for the expansion of the layer 6.
  • suitable materials with high thermal conductivity and the desired strong anisotropic thermal properties for the formation of the heat-spreading layer 8 are, for. B. graphite foils, carbon fibers, ceramic foils based on hexagonal boron nitride (HBN), graphite foil being particularly preferred.
  • HBN hexagonal boron nitride
  • the intumescent layer 6 is formed from an intumescent material or contains an intumescent material. When exposed to heat, this layer expands and forms an insulating layer as additional thermal protection.
  • the thermal insulating layer It was known to use mineral fleeces, carbon or glass fleeces or felts as the thermal insulating layer, which, however, due to their generally greater layer thickness, increase the overall thickness of the heat shield and thus its space requirements.
  • the intumescent materials used according to the invention can be applied in only thin layers which, if necessary, expand when exposed to heat, e.g. B. by releasing non-flammable puffy gases such. B. nitrogen, carbon dioxide or ammonium gases.
  • Intumescent materials as they can also be used according to the invention, are generally known from flame protection. Examples are expandable graphite, sheet silicates based on aluminum silicate clay minerals, such as clay minerals from the III group, etc.
  • intumescent materials are usually embedded in a polymer matrix, which charred or vitrified under the action of the high temperatures and forms a hard surface as quickly as possible.
  • polymer materials for the matrix are acrylic resins, epoxy resins, melamine resins, ethylene vinyl acetate, etc.
  • the composites of intumescent material and matrix material can be processed into thin layers, for which common technologies can be used, such as. B. screen printing, doctoring, applying thin foils, etc.
  • the intumescent composites made of intumescent material and matrix material can be introduced into a support structure.
  • the mechanical rigidity can hereby be improved.
  • greater layer thicknesses and consequently a greater expansion effect can be achieved.
  • the support structures are open or closed hollow chamber structures.
  • Examples are honeycomb structures, where the geometry of the honeycomb can be selected as required, and open-pore, resin-reinforced fleeces and felts, etc.
  • An intumescent effect can also be achieved by using resin systems and their thermal decomposition.
  • resin systems for this purpose, among other things, Si resins, elastomers, epoxy resins, etc. can be used.
  • a combination of heat protection layer 5, gas-tight, heat-spreading layer 8 and intumescent layer 6 has proven to be particularly favorable.
  • the gas tightness of the layer 8 prevents the blowing gases from escaping when the layer 6 is activated, the heat protection layer 5 protecting the heat-spreading layer 8 from mechanical damage and impairment of the gas tightness by particles of the gas and particle flow.
  • the intumescent layer 6 can be sewn to a layer arranged below and / or above in order to prevent the layer 6 from becoming detached by the expanding gases that are formed.
  • the layer 6 can be sewn to the heat-spreading layer 8 and / or a subsequent carrier plate 7.
  • the aforementioned aramid fibers can be used as the suture material.
  • the upper end of the heat shield composite stack 1 according to the invention is formed by a carrier plate 7 which mechanically supports the further layers.
  • the carrier plate 7 can be a glass fiber composite, carbon fiber composite, basalt fiber composite, SMC (sheet molding compound) composite or a mica-based plate. It is also possible to use mechanically resilient plastics with a sufficiently high temperature resistance for the carrier plate 7.
  • heat shield composite stack 1 according to the invention can also be sheathed with a thin layer of fiberglass or another material with a corresponding mechanical and thermal load capacity for further mechanical stabilization.
  • Fillers can be added to the impact-absorbing elastomer layer 4 as required for a targeted setting of the material properties.
  • Fillers can be used with which the heat dissipation within the layer 4 and the temperature resistance can be improved. Examples are graphite, hexagonal boron nitride (HBN), silicon carbide (SIC), aluminum hydroxide (ATH), metal particles, carbon fiber fabrics, C short cut fibers, C milled fibers, etc.
  • fillers that support the charring, vitrification, and intumescence of the layer 4 in the high temperature range, such as.
  • ATH aluminum hydroxide
  • MGH magnesium hydroxide
  • Mg (OH) 2 red phosphorus
  • oxides such as borax (Na 2 [B 4 0s (0H) 4 ] x 8 H2O), antimony oxide (Sb 2 0s), expandable graphite, Clay minerals from the lllitg group, etc.
  • heat-spreading fillers can be provided in the impact-absorbing first layer 4. Heat-spreading fillers support the distribution of the heat of the hot gas and particle flow over the entire surface of the first layer 4 and thus ensure thermal relief, particularly at the point on which the hot gas and particle flow hits first.
  • FIG. 3 An example of an embodiment by adding heat-spreading fillers to the layer 4 is shown in FIG. 3, the heat-spreading fillers 9 being shown as a pattern of hexagons which are distributed over the surface. As in the embodiment according to FIG. 2, this is followed by a high temperature-resistant layer 5, a heat-spreading layer 8, an intumescent layer 6 and the carrier plate 7.
  • the temperature profile of a heat shield according to the invention was measured and the profile on the side closest to the battery assembly (impact absorbing layer 4) was compared with the profile on the side furthest away from the battery assembly (carrier plate 7).
  • the structure of the heat shield composite stack was in the order from bottom layer 4 to top layer 7 as follows:
  • Impact-absorbing layer 4 fiber composite made of basalt fiber fabric with a surface weight of 400 g / m2 with an elastomer matrix (Shore A 25/40), thickness 0.3 mm
  • heat protection layer 5 fiber composite made of silicate fiber fabric with a basis weight of 300 g / m2 and elastomer matrix, thickness 0 , 3 mm,
  • Heat-spreading layer 8 graphite foil, thickness 0.2 mm,
  • Intumescent layer 6 thickness 0.4 mm, made of an elastomer material that decomposes at temperatures around 300 ° C,
  • Carrier plate 7 thickness 0.3 mm
  • Layer 6 and Layer 8 were sewn together with an aramid thread in the X and Y directions in such a way that 50 mm ⁇ 50 mm fields were created.
  • the sewing prevents partial detachment of the heat-spreading layer 8 and the carrier layer 7 due to the expansion gases formed.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschild (1) zur Anwendung in Anlagen und Vorrichtungen, die mit Batterien betrieben werden, insbesondere für Elektro-Fahrzeuge, wobei der Hitzeschild (1) mindestens aus einer impaktabsorbierenden Schicht (4), einer Hitzeschutzschicht (5) aus einem hoch temperaturbeständigen Material, optional einer gasdichten wärmespreizenden Schicht (8), und einer Schicht (6) mit intumeszierenden Eigenschaften sowie einer Trägerplatte (7) für die Schichten zur Abschirmung, aufgebaut ist.

Description

Hitzeschild
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschild zur Anwendung in elektrischen Anlagen und Vorrichtungen, die mit Batterien, heutzutage üblicherweise Lithiumionenbatterien, betrieben werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Hitzeschilde für Elektrofahrzeuge.
Batteriebetriebene Fahrzeugen finden zunehmend Verbreitung als umweltschonende Alternative zu den herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.
Für den Betrieb der Elektrofahrzeuge werden heutzutage in erster Linie wiederaufladbare Lithiumionenbatterien (LIBs) eingesetzt. Dafür werden mehrere Batteriezellen zu Modulen und diese zu Paketen zusammengefasst, die in das Fahrzeug eingebaut werden.
Ein Problem ist die Betriebssicherheit der Zellen und Zellpakete. Generell wird angestrebt, die Batteriezellen in einem Temperaturbereich zwischen 15 bis 35 °C zu halten, was durch entsprechendes Kühlen oder Heizen, je nach Betriebszustand des Batteriesystems, erreicht werden kann. In Extremfällen durch z. B. Überladen, Überhitzen oder Kurzschluss in einer Zelle, kann es zu dem sogenannten„Thermal Runaway“ kommen, einer unkontrollierbaren Erhitzung bis zum Brand und Explosion der Zellen. Dies ist ein kaskadierender Prozess, bei dem sich wechselseitig beeinflussende physikalische und chemische Prozesse gegenseitig aufschaukeln, was zu einem kontinuierlichen Temperaturanstieg in der Zelle führt. Dadurch werden insbesondere die Komponenten des Elektrolyten in Abhängigkeit ihres Siedepunkts in die Gasphase umgesetzt, was zu einem Druckanstieg in der Zelle führt.
Ein Elektrolyt ist aus unterschiedlichen Komponenten zusammengesetzt, wobei einige dieser Komponenten relativ niedrige Siedepunkte von lediglich 90,5 °C (Dimethylcarbonat, DMC) oder von etwas mehr als 100 °C (Ethylmethylcarbonat, EMC: 107,5 °C); Methylbutyrat, MB: 102 °C) aufweisen können.
In den Batteriegehäusen sind Sicherheitsventile vorgesehen, die sich bei steigendem Zelldruck öffnen, um so die Reaktionsgase ablassen zu können, die sich bei Überhitzung in den Batteriezellen bilden. Mit den heißen Gasen zusammen wird mit hoher Geschwindigkeit ein Partikelstrom aus festen Zersetzungsprodukten mitgerissen. Diese festen Zersetzungsprodukte bilden sich infolge des Schmelzen der Stromableiter, typischerweise aus Aluminium, und Zersetzung der Elektrodenbeschichtungen.
Die durch die Ventilöffnung entstehende Druckentlastung führt zu einer schlagartigen Freisetzung eines leicht entzündlichen Gas-Partikelgemisches mit einer Temperatur von zunächst 400 °C bis 700 °C und einer hohen Geschwindigkeit von bis zu 400 m/sec. aus der Zelle. Der Partikelstrom beträgt dabei je nach Zellgröße bis zu 100 g in der ersten Minute. Das austretende Gas entzündet sich in der Regel an der Luft, so dass die Temperaturen schnell bis auf 800 °C bis 1.400 °C für ca. 30 bis 60 Sekunden ansteigen können. Danach setzt ein langsames Abkühlen der ausgebrannten Zelle ein.
Die extreme Hitze und hohe Impaktgeschwindigkeit des Gas- und Partikelstroms stellen ein hohes Sicherheitsrisiko und eine große Herausforderung für thermische Isolationsmaterialien dar.
Für den Einsatz derartiger Batteriesysteme in Fahrzeugen ist es daher unbedingt erforderlich, den Batteriedeckel und somit indirekt den Fahrgastraum vor den extrem hohen Temperaturen und der Aufprallwucht des Partikelstroms zu schützen, um die Sicherheit von Passagieren zu gewährleisten.
Üblicherweise wird ein Hitzeschutz oberhalb des Sicherheitsventils der Zelle oder allgemein oberhalb der Zellen, z. B. als Modulabdeckung, oder direkt unterhalb, bzw. im Verbund mit dem Batteriedeckel eingesetzt, dessen Aufgabe in erster Linie der Schutz des über dem Batteriesystem liegenden Fahrgastraums vor einer hohen thermischen Belastung ist. Ziel ist es die Temperatur, die im Fall eines „Thermal Runaways“ auf den Fahrzeugboden einwirkt, möglichst gering zu halten, idealerweise unterhalb von 200 °C, und einen direkten Flammenzutritt zu verhindern. Weiter ist es erforderlich, die Aufschlagkraft der Partikel in Folge der hohen Impaktgeschwindigkeit abzufangen, um so Beschädigungen, insbesondere des Fahrgastraums, zu verhindern. Ein Hitzeschild muss daher mindestens drei Funktionalitäten erfüllen können, um effektiv wirksam zu sein:
1. Er muss den Partikelimpakt bei Temperaturen von 700 °C bis 1400 °C absorbieren können.
2. Er muss bei voranschreitenden Blow-Out eine hohe Temperaturbeständigkeit bis zu Temperaturen von 1000°C bis 1400 °C über mindestens 120 Sekunden aufweisen; und
3. er muss die beim Blow-out entstehenden hohen Temperaturen soweit ableiten können, dass die Temperaturen auf der der Batterie abgewandten Seite des Hitzeschildes, das heißt auf der Seite auf der in einem Fahrzeug der Fahrgastraum liegt, 400 °C nicht überschreiten, und idealerweise Werte von weniger als 200 °C eingehalten werden können.
Ein weiteres Erfordernis für den Einsatz z. B. in Elektrofahrzeugen, ergibt sich aus dem begrenzten zur Verfügung stehenden Raum. So sollte der Hitzeschild möglichst wenig Raum beanspruchen, dennoch aber den erforderlichen Schutz bieten können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Hitzeschild gelöst, das aus mehreren Schichten verschiedener Materialien zusammengesetzt ist, die in Kombination die vorstehend aufgeführten unterschiedlichen Anforderungen erfüllen können, die an einen effektiven Blow-out-Schutz gestellt werden.
Der erfindungsgemäße Hitzeschild weist eine erste Schicht aus einem hitzebeständigen Elastomer oder einem Faserkomposit mit Elastomermatrix auf, das die Aufprallwucht der mit hoher Impaktgeschwindigkeit auftreffenden Partikel über elastische Verformung kompensieren kann und zudem eine mechanische Beschädigung der darauffolgenden Schichten infolge des Einschlags der Partikel verhindert. Diese erste Schicht ist üblicherweise die Schicht, die den Batteriezellen am nächsten liegt.
Es folgen eine zweite Schicht aus einem Material mit Hochtemperaturbeständigkeit, das auch Temperaturen von bis 1400 °C für ca. 60 Sekunden standhalten kann; eine dritte Schicht aus einem intumeszierenden Material, das unter Hitzeeinwirkung ein aufquellendes bzw. aufblähendes Verhalten aufweist und infolge des Aufblähens eine Isolierschicht ausbildet, die als Hitzebremse wirkt.
Als eine bevorzugte Ausführungsform kann zwischen zweiter und dritter Schicht eine wärmespreizende Schicht angeordnet sein, die die aus der zweiten Schicht kommende Wärme über eine größere Fläche verteilen kann und somit die intumeszierende Schicht über eine größerer Fläche thermisch belastet, wodurch der intumeszierende Effekt verstärkt werden kann.
Zudem kann zur Erhöhung der Stabilität des Stapels als oberste Schicht eine Trägerschicht für die Funktionsschichten vorgesehen sein.
Die Länge und Breite der Schichten richtet sich nach den Abmessungen der Batterieanordnung unter Berücksichtigung der Flugbahn eines Gas- und Partikelstroms bei einem Gasausbruch aus den Ventilen.
Die Gesamtdicke und damit die Dicke der einzelnen Schichten des Hitzeschild- Komposits ist im Wesentlichen durch den zur Verfügung stehenden Raum vorgegeben. Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen ist in der Regel eine Gesamtdicke von nicht mehr als 1 ,5 mm gewünscht.
Ausgehend von einer anzustrebenden Gesamtdicke des Hitzeschild-Komposits von 1 ,5 mm liegt die mittlere Dicke der einzelnen Schichten bei 0,3 mm mit einer Schwankung zwischen 0,2 mm und 0,5 mm.
Die Dicke der einzelnen Schichten ist zweckmäßigerweise durch ihre Funktion im Stapel bedingt. Beispielsweise liegt die Dicke der Hitzeschutzschicht eher im größeren Bereich und die Dicke der wärmespreizenden Schicht eher im niedrigeren Bereich.
Bei Bedarf können die Schichten oder einzelne Schichten miteinander vernäht sein, um z.B. ein unbeabsichtigtes Ablösen zu verhindern. So hat es sich als günstig erwiesen, die intumeszierende Schicht mit der darunter und / oder darüber angeordneten Schicht zu vernähen, um eine Ablösung infolge einer Aufblähung zu verhindern. Als Nähmaterial können hitzebeständige Fäden verwendet werden wie sie aus dem Brandschutz bekannt sind. Beispiele sind Aramidfäden, wie sie zum Beispiel unter der Produktbezeichnung Kevlar® oder Nomex® vertrieben werden.
Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Hitzeschild-Kompositstapels ist seine sehr gute 3D-Verformbarkeit. Dies bedeutet, dass der Schild gut verformt und somit an die Strukturanforderungen und räumlichen Begebenheit seines Einsatzortes bzw. Eiinsatzzweckes anpassbar ist.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung einschließlich Ausgestaltung und Zusammensetzung der einzelnen Schichten unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren näher erläutert, wobei die Figuren Beispiele von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hitzeschilds zeigen.
Es zeigen:
Figur 1 eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds oberhalb eines Batteriemoduls,
Figur 2 eine Explosionsdarstellung des Hitzeschilds in Figur 1 ,
Figur 3 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds, und
Figur 4 ein Diagramm mit einem Vergleich des Temperaturverlaufs auf der der batteriezugewandten Seite und der batterieabgewandten Seite des Hitzeschilds über die Zeit im Falle eines Batterieversagens.
Die impaktabsorbierende Schicht ist die Schicht des Hitzeschild-Komposits, die der Batterieanordnung am nächsten liegt. Sie wird daher auch als„erste“ oder „unterste“ Schicht des Stapels bezeichnet. In der Anordnung nach Figur 1 befindet sich der Hitzeschild 1 oberhalb der Fläche eines Batteriemoduls 2, die Sicherheitsventile 3 aufweist. Versagt das Batterieensemble z.B. infolge eines Brandes, entweicht das sich bildende heiße Gas zusammen mit den sich gleichfalls bildenden Partikeln aus Zersetzungsprodukten durch die berstenden Sicherheitsventile 3 in Richtung Hitzeschild 1.
Der Gas- und Partikelstrom ist in Figur 1 durch eine dunkle strichförmige Wolke angedeutet, die aus dem Sicherheitsventil 3 in Richtung Hitzeschild 1 aufsteigt.
Der Hitzeschild 1 bremst die Impaktkraft des heißen Gas- und Partikelstromes, der mit hoher Geschwindigkeit auf die Unterseite des Hitzeschildes 1 auftrifft, und schützt zugleich die der Batterie abgewandte Seite, z. B. in Fahrzeugen die Seite mit Fahrgastraum, vor den hohen Temperaturen.
Figur 2 zeigt den Schichtaufbau des in Figur 1 dargestellten Hitzeschilds 1.
Der Hitzeschild 1 ist aus mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut, die in Kombination einerseits die Aufprallwucht des heißen Gas-und Partikelstroms kompensieren und andererseits Wärme ableiten, so dass die dem heißen Strom entgegengesetzte Seite des Hitzeschilds 1 vor den hohen Temperaturen auf der Auftreffseite des Hitzeschilds 1 geschützt ist.
Die erste Schicht 4 besteht aus einem hochtemperaturbeständigen Elastomer mit impaktabsorbierenden Eigenschaften, das durch elastische Verformung den Impakt des mit hoher Geschwindigkeit auftreffenden Gas-und Partikelstroms kompensieren und zugleich zunächst den hohen thermischen Beanspruchungen bis ca. 400 °C bis 450 °C standhalten kann. Erfindungsgemäß wird diese erste Schicht 4 daher auch als„impaktabsorbierende Schicht“ bezeichnet.
Beispiele für geeignete Elastomere sind Silikonelastomere z.B. Fluor-Vinyl-Methyl- Silikonkautschuk (FVMQ), Methyl-Phenyl-Silikonkautschuk (PMQ), Methyl- Phenyl-Vinyl-Silikonkautschuk (PVMQ), Methyl-Silikonkautschuk, Methyl-Vinyl- Silikonkautschuk (VMQ), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Styrol- Butadien-Kautschuk (SBR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Naturkautschuk (NR), Butylkautschuk, Isobuten-Isopren-Kautschuk (IIR), und Isopren-Kautschuk (IR).
Als besonders wirksame Ausführungsform können in diese Elastomerschicht Mineralfasern eingearbeitet sein. Geeignete Beispiele sind Basaltfaser-- oder Silicatfasergewebe mit Flächengewichten von 100 bis 600 g/m2.
Hauptzweck der impaktabsorbierenden Schicht 4 ist es die zu Beginn sehr hohe Partikelbeladung des auftreffenden Gas- und Partikelstroms abzufangen. Diese sehr hohe Belastung durch den Partikelimpakt zu Beginn führt im allgemeinen zu einem zumindest teilweisen Abtrag der Schicht 4. Da jedoch die Partikelbeladung nach dem ersten Auftreffen deutlich abnimmt, wird ein ausreichender Schutz der weiteren Schichten durch die nachfolgende hitzeabsorbierende Schicht 5 sichergestellt.
Die anschließende zweite Schicht 5 dient als Hitzeschutz vor den extremen Temperaturen während der Hochtemperaturphase des unkontrollierten Gasausbruchs. Sie muss für einen effektiven Schutz eines Fahrgastraums höchsten thermischen Beanspruchungen von Temperaturen bis zu 1400 °C über ca. 60 Sekunden standhalten können. Erfindungsgemäß wird diese zweite Schicht 5 daher auch als„Hitzeschutzschicht“ bezeichnet.
Entsprechend besteht sie aus einem Material, das eine hohe
Temperaturbeständigkeit hat.
Beispiele für derartige hochtemperaturbeständige Materialien sind Glimmermaterialien, Basaltfaser-Komposite, oxidkeramische Komposite, Silicafaserkomposite.
Hitzeschutzschicht 5 schützt zugleich die nachfolgenden Schichten vor einer Beschädigung durch Parti kelimpakt für den Fall, dass Partikel nicht ausreichend durch die erste Schicht 4 abgefangen werden können.
Zwischen der Hitzeschutzschicht 5 und der intumeszierenden Schicht 6 ist, wie in Figur 2 gezeigt, vorzugsweise eine wärmespreizende Schicht 8 vorgesehen. Die wärmespreizende Schicht 8 dient zur Verteilung der Wärme über eine größere Fläche, um die thermische Flächenlast des Hitzeschilds zu reduzieren.
Es ist von Vorteil, wenn diese Schicht, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, auch über möglichst starke anisotrope thermische Eigenschaften verfügt, so dass die von der wärmespreizenden Schicht 8 kommende Wärme über eine größere Fläche verteilt in die nachfolgend angeordnete Schicht 6 mit intumeszierenden Eigenschaften eingeleitet wird, und sich die Schicht 6 mit intumeszierenden Eigenschaften zeitgleich großflächig aufschäumen kann und so eine durchgehende Isolierschicht ausbilden kann.
Weiterhin ist es günstig, wenn die wärmespreizende Schicht 8 möglichst Gas dicht ist, um so den intumeszierenden Effekt der Schicht 6 zu unterstützen. Die Gasdichtigkeit verhindert, dass die blähenden Gase, die sich bei Aktivierung der intumeszierenden Schicht 6 bilden, über die wärmespreizende Schicht 8 entweichen können, und so nicht mehr für das Aufblähen der Schicht 6 zur Verfügung stehen.
Beispiele für geeignete Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und den gewünschten starken anisotropischen thermischen Eigenschaften für die Ausbildung der wärmespreizenden Schicht 8 sind z. B. Graphitfolien, Carbonfasern, keramische Folien auf Basis von hexagonalen Bornitrid (HBN), wobei Graphitfolie besonders bevorzugt ist.
Die intumeszierende Schicht 6 ist aus einem intumeszierenden Material gebildet oder enthält ein intumeszierendes Material. Bei Hitzeeinwirkung bläht sich diese Schicht auf und bildet eine isolierende Schicht als zusätzlichen thermischen Schutz aus.
Es war bekannt als thermische Isolierschicht mineralische Vliese, Kohlenstoff oder Glasvliese bzw. Filze zu verwenden, die jedoch aufgrund ihrer generell höheren Schichtdicke die Gesamtdicke des Hitzeschildes und damit dessen Raumbedarf erhöhen. Im Gegensatz dazu können die erfindungsgemäß eingesetzten intumeszierenden Materialien in nur dünnen Schichten aufgetragen werden, die sich im Bedarfsfall bei Hitzeeinwirkung aufblähen, z. B. indem sie nicht brennbare blähende Gase freisetzen, wie z. B. Stickstoff, Kohlendioxid oder Ammoniumgase.
Intumeszierende Materialien wie sie auch erfindungsgemäß eingesetzt werden können, sind generell aus dem Flammschutz bekannt. Beispiele sind Blähgraphit, Schichtsilikate auf Basis von Aluminiumsilikat-Tonmineralien, wie Tonminerale aus der lllitg ruppe, etc.
Diese intumeszierenden Materialien werden üblicherweise in eine Polymermatrix eingebettet, die unter Einwirkung der herrschenden hohen Temperaturen verkohlt oder verglast und möglichst schnell eine harte Oberfläche bildet. Beispiele für Polymermaterialien für die Matrix sind Acrylharze, Epoxidharze, Melaminharze, Ethylen-Vinyl-Acetat, etc.
Die Komposite aus intumeszierenden Material und Matrixmaterial können zu dünnen Schichten verarbeitet werden, wofür gängige Technologien eingesetzt werden können, wie z. B. Siebdruck, Aufrakeln, Aufbringen dünner Folien usw.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung können die intumeszierenden Komposite aus intumeszierenden Material und Matrixmaterial in eine Tragstruktur eingebracht werden. Hierdurch kann die mechanische Steifigkeit verbessert werden. Zudem können bei Bedarf größere Schichtdicken und folglich eine größere Blähwirkung erzielt werden.
Bei den Tragstrukturen handelt es sich um offene oder geschlossene Hohlkammerstrukturen. Beispiele sind Wabenstrukturen, wobei die Geometrie der Waben je nach Bedarf wählbar ist, und offenporige, mit Harz verstärkte Vliese und Filze, usw.
Ein intumeszierender Effekt kann auch durch Verwendung von Harzsystemen und deren thermische Zersetzung erzielt werden Hierzu können unter anderem Si- Harze, Elastomere, Epoxidharze, etc. verwendet werden. Als besonders günstig hat sich eine Kombination aus Hitzeschutzschicht 5, Gas dichter wärmespreizender Schicht 8 und intumeszierender Schicht 6 erwiesen. Wie vorstehend beschrieben, verhindert die Gasdichtigkeit der Schicht 8 ein Entweichen der sich bildenden blähenden Gase bei Aktivierung der Schicht 6, wobei die Hitzeschutzschicht 5 die Wärmespreizende Schicht 8 vor einer mechanischen Beschädigung und Beeinträchtigung der Gasdichtigkeit durch Partikel des Gas- und Partikelstroms schützt.
Zusätzlich kann die intumeszierende Schicht 6 mit einer darunter- und/oder darüber angeordneten Schicht vernäht sein, um ein Ablösen der Schicht 6 durch die blähenden Gase, die gebildet werden, zu vermeiden. Beispielsweise kann in der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform die Schicht 6 mit der wärmespreizenden Schicht 8 und / oder einer nachfolgenden Trägerplatte 7 vernäht sein. Als Nahtmaterial können die vorstehend genannten Aramidfasern eingesetzt werden.
Den oberen Abschluss des erfindungsgemäßen Hitzeschild-Kompositstapel 1 bildet eine Trägerplatte 7, die die weiteren Schichten mechanisch stützt.
Die Trägerplatte 7 kann ein Glasfaser-Komposit, Carbonfaser-Komposit, Basaltfaser-Komposit, SMC (Sheet Moulding Compound)-Komposit oder eine glimmerbasierte Platte sein. Es können auch mechanisch belastbare Kunststoffe mit ausreichend hoher Temperaturbeständigkeit für die Trägerplatte 7 verwendet werden.
Zusätzlich kann der erfindungsgemäße Hitzeschild-Kompositstapel 1 zur weiteren mechanischen Stabilisierung noch mit einer dünnen Lage aus Glasseide oder einem anderen Material mit entsprechender mechanischer und thermischer Belastbarkeit ummantelt sein.
Der impaktabsorbierenden Elastomerschicht 4 können je nach Bedarf für eine gezielte Einstellung der Materialeigenschaften Füllstoffe zugesetzt werden.
Die Einstellung von Materialeigenschaften von Polymeren durch Zusatz von Füllstoffen und die Auswahl geeigneter Füllgrade sind dem Fachmann bekannt. Es können Füllstoffe verwendet werden, mit denen die Wärmeableitung innerhalb der Schicht 4 sowie die Temperaturbeständigkeit verbessert werden können. Beispiele sind Graphit, hexagonales Bornitrid (HBN), Siliziumcarbid (SIC), Aluminiumhydroxyd (ATH), Metallpartikel, Carbonfasergewebe, C- Kurzschnittfasern, C-gemahlene Fasern, usw.
Es können Füllstoffe zugesetzt werden, die die Verkohlung, Verglasung, und Intumeszieren der Schicht 4 im Hochtemperaturbereich unterstützen, wie z. B. Aluminiumhydroxyd (ATH), Magnesiumhydroxyd (MGH, Mg(OH)2), Roter Phosphor, Oxide wie Borax (Na2[B40s(0H)4] x 8 H2O), Antimonoxid (Sb20s), Blähgraphit, Tonminerale aus der lllitg ruppe, etc.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können in der impaktabsorbierenden ersten Schicht 4 wärmespreizende Füllstoffe vorgesehen sein. Wärmespreizende Füllstoffe unterstützen der Verteilung der Wärme des heißen Gas- und Partikelstroms über die gesamte Fläche der ersten Schicht 4 und sorgen so für eine thermische Entlastung insbesondere der Stelle, auf die der heiße Gas- und Partikelstrom als erstes auftrifft.
Ein Beispiel für eine Ausgestaltung durch Zusatz von wärmespreizenden Füllstoffen zur Schicht 4 ist in Figur 3 dargestellt, wobei die wärmespreizenden Füllstoffe 9 als Muster aus Sechsecken dargestellt sind, die über die Fläche verteilt angeordnet sind. Es folgen, wie in der Ausgestaltung nach Figur 2, eine hochtemperaturbeständige Schicht 5, eine wärmespreizende Schicht 8, eine intumeszierende Schicht 6 und die Trägerplatte 7.
BEISPIEL
Es wurde der Temperaturverlauf eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds gemessen und der Verlauf auf der Seite, die der Batterieanordnung am nächsten liegt (impaktabsorbierende Schicht 4), dem Verlauf auf der Seite, die von der Batterieanordnung am weitesten entfernt liegt (Trägerplatte 7) gegenübergestellt.
Der Aufbau des Hitzeschild-Kompositstapels war in der Reihenfolge von untersten Schicht 4 bis zur obersten Schicht 7 wie folgt: Impaktabsorbierende Schicht 4: Faserverbund aus Basaltfasergewebe mit einem Flächengewicht von 400 g/m2 mit Elastomermatrix (Shore A 25/40), Dicke 0,3 mm, Hitzeschutzschicht 5: Faserverbund aus Silicatfasergewebe mit einem Flächengewicht von 300 g/m2 und Elastomermatrix, Dicke 0,3 mm,
Wärmespreizende Schicht 8: Graphitfolie, Dicke 0,2 mm,
Intumeszierende Schicht 6: Dicke 0,4 mm, aus einem Elastomermaterial, das sich bei Temperaturen um 300 °C zersetzt,
Trägerplatte 7: Dicke 0,3 mm,
wobei die Schicht 6 mit Schicht 8 mit einem Aramidfaden in X- und Y-Richtung in der Form miteinander vernäht waren, dass 50 mm x 50 mm große Felder entstanden.
Das Vernähen verhindert eine partielle Ablösung der wärmespreizenden Schicht 8 und der Trägerschicht 7 durch die gebildeten Blähgase.
Das Ergebnis ist im Diagramm in Figur 4 gezeigt.
Während die Temperatur auf der Seite mit impaktabsorbierender Schicht 4 (Temp Front) auch nach 120 Sekunden noch deutlich über 1000 °C lag, betrug sie auf der Rückseite (Trägerplatte 7) lediglich 340 °C.
Dieses Ergebnis zeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild- Korn positstapel im Fall eines„Thermal Runaways“ mit Anfangstemperaturen von 1200 °C die Temperaturen auf der Rückseite des Hitzeschilds auch über einen Zeitraum von 120 Sekunden in einer Größenordnung von lediglich 340°C gehalten werden können und so ein signifikanter Schutz auf dieser Seite, z. B, einer Fahrgastkabine eines Fahrzeugs, gewährleistet werden kann.
Bezugszeichenliste
1. Hitzeschild
2. Batterie
3. Berst- oder Sicherheitsventil
4. impaktabsorbierende erste Schicht
5. hochtemperaturbeständige Schicht (Hitzeschutzschicht)
6. intumeszierende Schicht (Isolierschicht)
7. Trägerplatte
8. wärmespreizende Schicht
9. wärmespreizende Füllstoffe

Claims

Ansprüche
1. Hitzeschild (1) geeignet für Batterien oder Batterieanordnungen (2),
wobei der Hitzeschild (1) einen Schichtaufbau aufweist aus einer ersten Schicht (4) auf Basis eines temperaturbeständigen Elastomers zur Impaktabsorption, einer zweiten Schicht (5) aus einem hochtemperaturbeständigen Material als Hitzeschutz, die Schicht (6) mit intumeszierenden Eigenschaften zur Ausbildung einer thermischen Isolierung, und einer Trägerplatte (7).
2. Hitzeschild nach Anspruch 1 ,
wobei der Hitzeschild (1) zusätzlich eine wärmespreizende Schicht (8) zwischen der zweiten Schicht (5) und der Schicht (6) mit intumeszierenden Eigenschaften aufweist.
3. Hitzeschild nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Schichtstapel mit einer Hülle aus einem Material mit mechanischer und thermischer Belastbarkeit ummantelt ist.
4. Hitzeschild nach Anspruch 3,
wobei die Hülle aus Glasseide gebildet ist.
5. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4,
wobei die impaktabsorbierende Schicht (4) Füllstoffe zur Verbesserung der Wärmeableitung und/oder Temperaturbeständigkeit, zur Unterstützung der Verkohlung, Verglasung und/oder Intumeszenz, und/oder wärmespreizende Füllstoffe (9) enthält.
6. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Schicht (6) mit intumeszierenden Eigenschaften aus einer Trägerstruktur gebildet ist, die ein intumeszierendes Material enthält.
7. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zumindest die Schicht (6) mit intumeszierenden Eigenschaften mit einer darunter und/oder darüber angeordneten Schicht vernäht ist.
8. Verwendung eines Hitzeschildes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer batteriebetriebenen Vorrichtung.
9. Verwendung nach Anspruch 8,
wobei die batteriebetriebene Vorrichtung ein Kraftfahrzeug ist.
10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9,
wobei die Batterie eine Lithiumionenbatterie ist.
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