Löschkonzept für HV Batterien in Hybrid- und Elektrofahrzeugen

Stand der Technik Hochvoltbatterien können in vielen Bereichen der Technik zum Einsatz kommen.

Beispielsweise können Hochvoltbatterien als Akkumulatoren für Solarzellen verwendet werden. Ferner können Hochvoltbatterien in Elektro- und

Hybridfahrzeugen verwendet werden. Eine exzessive Überladung oder ein Kurzschluss der Hochvoltbatterie bzw. einer entsprechenden Ladevorrichtung kann zu einem Brand der Batterie führen. Um einen Brand zu verhindern, können Überwachungseinrichtungen und

Schutzschaltungen an der Hochvoltbatterie vorgesehen sein. Offenbarung der Erfindung

Es kann ein Bedarf an einer Erhöhung bzw. Verbesserung des Brandschutzes von Hochvoltbatterien bestehen. Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Löschsystem für Batterien und insbesondere für Hochvoltbatterien vorgestellt. Das Löschsystem weist eine Batterie mit einem Gehäuse und einem Behälter mit einem Löschmedium auf. Das Löschsystem ist dabei ausgeführt, einen Brand der Batterie automatisch durch Entleeren des Behälters zu löschen. Der Behälter mit dem Löschmedium, auch als Löschbehälter bezeichnet, ist direkt an der Batterie angeordnet.

Insbesondere kann der Löschbehälter direkt am Gehäuse der Batterie

angeordnet sein. Durch das erfindungsgemäße Löschsystem wird die

Brandsicherheit der Batterie erhöht. Das heißt, zusätzlich oder alternativ zu einer Überwachungseinrichtung kann das Löschsystem einen ausbrechenden Brand bereits im Ausbrechen löschen.

Die Batterie sowie die Löscheinrichtung kann überall eingesetzt werden, wo eine Stromversorgung bzw. Stromspeicherung erforderlich ist. Die Löscheinrichtung ist unabhängig vom Einsatzzweck der Batterie. Dabei kann die Batterie zum Beispiel eine Hochvoltbatterie sein und in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. Alternativ kann die Batterie in Gebäuden für Generatoren bzw. Akkumulatoren an Solarzellen eingesetzt werden, oder in U-Booten, oder Schiffen. Die Batterie kann aus mehreren einzelnen Batteriezellen bestehen, die zu Modulen zusammengefügt sind. Mehrere Module bilden dann die Batterie, die auch als Batteriepack bezeichnet werden kann. Die Batterie kann dabei beispielsweise eine Lithium-Ionenbatterie sein. Ferner können im

erfindungsgemäßen System beliebige Arten von Batterien wie zum Beispiel Blei-, Nickel-, Kadium-, Nickelwasserstoff-, Nickeleisen-, Lithiumpolymer-,

Lithiummetall-, Lithiumschwefel-, Zink- und Brom- Batterien eingesetzt werden.

Die Batterie weist dabei ein Gehäuse auf. Das Gehäuse kann dabei

beispielsweise ein metallisches Material und/oder ein Kunststoff material aufweisen. Insbesondere kann das Gehäuse zur Kühlung der Batterie eine Radiatorplatte aufweisen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass die Batterie gekühlt werden kann.

Der Löschbehälter mit dem Löschmedium ist dabei direkt an der Batterie angeordnet. Das heißt, der Löschbehälter befindet sich in unmittelbarer Nähe der Batterie, so dass der Weg des Löschmediums vom Löschbehälter zur Batterie möglichst kurz ist. Beispielsweise kann der Löschbehälter seitlich oder über der Batterie angeordnet sein. Alternativ kann der Löschbehälter in das Gehäuse der Batterie integriert sein.

Das Löschmedium kann beispielsweise ein Metallbrandlöschpulver sein und zum Beispiel ein Alkalichlorid aufweisen.

Das Löschsystem ist dabei ausgeführt, einen entstehenden oder bereits vorhandenen Brand der Batterie automatisch durch Entleeren des Behälters, das heißt durch Ausschütten des Löschmediums über der Batterie löschen.

Automatisch kann dabei bedeuten, dass beispielsweise kein Zutun eines

Benutzers notwendig ist. Zum Beispiel kann das Löschsystem das Löschmedium über der Batterie bzw. in der Batterie ausschütten, sobald ein vorgegebener Temperaturschwellenwert erreicht ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Löschsystem ferner eine Löschvorrichtung mit mindestens einer Düse auf. Die Düse ist dabei an einer der Batterie zugewandten Seite der Löschvorrichtung angeordnet. Das Löschmedium ist dabei automatisch über die Düse an der Batterie im Brandfall verteilbar.

Die Löschvorrichtung kann zum Beispiel als Sprüh- oder Sprenkelanlage ausgeführt sein. Die Löschvorrichtung kann dabei direkt am Löschbehälter bzw. am Gehäuse der Batterie vorgesehen sein. Ferner kann die Löschvorrichtung in das Gehäuse integriert sein.

Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Düsen direkt an der Batterie bzw. am Löschbehälter vorgesehen. Die Düse kann dabei als Öffnung ausgeführt sein. Ferner kann die Düse als Zerstäuber zum Verteilen eines Löschmediums ausgeführt sein. Die Düse bzw. die Vielzahl von Düsen können alternativ separat vom Löschbehälter ausgeführt sein. Ist der Löschbehälter zum Beispiel seitlich an der Batterie angeordnet, so können die Löschvorrichtung und die Düsen über der Batterie angeordnet sein und über eine Leitung mit dem Löschbehälter verbunden sein. Im Brandfall werden die Düsen automatisch, das heißt ohne das Zutun eines Benutzers, beispielsweise abhängig von der an der Batterie vorherrschenden Temperatur betätigt, geöffnet bzw. aktiviert. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Gehäuse der Batterie doppelwandig ausgeführt. Das Gehäuse weist dabei eine Innenwand und eine Außenwand auf. Dabei kann das Gehäuse beispielsweise lediglich in einem oberen Bereich doppelwandig ausgeführt sein. Die Seiten und der Boden können einwandig ausgeführt sein. Alternativ kann das Gehäuse durchgehend doppelwandig ausgeführt sein. Der Löschbehälter mit dem Löschmedium ist dabei direkt in das Gehäuse integriert. Vorzugsweise stellt ein oberer Teil des Gehäuses den Löschbehälter dar. Dabei kann sich das Löschmedium

beispielsweise zwischen einer oberen Innenwand und einer oberen Außenwand des Gehäuses befinden. Auf diese Weise ist die im Brandfall vom Löschmedium zurückzulegende Strecke minimal.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Innenwand des Gehäuses Perforationen auf. Das Löschmedium wird im Brandfall automatisch über die Perforationen über die Batterie automatisch verteilt. Die Perforationen können beispielsweise Öffnungen bzw. Durchführungen in der Innenwand des Gehäuses sein, die den Löschbehälter bzw. die Löschvorrichtung mit dem Inneren der Batterie verbinden. Dabei kann die Löschvorrichtung ebenfalls direkt ins Gehäuse der Batterie integriert sein. Die Düsen können dabei zum Beispiel durch die Perforationen durchgeführt sein.

Alternativ können die Düsen in die Perforationen derart integriert sein, dass die Perforationen als Düsen fungieren. Im Normalfall können die Perforationen geschlossen sein. Im Brandfall können die Perforationen automatisch öffnen, so dass das Löschmedium im Inneren der Batterie verteilt werden kann.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das

Löschsystem ferner einen Temperatursensor und eine Steuereinheit auf. Die Steuereinheit ist dabei funktional mit dem Temperatursensor und mit dem

Löschbehälter verbunden. Die Steuereinheit ist ausgeführt, einen aktuellen

Temperaturwert mittels des Temperatursensors zu ermitteln und mit einem vorgegebenen Temperaturschwellenwert zu vergleichen. Die Steuereinheit ist ferner ausgeführt, das Entleeren des Löschbehälters auszulösen, wenn der aktuell ermittelte Temperaturwert größer ist als der Temperaturschwellenwert. Der Temperatursensor ist dabei an der Batterie angeordnet. Das heißt, der Temperatursensor kann direkt im Inneren der Batterie vorgesehen sein oder sich innen oder außen am Gehäuse der Batterie befinden. Die Steuereinheit kann beispielsweise eine Zentralprozessoreinheit (Central Processing Unit, CPU) sein. Alternativ kann die Steuereinheit auch in einem Batterie Control Unit (BCU) integriert sein.

Die Steuereinheit ist funktional, das heißt beispielsweise elektrisch über Drähte oder drahtlos mit dem Temperatursensor verbunden. Ebenso ist die

Steuereinheit funktional mit dem Löschbehälter bzw. mit der Löschvorrichtung bzw. mit den Düsen oder Perforationen des Löschbehälters verbunden. Alternativ kann die Steuereinheit mit einer mechanischen Aktuatorvorrichtung zum

Betätigen des Löschbehälters funktional verbunden sein. Zusätzlich zum

Temperatursensor kann auch ein Rauchsensor bzw. ein Rauchmelder an der Batterie vorgesehen sein und ebenso funktional mit der Steuereinheit verbunden sein.

Die Steuereinheit kann dabei ausgeführt sein, den aktuellen Temperaturwert in bestimmten vorgegebenen Zeitintervallen zu ermitteln. Alternativ kann die Steuereinheit den Temperaturwert kontinuierlich ermitteln und mit dem

vorgegebenen Temperaturschwellenwert vergleichen. Der

Temperaturschwellenwert kann dabei beispielsweise in einer Speichereinheit der Steuereinheit gespeichert sein. Der Temperaturschwellenwert kann je nach Art der Batterie und der Anzahl der darin integrierten einzelnen Batteriezellen unterschiedlich eingestellt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das

Löschsystem ferner ein Aktuatorelement zum Entleeren des Löschbehälters auf. Das Aktuatorelement weist dabei ein Thermobimetall bzw. ein Bauteil mit Thermobimetall auf. Beispielsweise kann das Aktuatorelement als

Thermobimetallfeder ausgeführt sein. Das Thermobimetall ist dabei ausgeführt, bei Temperaturänderungen seine Form zu verändern. So kann sich

beispielsweise ein Thermobimetall bei entsprechender Temperaturerhöhung zusammenziehen oder ausdehnen. Das Aktuatorelement ist dabei ausgeführt, den Löschbehälter derart durch die Formänderung zu betätigen, dass sich der Löschbehälter entleert. Dabei kann das Aktuatorelement den Löschbehälter direkt betätigen oder alternativ eine entsprechende mechanische Vorrichtung an den Düsen oder Perforationen auslösen.

Das Löschsystem mit einem Aktuatorelement, welches auch als Aktorelement bezeichnet werden kann, und welches ein Thermobimetall aufweist, kann rein mechanisch und unabhängig von einer Spannungsquelle funktionieren. Anders ausgedrückt sind hier für die Betätigung bzw. Auslösung des Löschsystems keine elektrischen Bauelemente nötig. Hierdurch kann die Sicherheit bei einem Brand, zum Beispiel bei einem Ausfall von Überwachungseinrichtungen und Schutzschaltungen, zusätzlich erhöht werden.

Als Auslöser des Löschsystems kann auch z.B. ein mit Flüssigkeit gefülltes Röhrchen dienen, welches bei einer bestimmten Temperatur zerstört wird und damit mechanisch die Löscheinrichtung auslöst.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Löschmedium ausgeführt, den Brand durch Ersticken zu bekämpfen. Beispielsweise kann das Löschmedium ABC-Löschpulver, insbesondere Aluminiumphosphat und

Aluminiumsulfat aufweisen. Bevorzugterweise weist das Löschmedium ferner Metallbrandlöschpulver auf. Zusätzlich oder alternativ kann das Löschmedium Sand, Zementpulver und Graugusspulver aufweisen. Ferner kann das

Löschmedium Alkalichloride, insbesondere Natriumchlorid aufweisen. Je nach Art der einzelnen Batteriezellen bzw. der Batterie kann eine andere

Zusammensetzung des Löschmediums gewählt werden. Das Löschmedium kann dabei derart in seinen Eigenschaften gewählt sein, dass es bei der jeweiligen Brandtemperatur über der Batterie schmilzt und einen luftdichten Belag bildet.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Löschsystems vorgestellt. Das Verfahren weist den folgenden Schritt auf: Versehen einer Batterie mit einem Löschbehälter mit Löschmedium. Das Löschsystem ist dabei ausgeführt, einen Brand der Batterie automatisch durch Entleeren des Löschbehälters zu löschen.

Das Verfahren kann beispielsweise zur Nachrüstung von bereits vorhandenen Batterien eingesetzt werden. Dabei kann ein Löschbehälter seitlich oder über dem Gehäuse der Batterie angeordnet werden. Ferner kann eine Löschvorrichtung mit Düsen über dem Gehäuse der Batterie angeordnet werden. Der Löschbehälter ist dabei direkt an der Löschvorrichtung angeordnet und angeschlossen oder mit dieser über eine Leitung verbunden.

Alternativ kann das Verfahren zur Herstellung neuer Batterien eingesetzt werden, bei denen der Löschbehälter direkt in einen doppelwandigen Deckel des

Gehäuses integriert ist.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Verwendung des oben beschriebenen Löschsystems in einem Hybridfahrzeug oder in einem

Elektrofahrzeug vorgestellt.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem

Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter

Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Löschsystem mit einem im Gehäuse integrierten Löschbehälter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung

Fig. 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Löschsystems mit einem zusätzlichen Rauchmelder gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung

Fig. 3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Löschsystems mit Düsen zum Verteilten des Löschmediums gemäß einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung

Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Löschsystems mit Perforationen zum Verteilten des Löschmediums gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung

Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein Löschsystem 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das Löschsystem 1 weist dabei eine Batterie 3 mit einem Gehäuse 5 und einem Löschbehälter 7 mit einem Löschmedium 25 auf. Ferner weist die Batterie 3 eine Löschvorrichtung 8 mit Düsen 9 auf. Die Düsen sind dabei in Perforationen 15 am Gehäuse 5 integriert. Die Batterie 3 ist als Hochvoltbatterie ausgeführt und ist dabei aus mehreren bzw. aus einer Vielzahl von Batteriezellen 23 zusammengesetzt. Die

Batteriezellen 23 sind im Gehäuse 5 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist das Gehäuse 5, insbesondere der Gehäusedeckel doppelwandig ausgeführt. Das Gehäuse weist dabei eine Innenwand 11 und eine Außenwand 13 auf. Zwischen der Innenwand 11 und der Außenwand 13 ist der

Löschbehälter 7 mit dem Löschmedium 25, sowie die Löschvorrichtung 8 angeordnet. An der Innenwand 11 sind ferner Perforationen 15 in Form von Öffnungen vorgesehen. Die Perforationen 15 können dabei einen Teil der Löschvorrichtung 8 bilden.

Des Weiteren ist ein Temperatursensor 17 an der Batterie 3 vorgesehen.

Insbesondere ist der Temperatursensor 17 im Inneren des Gehäuses 5 angeordnet. Der Temperatursensor 17 ermittelt dabei in vorgegebenen

Zeitabständen oder kontinuierlich einen aktuellen Temperaturwert an der Batterie 3. Ferner übermittelt der Temperatursensor 17 den ermittelten aktuellen

Temperaturwert an eine Steuereinheit 19. Die Steuereinheit 19 ist im

dargestellten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 außerhalb des Gehäuses 5 der Batterie 3 angeordnet. Alternativ kann die Steuereinheit 19 am oder im Gehäuse 5 angeordnet sein. Die Steuereinheit 19 vergleicht den ermittelten aktuellen Temperaturmesswert mit einem Temperaturschwellenwert. Liegt der ermittelte aktuelle Temperaturmesswert über dem vorgegebenen

Temperaturschwellenwert, so löst die Steuereinheit 19 automatisch ein Entleeren des Löschbehälters 7 aus, so dass das Löschmedium 25 über der Batterie 3 verteilt wird. Hierzu kann die Steuereinheit 19 mit der Löschvorrichtung 8, insbesondere mit den in der Innenwand 11 vorgesehenen Perforationen 15, und/oder mit dem Löschbehälter 7 verbunden sein. Sollte somit ein Brand an der Batterie über den Temperatursensor 17 detektiert werden, so wird automatisch ein Mechanismus ausgelöst, welcher den Inhalt des Löschbehälters 7, insbesondere ein Metallbrandlöschpulver, über die Batterie 3 sprüht. Auf diese Weise wird ein entstehender Brand bereits im Ausbrechen gestoppt und die Sicherheit beispielsweise in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug erhöht.

Im Ausführungsbeispiel in Fig. 2 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines Löschsystems 1 dargestellt. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist der Löschbehälter 7 außerhalb des Gehäuses 5 angeordnet. Ferner sind im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Düsen 9 der Löschvorrichtung

8 direkt über der Batterie 3 bzw. über dem Gehäuse 5 der Batterie 3 angeordnet. Die Düsen 9 begünstigen dabei eine gleichmäßige und schnelle Verteilung des Löschmediums 25 über der Batterie 3 im Brandfall. Die Düsen 9 können dabei z.B. als Flachstrahldüsen ausgeführt sein. Insbesondere können die Düsen 9 Messing und einen Anschluss mit Außengewinde aufweisen. Der Sprühwinkel der Düsen 9 kann z.B. zwischen 105° und 145° liegen. Ferner können die Düsen

9 Durchflussmengen zwischen ca. 0,051 und 757 Liter pro Minute zulassen. Dabei können die Düsen 9 hinsichtlich des Abstands zur Batterie 3, der

Durchflussmenge und des Sprühwinkels auf das System angepasst sein.

Der Löschbehälter 7 ist über eine Leitung 29 mit der Löschvorrichtung 8 und damit mit den Düsen 9 verbunden. Die Leitung 29 kann dabei über einen Anschluss 27 an die die Löschvorrichtung 8 bzw. an die Düsen 9 angeschlossen sein. Des Weiteren ist an den Düsen 9 bzw. am Gehäuse 5 ein zusätzlicher Rauchmelder 31 vorhanden. Der Rauchmelder kann ebenso wie ein

Temperatursensor 17 mit einer Steuereinheit 19 verbunden sein.

Wird beispielsweise Rauch durch den Rauchmelder 31 detektiert, so kann die Steuereinheit 19 ein automatisches Entleeren des Löschbehälters 7 über der Batterie 3 auslösen.

In Fig. 3 ist ein zu Fig. 2 ähnliches Ausführungsbeispiel dargestellt. Der in Fig. 3 nicht dargestellte Löschbehälter 7 ist außerhalb des Gehäuses 5 direkt an der Batterie 3 angeordnet. Das Löschmedium 25 wird hier im Brandfall ebenfalls automatisch mittels Düsen 9 über der Batterie 3 verteilt. Im Unterschied zu den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 kein Temperatursensor 17 und keine Steuereinheit 19 vorgesehen.

Stattdessen weist das Löschsystem 1 im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ein Aktuatorelement 21 auf, welches ein Thermobimetall, auch als Bimetall bezeichnet, aufweist.

Das Thermobimetall kann dabei Metallstreifen aus unterschiedlichen Metallen aufweisen, die miteinander stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden sind. Das Thermobimetall kann zum Beispiel in Form einer Feder ausgeführt sein. Die verschiedenen Metalle weisen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass das Thermobimetall seine Form bei Temperaturänderungen verändert. Beispielsweise können die verwendeten Metalle Zink und Stahl sein. Das Thermobimetall kann derart gewählt und an dem Löschbehälter 7 bzw. an den Düsen 9 angeordnet sein, dass bei Erreichen bzw. Überschreiten einer

Schwellentemperatur automatisch die Löschvorrichtung 8 bzw. die Düsen 9 betätigt bzw. geöffnet werden.

Die Auslösung des Löschmechanismus erfolgt mechanisch oder wie oben beschrieben durch ein Thermobimetall bzw. über einen Bimetall-

Temperaturschalter, der z.B. über eine Armatur bzw. über ein mechanisch betätigtes Ventil den Löschbehälter 7 aktiviert. Alternativ kann z.B. ein mit Flüssigkeit gefülltes Röhrchen als Auslöser des Löschsystems dienen. Das Röhrchen kann dabei derart ausgeführt sein, dass es bei einer bestimmten Temperatur zerstört wird und damit mechanisch die Löscheinrichtung auslöst.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Löschsystems 1 gezeigt. Das Löschsystem 1 in Fig. 4 weist dabei einen außerhalb des Gehäuses 5 angeordneten Löschbehälter 7 auf. Dieser ist dabei direkt am Gehäuse 5 seitlich angeordnet. Ferner ist der Löschbehälter 7 über eine kurze Leitung 29 mit einem

Anschluss 27 verbunden, der das Löschmedium 25 im Brandfall zu Perforationen 15 einer über dem Gehäuse 5 angeordneten Metallplatte führt. Über die

Perforationen 15 wird das Löschmedium 25 verteilt. Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie„aufweisend" oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können Verbindungen mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebener Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.