Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochvoltspeicher für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Hybrid- bzw. Elektrofahrzeuge sind mit einem Hochvoltspeicher ausgerüstet, in dem elektrische Energie zum Antrieb einer fahrzeugvortrieberzeugenden elektrischen Maschine gespeichert ist. Ein solcher Hochvoltspeicher weist üblicherweise ein Hochvoltspeichergehäuse mit einer Vielzahl darin angeordneter elektrischer Speicherzellen auf. Mehrere solcher Speicherzellen sind üblicherweise elektrisch zu einem „Zellmodul“ zusammengeschaltet. Üblicherweise befinden sich im Hochvoltspeichergehäuse mehrere derartige Zellmodule.

Bei schweren Unfällen kann es zu einer Beschädigung des Hochvoltspeichers bzw. einzelner Speicherzellen kommen, was in ungünstigen Fällen zu zellinternen Kurzschlüssen und hieraus resultierend zu einem Druck- und/oder Temperaturanstieg im Inneren einzelner Speicherzellen und im Extremfall zum Austritt heißer bzw. brennender Gase aus Speicherzellen führen kann. Speicherzellen von Hochvoltspeichern weisen hierzu üblicherweise eine „Notentgasungsöffnung“ auf, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Zellinnendrucks öffnet und einen kontrollierten Austritt von Gas aus dem Zellinneren ermöglicht. Wenn einzelne oder mehrere Speicherzellen übermäßig stark erhitzen und heiße bzw. brennende Gase austreten, sollte ein „Übergreifen“ heißer bzw. brennender Gase bzw. eine Beschädigung„benachbarter“ Speicherzellen durch heiße bzw. brennende Gase möglichst verhindert werden.

Eine Möglichkeit, das Risiko eines derartigen„Übergreifens“ (Propagation) zu verringern, besteht in der Verwendung möglichst hitzebeständiger Zellmaterialen und/oder darin, „mechanische“ Barrieren in den Hochvoltspeicher einzubauen, die eine Ausbreitung heißer Gase bzw. Ausbreitung von Flammen unterdrücken bzw. zumindest seitlich verzögern. Hierbei kommen Feststoffmaterialien, wie z. B. Stahl, Glasfasergewebe, Steinfasermatten, SMC etc. in Betracht. Derartige Materialien können nur vergleichsweise wenig Wärme aufnehmen bzw. aus dem Hochvoltspeicher abführen, da ihre Hauptfunktion die Isolation bzw. der Schutz einzelner Speicherzellen ist. Somit besteht üblicherweise ein Zielkonflikt zwischen einer guten Isolationswirkung im Normalbetrieb und einer schnellen Wärmeabfuhr im „Propagationsfall“. Im„Propagationsfall“ verbleibt ein Großteil der aus einzelnen Speicherzellen austretenden Wärmeenergie im Inneren des Hochvoltspeichergehäuses und kann im Extremfall eine Kettenreaktion, d. h. einen sequentiellen Ausfall mehrerer oder aller Speicherzellen hervorrufen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass es technisch sehr schwierig bzw. aufwändig ist, den Austritt heißer bzw. brennender Gase aus Speicherzellen zügig und zuverlässig zu detektieren und den Fahrer bzw. Fahrgäste des Fahrzeugs zu warnen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochvoltspeicher für Fahrzeuge zu schaffen, der für den Fall, das heiße bzw. brennende Gase aus einzelnen Speicherzellen austreten, eine erhöhte Sicherheit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Hochvoltspeicher für Fahrzeuge, mit einem Hochvoltspeichergehäuse und mindestens einer Speicherzelle, die in dem Hochvoltspeichergehäuse angeordnet ist. Selbstverständlich können in dem Hochvoltspeichergehäuse mehrere derartige Speicherzellen angeordnet sein. Gruppen von Speicherzellen können auch zu Zellmodulen elektrisch miteinander verschaltet sein. Mehrere derartige Zellmodule zusammengenommen können die Hochvoltspeicherbatterie bilden.

Die mindestens eine Speicherzelle weist eine Notentgasungsöffnung auf. Im Normalbetrieb der Speicherzelle, d.h. wenn sich die Speicherzelle in einem ordnungsgemäßen (Betriebs-)zustand befindet, ist die im bzw. am Gehäuse der Speicherzelle vorgesehene Notentgasungsöffnung gasdicht verschlossen. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Speicherzelleninnendrucks, z. B. in Folge einer mechanischen Beschädigung der Speicherzelle bzw. in Folge eines zellinternen Kurzschlusses, öffnet bzw. bricht die Notentgasungsöffnung auf und ermöglicht einen Druckabbau im Inneren des Speicherzellengehäuses, d. h. einen Austritt heißen oder brennenden Gases aus dem Inneren der Speicherzelle bzw. der Speicherzellengehäuses in einen Innenraum des Hochvoltspeichers.

Der Kern der Erfindung besteht darin, das im Bereich der Notentgasungsöffnung der mindestens einen Speicherzelle eine mit einem „Phasenwechselmedium“ (z. B. Wasser) befüllte Kammer vorgesehen ist, die bei einem Austritt heißen Gases mittelbar oder unmittelbar von dem heißem Gas beaufschlagt wird, wodurch ein Wärmeeintrag von dem heißen Gas in das Phasenwechselmedium erfolgt und dieses erhitzt wird und/oder in einen energiereicheren Aggregatzustand (z.B. Wasserdampf) übergeht.

Bei dem Phasenwechselmedium kann es sich z. B. um Wasser oder um eine überwiegend aus Wasser bestehende Substanz handeln. Vorzugsweise handelt es sich bei Phasenwechselmedium um eine Substanz, die zumindest bis zu einer vorgegebenen Temperatur von z. B. -20°C, - 25°C, -30°C, -35°C, -40°C flüssig ist. Beispielsweise handelt es sich hierbei um Wasser, welches einen hinreichenden Anteil Frostschutzmittel (z.B. einen Alkohol, wie etwa Glycol) enthält.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke besteht somit darin, einen Großteil der Wärmeenergie, die beim Austritt heißen oder brennenden Gases aus der mindestens einen Speicherzelle entweicht, in dem Phasenwechselmedium aufzunehmen, um dadurch eine Propagation, d. h. ein Übergreifen auf andere Speicherzellen zu verhindern oder zumindest oder zeitlich zu verzögern.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die mit dem Phasenwechselmedium befüllte Kammer an einer dem Innenraum des Hochvoltspeichers zugewandten Innenseite einer Wandung des Hochvoltspeichergehäuses vorgesehen. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Kammer auch einer dem Innenraum des Hochvoltspeichers abgewandten Außenseite der Wandung des Hochvoltspeichers angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Kammer auch in die Wandung des Hochvoltspeichers integriert sein. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Kammer auch an einer anderen Komponente des Hochvoltspeichers vorgesehen oder in eine andere Komponente des Hochvoltspeichers integriert sein. Bei der anderen Komponente kann es sich z.B. um ein Zellkontaktierungssystem handeln, über das Pole einzelner zu einem Zellmodul zusammengeschalteter Speicherzellen elektrisch miteinander verbunden sind.

Der Begriff „Wandung“ ist dabei äußerst breit zu verstehen. Bei der Wandung kann es sich beispielsweise um eine, in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft, untere Wandung (Hochvoltspeichergehäuseboden) oder eine obere Wandung (Hochvoltspeichergehäusedeckel) oder eine seitliche Wandung des Hochvoltspeichergehäuses handeln. Vorzugsweise ist die Notentgasungsöffnung der mindestens einen Speicherzelle, in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft, einer oberen Wandung (Hochvoltspeichergehäusedeckel) zugewandt und die Kammer, in der sich das Phasenwechselmedium befindet, ist vorzugsweise an oder in der oberen Wandung vorgesehen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die beim Austritt heißer oder brennender Gase austretende Wärmeenergie von dem Phasenwechselmedium nicht nur aufgenommen, sondern über das Phasenwechselmedium auch in die Umgebung abgeführt. Hierzu kann in oder an der Kammer oder in einem mit der Kammer verbundenen Austrittskanal ein Überdruckventil vorgesehen sein, welches in seinem Grundzustand, d. h. wenn der Hochvoltspeicher und die die darin angeordneten Speicherzellen sich in einem ordnungsgemäßen Zustand befinden, geschlossen ist, und welches öffnet, wenn das Phasenwechselmedium einen vorgegebenen Druck überschreitet, bzw. der Kammerinnendruck einen vorgegebenen Druck überschreitet. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass, wenn das Phasenwechselmedium zu sieden beginnt, das Überdruckventil öffnet und Phasenwechselmedium über das Überdruckventil in die Umgebung entweichen kann. Auf diese Weise können große Wärmeenergiemengen aus dem Hochvoltspeicher abgeführt werden.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Überdruckventil bis zu einem vorgegebenen Druck geschlossen ist.

Die Kammer, in der sich das Phasenwechselmedium befindet, kann direkt mit der mindestens einen Speicherzelle oder mit einem Zellmodul oder mit einer Wandung des Hochvoltspeichergehäuses (z. B. mit dem Gehäusedeckel) verbunden oder Teil dieser Komponenten sein. Die Kammer bildet ein geschlossenes System, das im Normalbetriebszustand mit dem Phasenwechselmedium befüllt ist. Das Phasenwechselmedium sollte eine möglichst hohe Verdampfungsenthalpie aufweisen (wie dies z. B. bei Wasser der Fall ist) und idealerweise eine Verdampfungstemperatur (auch unter Druck) aufweisen, die kleiner als die Schmelztemperatur der Kammer und/oder die Schmelztemperatur des Speicherzellengehäuses bzw. des Zellmoduls ist.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist in dem Überdruckventil oder an dem Überdruckventil oder in einem Kanal zwischen dem Überdruckventil und einer Mündungsöffnung des Kanals in die Umgebung ein akustischer Signalgeber vorgesehen, der beim Ausströmen von Phasenwechselmedium, das sich in einem flüssigen oder gasförmigen oder teilweise flüssigen und gasförmigen Zustand befinden kann, ein akkustisches Warnsignal erzeugt. Das Warnsignal sollte so laut sein, dass es auch im Fahrgastraum eines Fahrzeugs, in das der Flochvoltspeicher eingebaut ist, zu verlässig gehört wird. Ein derartiges, durch das bloße Ausströmen von Phasenwechselmedium rein mechanisch erzeugtes Warnsignal ist somit sehr zuverlässig und mit geringem Kostenaufwand erzeugbar. Es wird also das Prinzip einer„Teekesselpfeife“ angewandt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist in einer Wandung des Flochvoltspeichergehäuses eine Druckausgleichseinrichtung vorgesehen, über die (heißes oder brennendes) Gas, das sich aus einer oder mehrerer Speicherzellen in den Innenraum des Flochvoltspeichergehäuses hinein ausbreitet, in die Umgebung entweichen kann und/oder über die Umgebungsluft in den Innenraum des Flochvoltspeichergehäuses einströmen kann. Dadurch wird sichergestellt, dass im Innenraum des Flochvoltspeichers zumindest annähernd derselbe Druck wie in der Umgebung herrscht.

Vorzugsweise weist die Druckausgleichseinrichtung eine semipermeable Membran auf, durch die Wasserdampf aus dem Inneren des Flochvoltspeichergehäuses in die Umgebung entweichen kann, die aber einen Eintritt von Wasser aus der Umgebung in den Innenraum des Flochvoltspeichergehäuses unterbindet. Vollständigkeitshalber sei noch erwähnt, dass Gegenstand der Erfindung nicht nur der oben beschriebene Hochvoltspeicher, sondern auch ein Fahrzeug mit einem derartigen Hochvoltspeicher ist.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur 1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung in stark schematisierter Darstellung.

Figur 1 zeigt einen Hochvoltspeicher 1 eines hier nicht näher dargestellten Fahrzeugs. Der Hochvoltspeicher 1 weist ein Hochvoltspeichergehäuse auf, von dem hier lediglich ein Hochvoltspeichergehäusedeckel 2 dargestellt ist. In einem Innenraum 3 des Hochvoltspeichergehäuses sind mehrere Zellmodule 4 angeordnet, die jeweils durch mehrere „geschachtelt“ hintereinander angeordnete Speicherzellen (nicht näher dargestellt) gebildet sind. Jede der Speicherzellen weist in ihrem, in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft 5, oberen Bereich eine Notentgasungsöffnung 6a, 6b, 6c auf. Bei ordnungsgemäßen Zustand der Speicherzellen sind die Notentgasungsöffnungen gasdicht verschlossen. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Speicherzelleninnendrucks öffnen die Notentgasungsöffnungen 6a - 6c bzw. brechen auf und ermöglichen einen Austritt heißen oder brennenden Gases 7 in den Innenraum 3 des Hochvoltspeichergehäuses.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, beaufschlagt das heiße bzw. brennende Gas 7 den Hochvoltspeichergehäusedeckel und somit auch eine an dem Hochvoltspeichergehäusedeckel 2 vorgesehene, mit einem Phasenwechselmedium (z. B. mit Frostschutzmittel versetztes Wasser) befüllte Kammer 8. Die Kammer 8, die auch als„Kanal“ bezeichnet werden kann, ist im Normalzustand des Hochvoltspeichers 1 geschlossen. Die Kammer 8 weist jedoch ein Überdruckventil 9, das pfeifenartig ausgebildet sein kann auf. Bei Austritt heißen oder brennenden Gases aus einer oder mehrerer Speicherzellen erhitzt sich das in der Kammer 8 befindliche Phasenwechselmedium, was zu einem Druckanstieg und evtl sogar zum Sieden des in der Kammer 8 befindlichen Phasenwechselmediums führt. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Drucks im Inneren der Kammer 8 öffnet das Überdruckventil, was ein Entweichen heißen oder siedenden Phasenwechselmediums in die Umgebung 10 ermöglicht. Dadurch können relativ große Wärmeenergiemengen aus dem Inneren 3 des Hochvoltspeichers 1 abgeführt werden, was das Risiko einer Propagation heißen oder brennenden Gases, d. h. eine Beschädigung benachbarter Speicherzellen, reduziert.