在车辆电池释放气体时提供安全措施的设备和方法

摘要

本发明涉及用于在由车辆电池、尤其是用于混合动力车辆或电动车辆的受损的锂离子蓄电池释放气体时提供安全措施的设备，其中车辆电池安置在具有开口的体积空间内，该设备具有至少一个可用气体填充且具有多个开口的包覆元件，该包覆元件构造成在气体填充时膨胀到体积空间中，使得当包覆元件膨胀时该包覆元件的开口扩大并且包覆元件的内容物通过包覆元件的扩大的开口被输出到该体积空间中；该设备还具有至少一个用于填充包覆元件的装置，其构造成在收到触发信号时以二氧化碳气体至少部分地填充包覆元件，从而二氧化碳气体作为包覆元件的内容物至少部分地被输出到体积空间中。本发明还涉及具有该设备的安装空间和用于提供安全措施的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及用于在车辆电池、尤其是混合动力车辆或电动车辆 的受损的锂离子蓄电池释放气体时提供安全措施的设备和方法。本 发明还涉及用于车辆电池的安装空间。

背景技术

在电动机动车和混合电动机动车中采用原电池（galvanische  Zelle）作为蓄能器。此时，尤其使用锂离子蓄电池（也称为锂离子 电池）作为提供驱动所需能量的车辆电池。这种电池以及原则上还 有其它的原电池在此具有不同的问题。因此，如出现大电流、车辆 电池在充电过程中过度充电或者外界高温的故障可能导致所谓的热 失控（也称为热跑脱），结果导致车辆电池的电池电芯的过热。此 时在相关的电池电芯内出现可燃的气体、例如乙烷、甲烷和其它烃 类气体，其中这种气体生成造成电池电芯内的压力增大。

在现有技术中，作为用于在车辆电池释放气体时提供安全措施 的装置已知的是安全通风机构或者说通风口，其安置在电池电芯壳 体的上端。该安全通风机构如此构成，它在电池电芯内的压力增大 时打开并由此使得可以从电池电芯中释放气体混合物（以下也称为 气体释放）。作为用于在车辆电池释放气体时提供安全措施的其它 装置，在现有技术中已知所谓的排气通道。在多个电池电芯联接成 一个电池模块的情况下，这样的排气通道布置在电池电芯的通风口 上方并通过这种方式与各个电池电芯相连。此时，排气通道经过排 出口将释放的气体从车辆排出到大气中，由此特别地保护车辆乘客 免受释放的气体的影响。

但使用这种排气通道导致的结构技术缺点是，电子部件尤其是 电池管理装置所需要的电子部件不能安置在电池模块上。但电子部 件安置在电池模块上被证明在结构技术上是有利的。当采用这种排 气通道时的另一个缺点在于，释放的气体的流通量通常是不令人满 意的。因此，由受损的电池电芯释放的气体通常无法足够迅速地通 过排气通道来排走，由此一来，排气通道内的压力显著增大。增大 的内压使迄今未受损的电池电芯的通风口也打开或者说破开，由此 释放的气体也进入原先未受损的电池电芯，因而也可能损伤所述未 受损的电池电芯。尤其是由释放气体造成的电池电芯内增高的内压 可能导致不仅会损坏车辆电池而且对车辆和车辆乘客也是安全风险 的连串爆炸。

发明内容

鉴于此背景，本发明的目的在于，在避免上述缺点的同时改善 由受损的电池电芯释放的气体的排出以及至少部分中和释放的气 体。

为了实现此目的，提出一种用于在由车辆电池、尤其是受损的 车辆电池且特别是用于混合动力车辆或电动车辆的受损的锂离子蓄 电池释放气体时提供安全措施的设备，其中该车辆电池安置在具有 开口的体积空间内，其特征在于，设有至少一个可填充有气体的且 有多个开口的包覆元件，该包覆元件构造成在气体填充时膨胀到该 体积空间中，使得在包覆元件膨胀时该包覆元件的多个开口扩大并 且该包覆元件的内容物通过该包覆元件的扩大的开口被输出到体积 空间中；以及设有至少一个用于填充包覆元件的装置，其构造成在 收到触发信号时给包覆元件至少部分地填充二氧化碳气体，从而二 氧化碳气体作为包覆元件内容物被至少部分地输出到体积空间中。 根据本发明，所述至少一个包覆元件在检测到气体的释放时在几秒 内且优选在大约10-750毫秒内膨胀到体积空间中。此外，该体积空 间特别地由用于车辆电池的安装空间构成，其有利地具有排出口。 用于车辆电池的安装空间特别地可以是机动车的行李舱或凹腔、例 如在行李舱地板覆层下方的备胎凹腔。在此，包覆元件有利地构造 为塑料袋，优选尼龙袋。尤其优选的是，包覆元件连同用于填充包 覆元件的装置一起根据用在车辆中乘员保护系统的气囊的形式构 成。根据本发明的一个有利实施方式，该包覆元件的多个开口是优 选呈“X”和/或“+”形的多个交叉槽，其在包覆元件膨胀时扩张。

本发明基于以下认识，由布置在安装空间内的车辆电池尤其是 锂离子蓄电池所释放的气体（但原则上还有由其它原电池释放的气 体）可以特别有效地通过挤压而从安装空间送出到大气中，在这里， 挤压经过具有在包覆元件膨胀过程中扩大的多个开口的气囊状包覆 元件来实现，为此包覆元件在检测到气体释放时通过填充气体、尤 其有利的是通过填充二氧化碳气体（CO₂）而膨胀至该安装空间中， 优选是脉冲式膨胀，并且气体必要时连同优选适于中和车辆电池所 释放的气体的其它固体一起从包覆元件通过包覆元件的扩大的开口 逸出到该体积空间。作为所提供的第一安全措施，由车辆电池释放 的气体此时有利地通过所述至少一个包覆元件的膨胀以及由所述至 少一个包覆元件逸出的二氧化碳气体被挤压并且经过安装空间内的 开口被排出至大气。二氧化碳气体的使用还带来以下优点，作为其 它安全措施，可借助逸出的二氧化碳气体来熄灭因电池电芯过热而 燃起的火焰。作为其它安全措施，逸出的二氧化碳气体有利地冷却 受损的车辆电池，由此可阻止其它电池电芯的热失控。有利的是可 以无需排气通道地使用本发明的设备。通过省去排气通道能够将电 池电芯的通风口设于电池电芯侧面，由此电子部件、尤其是用于电 池管理系统的部件可以有利地安置在电池电芯上。

优选地，为了填充包覆元件由用于填充包覆元件的装置所使用 或者说产生的二氧化碳气体作为包覆元件的内容物通过包覆元件的 扩大的开口至少部分地被输出。根据本发明的一个变型实施方式， 此时使用蓄压器作为用于填充包覆元件的装置，该蓄压器以二氧化 碳气体预加压。除了包覆元件膨胀外，由包覆元件输出的二氧化碳 气体进一步有助于挤压由车辆电池释放的气体。另外，逸出包覆元 件的二氧化碳气体有利地冷却车辆电池的受损电池电芯。由此，可 以有利地阻止其它电池电芯的热失控以及减少源于受损的电池电芯 的燃烧危险和/或爆炸危险。另外，在体积空间内爆发的火焰通过二 氧化碳气体被有利地熄灭。

根据本发明的一个特别优选的设计，氧化钙和/或氧化镁作为包 覆元件的内容物被输出到体积空间。根据一个变型实施方式，在所 述至少一个包覆元件中设置粉末状的氧化钙和/或氧化镁。如果包覆 元件在用气体填充时膨胀使得包覆元件的开口扩大，则粉末状的氧 化钙和/或氧化镁从包覆元件逸出，即氧化钙和/或氧化镁作为包覆元 件的内容物被输出到体积空间。氧化钙和/或氧化镁有利地在体积空 间内与由车辆电池释放的氟化氢气体反应。氧化钙和/或氧化镁此时 有利地中和氟化氢气体。氟化氢气体的中和是由本发明设备提供的 另一安全措施。

本发明的另一个有利实施方式规定，碳酸钙和/或碳酸镁作为包 覆元件的内容物被输出到体积空间。碳酸钙（CaCO₃）和/或碳酸镁 （MgCO₃）的输出在此有利地改善氟化氢气体的中和。另外本发明 规定，碳酸钙和/或碳酸镁代替为了中和氟化氢气体进入体积空间内 的氧化钙和/或氧化镁从包覆元件被输出到体积空间。

根据本发明的另一个有利方面，用于填充包覆元件的装置是包 括点燃机构和待点燃介质的气体发生器。这样的气体发生器能以如 下的气体发生器形式构成，其被用于填充被用在机动车乘客保护系 统中的气囊。在这样的设计中有利的是只有几毫秒的短暂的包覆元 件膨胀时间。特别地，这样的气体发生器构造成，使气体以最大 400km/h的速度逸出到包覆元件中并且包覆元件由此近似突然地或 者说脉冲式被填充。优选地规定，固体推进剂作为待点燃介质。

待点燃介质有利地至少部分由碳酸钙和/或碳酸镁构成。特别地 在此也规定，待点燃介质是碳酸钙或碳酸镁或者碳酸钙和碳酸镁的 混合物。待点燃介质优选以球团形式来提供。作为待点燃介质的碳 酸钙和/或碳酸镁带来以下优点，在点燃时生成二氧化碳气体，当包 覆元件已达到其最大膨胀程度并且包覆元件的开口因包覆元件膨胀 已经扩大时，二氧化碳气体特别地作为包覆元件的内容物被输出到 该体积空间。通过输出二氧化碳气体至该体积空间，如上所述，有 利地将由车辆电池释放的气体从体积空间挤出或者说引出，另外还 提供了阻燃剂以及冷却剂。作为固体推进剂使用碳酸钙和/或碳酸镁 还带来以下优点，在用气体发生器的点燃机构点燃时，除了二氧化 碳气体特别地作为其它反应产物还生成粉末状的氧化钙或氧化镁。 根据本发明的另一个特别有利的实施方式，在点燃后还保留有碳酸 钙和/或碳酸镁的残留物。所述氧化物和/或碳酸盐有利地通过所述至 少一个包覆元件的扩大的开口被输出至体积空间。释放到体积空间 在此用于由受损的车辆电池释放的氟化氢气体的前述有利的中和。

作为本发明的其它尤其优选的设计，规定，该体积空间由用于 车辆电池的安装空间构成，其中至少所述至少一个包覆元件和所述 至少一个用于填充包覆元件的装置布置在该安装空间内，并且其中 该安装空间具有包括透气的封闭件的开口。尤其规定，一包覆元件 连同用于填充包覆元件的装置（优选连同气体发生器）一起作为模 块至少部分地放入安装空间的内壁中。封闭件有利地以透气膜形式 构成，其中该膜阻止固体逸出由安装空间构成的体积空间。因此， 在中和氟化氢气体时所形成的氟化钙或氟化镁有利地保留在由安装 空间构成的体积空间内。

为了实现前述目的，还提出一种用于车辆电池、尤其是用于混 合动力车辆或电动车辆的锂离子蓄电池的具有至少一个透气开口的 安装空间，其中由该安装空间构成用于安置车辆电池的体积空间， 并且该安装空间具有根据本发明的用于在车辆电池释放气体时提供 安全措施的设备。该开口优选背离乘员室地布置，因而更好地保护 乘车人免受释放气体的影响。有利地在该安装空间的开口中安装封 闭机构、优选是膜，气体可经过该封闭机构逸出或者说挤出，但阻 止固体、尤其是氟化钙和/或氟化镁从由安装空间构成的体积空间逸 出。

另外，为了实现上述目的而提出一种用于在车辆电池、尤其是 用于混合动力车辆或电动车辆的受损的锂离子蓄电池释放气体时提 供安全措施的方法，该车辆电池布置在具有开口的体积空间内，其 中，至少一个用于以气体填充包覆元件的装置在收到触发信号时给 具有多个开口的至少一个包覆元件至少部分地填充二氧化碳气体， 其中该包覆元件通过用气体填充而膨胀到该体积空间中，该包覆元 件的多个开口因包覆元件膨胀而扩大，并且该包覆元件的内容物通 过该包覆元件的扩大的开口被输出到该体积空间，二氧化碳气体作 为包覆元件的内容物至少部分被输出至该体积空间。根据该方法的 一个有利改进方案，作为该包覆元件的其它内容物，氧化钙和/或氧 化镁和/或碳酸钙和/或碳酸镁被输出到体积空间。包覆元件在膨胀最 大时有利地几乎占据全部空闲的体积空间，但至少20%-70%。此时， 该体积空间优选由用于车辆电池的安装空间构成。

附图说明

结合附图所示的实施例来详述本发明的其它有利的细节、特征 和实施方式细节，其中：

图1以示意图示出了安置在根据本发明的用于车辆电池的安装 空间内的根据本发明的设备的一个实施例；

图2以示意图示出了根据本发明的另一个实施例，其中示出了 膨胀的包覆元件和逸出包覆元件的内容物；

图3以示意图示出了根据本发明的又一个实施例，其中示出了 膨胀后的包覆元件和从包覆元件输出的内容物；

图4以示意图示出了包括两个膨胀的包覆元件的根据本发明的 再一个实施例。

具体实施方式

在如图1-图4所示的实施例中，其内安置有车辆电池2的体积 空间1分别由用于车辆电池2的安装空间构成。安装空间是用于安 置车辆电池的体积空间的一个特殊设计。因此为了标示该安装空间， 与图1-图4中所示的本发明实施例相关地将附图标记“1”同样地用 于该安装空间和由其构成的体积空间。

图1示出了用于车辆电池2的安装空间1。安装空间1此时是附 图未示出的电动车辆的局部区域。车辆电池2是包括多个联接在一 起的电池电芯3的锂离子蓄电池。每个电池电芯3具有一个附图未 明确示出的安全通风机构或者说通风口。在电池电芯3内例如因为 过热而生成气体的情况下，电池电芯3的内压增大，由此安全口或 者说通风口打开且气体经过通风口被释放到安装空间1。安装空间1 具有开口4，该开口的方向背离电动车的乘员室，从而释放出的气体 没有经开口4进入乘员室。在该开口4中加入膜15，该膜只允许气 态物质逸出安装空间1。

在安装空间1的内壁上安装有模块5，在该模块中安置有图1未 明确示出的且可填充有气体的包覆元件和图1也未明确示出的用于 以气体填充该包覆元件的装置。用于填充包覆元件的装置是以二氧 化碳气体预加压的蓄压器。该包覆元件是塑料袋，其具有在塑料袋 膨胀时扩张的多个开口，所述开口以从乘员保护系统中已知的气囊 的形式折叠安置在模块5内。此外，在包覆元件中加入粉末状碳酸 镁。该包覆元件被构造成当以二氧化碳气体填充时脉冲式膨胀入安 装空间1，其中随着包覆元件递增的尤其是弹性的膨胀，所述包覆元 件的开口扩大，并且二氧化碳气体和粉末状碳酸镁作为包覆元件的 内容物被输出到安装空间1中。控制装置6也布置在安装空间1的 内壁上，该控制装置与多个安置在电池电芯3的安全通风机构上的 传感器（图1未明确示出）相连。这样的传感器在电池电芯3的通 风口打开时提供信号（检测信号）给控制装置6。另外，控制装置6 与气体传感器相连（图1未明确示出），气体传感器构造成在电池 电芯3释放出气体时提供信号（检测信号）给控制装置6。控制装置 6尤其构造成控制设置在模块5内的蓄压器，其中控制装置6将触发 信号传送给该蓄压器，随后该蓄压器使二氧化碳气体逸出到包覆元 件中，由此填充该包覆元件。以下特别地将结合图2所示的实施例 来详述在由车辆电池释放气体时提供安全措施。

图2示出了具有本发明设备的用于作为车辆电池2的锂离子蓄 电池的安装空间1。安装空间1为了改善将释放气体从安装空间1 挤出而局部铺设有内衬9。如果例如在车辆电池2的一个电池电芯3 热失控时释放气体，则根据本发明尤其执行以下方法步骤：安装在 电池电芯3上的且与控制装置6相连的传感器（图2未明确示出） 检测气体的释放，随后控制装置6将触发信号传输给安置在模块5 内的气体发生器（图2未明确示出）。该气体发生器具有点燃机构 和作为球团形式固体推进剂的碳酸钙（CaCO₃）。作为同样有利的替 代方式，碳酸镁（MgCO₃）可被用作固体推进剂。收到触发信号造 成该点燃机构点燃固体推进剂。此时产生二氧化碳气体（CO₂），其 被输出到包覆元件7、7'中并且包覆元件7、7'因而在几毫秒内近似 脉冲式地被二氧化碳气体填充。通过化学反应还生成粉末状氧化钙， 其也在包覆元件7、7'内扩散。如图2所示的实线表示在时刻t₁、例 如控制装置6收到传感器的检测信号后90毫秒时的包覆元件7。虚 线示出了在随后的时刻t₁+t、例如在控制装置6收到检测信号后96 毫秒后的同一包覆元件7'。包覆元件7、7'在此是塑料袋，其具有许 多几微米大小的开口8。在这里，开口8在时刻t₁小到其不适于使包 覆元件7的内容物逸出，或者只使极少量内容物逸出。尤其通过要 采用的包覆元件7弹性膨胀，开口8扩大或者说开口8扩张，从而 包覆元件7'的内容物、即在此是二氧化碳气体和粉末状氧化钙经过 开口8'被输出到安装空间1。

通过如图2用箭头10象征性所示的塑料袋7、7'膨胀到安装空间 1中以及通过从包覆元件7'的开口8'流出的二氧化碳气体，作为由根 据本发明的设备提供的安全措施，由车辆电池2或者说电池电芯3 释放的气体经过安装空间1的开口4被挤出安装空间1，这在图2 中由箭头11象征性表示。另外，二氧化碳气体熄灭已有的火焰（图 2未明确示出）并且还冷却车辆电池2的电池电芯3，由此可以阻止 其它电池电芯3的热失控。作为所提供的其它安全措施，从包覆元 件7'输出的粉末状氧化钙中和由电池电芯3释放的氟化氢。中和时 形成的氟化钙有利地通过安装空间1的开口4内的封闭件15被阻止 离开进入大气。通过二氧化碳气体和粉末状氧化钙的逸出造成包覆 元件7、7'最终瘪缩，这如图3示意所示。此时如图3所示的包覆元 件7′″基本排空内容物。此时，图3中的云雾12'代表还在安装空间1 内的由二氧化碳气体和粉末状氧化钙构成的混合物。

图4示出了本发明的另一个实施例。在这里，示出了在时刻t₂、 即在控制装置6接收到检测信号后大约120毫秒时的根据本发明的 设备。安置在安装空间1内的本发明设备具有两个可用气体填充的 包覆元件7和17，每个包覆元件为了以气体填充而与一气体发生器 13或者14相连。该包覆元件此时具有多个开口8，所述开口在各包 覆元件7和17膨胀时扩大。通过基本上抑制气体到车辆电池2旁边 的自由空间中的扩散或者说挤出流入该空间的气体，附加的包覆元 件17改善了由电池电芯3释放的气体的挤出。控制装置6在此构造 成，与传送给气体发生器13相比，它略微延迟地、即大约3毫秒后 将触发信号传送给气体发生器14。气体发生器13和14在此可具有 不同的固体推进剂，尤其是规定该气体发生器13的固体推进剂是碳 酸钙，而气体发生器14的固体推进剂是碳酸镁。

如从结合图1-图4所述的实施例中得到地，由车辆电池2释放 的气体被排出并且被至少部分中和，而电池2不具有排气通道。由 此通过将电池电芯3的通风口布置在壳体的侧壁上，提供以下可能 性，电子部件、尤其是用于电池管理系统（BMS）的部件可至少部 分地布置在电池电芯3上，。

在图中所示的且结合附图所述的实施例用于说明本发明，对本 发明不是限制性的。