具有防火装置的电池设备和机动车的制作方法

1.本发明涉及一种用于机动车的电池设备，其中，电池设备具有带有至少一个电芯的电芯装置，电芯装置具有第一侧面，第一侧面在电池设备常规地布置在机动车上的情况下面对机动车的乘员舱。在此，电池设备具有防火装置。此外，本发明还涉及一种具有这种电池设备的机动车。


背景技术：

2.从现有技术已知了具有电池、尤其是动力电池的机动车。电池通常构造为高压电池，并且例如布置在机动车的乘员舱下方的底部区域中。这种高压电池通常包括许多电芯。在故障情况下，例如由于机动车的事故或在短路情况下，可能会发生电芯的热失控。这在最坏的情况下导致电池起火。根据现有技术存在以下法律要求，其描述了在这种电池起火的情况下，在多长时间内不能够从电池壳体喷出可见的火焰。此外，在法律中规定了以下时间，即在电池起火后多长时间产生的火焰不能够对乘员产生负面影响。该时间段目前为5分钟，并且在未来几年内在一些国家中部分还会被提高，例如提高到60分钟。尝试满足这种规定的可能性是使用新的、几乎不能燃烧的电芯化学物质，其然而与传统的电芯化学物质相比会导致电池容量的明显的降低。这会导致续航里程/有效范围的大的损失。
3.此外，de 10 2013 012 250 a1描述了一种具有用于电气设施的运行空间的高功率或高能量存储器，该电气设施具有无排气的电池，该能量存储器相对于地面得到保护以防止材料从运行空间离开，并且至少部分布置在地线下方。然而，由于巨大的结构空间需求和重量，在那里描述的保护措施不能使用在机动车中。
4.此外，de 10 2017 216 421 a1描述了一种用于电动车中的能量存储器的保护设备，该保护设备具有带有底部和壁的耐热的防火壳，其中，防火壳布置在电动车的能量存储器与车架之间。在此，气隙形式的绝缘的屏障件布置在防火壳的底部与电动车的车架之间。防火壳可以具有耐热的覆层、例如陶瓷、钨或其他的耐火的覆层，或者也可以完全由耐热的材料、例如金属或陶瓷形成。在此，电池在防火壳内的位置原则上可以任意被选择，然而如果在起火情况下液体从电池中逸出，那么该液体在任何情况下都总是会流入防火壳中，从而电池可以有针对性地燃烧。在此，电池优选布置在公共汽车的车顶上。
5.在de 39 31 976 a1中描述了用于高超音速航空航天器的整体结构和热保护系统。


技术实现要素：

6.本发明的任务是，提供一种用于机动车的电池设备和一种机动车，其能够在电池起火的情况下为乘员确保尽可能高的安全性。
7.该任务通过具有根据相应的独立权利要求的特征的电池设备和机动车来完成。本发明的有利的设计方案是从属权利要求、说明书和附图的主题。
8.根据本发明的用于机动车的电池设备具有带有至少一个电芯的电芯装置。此外，
电芯装置具有第一侧面，第一侧面在电池设备常规地布置在机动车上的情况下面对机动车的乘员舱，其中，电池设备具有防火装置。在此，防火装置至少布置在电池设备的第一侧面上并包括隔热层，隔热层包括陶瓷和预定份额的气体。
9.一方面，本发明基于以下知识，即在电池起火的情况下，尤其当这种电池或电芯装置布置在机动车中的乘员舱的下方时，不仅必须使火的火焰与乘员舱分开以至少暂时充分保护乘员，而且重要的是：必须尽可能长时间地延迟极高的温度——其在这种电池起火的情况下出现并且局部可能达到最高1400℃——向内部空间中的蔓延。在电池失控的情况下，各个电芯通常会放气。在此，逸出的热气体通常通过设置在电芯中的排气开口爆炸式地喷射，排气开口通常向上指向，并且因此在电池布置在机动车的底部区域中的情况下朝乘员舱的方向指向。在该情况下，电池与例如布置在其上方的耐热层或槽之间的单纯的气隙并不会确保隔热。此外，本发明基于以下知识，即隔热特性同时也可以被集成到耐热层或具有耐热材料、如陶瓷的层中，其方法是将预定份额的气体、例如空气集成到该层中。在此，这种隔热层的突出之处在于极低的热导率，该热导率例如总体上甚至可以低于陶瓷的热导率，例如类似于在标准条件下的空气的热导率，或甚至更小。如果这种隔热层有针对性地(如根据本发明设置的那样)布置在电芯装置的面对乘员舱的侧面上，那么这不仅防止火焰进入乘员舱，而且还在特别长的时间内防止高的温度从电芯装置朝乘员舱的方向的蔓延。因此有利地，由陶瓷提供的耐热特性和隔热特性可以统一在一个隔热层中。这为乘员提供明显更有效的保护，并且还允许这种防火装置的明显更紧凑的和更有效的设计方案。
10.通常，电芯装置也可以具有多个电芯。例如，电芯可以构造为锂离子电芯。此外，电芯也可以可选地组合成电池模块。例如，电芯装置可以是机动车的高压电池的一部分。在此，电芯装置的电芯可以布置在壳体中。此外优选的是，电芯装置在其在机动车上的常规安装位置中布置在乘员舱下方，尤其是机动车的底部区域中。然而原则上，电芯装置的其他的布置可能性也是可想到的。例如，这样的电芯装置也可以布置在后备箱区域、机动车的前部区域或机动车的车顶区域中。总之规定，当电池设备常规地布置在机动车上时，防火装置位于至少一个电芯与乘员舱之间。由此，通过防火装置可以使乘员舱得到最佳保护。
11.在此，隔热层既具有陶瓷又具有特定份额的气体的特征一方面包括：可以例如以陶瓷材料专属的孔隙率的形式将特定份额的气体引入陶瓷本身中，并且附加地或替代地还包括：例如以陶瓷纤维的形式将没有气体包含物的无孔陶瓷用作所述陶瓷，其可以提供织物或无纺物，其中，在该情况下，气体可以位于各个纤维之间。绝缘层在此也不必是密封的。绝缘层也可以构造为，使得可以发生与环境的气体交换。相应地，绝缘层也可以通过与无孔玻璃纤维相组合来提供。因此，气体份额可以要么是材料内在的，即被材料、尤其是陶瓷材料包围和/或围绕，和/或是材料外在的，即例如布置在若干纤维、尤其是陶瓷纤维的间隙中。此外，隔热层优选设计为，使得其具有非常低的热导率。隔热层优选包括最初源于航空开发的陶瓷构件。这样的陶瓷构件为此设计用于例如保护航天飞机中的乘员在重新进入地球大气层时免受极端的外部温度的影响。因此，这种陶瓷构件具有明显的优点，即其可以承受极高的热作用、例如高达1600℃，并且此外由于几乎不存在的热导率而不会将所述热传递给机动车的结构材料。在航空示例中，这种瓷片例如可以承受多达上百次重新进入地球大气层，并且此外可以保护位于下方的结构。此外，这种陶瓷构件还具有大的优点，即最外面的原子层在与常温的大气接触时便非常快速地冷却，从而在温度作用结束后，几乎没有
能量释放到环境中。这例如也使在电池起火的情况下的灭火和救援工作更容易。
12.在本发明的特别优选的设计方案中，绝缘层大部分、优选至少70％，特别优选至少80％由气体、尤其是空气构成。这样高的气体份额、尤其是空气份额可以以不同的方式和方法实现，这将在后面详细阐述。例如，隔热层可以包括具有90％空气的孔隙率的石英玻璃纤维。陶瓷和空气优选尽可能均匀地分布在隔热层中，即隔热层不分为纯空气的区段和纯陶瓷的区段。由于空气份额高，在此同时实现多个优点。一方面，隔热层在其重量方面可以非常轻地构造，这刚好在机动车应用中是非常有利的，因为由此可以提高续航里程，并且另一方面，由此可以提供隔热层的极好的隔热特性。
13.在本发明的另外的有利的设计方案中，隔热层构造为多孔的陶瓷层、尤其是陶瓷发泡结构。通过多孔的陶瓷层可以有利地使由所包含的填充以空气的孔带来的极好隔热特性与通过层中的陶瓷实现的极好耐热性相组合。如上所述，这样的陶瓷层可以例如具有石英玻璃纤维或由其形成。优选地，其具有至少50％、但优选更高的孔隙率。在此，百分比的孔隙率尤其与隔热层的体积有关。例如，多孔的陶瓷层可以关于其体积至少大部分——优选至少70％、特别优选至少80％——通过填充多孔陶瓷层的孔的空气形成。
14.在本发明的另外的非常有利的设计方案中，隔热层构造为陶瓷纤维复合材料，其尤其构造为织物或纤维垫。通过这种织物或纤维垫也可以以特别简单和有利的方式将高份额的气体、尤其是空气集成到隔热层中。这又确保小的重量，并且主要是确保极好的隔热。
15.此外，作为织物和纤维垫的构造还具有以下优点，即由此通过隔热层提供一定程度的柔韧性。由此明显降低了在机械应力的情况下、例如在行驶期间损坏该隔热层的可能性。而多孔的层、尤其是陶瓷发泡结构具有以下优点，即当陶瓷发泡结构直接暴露于在发生热事件的情况下从电芯逸出的热气流面前时，陶瓷发泡结构可以比织物层或纤维垫明显更好地承受该热气流。
16.此外也可想到的是，防火装置具有多个不同构造的陶瓷层。在此尤其地，上述的层示例也可以以任意的方式组合。
17.由于可以通过这种陶瓷/空气混合层提供的极好的隔热特性，非常薄的这种隔热层已经足以在足够长的时间内保护乘员舱。隔热层优选具有最多1cm、特别优选最多5mm的层厚，例如在1mm至3mm的范围内的层厚。
18.根据本发明的另外的有利的设计方案设置的是，隔热层具有面对电芯装置的第一绝缘侧和背离电芯装置的第二绝缘侧，其中，防火装置具有布置在第一和/或第二绝缘侧上的保护层、例如钢板。通过这种保护层可以有利地进一步提高防火装置的坚固性。由此，可以为隔热层提供附加的保护，尤其是免受机械影响。一方面，机械影响可能在正常的行驶运行期间发生，另一方面，机械影响也可能在热失控的情况下由从电芯逸出的到达隔热层的气流引起。因此，尤其是针对后一种情况特别有利的是，这种保护层同样由非常耐热的材料、例如钢形成，或者包括这种材料。由硼硅酸盐玻璃制成的覆层也是可想到的。此外，对于后一种情况有利的是，这种保护层面对电芯装置。为了仅提高隔热层例如在行驶期间的机械稳定性也可想到的是，提供由耐热性较低的材料制成的保护层。例如还可想到的是，在隔热层上，在一侧或两侧施加薄的塑料层，其在起火的情况下气化，但在正常的行驶条件下提高隔热层或防火装置的机械稳定性。这种保护层也可以以铝膜等的形式被提供。这种保护层此外也可以由电池设备和/或机动车的原本存在的构件提供。例如，隔热层也可以是夹层
结构的一部分，并且可以相应安装或夹紧在两个板或板材之间。这样的板例如可以提供为电池壳体的壳体盖——电芯装置容纳在该电池壳体中——和/或车辆底部本身的一部分，车辆底部例如与乘员舱相邻。
19.此外优选的是，隔热层也实施为电绝缘的。这提高了安全性、尤其是与电芯装置有关的安全性。
20.防火装置也可以仅由隔热层构成，尤其是具有可选的单侧的或双侧的保护层。现在，对于具有隔热层的防火装置的布置和几何构造存在多种可能性，这些可能性在下面被详细阐述并且可以任意组合。
21.在本发明的有利的设计方案中，电池设备具有电池壳体，电芯装置布置在电池壳体中，其中，隔热层至少部分地布置在电池壳体内或完全地布置在电池壳体内。防火装置的一部分例如可以布置在电池壳体的盖与位于下方的电芯装置之间。由此，防火功能可以有利地相同地直接集成到电池中。此外，防火装置在此在其布置中可以并非仅限于电芯装置的第一侧面，即限制在电芯装置与机动车的乘员舱之间的区域，而是还可以例如在侧面、例如相对于电池设备在机动车上的常规安装位置朝车辆前部的方向或朝后部的方向和/或朝左边和/或右边的侧梁的方向包围或限制电芯装置。通过防火装置向下的限制也是可想到的。
22.相应也可以设置的是，如根据本发明的另外的设计方案设置的那样，防火装置完全包围电芯装置，除了至少一个布置在电芯装置的与第一侧面不同的侧面上的线缆穿引区域和/或压力补偿区域、例如压力补偿阀以外。由此可以提供全面的保护。线缆穿引区域可以匹配于或受限于要导入或导出电池的线缆、尤其是冷却水线路和/或电线的横截面尺寸。由此，该穿引区域可以设计得尽可能小。
23.这些设计不仅当防火装置布置在电池壳体内部时是可能的，而且当其布置在电池壳体外部时也是可能的。
24.相应地，本发明的另外的非常有利的设计方案提出，电池设备具有电池壳体，电芯装置布置在该电池壳体中，其中，隔热层至少部分布置在电池壳体外部。例如，隔热层因此可以布置在电池壳体、例如电池壳体的盖与车辆底部之间的区域中。防火装置例如也可以作为板直接布置在机动车的底部的底板上。在此也存在以下可能性，即防火装置不局限于电芯装置上方的区域，而是例如也部分地在侧面或向下包围电芯装置，并且例如也完全包围电芯装置，除了线缆穿引区域和/或压力补偿区域以外。由此可以更容易地实现线缆导入和导出，尤其当电芯装置没有完全被防火装置包围时。在该情况下有利的是，防火装置不布置在电芯装置的与电芯装置的第一侧面对置的第二侧面上。换言之，防火装置可以相对于电池设备在机动车上的常规安装位置向下敞开。
25.相应地，本发明的另外的非常有利的设计方案提出，防火装置没有布置在电芯装置的与电芯装置的第一侧面对置的第二侧面上，尤其是其中，第二侧面在电池设备常规地布置在机动车上的情况下位于电芯装置的第一侧面下方。这此外促进了在发生热事件的情况下的气体导出和压力补偿。
26.此外，本发明还涉及具有根据本发明的电池设备或其设计方案之一的机动车。针对根据本发明的电池设备及其设计方案所描述的优点以相同的方式适用于根据本发明的机动车。
27.根据本发明的机动车优选设计为汽车，尤其设计为乘用汽车或商用汽车，或者设计为大客车或摩托车。
28.本发明还包括所描述的实施方式的特征的组合。本发明还包括分别具有多个所描述的实施方式的特征的组合的实施方式，只要这些实施方式没有被描述为相互排斥的。
附图说明
29.接下来描述本发明的实施例。为此：
30.图1示出了具有根据本发明的实施例的防火装置的机动车的示意图；
31.图2示出了根据本发明的实施例的用于机动车的防火装置的示意图；
32.图3示出了根据本发明的另外的实施例的用于机动车的防火装置的示意图；
33.图4示出了根据本发明的实施例的具有集成在电池中的并且向下敞开的防火装置的机动车的示意图；
34.图5示出了根据本发明的另外的实施例的具有布置在电池壳体外部的防火装置的机动车的示意图；
35.图6示出了根据本发明的另外的实施例的具有布置在电池外部的防火装置的机动车的示意图。
具体实施方式
36.下面阐述的实施例是本发明的优选的实施方式。在实施例中，实施方式的所描述的部件分别表示本发明的各个彼此被视为独立的特征，这些特征也分别彼此独立地扩展本发明。因此，本公开也应该包括与实施方式的特征的所示的组合不同的组合。此外，所描述的实施方式还可以通过本发明的已经描述的另外的特征来补充。
37.在附图中，相同的附图标记分别表示功能相同的元件。
38.图1示出了具有根据本发明的实施例的防火装置12的机动车10的示意图。在该示例中，机动车10还具有高压电池14。该高压电池14包括具有多个电芯18的电芯装置16，电芯例如可以构造为锂离子电芯。此外，电池14包括在其中布置有电芯18的电池壳体20。例如，电池壳体20可以分为电池箱22和盖24。电芯装置16此外具有面对机动车10的乘员舱26的第一侧面16a和背离乘员舱26的第二侧面16b。此外，在该示例中，电池14布置在底部区域中，即布置在机动车10的底部28下方，该底部位于乘员舱26下方。针对该目的，电池14、例如壳体20的一部分可以与机动车10的底部28或机动车10的其他的承载结构螺纹连接。相应的固定装置在图1中利用30表示。在此，电池14可以固定在机动车10上，从而在电池盖24和底部28之间保留气隙32。
39.在电池14、尤其是电芯装置16故障的情况下，例如在事故情况下，可能出现电池火焰34。为了防止火焰进入乘员舱26并且还尽可能长时间地延迟温度向内部空间26中的蔓延，设置有已经提到的防火装置12。在图1所示的示例中，该防火装置12设计成，使得它一方面除了下面详细阐述的区域以外完全包围电芯装置16，另一方面集成到电池14中，并且因此也完全布置在电池壳体20内。在防火装置12中，在此可以设置用于穿引例如高伏线缆和/或冷却水线路38的线缆穿引区域36，以及未详细示出的用于压力补偿的气体出口阀。
40.对于该防火装置12的构造和布置，存在多种随后还将详细阐述的可能性。原则上，
至少一部分12a、在此是防火装置12的上侧布置在电芯装置16的第一侧面16a上，并且因此将乘员舱26与电芯装置16隔开。附加地，防火装置12、布置在电芯设备16的第一侧面16a上的至少一部分12a现在包括隔热层，其包括陶瓷并且优选包括特定份额的气体、尤其是空气。由此有利地，隔热特性和耐热特性可以组合在共同的隔热层中。
41.图2示出了包括这种隔热层40的这种防火装置12的示例。在该示例中，隔热层40也被覆以另外的覆层42，该覆层例如由硼硅酸盐玻璃制成。该覆层42的突出之处在于特别高的硬度。例如，隔热层40可以提供为来自航空的陶瓷。例如，隔热层40可以由具有体积百分比至少50％、例如90％的孔隙率的石英玻璃纤维形成，并且因此大部分由空气构成。由此，可以实现防火装置12的极轻的重量。由硼硅酸盐构成的盖层42此外可以比较薄地并且易碎地构造。隔热层40尤其可以是通过烧结增强的石英玻璃纤维层。由于高的尤其是大约90％的孔隙率，可以提供特别高的隔热程度。
42.图3以截面图示出了具有隔热层40的防火装置12的示例的另外的示意图。在该示例中，防火装置12具有夹层结构，其具有布置在隔热层40两侧的支撑层44。可选地，该支撑层44同样可以如结合图2所描述的那样仅构造为覆层42，或者构造为薄板、例如铝箔或板材，优选构造为钢板。在该示例中，此外还示出了构造为陶瓷发泡结构的隔热层40的孔46，所述孔被填充有空气48。
43.原则上也可想到的是，在没有这些稳定性的支撑层44的情况下构造防火装置12。然而，尤其当隔热层40例如构造为陶瓷纤维垫或纤维织物时，通过这些支撑层44提供的这种机械支撑和保护作用是非常有利的。为提供隔热层40也可以使用陶瓷纤维复合材料。这些陶瓷纤维复合材料尤其适用于提供这种陶瓷纤维垫或陶瓷织物。
44.这样的绝缘层40具有明显的优点，即其也可以承受极高的热作用、例如高达1600℃，并且此外由于几乎不存在的热导率而不会将热传递给结构材料。此外，另外的优点是，在温度作用结束后，几乎没有能量释放到环境中，并且最外面的原子层在与常温的大气的快速接触中便会冷却。因为在电池起火34时通常导致700℃至800℃的最高温度，所以这对于隔热层40的陶瓷来说处于隔热的正常的应用范围内。由于良好的隔热特性，防火装置12可以非常薄地实现。例如，隔热层40可以具有在1mm和3mm之间的范围内的厚度d。可选的支撑板44也可以具有毫米范围内的、例如1mm的厚度。
45.由于这种可以设计得很薄的防火装置12，在其几何构造及在机动车10中的布置方面存在特别高的灵活性。
46.例如，整个电芯装置16可以以简单的方式被包围，如图1所示的那样，而这不需要太多的结构空间或附加的重量。仍然也可想到的是，该防火装置12仅作为板布置在电芯装置16上方，和/或必要时也仅附加地在侧面包围该电芯装置，如在图4中示例性示出的那样。尤其地，机动车10和防火装置12以及电池14可以如之前所描述地构造，尤其是除了下面详细阐述的差异之外。在该示例中，防火装置12向下敞开，从而使得防火装置12的任何部分都没有布置在电芯装置16的第二侧面16b上。在该情况下有利的是，例如上述的线缆38、例如高伏线缆或冷却剂线缆38通过防火装置12的下侧的开口被引导穿过电池壳体20，进入电池14。由此，不需要在防火装置12本身中设置任何如结合图1所描述的通道区域36。也不必将单独的压力补偿阀引入防火装置12中。在该示例中，防火装置12设计为，使得其附加地具有布置在电芯装置16与车辆前部10b之间的前侧12b和布置在电芯装置16与机动车10的后侧
10c之间的后侧12c。附加地，防火装置12还可以沿当前未示出的侧梁的方向具有两个另外的侧面。也可以以该方式有效地避免或在一定程度上至少减小火焰朝侧面的冲击。也可以通过这种附加的侧面屏蔽件使得在灭火工作中更容易接近车辆10。
47.图5示出了具有防火装置12的机动车10的另外的示例。该防火装置同样可以如之前描述的那样构造，除了下面描述的差异之外。该防火装置现在没有集成到电池壳体20中，而是布置在电池壳体20的外部，该防火装置具有至少一个第一侧面12a，该第一侧面又布置在乘员舱26与电芯装置16之间。可选地，可以设置另外的侧面、例如前侧12b和/或后侧12c，以及沿当前同样未示出的侧梁区域的方向设置的可能的另外的侧面。在该示例中，防火装置12又设计为向下敞开的。
48.图6示出了具有防火装置12的机动车10的另外的示例，该防火装置尤其如结合图5所描述的那样构造，除了以下差异以外，即在此防火装置12的下部分12d也被包围，该下部分将电芯装置16向下与环境隔开。在该情况下，线缆穿引区域36也设置在防火装置12中，以便能够将线缆38、如高伏线缆和/或冷却水线缆导入防火装置的内部，防火装置此外完全包围电芯装置16。在该示例中，线缆穿引区域36设计为u形或虹吸管形。这使得来自排气的电芯的火焰和/或颗粒更难从防火装置12所提供的附加壳体向外逸出。在此也可以设置未示出的压力补偿阀。
49.总之，这些示例示出了，本发明如何在电池起火的情况下为整个机动车或电池壳体提供乘员热防护。通过所描述的绝缘措施可以避免沉重的钢板或具有明显更低的容量和续航里程的电芯化学物质。然而，在电池起火的情况下，可以明显增加乘员保护。