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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Energiespeichermodul sowie einem Elektrowerkzeug
mit mindestens einem Energiespeichermodul nach den Oberbegriffen
der unabhängigen
Ansprüche.
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Vom
Markt her bekannte Batterien für
netzunabhängige
Elektrowerkzeuge (cordless Power tools) enthalten als Energiespeicher
elektrochemische Speicherzellen mit runder Bauform, die einen starren
und stabilen Metallbecher, der auch einen der beiden elektrischen
Pole der Zelle darstellt, aufweisen. In der Regel sind dies NiCd-,
NiMH- oder Lithiumionen-Zellen. Diese Zellen enthalten in dem Metallbecher
neben den zur Energiespeicherung notwendigen Komponenten oft weitere
Schutzbauteile, welche die Sicherheit der Zelle bei Überladung
oder Kurzschluss sowie bei Einwirkung hoher Temperaturen bewirken
sollen. Üblich
sind hier Sicherheitsventile und Stromunterbrechungsbauteile, so
genannte ”Current-Interruption-Devices”.
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Weiterhin
enthalten bekannte Batteriepacks für Elektrowerkzeuge außerhalb
der Zellen zusätzliche
Sicherheitselemente, beispielsweise Sicherungen oder elektronische
Schutzbeschaltungen, Zellverbinder, Kontaktflächen, Isolationsmaterialien
sowie geeignet geformte Teile, die die runden Zellen in der vorgesehenen
Position innerhalb der meist eher quaderförmigen Batteriepacks fixieren.
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Bei
der bekannten Verwendung von kreisrunden Zellen ist der zur Verfügung stehende
Raum im Batteriepack nicht vollständig ausgenutzt. Da jede Zelle
für sich
Schutzbauteile enthält,
erhöht
sich somit der Platzbedarf pro verwendeter Zelle und die Gesamtmasse
des Batteriepacks. Da die runden Zellen für sich abermals mit einer Halterung
im Batteriepack fixiert werden müssen,
ist neben der schweren Metallverpackung der einzelnen Zellen nochmals eine
Bauteil notwendig, das die Zellen teilweise einfasst und die Gesamtasse
des Batteriepacks weiter erhöht.
Der erhöhte
Volumen- und Materialbedarf führt
zu einer deutlichen Verringerung der volumetrischen und spezifischen
Energiedichte der bekannten Batteriepacks gegenüber den durch die einzelnen Zellen
vorgegebenen Werten.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Energiespeichermodul zu
gestalten, das ein optimales Verhältnis von Volumen, Gewicht
und/oder Material/Bauteilbedarf zu der mit dem Energiespeichermodul
speicherbaren Energie aufweist und das möglichst sicher ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung geht aus von einem Energiespeichermodul, insbesondere
Batterie-Pack zur Stromversorgung eines Elektrowerkzeuges, mit einer Mehrzahl
von elektrisch miteinander verschalteten Zellen zur Energiespeicherung.
Es wird vorgeschlagen, dass die Zellen elektrochemische Speicherzellen
mit flexiblen Zellenhüllen
sind. Die Zellenhüllen sind
in sich nicht formstabil. Der Verzicht auf Metall-Zellbecher und
diverse Sicherheitselemente für jede
einzelne Zelle führt
im Vergleich zu bekannten Energiespeichermodulen zu einer Einsparung
an Gewicht und Material im Verhältnis
zu gespeicherter Energie. Außerdem
können
Speicherzellen ohne festen Mantel einfach flachen Form, insbesondere
quaderförmig,
aufgebaut werden. Mit quaderförmigen
oder annähernd
quaderförmigen
Zellen wird der zur Verfügung
stehende Raum im Energiespeichermodul besser ausgenutzt als mit
runden Zellen. So ist ein platzsparender Aufbau eines quaderförmigen Energiespeichermoduls
mit minimalen Zwischenräumen möglich, ohne
dessen Funktion zu beeinträchtigen. Die
Zellen können über elektrische
Kontakte, die gegebenenfalls durch Wände von etwaigen Zellengehäusen führen, mit
einem Verbraucher, insbesondere dem Elektrowerkzeug, oder mit einem
Ladegerät elektrische
Energie austauschen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
können
die Zellen stapelweise angeordnet und in Serie oder parallel oder
als Kombination von Serien- und Parallelschaltungen geschaltet sein.
Zellenstapel können
einfach und platzsparend in einem quaderförmigen Gehäuse des Energiespeichermoduls
untergebracht werden.
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In
einer bevorzugten Variante können
die Zellen Polymerzellen, insbesondere Lithiumionen-Polymerzellen
oder Lithium-Polymerzellen, sein, denkbar sind auch Zellen, bei
denen ein Elektrodenstapel oder ein Elektrodenwickel mit einem Separator versehen
ist, der von einer Elektrolytlösung
getränkt ist
und mit einem flexiblen, nichtstarren Material gasdicht eingepackt
ist.
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Vorteilhafterweise
können
die Zellen einzeln oder in Gruppen in einem festen, vorzugsweise
quaderförmigen
Zellenbehälter
oder einem offenen Mantel angeordnet sein. Der Zellenbehälter fixiert
auf diese Weise die Zellen in einer definierten Position zueinander,
etwa durch Einbau von Einzelfächern
für jeweils
eine oder mehrere Zellen. Außerdem
umgibt der Zellenbehälter
die Zellen beziehungsweise den Zellenstapel vollständig und
trennt ihn gegenüber
der Umwelt hinreichend gasdicht ab. Der Zellenbehälter mit
den darin fixierten Zellen kann einfach dann in das Energiespeichermodul
eingebaut und verschaltet werden. Der Zellenbehälter kann aus Metall oder Kunststoff
oder einer Kombination aus Metall und Kunststoff sein. Eine Wand
des Zellenbehälters
kann Durchführungen
für die
elektrischen Kontakte der Zellen für den Verbraucher oder das
Ladegerät
haben. Ein offener Mantel ist leichter als ein geschlossener Zellenbehälter und
benötigt
keine Durchführungen
für die
elektrischen Kontakte. Es können mehrere
Zellenbehälter
zu einem Modulgehäuse
des Energiespeichermoduls zusammengefasst sein.
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Der
Zellenbehälter
kann vorteilhafterweise wenigstens zu einem Teil aus einem insbesondere brandhemmenden
und hitzebeständigen
Kunststoff sein. Kunststoffgehäuse
sind leicht, einfach herstellbar und in der Regel elektrisch isolierend.
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Vorteilhafterweise
kann der Zellenbehälter wenigstens
ein Überdruckschutzmittel,
insbesondere ein Überdruckventil
und/oder eine Sollbruchstelle, aufweisen. Auf diese Weise kann sich
ein Überdruck im
Zellenbehälter,
der beispielsweise durch Überhitzung
entstehen kann, kontrolliert abbauen und die Explosionsgefahr wird
verringert.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Zellenbehälter wenigstens
ein elektrisches/elektronisches Schutzmittel, insbesondere einen
Temperatursensor und/oder eine Stromunterbrechungseinheit, vorzugsweise
eine Sicherung, aufweisen. Mit dem elektrischen/elektronischen Schutzmittel
ist wie mit dem Überdruckschutzmittel
eine optimale Absicherung des Energiespeichermoduls bei Betriebszuständen realisierbar,
von denen Gefahren insbesondere für einen Anwender ausgehen können. Derart
gefährliche
Betriebszustände
sind insbesondere eine Überladung
der Zellen, sowie eine Entladung des Energiespeichermoduls mit einem
zu hohen Strom. Weiterhin stellen die Schutzmittel einen Schutz
vor einer übermäßigen Belastung
der im Energiespeichermodul befindlichen Zellen und die damit verbundene
raschere Alterung des Energiespeichermoduls dar. Die Schutzmittel stellen
insbesondere einen Schutz vor der Entnahme von übermäßig großen Strömen dar. Sie sind ebenfalls
ein Schutz des Energiespeichermoduls vor einem Betrieb bei zu hohen
(Umgebungs-)Temperaturen. Außerdem
kann beim Auftreten von übermäßiger Wärme im Zellenbehälter, insbesondere
durch Wärmeabgabe
von den Zellen, der Stromfluss in die Zellen hinein beziehungsweise
aus den Zellen heraus mit den Schutzmitteln unterbunden werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Zellenbehälter wenigstens
ein elektrisches/elektronisches Schutzmittel und wenigstens ein Überdruckschutzmittel
aufweisen, die funktionell zusammenwirken. Auf diese Weise kann
beim Auslösen
des Überdruckschutzmittels
gleichzeitig auch mit dem elektrischen/elektronischen Schutzmittel
der Stromfluss unterbrochen werden. Dies erhöht die Sicherheit des Energiespeichermoduls
deutlich.
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Ein
erfindungsgemäßes Elektrowerkzeug weist
mindestens ein solches oder ein ähnliches
Energiespeichermodul, insbesondere Batterie-Pack zur Stromversorgung
eines Elektrowerkzeuges, mit einer Mehrzahl von Zellen auf, wobei
die Zellen elektrochemische Speicherzellen mit flexiblen, in sich
nicht formstabilen Zellenhüllen
sind. Die Zellen können vorteilhafterweise
Polymerzellen sein, die sich einfach quaderförmig oder in einer annähernd quaderförmigen Form
aufbauen lassen, was sich positiv auf das Verhältnis Volumen/Gewicht zu der
mit dem Energiespeichermodul speicherbaren Energie auswirkt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Der Fachmann wird die in der Zeichnung,
der Beschreibung und den Ansprüchen
in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten
und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
eine isometrische Darstellung eines Batterie-Packs mit drei quaderförmigen Polymerzellen
jeweils in einem Zellenbehälters gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
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2 schematisch
eine isometrische Darstellung einer der Zellenbehälters mit
Polymerzelle aus der 1;
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3 schematisch
eine Seitenansicht des Zellenbehälters
mit der Polymerzelle aus der 2;
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4 schematisch
eine Draufsicht mit Teilschnitt des Zellenbehälters mit der Polymerzelle
aus den 2 und 3;
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5 schematisch
eine isometrische Darstellung eines zu dem aus der 1 ähnlichen
Batterie-Packs mit sechs quaderförmigen
Polymerzellen in zwei Zellenbehältern
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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6 schematisch
eine isometrische Darstellung einer der Zellenbehälter mit
drei Polymerzellen aus der 5.
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Ausführungsform der Erfindung
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In
der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Energiespeichermoduls
in Form eines Batterie-Packs 10 zur Stromversorgung eines
nicht gezeigten vorzugsweise netzunabhängigen Elektrowerkzeuges dargestellt.
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Dieser
Batterie-Pack 10 weist zur Energiespeicherung drei elektrisch
miteinander verschaltete quaderförmige
Lithiumionen-Zellen oder Lithiumzellen (im folgenden kurz als Polymerzelle 12 bezeichnet)
auf, die in der so genannten Polymer-Technik, beispielsweise als
Pouch-Zelle, laminated type oder Lithium(ionen)-Polymerzelle, aufgebaut
sind und nicht mit einem starren (Metall)mantel umgeben sind, wie
herkömmliche
Lithium(ionen)zellen, sondern mit einer flexiblen, weichen, in sich
nicht formstabilen Zellenhülle.
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Die
weichen Polymerzellen 12 sind in weiter unten näher erläuterten
formstabilen Zellenbehältern 14 angeordnet,
von denen eine mit der enthaltenen Polymerzelle 12 in den 2 bis 4 im
Detail gezeigt ist.
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Jede
Polymerzelle 12 weist vorzugsweise eine in den 1 bis 4 verdeckte
positive Elektrode auf, die reine oder gemischte Oxide von Nickel, Kobalt,
Mangan oder auch Übergangsmetall-Phosphate,
beispielsweise Eisen-, Mangan- oder Kobalt-Phosphate, oder Mischungen
der beiden Stoffklassen enthält.
Eine negative Elektrode der Polymerzelle 12 enthält entweder
Stoffe, die bei der Ladung der Polymerzelle 12 Lithiumionen
einlagern können,
beispielsweise Kohlenstoffmaterialien oder spezielle Legierungen,
oder metallisches Lithium oder Legierungen desselben.
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Die
Polymerzellen 12 können
sowohl in Serie als auch parallel miteinander verschaltet sein,
es kann auch eine Kombination von paralleler und serieller Verschaltung
realisiert werden.
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Die
Polymerzellen 12 sind einzeln jeweils in einem der formstabilen
Zellenbehälter 14 eingebaut. Die
Zellenbehälter 14 sind
aus einem Kunststoff, der brandhemmend und hitzebeständig ist.
Der Zellenbehälter 14 umgibt
die Polymerzelle 12 vollständig und trennt sie gegenüber der
Umwelt hinreichend gasdicht ab.
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Zwei
Anschlusskontakte 16 und 18 führen auf einer Anschlussseite
des Zellenbehälters 14,
in den 2 bis 4 rechts, von jeweiligen Elektrodenpolen 20 und 22 der
Polymerzelle 12 durch einen Deckel 24 des Zellenbehälters 14 hindurch
zur Außenseite
des Zellenbehälters 14.
In der 1 sind nur die den Anschlussseiten der Zellenbehälter 14 gegenüberliegenden
Rückseiten
sichtbar.
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Zwischen
einem der Elektrodenpole 20 der Polymerzelle 12 und
dem entsprechenden, in der 2 linken
Anschlusskontakt 16 ist eine Sicherung 44 zur
Unterbrechung der elektrischen Verbindung angeordnet.
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Der
Zellenbehälter 14 enthält eine
geeignete Sollbruchstelle 26 in Form einer Verjüngung im
Zellenbehältermaterial,
die bei einem übermäßigen Druckanstieg
innerhalb des Zellenbehälters 14 bersten
kann. Damit ist bei Überschreiten
eines bestimmten Innendrucks innerhalb des Zellenbehälters 14 ein Öffnen des
Zellenbehälters 14 an
dieser Sollbruchstelle 26 sichergestellt.
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Weiterhin
ist der Zellenbehälter 14 mit
einem reversibel öffnenden,
federvorgespannten Überdruckventil 28 ausgestattet,
das bereits bei geringen Innendrücken
innerhalb des Zellenbehälters 14 anspricht.
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Im
Zellenbehälter 14 ist
ferner ein Temperaturfühler 30 mit
negativem Temperatur Koeffizient (NTC) enthalten. Der Temperaturfühler 30 befindet sich
zwischen einer großen
Fläche
des Zellenbehälters 14 und
der Polymerzelle 12. Er ist über eine erste Anschlussleitung 32 mit
dem dem Elektrodenpol 20 der Polymerzelle 12 abgewandten
Anschluss der Sicherung 44 verbunden. Eine zweite Anschlussleitung 34 führt durch
den Deckel 24 des Zellenbehälters 14 hindurch
und bildet an der Außenseite
des Zellenbehälters 14 einen
Temperatursensorkontakt. Optional kann eine Vertiefung (nicht dargestellt)
in der Behälterwand
den Temperaturfühler 30 aufnehmen,
so dass er gegen Verrutschen gesichert ist und keinen punktförmigen Druck
auf die Polymerzelle 12 ausübt.
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Der
Temperatursensorkontakt seinerseits ist mit einer nicht gezeigten,
im Batterie-Pack 10 integrierten elektronischen Schaltung
verbunden, mit der der Widerstandswert des Temperaturfühlers 30 erfasst
werden kann.
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Drei
solcher Zellenbehälter 14 mit
darin fixierten Polymerzellen 12 sind wiederum Bestandteil des
kompletten Batterie-Packs 10 und sind hierzu in einem quaderförmigen Modulgehäuse 36 des
Batterie-Packs 10 eingebaut und verschaltet (1).
Die drei Zellenbehälter 14 sind
derart in einer Reihe gestapelt, dass ihre großen Flächen einander zugewandt sind.
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Der
Batterie-Pack 10 enthält
neben den mit den Polymerzellen 12 befüllten Zellenbehältern 14 weitere
in der 1 nicht gezeigte mechanische und elektrisch wirksame
Komponenten, beispielsweise elektrische Kontakte, Kabel, Isolationsmaterial
oder dergleichen, oder auch eine elektronische Schutzbeschaltung.
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Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel,
dargestellt in den 5 und 6, sind
diejenigen Elemente, die zu denen des ersten, in den 1 bis 4 beschriebenen
Ausführungsbeispiels ähnlich sind,
mit denselben Bezugszeichen zuzüglich
100 versehen, so dass bezüglich
deren Beschreibung auf die Ausführungen
zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug
genommen wird. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von ersten dadurch, dass in jedem Zellenbehälter 114 drei elektrisch
parallel geschaltete Polymerzellen 112 derart in einer
Reihe gestapelt sind, dass die großen Flächen der Polymerzellen 112 einander
zugewandt sind. Beispielhaft sind zwei derartige Zellenbehälter 114 in
einem Modulgehäuse 136 eines
Energiespeichermoduls zusammengefasst.
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Der
Zellenbehälter 114 fixiert
die Polymerzellen 112 in einer definiertem Position zueinander.
Der Zellenbehälter 114 umgibt
den Zellenstapel der Polymerzellen 114 vollständig und
trennt den Zellenstapel gegenüber
der Umwelt hinreichend gasdicht ab.
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Die
elektrische Verbindung der Elektrodenpole 120 und 122 der
einzelnen Polymerzellen 112 untereinander wird über Brücken 140 und 142 innerhalb
des Zellenbehälters 114 durchgeführt. Zwischen jeweils
einem der Elektrodenpole 120 jeder Polymerzellen 112 und
der entsprechenden Brücke 140,
in der 6 links, ist eine Sicherung 144 zur Unterbrechung
der elektrischen Verbindung angeordnet.
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Von
den Brücken 140 und 142 führt der
jeweilige Anschlusskontakt 116 beziehungsweise 118 durch
den Deckel 124 hindurch zur Außenseite des Zellenbehälters 114.
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In
einer nicht gezeigten dritten Variante der Erfindung kann statt
des Zellenbehälters 14; 114 auch
eine Fixierung der Polymerzellen 12; 112 in einem
Metall- oder Kunststoffmantel realisiert werden, der die Polymerzelle 12; 112 beziehungsweise
den Zellenstapel nur teilweise umschließt und die Polymerzellen 12; 112 nicht
gasdicht gegenüber
der Umwelt isoliert. Auch in diesem Falle wird das Polymerzellenensemble,
bestehend aus den Polymerzellen 12; 112 und dem
zu ihrer Fixierung und brandhemmenden Abschirmung verwendeten Metall-
oder Kunststoffmantel in einen aus weiteren Bauteilen aufgebauten
Batterie-Pack 10; 110 eingebaut.
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Bei
allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
eines Batterie-Packs 10; 110 sind unter anderem
folgende Modifikationen möglich:
Die
Polymerzellen 12; 112 können statt Lithium(ionen)zellen
auch andersartige elektrochemische Speicherzellen ohne starren Zellenbehälter sein.
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Die
Polymerzellen 12; 112 können statt quaderförmig auch
andersartig, beispielsweise mit dreieckiger oder anderer polygoner
Grundfläche
und Deckfläche,
aufgebaut sein.
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Es
können
auch zwei oder mehr als drei Polymerzellen 12; 112 in
einem Zellenbehälter 14; 114 und/oder
weniger als zwei oder mehr als drei Zellenbehältern 14; 114 mit
Polymerzellen 12; 112 in einem Batterie-Pack 10; 110 zusammengefasst
sein.
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Insbesondere
beim zweiten Ausführungsbeispiel
kann die elektrische Verbindung der einzelnen Polymerzellen 112 untereinander
statt innerhalb des Zellenbehälters 114 auch
außerhalb
des Zellenbehälters 114 durchgeführt werden.
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Insbesondere
beim zweiten Ausführungsbeispiel
können
die Polymerzellen 112 durch Einbau von Einzelfächern für jeweils
beispielsweise eine oder zwei Polymerzellen 112 im Zellenbehälter 114 in
einer definiertem Position zueinander fixiert sein.
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Die
Zellenbehälter 14; 114 können statt
aus Kunststoff auch aus Metall sein. Im Falle des Aufbaus des Zellenbehälters 14; 114 aus
einem metallischen Werkstoff kann dieser mit einer isolierenden
Schicht aus einem Kunststoffmaterial überzogen sein.
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Bei
Zellenbehältern 14; 114 aus
Kunststoff kann der Kunststoff zur Verbesserung der mechanischen
Stabilität
durch den Einbau von Metallkomponenten verstärkt sein. Diese Komponenten
können so
gestaltet werden, dass sie das Eindringen spitzer Gegenstände erschweren
oder gar verhindern. Ebenfalls ist es möglich, dem Kunststoff Zusätze metallischer
oder nichtmetallischer Art hinzu zusetzen, die die thermische Leitfähigkeit
des Kunststoffs verbessern.
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Die
Zellenbehälter 14; 114 aus
Kunststoff können
zusätzlich
oder alternativ auch einen Zusatz von brandhemmenden Bestandteilen
haben.
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Die
Sollbruchstellen 26; 126 der Zellenbehälter 14; 114 können auch
mehrere Verjüngungen
aufweisen.
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Jeder
Zellenbehälter 14; 114 kann
statt mit dem Federvorgespannten reversibel öffnenden Überdruckventil 28; 128 auch
mit einem anderen, auch irreversibel öffnenden Überdruckventil ausgestattet
sein.
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Jeder
Zellenbehälter 14; 114 kann
mit weiteren Sicherheitselementen wie etwa einem stromunterbrechenden
Bauteil ausgestattet sein, die in bestimmten sicherheitskritischen
Situationen, beispielsweise bei einem zu hohem Strom, insbesondere
einem Kurzschlussstrom, oder beim Auftreten hoher Temperaturen,
den Stromfluss durch die Polymerzellen 12; 112 unterbindet.
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Das
Eintreten des Öffnens
der Sollbruchstelle 26; 126 des Zellenbehälters 14; 114 kann
durch geeignete konstruktive Maßnahmen
und Leitungsführung
mit einer Unterbrechung der Stromzufuhr zum Batterie-Pack 10; 110 kombiniert
sein. Beispielsweise kann eine elektrische Zuleitung oder eine Ableitung
in die Sollbruchstelle 26; 126 der Zellengehäusewand
integriert oder dort fixiert sein, die beim Bersten der Sollbruchstelle 26; 126 reißt und so
die elektrische Verbindung an dieser Stelle trennt.
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Der
Widerstandswert des Temperaturfühlers 30; 130 kann
statt mit der im Batterie-Pack 10; 110 integrierten
elektronischen Schaltung auch über
einen entsprechenden Kontakt am Batterie-Pack 10; 110 von
einer Elektronik eines kontaktierten Ladegerätes und/oder des Elektrowerkzeugs
erfasst werden.
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Zusätzlich oder
alternativ zu den Temperaturfühlern 30; 130 in
den Zellenbehältern 14; 114 kann
in dem Batterie-Pack 10; 110 ein Temperaturfühler enthalten
sein, dessen Widerstandswert über Kontakte
am Batterie-Pack 10; 110 von der Elektronik des
kontaktierten Ladegerätes,
des Elektrowerkzeugs oder von der im Batterie-Pack 10; 110 integrierten
elektronischen Schaltung erfasst werden kann.
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Statt
der Temperaturfühler 30; 130 mit
NTC können
auch andersartige Temperaturfühler
beispielsweise mit positivem Temperaturkoeffizient (z. B. Pt100)
verwendet werden.
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Gegebenenfalls
kann in dem Batterie-Pack 10; 110 eine elektronische
Einzelzellenüberwachung oder Überwachung
von Zwischenspannungen erfolgen, die über eine Schnittstelle mit
dem angeschlossenen Ladegerät
oder Elektrowerkzeug kommuniziert und bei Erkennung von Überspannung
oder Unterspannung die Stromzufuhr oder Stromentnahme auf Seiten
des Ladegerätes
oder des Elektrowerkzeugs unterbricht.