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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontrollierten Überführen
von nach galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen Einrichtungen
von einem ersten Betriebszustand in mindestens einen zweiten Betriebszustand,
in dem die Funktionalität und insbesondere das Reaktionspotential
der nach galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen Einrichtung
reduziert oder vollständig beseitigt ist.
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Im
folgenden wird die Erfindung in Bezug auf einen Lithium-Ionen-Akkumulator
beschrieben, der für die Versorgung eines Antriebs eines
Kraftfahrzeugs bestimmt ist. Es wird aber darauf hingewiesen, dass
dies beispielhaft erfolgt und die Erfindung nicht auf diese Anwendung
bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren und auch nicht auf die Anwendung
bei Kraftfahrzeugen beschränkt ist. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
und dem Verfahren zu deren Betrieb können auch andere nach
galvanischen Prinzipien arbeitende elektrische Einrichtungen von
einem ersten Betriebszustand in mindestens einen zweiten Betriebszustand überführt
werden.
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Nach
galvanischen Prinzipien arbeitende elektrische Einrichtungen, wie
beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, die zu einem Akkumulator verarbeitet
werden, können sicherheitstechnisch, insbesondere durch
keramisch determinierte Separatoren, wie Separion, verbessert werden.
Diese, keramisches Material beinhaltende Separatoren, wie Separion, sind
insbesondere für Lithium-Ionen Batterien geeignet, da sie
sich durch eine höhere Resistenz gegenüber thermischen
Einflüssen auszeichnen.
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Kritisch
wird eine Lithiumzelle des Stands der Technik in einem Akkumulator
grundsätzlich im Fall eines Fehlbetriebszustands. Unter
einem Fehlbetriebszustand sind solche Zustände zu verstehen, die
einen weiteren kontrollierten bzw. kontrollierbaren und insbesondere
sicheren Betrieb des Akkumulators merklich beeinträchtigen
oder unmöglich machen. Solche Fehlbetriebszustände
können durch eine Fehlfunktion innerhalb des Akkumulators
oder durch eine Fehlfunktion in der Umgebung dieses Akkumulators
erzeugt oder ausgelöst werden.
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Ein
gesondert zu behandelnder Fehlbetriebszustand ist der Gefahrenzustand,
welcher durch einen Unfall des versorgten Kraftfahrzeugs oder durch
andere, zumindest teilweise zerstörende, Ereignisse eintritt.
In einem Gefahrenzustand ist ein kontrollierbarer und sicherer Betrieb
des Akkumulators ebenfalls nicht mehr möglich. Auch geht
von einer möglichen unkontrollierten Entladung der gespeicherten
Energie eine besondere Gefährdung für die Insassen
des Kraftfahrzeugs oder andere Personen in der Umgebung des Kraftfahrzeugs
aus, beispielsweise für Rettungspersonal. Auch zu deren
Sicherheit ist die kontrollierte Überführung in
diesen zweiten Betriebszustand wünschenswert.
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Zu
einer Gefährdung kommt es vor allem dann, wenn die Zellen)
durch starke Wärmeentwicklung überhitzen. Eine
starke Wärmeentwicklung kann die Folge von internen und
externen Kurzschlüssen, Reaktionen bei Überladung, Überlastung,
externen Wärmequellen, Laden mit hohem Strom, Laden mit hohem
Ladefaktor, Ladebeginn bei bereits hoher Temperatur und schlechter
Kühlung sein. Durch die Temperaturerhöhung erhitzt
sich das Elektrolyt innerhalb einer Zelle, bis es schließlich
verdampft. Eine daraus resultierende Ansammlung von Elektrolyt-Dampf
innerhalb der gasdicht versiegelten Zelle führt zu einem
zunehmenden Innendruck. Überschreitet der Innendruck einen
Grenzwert kann es zur Explosion der Zelle kommen, wobei die für
Menschen schädlichen Zellinhaltsstoffe austreten oder ein
Feuer entfacht wird.
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Es
existieren Sicherheitseinrichtungen, welche einer übermäßigen
Gasansammlung innerhalb einer gasdicht versiegelten Zelle und/oder
Zellenstapels entgegenwirken, indem sie entstehenden Gasen ermöglichen
zu entweichen, wenn der Innendruck der Zelle einen vorbestimmten
Schwellwert überschreiten.
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Aus
dem Stand der Technik bekannte Sicherheitseinrichtungen weisen Ventile
auf, welche einen Druckausgleich ermöglichen. Ein solcher
Vorschlag findet sich z. B. in der Patentschrift
US 5,523,178 , welche ein Ventil für
eine Zelle beschreibt. Die Realisierung derartiger Ventile stößt
in der Praxis jedoch auf erhebliche Schwierigkeiten. Aufgrund der
hohen Komplexität des Ventil-Designs steigt der Produktionsaufwand
und damit auch die Kosten bei der Herstellung einer Zelle. Weniger
komplex gestaltete Ventile haben den Nachteil, dass sie nur bei
hohem Druck, oder nur in einem schmalen Druckbereich öffnen.
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Eine
weitere aus der Patentanmeldung
US 2006/0019150
A1 bekannte Sicherheitseinrichtung sieht vor, das Gehäuse
einer Zelle oder eines Zellenstapels mit Sollbruchstellen zu versehen,
welche bei einem vorbestimmten Innendruck nachgeben und regelmäßig
entstehendem Dampf eine Abzugsmöglichkeit bieten. Ferner
sind die Sollbruchstellen derart ausgestaltet, dass sie beim Auseinanderbrechen
die elektrische Leitung zwischen den gleichartig polarisierten Elektroden
einer Zelle und dem entsprechenden Stromableiter der Baugruppe unterbrechen.
Ein Nachteil dieser Ausführung ist, dass dadurch beispielsweise
ein Zellenstapel mit nur einer ausgefallenen Zelle seine gesamte
Funktionalität verliert, d. h. die gespeicherte Energie
in den intakten Zellen kann nicht mehr genutzt werden.
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Beide
aus dem Stand der Technik bekannten Sicherheitseinrichtungen weisen
den Nachteil auf, dass sie nicht das Gefahrenpotential, d. h. das
Reaktionspotential einer Zelle und/oder eines Zellenstapel bei Fehlbetriebszustand
und/oder Ausfall reduzieren oder vollständig beseitigen,
sondern lediglich die resultierenden Folgen, zumindest teilweise,
eindämmen. Gleichzeitig erhöht sich die Komplexität
des Zellen- und/oder des Zellstapel-Designs was zu einem erhöhten
Produktionsaufwand und damit zu einer Kostensteigerung führt.
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Als
Folge eines Ausfalls und/oder Fehlbetriebszustands können
insbesondere Lithium-Ionen Akkumulatoren mehr als das 7-fache ihrer
theoretischen Energie durch thermische Zerfallsreaktionen freisetzen.
Dies lässt sich letztendlich durch Auswahl optimierter
Komponenten und Design der Akkumulatoren nicht vermeiden, wenn der
Akkumulator wirtschaftlich sein soll.
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Da
die Sicherheitsanforderungen an Lithium-Ionen Akkumulatoren, insbesondere
in der Automobilindustrie sehr hoch sind und ein solcher Akkumulator
gleichzeitig wirtschaftlich sein soll, wäre es wünschenswert,
wenn der Lithiumakkumulator oder zumindest eine Anzahl der darin
enthaltenen Zellen insbesondere im Hybrid-, Elektroantrieb oder
im stationären Betrieb im Fehlbetriebszustand und/oder
bei Ausfall das völlige Reaktionspotential, d. h. die darin gespeicherte
elektrische Energie bzw. das gespeicherte Potential und somit seine
Funktionalität verloren haben würde.
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Die
im Stand der Technik bekannten Sicherheitseinrichtungen können
diese Sicherheitsanforderungen bei gleichzeitiger Wirtschaftlichkeit
nicht erfüllen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine
Sicherheitsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche
nach galvanischen Prinzipien arbeitende elektrische Einrichtungen
im Fehlbetriebszustand jeglicher Art und/oder bei Ausfall, kontrolliert
in einen nichtgefährlichen Betriebszustand überführt.
Ferner soll ein Verfahren angegeben werden, welches die Feststellung eines
Fehlbetriebszustands ermöglicht und eine kontrollierte Überführung
der nach galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen Einrichtung
gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand
des Anspruchs 1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung
ist Gegenstand des Anspruchs 10. Zu bevorzugende Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Unter
den Begriff einer nach galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen
Einrichtung fallen im Rahmen dieser Erfindung insbesondere Zellen und
Zellenstapel für Batterien bzw. Primärbatterien sowie
insbesondere wiederaufladbare Batterien bzw. Sekundärbatterien
bzw. Akkumulatoren. Diese Zellen und/oder Zellenstapel haben vorzugsweise
eine zylindrisches oder eine rechteckiges Format. Eine solche Zelle
oder ein solcher Zellenstapel ist üblicherweise in einer
gasdichten Verpackung aufgenommen, die vorzugsweise dazu dient,
das Eindringen von Feuchtigkeit in die Bauteilgruppe zu verhindern.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens
eine Verlagerungseinrichtung vorgesehen, welche eine Wirkeinrichtung
von einer ersten Position in mindestens eine zweite Position verlagert.
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In
mindestens einer (mit Hilfe der Verlagerungseinrichtung) erreichbaren
Position, manipuliert die Wirkeinrichtung die Bauteile der nach
galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen Einrichtung derart,
dass deren galvanische Funktionalität reduziert oder vollständig
beseitigt ist. Insbesondere wird im Zuge der Manipulation der Separator
mindestens einer Zelle im Wesentlichen irreversibel zerstört und/oder
die Elektroden, d. h. die Anode und die Kathode mindestens einer
Zelle werden kurzgeschlossen.
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Die
Verlagerungseinrichtung ist entweder stationär integriert
oder in einem dafür vorgesehenen, vorzugsweise tragbaren,
Gehäuse untergebracht. In beiden Fällen ist die
Verlagerungseinrichtung derart positioniert, dass die Wirkeinrichtung
in eine für die angestrebte Manipulation der Zelle und/oder
der Zellen vorteilhafte Position verlagerbar ist.
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Eine
von der Verlagerungseinheit auf die Wirkeinrichtung übertragbare
Verlagerungsenergie wird bei dem Zusammenwirken der Wirkeinrichtung mit
der nach galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen Einrichtung
in eine Eintreibkraft umgesetzt. Die Verlagerungsenergie wird vorzugsweise
so gewählt, dass die daraus resultierende Eintreibkraft ausreichend
groß ist, um mindestens eine Zelle der nach galvanischen
Prinzipien arbeitenden elektrischen Einrichtung zu durchdringen.
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Im
Wesentlichen ist die Größe der auf die Wirkeinrichtung
zu übertragenden Verlagerungsenergie vorzugsweise derart
gewählt, dass die Wirkeinrichtung gezielt eine vorbestimmte
Anzahl an Zellen der nach galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen
Einrichtung durchdringt. Diese Justierung bietet den Vorteil, dass
gezielt das elektrische Potenzial ausgewählter Zellen im
Wesentlichen vollständig beseitigt wird während
die galvanische Funktionalität der restlichen Zellen der
Baugruppe im Wesentlichen erhalten bleibt.
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Die
Verlagerungseinrichtung weist mindestens einen internen und/oder
einen externen Behälter, wie beispielsweise ein Magazin,
zur Lagerung von mindestens einer Wirkeinrichtung auf. Insbesondere
sind aber mehrere Wirkeinrichtungen, bevorzugt auch unterschiedlicher
Länge und/oder bevorzugt unterschiedlicher Ausführungsformen,
lagerbar und bei Bedarf manuell, oder bevorzugt automatisch, entnehmbar.
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Der
Verlagerungseinrichtung ist eine Freigabeeinrichtung zugeordnet,
welche nach entsprechender Signalisierung, insbesondere von einer
Steuerungseinrichtung die Funktionalität der Verlagerungseinrichtung
startet.
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Die
Freigabeeinrichtung ist bevorzugt mit der Steuerungseinrichtung
signalverbunden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens
eine Wirkeinrichtung vorgesehen, welche die nach galvanischen Prinzipien
arbeitende elektrische Einrichtung oder mindestens eine darin angeordnete
Zelle derart manipuliert, dass deren elektrisches Potential und
somit ihre galvanische Funktionalität reduziert oder vollständig
beseitigt ist.
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Die
Wirkeinrichtung ist im Wesentlichen ein dreidimensionaler Körper,
der im Wesentlichen in mindestens zwei Dimensionen, zumindest abschnittsweise,
elektrisch leitfähig ist. Je nach Ausgestaltung können
somit einzelne Volumenelemente der Wirkeinrichtung aus nicht leitenden
Materialien, wie beispielsweise Keramiken, bestehen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Form der Wirkeinrichtung
rotations- und/oder achsensymmetrisch. Insbesondere ist die Form
der Wirkeinrichtung ellipsoidförmig, kegelförmig,
zylinderförmig, pyramidenförmig, quaderförmig
oder als eine Kombination dieser Formen ausgestaltet.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist die Form der Wirkeinrichtung
derart, dass sie sich ausgehend von einer zweidimensionalen ersten
Stirnfläche in die dritte Dimension erstreckt, somit wenigstens eine
Mantelfläche aufweist, und von einer zweiten Stirnfläche
abgeschlossen wird. Diese erste Stirnfläche ist durch ein
Vieleck oder eine andere geschlossene Linie begrenzt. Vorzugsweise
sind diese Stirnflächen deckungsgleich, nicht gegeneinander
verdreht und parallel angeordnet. Vorzugsweise erstreckt sich die
Wirkeinrichtung senkrecht aus dieser ersten Stirnfläche.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist die Form der Wirkeinrichtung
nicht rotations- und/oder achsensymmetrisch, sondern weist eine
davon abweichende Form auf, wie beispielsweise wellenförmige
Seiten- und/oder Deck- und/oder Mantelflächen.
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Die
Wirkeinrichtung kann entweder im Inneren gefüllt sein oder
mindestens einen Hohlraum aufweisen. Eine hohle Wirkeinrichtung
bietet insbesondere den Vorteil, dass dadurch bei der kontrollierten Überführung
der nach galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen Einrichtung
in einen nichtgefährlichen Betriebszustand regelmäßig
entstehender Rauch abziehen kann.
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Die
Wirkeinrichtung ist insbesondere thermisch ausreichend stabil, um
durch sie fließenden Kurzschlussströmen, die im
Wesentlichen im Bereich von einem bis mehreren hundert Ampere liegen, standzuhalten.
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Die
mechanische Stabilität der Wirkeinrichtung ist derart ausgelegt,
dass eine Energie von der Verlagerungseinrichtung auf die Wirkeinrichtung übertragen
werden kann, welche ausreicht, um mindestens ein Bauteil und/oder
Zelle der nach galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen
Einrichtung zu durchdringen. Zudem ist die Wirkeinrichtung mechanisch
derart belastbar, dass mindestens ein Bauteil und/oder eine Zelle
sowie die Hülle einer nach galvanischen Prinzipien arbeitenden
elektrischen Einrichtung von ihr durchdrungen werden kann.
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Die
Wirkeinrichtung wird in einen dafür vorgesehen Behälter,
wie beispielsweise einem Magazin abgelegt. Der Behälter
ist dabei innerhalb und/oder außerhalb der Verlagerungseinrichtung derart
angebracht, dass bei Bedarf die Wirkeinrichtung manuell oder bevorzugt
automatisch entnommen werden kann.
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Alternativ
kann die Wirkeinrichtung auch als Bauteil der Verlagerungseinrichtung
ausgestaltet sein.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens
eine Steuereinrichtung auf, vorzugsweise einen programmgesteuerten
Mikroprozessor, welcher die ankommenden Sensorsignalen und/oder
Signale der Sicherheitselektroniken verarbeitet und die Aussendung
von Steuersignalen an die Freigabe- und/oder die Verlagerungseinrichtung
steuert.
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Die
Steuereinrichtung ist mit den Sensoreinrichtungen und/oder Elektroniken
zum Feststellen eines Fehlbetriebszustands und/oder Ausfalls bevorzugt
signalverbunden. Insbesondere bietet diese Gestaltung der Steuereinrichtung
den Vorteil, dass sie nicht empfindlich gegenüber Störsignalen
ist, wie das beispielsweise bei einer kabellosen Signalübertragung
der Fall wäre.
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In
einer alternativen Ausgestaltung kommuniziert die Steuereinrichtung
kabellos mit der Freigabe- und/oder der Verlagerungseinrichtung
und/oder den Sensoreinrichtungen und/oder den Sicherheitselektroniken.
Die Steuereinrichtung ist dann mit einer entsprechenden Sendeeinrichtung
und/oder einer Empfangseinrichtung ausgerüstet. Die Sendeeinrichtung
weist eine eigene Steuereinrichtung auf, vorzugsweise einen programmgesteuerten
Mikroprozessor, welcher die Ausstrahlung der Steuersignale steuert.
Weiterhin weist die Sendeeinrichtung eine Signalisierungseinrichtung
auf, welche ein für die jeweilige Sendeeinrichtung charakteristisches
Identifikationssignal generiert. Dieses Signal wird zumindest einmal
vor oder nach der Aussendung des Steuersignals. ausgesandt.
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Ein
Speicher ist der Empfangseinrichtung zugeordnet, in dem ein Identifikations-Vergleichssignal
abgelegt wird, das dem Identifikationssignal einer individuellen
Sendeeinrichtung der Sensoreinrichtungen und/oder der Sicherheitselektroniken
zugeordnet ist. Das Identifikationssignal entspricht entweder genau
dem Identifikations-Vergleichssignal oder ist dem Identifikations-Vergleichssignal über
eine, vorzugsweise mathematische, Beziehung zugeordnet. In der Empfangseinrichtung
ist eine Vergleichseinrichtung vorgesehen, welche bewirkt, dass
eine Weiterverarbeitung eines Sensoreinrichtungs-Signals und/oder
eines Sicherheitselektronik-Signals nur erfolgt, wenn das von der
individuellen Sendeeinrichtung einer Sensoreinrichtung und/oder
ein Sicherheitselektronik ausgestrahlte, und von der Empfangseinrichtung
empfangene, Identifikationssignal mit dem in der Empfangseinrichtung
abgespeicherten Identifikations-Vergleichssignal identisch ist,
bzw. diesem zugeordnet ist.
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Durch
diese Gestaltung wird eine außerordentlich hohe Zuverlässigkeit
der Steuereinrichtung und ein starker Schutz gegen Störungen
der Datenübertragung zwischen Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung
bewirkt.
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Obige
sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den
nachfolgenden Beschreibungen bevorzugter, nicht einschränkender, Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
Darin zeigen:
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1 die
Bauelemente einer Grundzelle von nach galvanischen Prinzipien arbeitenden
elektrischen Einrichtung;
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2 eine
stark schematisierte Perspektivansicht einer Grundzelle von nach
galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen Einrichtungen;
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3 eine
stark schematisierte Draufsicht einer nach galvanischen Prinzipien
arbeitenden elektrischen Einrichtungen;
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4 eine
stark schematisierte Seitenansicht einer nach galvanischen Prinzipien
arbeitenden elektrischen Einrichtungen;
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5a eine
stark schematisierte Perspektivansicht einer zylinderförmigen
Wirkeinrichtung
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5b eine
stark schematisierte Perspektivansicht einer quaderförmigen
Wirkeinrichtung
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5c eine
stark schematisierte Perspektivansicht einer zylinderförmigen
Teleskop-Wirkeinrichtung
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6a–b
eine stark schematisierte, im Wesentlichen mechanisch basierte,
Verlagerungseinrichtung 7a–b
eine stark schematisierte, im Wesentlichen chemisch basierte, Verlagerungseinrichtung
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8 ein
schematisches Blockschaltbild der Steuereinrichtung Anhand von 1 bis 4 wird zunächst
der Grundaufbau einer nach galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen
Einrichtung beschrieben.
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1 zeigt
die wesentlichen Bauelemente einer Grundzelle 10 von nach
galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen Einrichtung, wie
beispielsweise einer Lithiumionen-Batterie. Zwischen der positiv
geladenen Elektrode (Anode) 13 und der negativ geladenen
Elektrode (Kathode) 14 wird ein Separator 15 angebracht.
Die Anode 13 ist mit einem Stromableiter 11 ausgerüstet,
und die Kathode 14 ist mit einem Stromableiter 12 ausgerüstet.
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2 eine
stark schematisierte Perspektivansicht einer Grundzelle 10 von
nach galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen Einrichtungen. Die
Grundzelle 10 ist im Wesentlichen aus einer Anode 13,
einer Kathode 14 und einem Separator 15 aufgebaut.
Diese Bauteile sind in einer im Wesentlichen gasdichten Verpackung 18 untergebracht.
Der Stromableiter 11 der Anode 13 und der Stromableiter 12 der
Kathode 14 ragen aus der Verpackung heraus.
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3 zeigt
eine Ausführungsform bei der, einer vorbestimmten Beschaltung
entsprechend, acht Lithium-Sekundär-Grundzellen 10 als
Stapelzelle 20 integriert sind. Diese Zelle weist negative
und positive Ausgangsklemmen 15, 17 auf. In dieser
Stapelzelle 20 sind die positiven Ausgangsklemmen 17 und die
negativen Ausgangsklemmen 15 als unterscheidbare Steckverbindungen
ausgeführt, welche ineinander passen. Die positiven Ausgangsklemmen 17 und die
negativen Ausgangsklemmen 15 sind getrennt voneinander
an vorbestimmten Positionen, einer vorderen Oberfläche 21 und
einer dieser vorderen Oberfläche gegenüberliegenden
hinteren Oberfläche 22, des Zellstapels angebracht.
Die Positionen der Ausgangsklemmen 15, 17 sind
derart gewählt, dass mehrere Stapelzellen 20 zu
einem größeren Modul zusammengesteckt werden können.
Die in 3 und 4 gezeigte Ausführungsform
der nach galvanischen Prinzipien arbeitenden elektrischen Einrichtung 20 liefert
eine Ausgangsspannung von 24 Volt, indem acht Grundzellen 10 mit
einer Ausgangsspannung von jeweils 3 Volt in Reihe geschaltet sind.
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Wie
aus 3 und 4 ersichtlich, sind die Grundzellen 10 in
einem Gehäuse 25 untergebracht und durch Trennelemente 27 voneinander
getrennt. Die Grundzellen 10 sind abwechselnd derart angeordnet,
dass jeweils der Stromableiter 11 der Anode 13 und
der Stromableiter 12 der Kathode 14 benachbarter
Grundzellen 10 dicht zusammenliegend angeordnet sind. Der
Stromableiter 11 der Anode 13 ist seriell mit
dem Stromableiter 12 der Kathode 14 der direkt
benachbarten Grundzelle 10 elektrisch leitend durch Kurzschlusselemente 19 verbunden,
wodurch eine Serienschaltung der Grundzellen 10 entsteht. Die
beiden Endpole 14, 16 sind entsprechend ihrer Polarität über
Leiterbahnen 26, 27 entweder mit den positiven
Ausgangsklemmen 17 oder den negativen Ausgangsklemmen 15 verbunden.
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5a–5d zeigen
bevorzugte Ausführungsformen der Wirkeinrichtung 30.
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5a zeigt
eine stark schematisierte Perspektivansicht einer zylinderförmigen
Wirkeinrichtung 30 mit einer kreisförmigen Deckfläche 31 und
einer kreisförmigen Grundfläche 33, welche
durch eine Mantelfläche 32 verbunden sind. Die
Dicke d und die Länge l der Wirkeinrichtung 30 sind
anwendungsspezifisch gewählt. Insbesondere ist die Dicke
d nicht über die gesamte Länge l konstant, sondern
kann variiert werden. Insbesondere ist die Ausgestaltung der Deckfläche 31 und
der Grundfläche 33 variierbar. Beispielsweise
können sie als Ellipsen ausgestaltet werden.
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5b zeigt
eine stark schematisierte Perspektivansicht einer quaderförmigen
Wirkeinrichtung 30 mit einer rechteckförmigen
Deckfläche 34 und einer rechteckförmigen
Grundfläche 36, welche durch rechteckförmige
Seitenflächen 35, 39 verbunden sind.
Die Höhe h, die Breite b sowie die Tiefe t der Wirkeinrichtung 30 sind
anwendungsspezifisch gewählt. Insbesondere sind die Breite
b und/oder die Tiefe t nicht über die gesamte Höhe
konstant, sondern können variiert werden.
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5c zeigt
eine stark schematisierte Perspektivansicht einer zylinderförmigen
Teleskop-Wirkeinrichtung 30, welche aus drei zylinderförmigen Bauteilen 37, 38 und 40 zusammengesetzt
ist. Die Bauteile sind entlang einer Längsachse 41 gegeneinander
verschiebbar. Die maximale Gesamtlänge lg der
Wirkeinrichtung 30 ergibt sich durch Addition der Bauteillänge
l1 des Bauteils 37, der Bauteillänge 12 des
Bauteils 38 und der Bauteillänge 13 des
Bauteils 40. Die Dicken d1, d2 und d3 der Bauteile 37, 38 und 40 müssen
im Wesentlichen der mathematischen Bedingung d1 < d2 < d3 genügen.
Die Bauteillängen l1, l2 und l3 sowie die
Bauteildicken d1, d2 und
d3 der Bauteile 37, 38 und 40 sind
anwendungsspezifisch gewählt
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5 d zeigt eine stark schematisierte Seitenansicht
eines Schnitts entlang der Längsachse 41 der zylinderförmige
Teleskop-Wirkeinrichtung 30 aus 5c. Die Gesamtlänge
lg ist dabei nicht maximal, da die Bauteile 37, 38 und 40 nicht
vollständig auseinandergezogen sind.
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6a zeigt
ein erstes, stark schematisiertes, Ausführungsbeispiel
einer Verlagerungseinrichtung 60, welche mit einer Wirkeinheit 30 ausgerüstet ist
und sich in einem ersten, betriebsbereiten Zustand befindet. Die
Verlagerungseinrichtung 30 besteht aus einem Gehäuse,
das auf einer Seite 65 eine klar gegrenzte Öffnung
aufweist. Die Öffnung ist derart ausgestaltet, dass die
Wirkeinheit 30 durch sie hindurch geführt werden
kann. Die Speicherung der notwendigen Verlagerungsenergie erfolgt
mechanisch, beispielsweise durch gespannte Federelemente 61,
wobei jeweils ein Ende der Federelemente 61 fest mit dem
Gehäuse verbunden ist und das jeweils andere Ende der Federelemente 61 fest
mit dem beweglichen Objektträger 63 verbunden
ist. Der bewegliche Objektträger 63 wird, zur
Erhaltung der in den Federelementen 61 gespeicherten Energie,
von einer Freigabeeinrichtung 64, wie beispielsweise einem
Elektromagneten, in einer ersten Position gehalten. Nach Erhalt
eines entsprechenden Freigabesignals gibt die Freigabeeinrichtung 64 den
Objektträger frei, wodurch die in den Federelementen 61 gespeicherte Energie
in Form einer Verlagerungsenergie auf die Wirkeinheit 30 übertragen
wird. Die Verlagerungseinrichtung 60 befindet sich nach
der Freigabe in einem zweiten Betriebszustand, welcher stark schematisiert in 6b dargestellt
ist. Der Objektträger 63 wird darin nicht mehr
von der Freigabeeinrichtung 64 gehalten und die Federelemente 61 sind
im Wesentlichen nicht mehr gespannt.
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7a zeigt
ein zweites, stark schematisiertes, Ausführungsbeispiel
einer Verlagerungseinrichtung 70, welche mit einer Wirkeinheit 30 ausgerüstet ist
und sich in einem ersten betriebsbereiten Zustand befindet. Die
Verlagerungseinrichtung 30 besteht aus einem Gehäuse 71,
dass auf einer Seite 72 eine klar gegrenzte Öffnung
aufweist. Die Öffnung ist derart ausgestaltet, dass die
Wirkeinheit 30 durch sie hindurch geführt werden
kann. Die Speicherung der notwendigen Verlagerungsenergie erfolgt
chemisch, beispielsweise durch eine Treibladung 73. Diese Treibladung 73 befindet
sich innerhalb eines, durch den beweglichen Objektträger 75 und
dem Gehäuse 71 im Wesentlichen dicht abgeschlossenen,
ersten Volumenteils der Verlagerungseinrichtung 70. Der Objektträger 75 befindet
sich dabei in einer ersten Position. Nach Erhalt eines entsprechenden
Freigabesignals startet die Freigabeeinrichtung 74, beispielsweise
ein elektronischer Zünder, die Funktion der Verlagerungseinrichtung 70.
Durch die bei der exothermen Reaktion der gezündeten Treibladung 73 freiwerdende
Energie, in Verbindung mit einer entsprechenden Volumenänderung,
wird der Objektträger 75 in Verlagerungsrichtung
bewegt, wodurch die chemisch gespeicherte Energie im Wesentlichen
als Verlagerungsenergie bevorzugt auf die Wirkeinheit 30 übertragen
wird. Die Verlagerungseinrichtung 70 befindet sich nach
der Freigabe vorzugsweise in einem zweiten Betriebszustand, welcher
stark schematisiert in 7b dargestellt ist. Der Objektträger 75 befindet
sich darin in einer zweiten Position und die Treibladung 75 ist
im Wesentlichen verbraucht.
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Die
Steuereinrichtung 80 der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist, wie aus der folgenden Beschreibung in Bezug auf 8 deutlich
wird, mit mindestens einer Sensoreinrichtung 87 und/oder
mindestens einer Sicherheitselektronik 88 und der Freigabeeinrichtung 86 der
Verlagerungseinrichtung über elektrische Leitungen, die
hier und im folgenden nur immer schematisch dargestellt sind, verbunden. Als
Sensoreinrichtung wird vorzugsweise ein piezoelektrischer Sensor
verwendet. In einem solchen Sensor wandelt ein piezokeramisches
Sensorplättchen dynamische Druckschwankungen in elektrische
Signale um, die entsprechend weiterverarbeitet werden können.
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Das
beim Ausführungsbeispiel analoge Signal der Sensoreinrichtung
wird in einer Signalaufbereitungsschaltung 81 mittels eines
A/D-Wandlers in ein Digitalsignal umgewandelt. Das digital aufbereitete
Signal wird einer Mikroprozessor-Recheneinheit 83 zugeführt,
welche mit einem Speicher 82 verbunden ist. Im Speicher 82,
der beliebig in einzelne, auch unterschiedliche, Speicherbereiche
aufgeteilt werden kann, ist entweder in einem Festwertspeicher oder
in einem Speicher, dessen Inhalt durch die Batteriespannung langfristig
gespeichert wird, ein Programm gespeichert, welches den Mikroprozessor
steuert. Durch den Mikroprozessor werden die Eingangssignale mindestens
einer Sensoreinrichtung und/oder der Sicherheitselektroniken ausgewertet.
Wird ein Fehlbetriebszustand und/oder ein Ausfall festgestellt, erzeugt
der Mikroprozessor 83 ein entsprechendes Sendesignal für
die Freigabeeinrichtung, welches einer Sendeausgangsstufe 84 zugeführt
wird. Von der Sendeausgangsstufe wird das Signal an die Freigabeeinrichtung 86 der
Verlagerungseinrichtung übertragen. Zur Stromversorgung
der Steuereinrichtung ist eine Batterie, vorzugsweise eine Lithiumionenbatterie
vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5523178 [0008]
- - US 2006/ [0009]