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Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Fahrzeug, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist. Jede Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf, welches einen Innenraum der jeweiligen Batteriezelle gasdicht umschließt. Ein Batteriegehäuse der Batterie umschließt wiederum die Mehrzahl der Batteriezellen zumindest für Feuchtigkeit dicht. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fertigen und eine Verwendung einer solchen Batterie.
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Hochvoltbatterien, wie sie in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, können ein geschlossenes, gegenüber Feuchtigkeit dichtes Batteriegehäuse aufweisen, wobei im Inneren des Batteriegehäuses die Batteriezellen angeordnet sind. Eine solche Auslegung des Batteriegehäuses soll den Eintrag von Schmutz und Feuchtigkeit oder feuchter Luft in das Innere des Batteriegehäuses verhindern. Das Vorhandensein von feuchter Luft in der Batterie kann nämlich andernfalls zur Bildung von Kondenswasser führen. Dies kann die Funktionstüchtigkeit der Batterie beeinträchtigen.
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Es ist daher bekannt, bei der Produktion von Batterien mit für Feuchtigkeit dichten Batteriegehäusen die Batteriegehäuse während der Produktion mit Luft zu befüllen, welche eine definierte, möglichst geringe Luftfeuchtigkeit aufweist. Bei derartigen Batterien ist jedoch zu befürchten, dass Funktionsstörungen auftreten.
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Die
US 2011/0020676 A1 beschreibt eine Batterie für ein Fahrzeug, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist. Die Zellgehäuse der Batteriezellen sind aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. Ein Paket solcher Batteriezellen ist in einem Batteriegehäuse angeordnet, welches einen Container und eine Deckelplatte umfasst, wobei der Container durch die Deckelplatte hermetisch verschlossen wird. Nach dem hermetischen Verschließen des Batteriegehäuses wird ein Inertgas wie etwa Stickstoff, Helium, Argon oder Kohlendioxid in das Batteriegehäuse eingefüllt. Mittels eines Temperatursensors wird eine Temperatur des Batteriepakets erfasst und eine Steuerungseinrichtung steuert eine Kühl- und Heizeinrichtung, um die Batterie in einem bestimmten Temperaturbereich zu halten.
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Die
DE 10 2009 032 050 A1 beschreibt eine Sekundärbatterie mit mindestens einer galvanischen Zelle, welche eine Schnellladefähigkeit aufweist. Hierbei wird mittels eines oder mehrerer Temperatursensoren die Temperatur der galvanischen Zelle erfasst. Hat die Zelltemperatur eine Grenztemperatur erreicht, so unterbricht ein Ladesteuerungssystem den Ladevorgang vollständig.
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Die
DE 195 37 683 A1 beschreibt einen elektrischen Energiespeicher, welcher die für die elektrochemische Reaktion notwendige Luft in einem Tank mitführt und daher von der Außenluft unabhängig ist. In einem Gehäuse des elektrischen Energiespeichers sind Batteriezellen angeordnet, in welchen die elektrochemische Reaktion abläuft, sobald Sauerstoff in die Batteriezellen eingeleitet wird. Um zu verhindern, dass die elektrochemische Reaktion in den Batteriezellen vorzeitig einsetzt, sind die Batteriezellen vor deren Aktivierung mit einem Inertgas, beispielsweise mit Stickstoff befüllt. Zum Aktivieren wird dann über Zuleitungen Sauerstoff in die jeweiligen Batteriezellen eingeleitet, welcher das Inertgas verdrängt. Auch ein Elektrolyt wird über Zuleitungen in die Batteriezellen eingeleitet, sodass die elektrochemische Reaktion stattfinden kann. Das die vorzeitige Aktivierung verhindernde Inertgas kann auch in einem zwischen den Batteriezellen und dem Gehäuse vorhandenen Zwischenraum vorhanden sein. Bei diesem elektrischen Energiespeicher sind die Batteriezellen nicht gasdicht verschlossen, sondern über die Zuleitungen kann Sauerstoff in die Batteriezellen eingebracht werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Fertigen und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterie zu schaffen, bei welcher bzw. bei welchem Funktionsstörungen der Batterie besonders weitgehend vermieden sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und eine Verwendung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Batterie für ein Fahrzeug ist das Batteriegehäuse mit einem Inertgas befüllt. Inertgase sind reaktionsträge und unterbinden so chemische Reaktionen, welche bei Anwesenheit von Sauerstoff schneller ablaufen können. Durch das Befüllen des Batteriegehäuses mit dem Inertgas ist ein Sauerstoffgehalt im Batteriegehäuse geringer als der Sauerstoffgehalt von atmosphärischer Luft. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einem Störfall einer Batteriezelle zu chemischen Reaktionen kommen kann, welche beschleunigt oder angefacht werden, wenn in dem Batteriegehäuse Luft und damit Luftsauerstoff vorhanden ist. Bevorzugt ist daher das Batteriegehäuse vollständig mit dem Inertgas befüllt, sodass Luftsauerstoff besonders weitgehend durch das Inertgas ersetzt ist.
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Es ist wenigstens ein Temperatursensor vorgesehen, mittels welchem eine Temperatur im Inneren des Batteriegehäuses erfassbar ist. So kann besonders leicht festgestellt werden, ob es aufgrund einer Störung einer Batteriezelle der Batterie zu einem Ansteigen der Temperatur im Inneren des Batteriegehäuses kommt. Dann können besonders rasch Gegenmaßnahmen getroffen werden.
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Der wenigstens eine Temperatursensor ist mit einer Steuerungseinrichtung gekoppelt, welche zum Abschalten einer Ladeeinrichtung der Batterie ausgebildet ist. Falls es beim Laden der Batterie zu einer Funktionsstörung einer Batteriezelle kommt, welche zu einer Temperaturerhöhung im Inneren des Batteriegehäuses führt, kann also der Ladevorgang abgebrochen werden, bevor es zu einer Ausbreitung eines Brands im Inneren des Batteriegehäuses kommt.
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Das Batteriegehäuse weist ein Druckausgleichselement auf, über welches ein Gasaustausch mit der Umgebung des Batteriegehäuses möglich ist, welches jedoch ein Eindringen von Feuchtigkeit in einen Innenraum des Batteriegehäuses verhindert. Um zumindest vorübergehend eine Gasdichtheit des Batteriegehäuses zu erreichen, ist gemäß der Erfindung ein Verschlusselement vorgesehen, mittels welchem das Druckausgleichselement des Batteriegehäuses gasdicht verschließbar ist. Dies ermöglicht es, zumindest während einer Inbetriebnahme der Batterie oder während einer Funktionsprüfung derselben dafür zu sorgen, dass der Innenraum des Batteriegehäuses mit Inertgas gefüllt ist, welches nicht aus diesem entweichen kann. Die Inbetriebnahme ist nämlich ein kritischer Zustand, während welchem das Unterbinden von durch ein Vorhandensein von Sauerstoff angefachten chemischen Reaktionen besonders sinnvoll ist, um eine weitergehende Beschädigung der Batterie zu vermeiden.
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Die Inertgasfüllung vermeidet insbesondere auf eine Kondensatbildung zurückführbare Funktionsstörungen, da durch das Vorhandensein des Inertgases in dem Batteriegehäuse ein Vorhandensein von Luftfeuchtigkeit in dem Batteriegehäuse unterbunden ist und es daher zu keiner Kondensatbildung kommt. Darüber hinaus wird die Entstehung eines durch eine Funktionsstörung wenigstens einer Batteriezelle bedingten oder aufgrund anderer Ursachen ausgelösten Brands vermieden.
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Das Vorhandensein des Inertgases in einem Zwischenraum zwischen dem Batteriegehäuse und den Batteriezellen unterbindet nämlich oder dämpft zumindest Reaktionen, welche das Austreten von Inhaltsstoffen aus einer oder mehreren beschädigten Batteriezellen zur Ursache haben. Ohne die Inertgasfüllung des Batteriegehäuses würde hingegen die vom Sauerstoff angefachte chemische Reaktion zu einer weitergehenden Beschädigung der Batterie führen. Wird nämlich erst nach dem Auftreten einer Havarie einer einzelnen Batteriezelle ein Inertgas in das Batteriegehäuse eingebracht, so kann sich die chemische Reaktion so lange fortsetzen, bis das von außen - etwa beim Löschen mit einer Löschanlage - zugeführte Inertgas den noch innerhalb des Batteriegehäuses vorhandenen Sauerstoff verdrängt hat.
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Das Vorhandensein des Inertgases in dem Batteriegehäuse hemmt also im Störfall die chemische Reaktion einer geschädigten einzelnen Batteriezelle oder sorgt zumindest dafür, dass diese chemische Reaktion nicht zu heftig verläuft und nicht durch Sauerstoff angefacht wird. Dies führt zu einer besonders weitgehenden Vermeidung von Funktionsstörungen der Batterie. Insbesondere kann eine irreparable Zerstörung der Batterie vermieden werden.
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Des Weiteren können so bei der Fertigung der Batterie den Produktionsablauf signifikant störende Ereignisse vermieden werden. Auch eine Zerstörung oder Beschädigung von anderen Betriebsmitteln lässt sich so besonders weitgehend verhindern. Durch das Inertisieren der Batterie mit dem Inertgas können also die Folgen eines Störfalls besonders gut im Zaum gehalten werden.
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Durch das Befüllen des Batteriegehäuses mit dem Inertgas ist außerdem in diesem eine Schutzatmosphäre geschaffen, welche im Betrieb der Batterie eine Korrosion von Komponenten der Batterie verhindert. Des Weiteren wird durch die Schutzatmosphäre im Falle einer Havarie einer oder mehrerer Batteriezellen eine mögliche Reaktion verlangsamt oder gar verhindert.
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Das Batteriegehäuse kann die Gesamtheit der Batteriezellen der Batterie umschließen. Es können jedoch auch Gruppen von Batteriezellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst sein, wobei ein jeweiliges Batteriegehäuse eine solche Gruppe von Batteriezellen umschließt. Eine Mehrzahl an Batteriemodulen kann dann wiederum derart elektrisch verschaltet sein, dass eine Batterie mit einer gewünschten Leistung bereitgestellt ist. So ist eine besonders große Flexibilität bei der Auslegung der Batterie gegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batterie wenigstens einen Befüllanschluss auf, über welchen das Inertgas in das Batteriegehäuse einbringbar ist. Es kann hierbei vorab über den Befüllanschluss das Innere des Batteriegehäuses vakuumiert und anschließend das Inertgas in das Batteriegehäuse eingefüllt werden. Zusätzlich oder alternativ kann während des Einfüllens des Inertgases in das Batteriegehäuse über einen weiteren Anschluss die sich in dem Batteriegehäuse befindende Luft verdrängt werden. Über einen solchen Befüllanschluss lässt sich das Inertgas besonders einfach in das Innere des Batteriegehäuses hineinleiten.
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Eine besonders einfach aufgebaute Batterie ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung geschaffen, wenn das Batteriegehäuse eine Bodenplatte und eine mit der Bodenplatte verbundene Haube umfasst. Anstelle einer einstückigen Bodenplatte können auch mehrere Bodenelemente gasdicht miteinander verbunden sein und so einen Boden des Batteriegehäuses bilden.
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Das Batteriegehäuse kann mit Stickstoff als Inertgas befüllt sein. Zusätzlich oder alternativ können jedoch auch Kohlendioxid und/oder ein Edelgas, insbesondere Argon, zum Einsatz kommen. Diese Inertgase haben sich als besonders wirkungsvoll erwiesen, wenn es darum geht, Reaktionen zu unterbinden oder zu verlangsamen, welche unter Beisein von Sauerstoff ablaufen oder beschleunigt ablaufen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fertigen einer Batterie für ein Fahrzeug werden eine Mehrzahl von Batteriezellen in einem Batteriegehäuse angeordnet. Die Batteriezellen weisen ein jeweiliges, einen Innenraum der jeweiligen Batteriezelle gasdicht umschließendes Zellgehäuse auf. Die Batteriezellen werden von dem Batteriegehäuse zumindest für Feuchtigkeit dicht umschlossen, dann wird das Batteriegehäuse mit einem Inertgas befüllt. Das Befüllen des Batteriegehäuses mit dem Inertgas erfolgt also nach der Montage der Komponenten der Batterie.
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Durch das Vorhandensein des Inertgases in dem Batteriegehäuse können beim anschließenden Betrieb der Batterie Funktionsstörungen aufgrund von bei Vorhandensein von Sauerstoff beschleunigt ablaufenden Reaktionen besonders weitgehend vermieden werden.
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Es werden nach dem Befüllen des Batteriegehäuses mit dem Inertgas die Batteriezellen der Batterie erstmalig geladen. Bei der Inbetriebnahme der Batterie, bei welcher erstmals eine vergleichsweise hohe Spannung aufgebaut wird, ist es nämlich in besonderem Maße von Vorteil, wenn das Inertgas ein Sich-Ausbreiten von Störungen in der Batterie unterbindet. Beim ersten Laden und Entladen der Batterie wird diese nämlich erstmals belastet, sodass erhöhte Temperaturen auftreten können. Ebenso können beim Belasten der Batterie an ungünstig ausgebildeten Kontaktstellen erhöhte Übergangswiderstände auftreten, welche bei weiter andauernder Belastung der Batterie zu einer Temperaturerhöhung führen können. Insbesondere aufgrund einer dadurch bedingten lokalen Erhitzung kann es dann zu einem Brand einer Batteriezelle kommen. Ein solcher Brand wird jedoch besonders sicher unterbunden oder zumindest verlangsamt, wenn wie vorliegend das Batteriegehäuse mit dem Inertgas gefüllt ist.
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Durch das Vorsehen der Inertgasfüllung der Batterie während der Inbetriebnahme derselben wird dem Umstand Rechnung getragen, dass während der erstmaligen Inbetriebnahme der Batterie üblicherweise eine erhöhte Gefährdung besteht.
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Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass das Laden der Batteriezellen abgebrochen wird, sobald eine Temperatur im Inneren des Batteriegehäuses einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. So kann frühzeitig das Auftreten weiter erhöhter Temperaturen vermieden werden, also bevor sich ein Brand innerhalb des Batteriegehäuses (weiter) ausbreiten kann.
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Das Batteriegehäuse weist ein Druckausgleichselement auf, über welches ein Gasaustausch mit der Umgebung des Batteriegehäuses möglich ist, welches jedoch ein Eindringen von Feuchtigkeit in einen Innenraum des Batteriegehäuses verhindert. Die Batterie weist ein Verschlusselement auf, mittels welchem das Druckausgleichselement des Batteriegehäuses gasdicht verschlossen wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer erfindungsgemäßen Batterie wird diese zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie für einen Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt. Es ist also auch im Betrieb des Fahrzeugs die Inertgasfüllung in dem Batteriegehäuse vorhanden. So kann die Schutzfunktion, welche die Inertgasfüllung bereitstellt, auch während des Betriebs des Fahrzeugs erfüllt werden.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt stark schematisiert eine Batterie für ein Fahrzeug, bei welcher im Inneren eines gasdichten Batteriegehäuses eine Mehrzahl von Batteriezellen angeordnet sind, wobei ein Zwischenraum zwischen den Batteriezellen und dem Batteriegehäuse mit einem Inertgas gefüllt ist.
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Eine in der Figur schematisch gezeigte Batterie 10 für ein Fahrzeug umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen 12, welche jeweils hermetisch geschlossene, also gasdichte Zellgehäuse 14 aufweisen. Ein solcher gasdichter Abschluss der einzelnen Batteriezellen 12 kann beispielsweise durch Vorsehen eines Zellgehäuses 14 aus Aluminium sichergestellt werden.
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Die Batteriezellen 12 sind in einem Batteriegehäuse 16 der Batterie 10 angeordnet, welches vorliegend eine Bodenplatte 18 und eine mit der Bodenplatte 18 gasdicht verbundene Haube 20 umfasst. Durch die Bodenplatte 18 und die Haube 20 ist ein Inneres 22 des Batteriegehäuses 16 abgegrenzt, in welchem sich die Batteriezellen 12 befinden.
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Dieses Innere 22 des Batteriegehäuses 16 ist vorliegend mit einem Inertgas 24, etwa mit Stickstoff, Kohlendioxid oder Argon befüllt. Dadurch ist in dem Batteriegehäuse 16 so gut wie kein Sauerstoff vorhanden. Das Vorhandensein von Sauerstoff könnte nämlich im Falle der Havarie einer Batteriezelle 12 und dem daraus resultierenden Austreten von Inhaltsstoffen aus der Batteriezelle 12 dazu führen, dass eine chemische Reaktion aufgrund des Sauerstoffs ermöglicht oder beschleunigt wird.
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Eine solche chemische Reaktion oder ein Brand ist vorliegend besonders weitgehend unterbunden, da das Batteriegehäuse 16 mit dem Inertgas 24 befüllt ist. Auch in Zwischenräumen zwischen den einzelnen Batteriezellen 12 befindet sich das Inertgas 24.
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Zum Einbringen des Inertgases 24 in das Innere 22 des Batteriegehäuses 16 ist ein Befüllanschluss 26 vorgesehen. Wenn über diesen Befüllanschluss 26 das Inertgas 24 in das Innere 22 des Batteriegehäuses 16 eingebracht wird, so wird Luft, welche sich vorher in dem Inneren 22 befunden hat, aus dem Inneren 22 verdrängt. Hierfür kann ein (nicht gezeigter) Auslass in dem Batteriegehäuse 16 vorgesehen sein, oder es kann die verdrängte Luft das Innere 22 des Batteriegehäuses 16 über den Befüllanschluss 26 verlassen. Alternativ kann das Batteriegehäuse 16 zunächst mit einem Vakuum beaufschlagt und dann mit dem Inertgas 24 befüllt werden.
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Vorliegend ist das Inertgas 24 zumindest während der Inbetriebnahme der Batterie 10 in dem Inneren 22 des Batteriegehäuses 16 vorhanden. Beim ersten Laden und Entladen der Batterie 10 können nämlich kritische Zustände auftreten, da die Batterie 10 erstmals belastet wird. Kommt es dann zu einem Ansteigen der Temperatur im Inneren 22 des Batteriegehäuses 16, so kann der Ladevorgang rechtzeitig abgebrochen werden, bevor es zu der Entstehung oder Ausbreitung eines Brands im Inneren 22 des Batteriegehäuses 16 kommt.
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Wäre die Inertgasfüllung nicht vorhanden, so könnte hingegen ein aufgrund einer Überhitzung einer einzelnen Batteriezelle 12 entstehender Brand sich ausbreiten, da er durch sich im Inneren 22 des Batteriegehäuses 16 befindenden Sauerstoff angefacht würde. Erst wenn dann die Haube 20 durchdrungen ist, kann in einem solchen Fall ein Löschen des Brands von außen erfolgen, etwa durch Beaufschlagen mit Inertgas von außen. Eine Löschanlage, bei welcher zum Löschen insbesondere die Inertgase Kohlendioxid und Stickstoff verwendet werden können, ist üblicherweise an einem Prüfstand vorgesehen, an welchem die Inbetriebnahme der Batterie 10 erfolgt.
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Erfolgt jedoch das Löschen lediglich mit dem von außen zugeführten Inertgas, so dauert dies vergleichsweise lange. Zwischenzeitlich können dann schon irreparable Schäden an der Batterie 10 aufgetreten sein. Dies wird vorliegend verhindert, da nicht gewartet werden muss, bis von außen zugeführtes Inertgas in das Innere 22 des Batteriegehäuses 16 eingedrungen ist, sondern in dem Inneren 22 des Batteriegehäuses 16 befindet sich bereits das Inertgas 24.
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Die Inertgasfüllung ist insbesondere während der Inbetriebnahme der Batterie 10 sinnvoll, wenn diese also erstmals teilweise oder vollständig geladen und anschließend zumindest teilweise entladen wird. Im Batteriegehäuses 16 vorgesehene (nicht gezeigte) Druckausgleichselemente können während der Inbetriebnahme der Batterie 10 mit gasdichten Verschlusselementen versperrt werden, so dass zumindest für den Zeitraum dieses Versperrens ein Entweichen des Inertgases 24 aus dem Inneren 22 des Batteriegehäuses 16 vermieden ist. Im an die Inbetriebnahme anschließenden Betrieb der Batterie 10 kann sich das Inertgas 24 dann durch die wieder freigegebenen Druckausgleichselemente hindurch verflüchtigen, oder das Inertgas 24 kann gezielt durch Luft ersetzt werden.
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Jedoch auch im späteren Betrieb der Batterie 10, wenn diese also im Fahrzeug elektrische Energie speichert und für einen elektrischen Antrieb des Fahrzeugs bereitstellt, ist es vorteilhaft, wenn das Innere 22 des Batteriegehäuses 16 zumindest vorübergehend mit dem Inertgas 24 befüllt bleibt. Da das Batteriegehäuse 16 mit Ausnahme der Durchlässe für den Druckausgleich gasdicht ist, stellt das Inertgas 24 im Betrieb der Batterie 10 zumindest eine Zeitlang eine Schutzfunktion bereit. Das Inertgas 24 verhindert hierbei eine Korrosion. Im Falle einer Havarie einer oder mehrerer Batteriezellen 12 unterbindet oder verlangsamt die durch das Inertgas 24 bereitgestellte Schutzatmosphäre eine mögliche chemische Reaktion oder einen Brand.
