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Die Erfindung betrifft einen Akkumulator für einen Kraftwagen mit einem Beschleunigungsindikator.
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Aufgrund knapper werdender fossiler Rohstoffe und der damit verbundenen steigenden Kraftstoffpreise sind in den vergangenen Jahren verstärkt Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge bis zur Marktreife entwickelt worden. Erste Serienfahrzeuge sind bereits seit einiger Zeit auf dem Markt und es besteht das Ziel, dass bis zum Jahre 2020 rund eine Million Elektrofahrzeuge in Deutschland zugelassen sein sollen.
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Elektrofahrzeuge werden vollständig und Hybridfahrzeuge zumindest teilweise mit in Akkumulatoren gespeicherter Energie betrieben. Aufgrund des Energiebedarfs zum Betreiben eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs mit elektrischer Energie weisen diese Fahrzeuge vergleichsweise große Speichereinrichtungen für den elektrischen Strom auf. Derzeit verwendete Akkumulatoren zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs weisen typischerweise eine Spannung im Bereich von 300 bis 400 Volt auf und speichern typischerweise zwischen 2 und 20 kW/h elektrische Energie. Ein typischer Vertreter der derzeit verwendeten Akkumulatoren sind solche auf Lithiumbasis, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder Lithium-Polymer-Akkumulatoren.
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Als Materialien für die Katode der Lithium-Ionen-Akkus werden häufig lithierte Metalloxide und deren Mischungen sowie lithiertes Eisenphosphat verwendet. Als Metalle dienen hierbei häufig Kobalt, Nickel oder Mangan. Als Anode dient häufig Lithium eingelagert in ein Kohlenstoffmaterial (z. B. Graphit) oder Titanoxid. Die Katode und die Anode eines Lithium-Ionen-Akkumulators sind durch einen Separator voneinander getrennt. Als Separatormaterialien werden häufig Kunststoffe oder ein Keramikmaterial verwendet.
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Die Akkumulator-Zellen sind mit einem Elektrolyt gefüllt, der hauptsächlich in den Elektroden und im Separator absorbiert ist, teilweise jedoch auch in flüssiger Form vorliegt.
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Bei einer mechanischen Belastung derartiger Akkumulator-Zellen kann es beispielsweise zu einem Bruch oder einem Riss in dem Separator kommen. Aufgrund der hierdurch ausgelösten heftigen Reaktion zwischen den beiden Elektroden kommt es zu einem starken Temperaturanstieg innerhalb der Akkumulator-Zelle und zur Bildung von gasförmigen Reaktionsprodukten.
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Wird bei einer starken mechanischen Belastung auch das Gehäuse der Akkumulator-Zelle beschädigt, kann Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit zur eigentlichen Lithium-Ionen-Zelle eindringen, wodurch der Akkumulator in Brand geraten oder sogar explodieren kann.
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In ähnlicher Weise kann eine Fehlfunktion eines Lithium-Ionen-Akkumulators, beispielsweise ein interner Kurzschluss, zu Bränden oder Explosionen führen.
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Vor diesem Hintergrund besteht ein Bedürfnis nach der Entwicklung von Sicherheitseinrichtungen, mit denen die oben angesprochenen Probleme verhindert oder gelöst werden können.
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Die Offenlegungsschrift
JP 06 132 040 beschreibt eine sekundäre Lithiumbatterie mit einem Hauptkörper der Batterie, in dem Lithium oder eine Lithiumlegierung als aktives Material für eine negative Elektrode verwendet wird. Weiter weist die Sekundärbatterie einen Sensor zum Messen einer Erschütterung bzw. eines Aufpralls oberhalb eines vorherbestimmten Schwellenwerts auf sowie Mittel zum Einströmen eines Trennfluids in den inneren Teil oder die Peripherie des Hauptkörpers der Batterie in Abhängigkeit von einer Eingabe durch den Sensor. Wenn eine so große Erschütterung bzw. ein so großer Aufprall stattfindet, dass der Hauptkörper der Batterie beschädigt wird, wird dies durch den Sensor festgestellt und dann wird das Trennfluid in den inneren Teil oder die Peripherie des Hauptkörpers der Batterie eingeströmt. Das aufgrund der Beschädigung des Hauptkörpers freigesetzte Lithium wird mit Stickstoffgas oder Kohlendioxidgas, das das Trennfluid bildet, deaktiviert. Auch kann ein Schaumkörper in dem inneren Teil oder in der Peripherie des Hauptkörpers der Batterie aus einem Ausgangsmaterial gebildet werden, das das Trennfluid bildet, um zu verhindern, dass Lithium freigesetzt wird. Da eine Reaktion von Lithium mit Wasser verhindert wird, ist eine erhöhte Sicherheit gegeben.
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Neben einer Sicherheitseinrichtung, wie sie oben für den Falle einer Beschädigung eines Akkumulators beschrieben wurde, besteht jedoch auch ein Bedürfnis nach einer Sicherheitseinrichtung bei Beschleunigungsvorgängen, bei denen ein Beschleunigungswert auftritt, der kleiner ist als derjenige, bei dem von einer Beschädigung des Akkumulators ausgegangen werden muss.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Sicherheitssystem zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Akkumulator für einen Kraftwagen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein Akkumulator für einen Kraftwagen vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er wenigstens einen Beschleunigungsindikator zum Nachweis von wenigstens einem Beschleunigungsvorgang in wenigstens eine Raumrichtung aufweist, wobei der Nachweis erfolgt, sofern bei dem Beschleunigungsvorgang ein vorgebbarer Beschleunigungswert erreicht oder überschritten wurde.
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Der erfindungsgemäße Akkumulator weist den Vorteil auf, dass ein einfach zu überwachendes System geschaffen wird, das sehr schnell Aufschluss über eine mechanische Belastung des Akkumulators zur Verfügung stellt. Wird durch den Beschleunigungsindikator eine Belastung angezeigt, die oberhalb des vorgegebenen Schwellenwerts liegt, muss ein Austausch oder eine Begutachtung des Akkumulators und/oder der mit ihm verbundenen Bauteile erfolgen.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Akkumulator wenigstens einen Beschleunigungsindikator zum Nachweis eines Beschleunigungsvorgangs in zwei Raumrichtungen aufweist. Hierdurch können in vorteilhafter Weise kritische Beschleunigungsvorgänge auf einfache und sichere Weise nachgewiesen werden, wie sie beispielsweise bei Unfällen von Kraftwägen am häufigsten auftreten, nämlich Beschleunigungsvorgänge, die im Wesentlichen in Richtung der Längsachse des Kraftwagens oder im Wesentlichen in Richtung der Querachse des Kraftwagens erfolgen.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Akkumulator wenigstens einen Beschleunigungsindikator zum Nachweis eines Beschleunigungsvorgangs in alle drei Raumrichtungen auf. Hierdurch können auch kritische Beschleunigungswerte in vertikaler Richtung, z. B. bei einem Sturz eines Kraftwagens bei einem Ver- oder Entladevorgang nachgewiesen werden.
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In vorteilhafter Weise ist der Beschleunigungsindikator ein mechanischer oder elektronischer Beschleunigungsindikator. Ebenso ist es insbesondere unter Kostengesichtspunkten von Vorteil, wenn der wenigstens eine Beschleunigungssensor mehrfach wieder verwendbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektronische Beschleunigungsindikator Daten über wenigstens einen Beschleunigungsvorgang aufzeichnen und/oder an eine Auswertungseinrichtung ausgeben kann.
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Ebenso hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn bei dem erfindungsgemäßen Akkumulator bei Erreichen oder Überschreiten des vorgebbaren Beschleunigungswerts ein Warnsignal erzeugt wird.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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Die Figur zeigt in schematischer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Akkumulators für einen Kraftwagen.
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Die Darstellungen in der Figur sind rein schematisch und nicht maßstabsgerecht.
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Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
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Das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Akkumulators für einen Kraftwagen 1 weist ein oder mehrere Akkumulator-Zellen 4 auf, die von einem Gehäuse 3, das im Wesentlichen hermetisch gegen die Umwelt geschlossen ist, umgeben sind.
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Innerhalb bzw. auf einer Wandung des Gehäuses 3 ist ein Beschleunigungsindikator 2 zum Nachweis von wenigstens einem Beschleunigungsvorgang in wenigstens einer Raumrichtung vorgesehen. Dieser Beschleunigungsindikator soll dazu dienen, einen Beschleunigungsvorgang nachzuweisen, bei dem ein Beschleunigungswert mit einer Größe gegeben ist, die oberhalb eines kritischen, vorgebbaren Schwellenwerts liegt.
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Der wenigstens eine Beschleunigungsindikator 2 kann grundsätzlich auch auf mit dem Akkumulator verbundenen weiteren Bauteilen, z. B. einer Kühleinrichtung, angebracht sein. Bei mechanischen Beschleunigungsindikatoren, bei denen ein kritischer Beschleunigungsvorgang optisch angezeigt wird, ist es von Vorteil, wenn der Beschleunigungsindikator von außen sichtbar angebracht ist. Elektronische Beschleunigungsindikatoren, die die Daten eines Beschleunigungsvorgangs übertragen können, können beispielsweise auch innerhalb des Akkumulator-Gehäuses 3 angebracht sein.
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Ein Akkumulator für einen Kraftwagen 1, beispielsweise eine Hochvolt-Batterie zum Antrieb eines Elektro-Kraftwagens oder eines Hybrid-Kraftwagens, kann bei Unfällen durch die auftretenden Verzögerungen oder Beschleunigungen beschädigt werden, ohne dass der Schaden von außen sichtbar ist. Durch die vorliegende Erfindung kann mittels des wenigstens einen Beschleunigungssensors auf einfache Weise nachgewiesen (angezeigt bzw. signalisiert) werden, ob ein für die Akkumulator-Konstruktion kritischer Beschleunigungswert erreicht oder überschritten wurde. Nur wenn von dem wenigstens einen Beschleunigungssensor ein derartiger kritischer Beschleunigungswert angezeigt bzw. signalisiert wird, muss der Akkumulator begutachtet und gegebenenfalls ausgetauscht werden. Hierdurch können nicht erforderliche Akkumulator-Wechsel vermieden werden.
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Zum Nachweis eines Beschleunigungsvorgangs kann grundsätzlich jeder geeignete Beschleunigungsindikator verwendet werden. Beispielsweise sind aus dem Transportwesen sogenannte Schockindikatoren bekannt, die dazu dienen können, einen Nachweis für eine unverhältnismäßig große Beschleunigung einer Ware (z. B. bei einem Fallenlassen) während eines Transportvorgangs zu erbringen. Derartige oder ähnliche Schockindikatoren können grundsätzlich für die vorliegende Erfindung verwendet werden, gegebenenfalls unter einer Anpassung an das bauteilspezifisch maximal zulässige Beschleunigungsniveau und die in einem automobilen Umfeld gegebenen Bedingungen (z. B. Vibrationen, Temperatur, Feuchtigkeit, etc.).
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In einer einfachen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung muss der Beschleunigungsindikator lediglich dazu in der Lage sein, einen Beschleunigungsvorgang in einer der Raumrichtungen nachzuweisen. Beispielsweise kann der Beschleunigungsindikator 2 am Gehäuse 3 des Akkumulators derart angebracht sein, dass er in einem Einbauzustand des Akkumulators in einen Kraftwagen Beschleunigungsereignisse nachweisen kann, die in Richtung der Längsachse des Kraftwagens auftreten. Hierdurch können sämtliche kritischen Beschleunigungsvorgänge nachgewiesen werden, die bei einem frontalen Aufprall des Kraftwagens auf ein Hindernis oder bei einem Heckaufprall auf den Kraftwagen stattfinden.
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Mehrere derartige einfache und damit besonders kostengünstige Beschleunigungsindikatoren können selbstverständlich in verschiedenen Raumrichtungen an dem Akkumulator-Gehäuse oder einem damit verbundenen Bauteil angebracht werden, wodurch Beschleunigungsvorgänge nicht nur in eine Raumrichtung sondern in zwei oder alle drei Raumrichtungen nachgewiesen werden können.
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Weiter können für die vorliegende Erfindung Beschleunigungsindikatoren verwendet werden, die einen Beschleunigungsvorgang innerhalb einer Ebene erfassen können, die also einen Erfassungswinkel von 360° oder nahezu 360° aufweisen. Auch derartige Beschleunigungsindikatoren sind aus dem Transportwesen bekannt. Durch eine geeignete Kombination mit wenigstens einem weiteren Beschleunigungsindikator können auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung Beschleunigungsvorgänge in jeder der drei Raumrichtungen nachgewiesen werden.
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Ebenso kann für die vorliegende Erfindung ein Beschleunigungsindikator verwendet werden, der Beschleunigungsvorgänge in alle drei Raumrichtungen nachweisen kann. Hierdurch können mit nur einem Beschleunigungsindikator sämtliche möglichen Beschleunigungsvorgänge nachgewiesen werden. Auch derartige Beschleunigungsindikatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Bezüglich des Aufbaus und der Funktionsweise der für die vorliegende Erfindung verwendbaren Beschleunigungsindikatoren 2 bestehen keine besonderen Einschränkungen. Es ist lediglich darauf zu achten, dass sie eine ausreichende Langzeitstabilität im automobilen Umfeld aufweisen und dazu in der Lage sind, Beschleunigungsvorgänge anzuzeigen, die einen vorgebbaren Schwellenwert erreichen oder überschreiten. Als Schwellenwert kann beispielsweise ein Wert unterhalb eines Maximalwerts für ein bauteilspezifisches Beschleunigungsniveau vorgegeben werden. Es können also alle geeigneten, derzeit oder zukünftig verfügbaren, mechanisch oder elektronisch funktionierende Beschleunigungsindikatoren verwendet werden.
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Unter Kostengesichtspunkten ist es von Vorteil, wenn die erfindungsgemäß verwendeten Beschleunigungsindikatoren mehrfach wiederverwendbar sind. Dies schließt beispielsweise die Fälle ein, bei denen ein Beschleunigungsindikator 2 einen kritischen Beschleunigungsvorgang angezeigt hat, die Überprüfung des Akkumulators sowie gegebenenfalls damit verbundener Bauteile jedoch ergeben hat, dass keine Beschädigung vorliegt. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Beschleunigungsindikator wieder in einen Zustand versetzt werden kann, der dem ursprünglichen Zustand entspricht, dass beispielsweise ein elektronischer Beschleunigungsindikator resettet, oder die Anzeige eines mechanischen Beschleunigungsindikators wieder zurückgestellt werden kann.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn ein elektronischer Beschleunigungsindikator verwendet wird, der Daten über wenigstens einen kritischen Beschleunigungsvorgang aufzeichnen und/oder an eine Auswertungseinrichtung ausgeben kann. Durch die Auswertungseinrichtung können die Daten analysiert und/oder interpretiert werden.
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Wird ein Beschleunigungswert erreicht oder überschritten, der oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwerts liegt, wird dies beispielsweise bei mechanisch funktionierenden Beschleunigungsindikatoren durch Veränderung der Farbe eines Bereichs des Beschleunigungsindikators oder durch eine sonstige sichtbare Veränderung des Beschleunigungsindikators angezeigt. Bei elektronisch funktionierenden Beschleunigungsindikatoren können entweder entsprechende Signale ausgegeben werden oder es kann durch den Beschleunigungsindikator selbst oder durch ein mit dem Beschleunigungsindikator verbundenes Anzeigemittel irgendeine geeignete Form eines Warnsignals ausgegeben werden. Ein derartiges Warnsignal kann selbstverständlich auch bei mechanisch funktionierenden Beschleunigungsindikatoren erzeugt werden, beispielsweise indem bei einem Auftreten eines kritischen Beschleunigungsereignisses sich die Form des Beschleunigungsindikators derart ändert, dass hierdurch beispielsweise ein Schalter für eine Anzeigeeinrichtung (z. B. Lautsprecher, Blinklicht, etc.) geschlossen wird.
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Die Auslegung von Bauteilen für einen Kraftwagen erfolgt in der Entwicklung derart, dass jedes Bauteil bis zu einem bestimmten Beschleunigungsniveau unbeschädigt bleibt. Für Hochvolt-Akkumulatoren liegt dieser Wert beispielsweise im Bereich von 50 g bis 60 g.
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Bei der vorliegenden Erfindung muss der wenigstens eine Beschleunigungsindikator derart ausgelegt sein, dass er jedenfalls bei dem Beschleunigungsniveau auslöst, bis zu dem eine Beschädigungsfreiheit des Akkumulators bzw. eines damit verbundenen und/oder zu überwachenden Bauteils gemäß der Spezifikation gegeben ist. Unter Sicherheitsaspekten kann der Beschleunigungsindikator jedoch auch so ausgelegt sein, dass er bereits bei einem darunter liegenden Verzögerungsniveau auslöst bzw. anzeigt.
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Die Beschleunigungsniveaus, bis zu der verschiedene Bauteile und Elemente eines Kraftwagens beschädigungsfrei bleiben, können sich erheblich unterscheiden. Auch kann das Beschleunigungsniveau, bei dem zumindest ein Airbag ausgelöst wird, deutlich unterhalb des Beschleunigungsniveaus liegen, bis zu dem noch von einer Beschädigungsfreiheit des Akkumulators bzw. eines damit verbundenen und/oder zu überwachenden Bauteils ausgegangen werden kann. Wird daher beispielsweise bei einem, einen Airbag auslösenden Unfallvorgang durch den wenigstens einen Beschleunigungsindikator kein für den Akkumulator oder ein damit verbundenes und/oder zu überwachendes Bauteil kritischer Beschleunigungsvorgang angezeigt bzw. signalisiert, so kann auf eine Begutachtung bzw. Untersuchung des Akkumulators verzichtet werden. Andererseits muss in jedem Fall, in dem der Beschleunigungsindikator einen für den Akkumulator bzw. ein damit verbundenes und/oder zu überwachendes Bauteil kritischen Beschleunigungsvorgang anzeigt bzw. signalisiert, eine Begutachtung und gegebenenfalls ein Austausch des Akkumulators bzw. der Bauteile erfolgen.
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Mit anderen Worten lässt sich die vorliegende Erfindung wie folgt zusammenfassen: Hochvolt-Batterien können bei Unfällen durch die auftretenden Verzögerungen beschädigt werden, ohne dass diese Schäden von außen sichtbar sind. Bevor ein Akkumulator unnötig ausgetauscht wird bzw. in einer Werkstatt begutachtet werden muss, kann durch die vorliegende Erfindung mit Hilfe eines einfachen Beschleunigungsindikators angezeigt werden, ob ein für die Batteriekonstruktion kritischer Beschleunigungswert erreicht oder überschritten wurde. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann insbesondere auch ein nicht erforderlicher Wechsel eines Hochvolt-Akkumulators vermieden werden.
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Erfindungsgemäß können auf dem Akkumulator bzw. einem zu überwachenden Bauteil ein oder mehrere Beschleunigungsindikatoren angebracht werden. Zeigen diese ein oder mehreren Beschleunigungsindikatoren einen kritischen Beschleunigungswert an, ist dies ein Hinweis darauf, dass eine genaue Inspektion bzw. Beurteilung durch eine Fachwerkstatt erforderlich ist.
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Die Auslegung der Bauteile erfolgt in der Entwicklung auf eine Beschädigungsfreiheit bis zu einem bestimmten Beschleunigungsniveau. Beispielsweise wird derzeit für Hochvolt-Akkumulatoren gefordert, dass sie Beschleunigungsvorgänge bis zu einer Größe von etwa 60 g beschädigungsfrei überstehen. Der Beschleunigungsindikator sollte aus Sicherheitsgründen bereits bei einem geringeren Verzögerungsniveau auslösen. Löst der Beschleunigungsindikator aus, muss eine Begutachtung bzw. ein Austausch der betroffenen Bauteile erfolgen.
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Durch die vorliegende Erfindung wird ein einfach zu überwachendes System geschaffen, das sehr schnell Aufschluss über den Zustand eines Hochvolt-Akkumulators ermöglicht und – auch wenn dies von außen nicht ersichtlich ist – auf mögliche innere Beschädigungen und eine hierdurch notwendige Reparatur bzw. einen Austausch hinweist. Durch die vorliegende Erfindung wird auch ein unnötiger Austausch in Folge von nicht vorhandenen Diagnosegeräten vermieden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Akkumulator
- 2
- Beschleunigungsindikator
- 3
- Gehäuse
- 4
- Akkumulator-Zelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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