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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Speicherung von elektrischer Energie. Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Energiespeichersystem mit einer Trägerstruktur.
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Als elektromobile Kraftfahrzeuge bezeichnet man im Allgemeinen Kraftfahrzeuge, die ganz oder teilweise mittels elektrischer Energie angetrieben werden. Elektromobile Kraftfahrzeuge können beispielsweise Kraftfahrzeuge mit einem Hybridantrieb oder reine Elektrofahrzeuge sein.
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Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrische Energiespeicher auf. Die elektrische Maschine eines Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder als elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine verwendet werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie.
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Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt.
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Beide Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug, zeichnen sich dadurch aus, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen.
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Die Steuerung des elektrischen Energieflusses zu und von einem elektrischen Energiespeicher eines elektromobilen Kraftfahrzeugs erfolgt über eine Elektronik, welche häufig auch als Batteriemanagementsystem oder Hybridcontroller bezeichnet wird. Diese Elektronik regelt unter anderem, ob und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll.
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Die Energieentnahme aus dem Energiespeicher dient allgemein zur Bereitstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung beispielsweise durch die Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie dient der Aufladung des elektrischen Energiespeichers. Außerdem kann der elektrische Energiespeicher bei Hybridanwendungen auch während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt der Verbrennungsmotor bereit.
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Als elektrische Energiespeicher für elektromobile Kraftfahrzeuge lassen sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metallhydrid-, Nickel/Zink, Zink/Luft, Lithium/Luft, Lithium-Polymer oder Lithium-Ionen Zellen nutzen.
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Bei Lithium-Ionen Energiespeicherzellen im sog. Softcase-Design, bei dem das Gehäuse der Energiespeicherzelle typischerweise mittels einer Aluminiumverbundfolie realisiert ist, kann es im Falle von Fehlfunktionen oder einer elektrischen Überladung zum Aufblähen des Gehäuses infolge einer Zersetzung des in dem Gehäuse befindlichen Elektrolyts kommen. Die dabei entstehende übermäßige Ausgasung führt zum Anstieg des Drucks und zu einem Aufblasen oder zu einer Ausdehnung der betreffenden Softcase-Zelle. Dabei kann unter Umständen auch ein sehr starker Druck auf benachbarte Zellen und/oder anderen Komponenten, beispielsweise Elektronikkomponenten, auftreten. Im extremen Fall kann durch den Druck und die Ausdehnung von einer oder von mehreren Zellen die Elektronik so stark beschädigt wird, dass keine Kommunikation mehr zum elektromobilen Fahrzeug besteht, keine Sicherheitsüberwachung mehr funktioniert und/oder der gesamte elektrische Energiespeicher ausfällt. Ferner ist es möglich, dass ein Außengehäuse des gesamten elektrischen Energiespeichers beschädigt wird und es zu einem Bersten des Gehäuses eines einzelnen elektrischen Energiespeichermoduls und/oder eines gesamten elektrischen Energiespeichers kommt, welcher beispielsweise mehrere Energiespeichermodule aufweist. Im Gegensatz zu anderen Gehäusevarianten für Lithium-Ionen Zellen, beispielsweise einem sog. Hardcase aus prismatischen oder zylindrischen Aluminiumbechern, fehlt bei Lithium-Ionen Softcase-Zellen nämlich ein Überdruckventil, welches einen Druckausgleich ermöglichen könnte.
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Obwohl das vorstehende Beschädigungsszenario im normalen Betrieb eines elektromobilen Kraftfahrzeugs eher selten vorkommt, muss aus Gründen eines maximalen Personenschutzes eine Möglichkeit zur Beseitigung eines Überdrucks innerhalb der betreffenden Energiespeicherzelle geschaffen werden.
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Eine Möglichkeit für die Beseitigung eines Überdrucks in einer elektrochemischen Energiespeicherzelle ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 048 236 A1 bekannt, welche eine gasdichte Umhüllung für einen Elektrodenstapel offenbart. Diese Umhüllung weist eine Druckentlastungsvorrichtung auf, welche in Form einer Sollbruchstelle realisiert ist. Genauer ausgedrückt umfasst die Druckentastungsvorrichtung eine Berstfolie, welche zusammen mit einem Dorn im Bereich eines Durchbruchs in der Umhüllung angeordnet ist. Bei einem Überdruck in der elektrochemischen Energiespeicherzelle wird die Berstfolie gegen den Dorn gedruckt, so dass die Berstfolie durchstochen wird und in der betreffenden Energiespeicherzelle unter Druckstehendes Gas oder unter Druck stehende Flüssigkeit aus der nun nicht mehr dichten Umhüllung austreten kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Druckentlastung von Energiespeicherzellen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen, weitere Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Trägerstruktur beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem elektrischen Energiespeichersystem und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung dieser Erfindung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Trägerstruktur für Energiespeicherzellen eines elektrischen Energiespeichers beschrieben. Die beschriebene Trägerstruktur eignet sich für elektrochemische und/oder elektrostatische Energiespeicherzellen eines elektrischen Energiespeichers für ein elektromobiles Kraftfahrzeug. Die beschriebene Trägerstruktur weist auf (a) einen Grundkörper, und (b) ein erstes Trägerelement, welches an dem Grundkörper angebracht ist und welches einen ersten Abschnitt aufweist, der sich ausgehend von einer Anbringungsoberfläche des Grundkörpers von dem Grundkörper weg erstreckt. Der erste Abschnitt weist eine erste Montageoberfläche auf, an welcher eine erste Energiespeicherzelle anbringbar ist. Ferner ist ein zweites Trägerelement vorgesehen, welches an dem Grundkörper angebracht ist und welches einen zweiten Abschnitt aufweist, der sich ausgehend von der Anbringungsoberfläche des Grundkörpers von dem Grundkörper weg erstreckt. Der zweite Abschnitt weist eine zweite Montageoberfläche auf, an welcher eine zweite Energiespeicherzelle anbringbar ist. Zudem ist ein erstes Penetrationselement vorgesehen, welches an dem ersten Trägerelement angebracht ist und welches derart ausgebildet ist, dass bei einem mechanischen Kontakt zwischen der zweiten Energiespeicherzelle und dem ersten Penetrationselement eine Umhüllung der zweiten Energiespeicherzelle geöffnet wird. Vorzugsweise sind die erste und/oder die zweite Montageoberfläche zumindest annähernd planar, können jedoch auch andere Formen aufweisen, und insbesondere eine lineare oder gekrümmte flächige Form aufweisen. Ferner ist das Penetrationselement derart ausgerichtet, die Energiespeicherzelle zu öffnen. Das Penetrationselement ist zu dieser Energiespeicherzelle hin ausgerichtet.
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Der beschriebenen Trägerstruktur liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Anbringung des ersten Penetrationselements an der ersten Trägerstruktur eine zuverlässige Öffnung der zweiten Energiespeicherzelle erreicht wird. Dabei kann nach einer Annäherung der zweiten Energiespeicherzelle an das erste Penetrationselement der mechanische Kontakt zwischen Energiespeicherzelle und dem ersten Penetrationselement nicht nur bei einer Volumenausdehnung der zweiten Energiespeicherzelle sondern auch bei einer Deformation der Trägerstruktur stattfinden, welche dazu führt, dass sich das erste Trägerelement hin zu dem zweiten Trägerelement verbiegt. Eine solche (ungewollte) Deformation kann beispielsweise bei einer starken mechanischen Beanspruchung der Trägerstruktur erfolgen, welche beispielsweise bei einem Unfall eines elektromobilen Kraftfahrzeugs auftreten kann.
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Anschaulich ausgedrückt wird die zweite Energiespeicherzelle nicht nur dann mittels des ersten Penetrationselements perforiert, wenn diese zu prall wird, sondern auch dann, wenn die Trägerstruktur beispielsweise durch einen Aufprall beschädigt wird und dabei der zweite Abschnitt ggf. zusammen mit dem ersten Abschnitt in Bezug zu der Anbringungsoberfläche geneigt oder verborgen wird.
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Die Anbringung des ersten Penetrationselements an dem ersten Trägerelement hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Trägerstruktur mit herkömmlichen Energiespeicherzellen bestückt werden kann. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Konzepten zur Penetration oder Perforation einer Energiespeicherzelle bei einem Überdruck in dem Zellinneren ist es nicht erforderlich, die Energiespeicherzellen dahingehend zu modifizieren, dass ein geeigneter Zellpenetrator an der Zelle selbst angebracht wird. Bei der erfindungsgemäßen Trägerstruktur ist es lediglich erforderlich, dass eine Spitze des Penetrationselements derart ausgebildet ist, dass die Umhüllung der zweiten Energiespeicherzelle bei einem ausreichend starken mechanischen Kontakt zwischen der zweiten Energiespeicherzelle und dem Penetrationselement auch tatsächlich so beschädigt wird, dass diese nicht mehr dicht ist und ein Gas und/oder eine Flüssigkeit aus dem druckbelasteten Innenraum der zweiten Energiespeicherzelle austreten kann. Die Spitze des Penetrationselements kann eine Nadelspitze bzw. Punktspitze sein oder kann eine scharfe Kante aufweisen, die zur betreffenden Energiespeicherzelle hin gerichtet ist.
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Durch die beschriebene Trägerstruktur kann auf einfache Weise verhindert werden, dass bei einem Überdruck in einer Energiespeicherzelle ein gesamtes Energiespeichermodul oder ein gesamter Energiespeicher mit jeweils mehreren Energiespeicherzellen beschädigt wird. Damit kann ein Bersten des gesamten Energiespeichers und/oder eine Beschädigung einer Steuer- und/oder Auswerteelektronik infolge eines unkontrollierten und plötzlichen Austretens von gasförmigen oder flüssigen chemischen Bestandteilen von Energiespeicherzellen vermieden werden.
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Die erste und/oder der zweite Abschnitt haben vorzugsweise die Form eines Stegs und können als Stegabschnitt bezeichnet werden. Der erste und/oder der zweite Abschnitt können als Stegelement realisiert sein.
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Bevorzugt sind die Stegelemente der beiden Trägerelemente parallel zueinander ausgerichtet. Ferner können die beiden Stegelemente senkrecht zu der Anbringungsoberfläche orientiert sein. Auf diese Weise kann die gesamte Trägerstruktur bzw. ein Energiespeicher, bei dem die Trägerelemente mit Energiespeicherzellen bestückt sind, in einer kompakten Bauform realisiert werden.
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Die beschriebene Trägerstruktur kann einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. In einer bevorzugten einstückigen Ausgestaltung ist das erste Penetrationselement an dem ersten Trägerelement und die beiden Trägerelemente sind an dem Grundkörper angeformt. Bei einer mehrstückigen Ausgestaltung kann das erste Penetrationselement an dem ersten Trägerelement und/oder es können die beiden Trägerelemente an dem Grundkörper auf geeignete Weise angebracht bzw. montiert sein.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Trägerstruktur für eine Vielzahl von verschiedenen Arten von elektrischen Energiespeicherzellen zum Aufbau eines elektrischen Energiespeichers oder Energiespeichermoduls verwendet werden kann. Insbesondere eignet sich die beschriebene Trägerstruktur nicht nur für elektrochemische Energiespeicher wie beispielsweise Lithium-Polymer oder Lithium-Ionen Akkus sondern auch für elektrostatische Energiespeicher wie beispielsweise Doppelschichtkondensatoren oder Lithiumkondensatoren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Trägerstruktur ferner auf (a) ein drittes Trägerelement, welches an dem Grundkörper angebracht ist und welches einen dritten Abschnitt aufweist, der sich ausgehend von der Anbringungsoberfläche des Grundkörpers von dem Grundkörper weg erstreckt, wobei der dritte Abschnitt eine dritte Montageoberfläche aufweist, an welcher eine dritte Energiespeicherzelle anbringbar ist. Weiterhin umfasst die Trägerstruktur (b) ein zweites Penetrationselement, welches an dem zweiten Trägerelement angebracht ist und welches derart ausgebildet ist, dass bei einem mechanischen Kontakt zwischen der dritten Energiespeicherzelle und dem zweiten Penetrationselement eine Umhüllung der dritten Energiespeicherzelle geöffnet wird. Der dritte Abschnitt kann als Steg ausgebildet sein und als dritter Stegabschnitt bezeichnet werden. Die dritte Montageoberfläche kann zumindest annähernd planar sein, oder kann linear sein, oder kann die Form einer gekrümmten Fläche haben.
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Die beschriebene Trägerstruktur hat den Vorteil, dass die Penetration nicht nur an einer Energiespeicherzelle sondern bei Bedarf auch an weiteren Energiespeicherzellen ausgeführt werden kann, welche aufgrund von chemischen Prozessen (Alterung, Überladung, etc.) aufgebläht sind und/oder aufgrund einer mechanischen Verbiegung des zugeordneten Trägerelements mit einem Penetrationselement mechanisch in Kontakt kommen, welches dem Trägerelement einer benachbarten Energiespeicherzelle zugeordnet ist. Im Prinzip kann die beschriebene Trägerstruktur auf eine beliebige Anzahl von Trägerelementen erweitert werden, wobei jeweils das an einem bestimmten Trägerelement angebrachte Penetrationselement eine Energiespeicherzelle penetrieren oder öffnen kann, welche an einem Trägerelement angebracht ist, das benachbart zu dem bestimmten Trägerelement ist. Die Umhüllung ist vorzugsweise flexibel, beispielsweise eine Kunststofffolie.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Grundkörper ein Kühlkörper und die Trägerelemente sind jeweils eine an dem Kühlkörper angebrachte Kühlfinne.
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Der Kühlkörper und/oder die Kühlfinnen können bevorzugt aus einem thermisch gut leitenden Material, insbesondere Aluminium, hergestellt sein. Ferner sollte eine gute thermische Ankopplung der Kühlfinnen an den Kühlkörper gegeben sein.
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In dem Kühlkörper können Kühlkanäle ausgebildet sein, durch welche eine Kühlflüssigkeit strömen kann, welche von den Energiespeicherzellen erzeugte und über die betreffenden Kühlfinnen an den Grundkörper übertragenen Wärme auf bekannte Weise abführt. Es ist auch möglich, dass sich die Kühlkanäle oder zumindest ein Kühlkanal bis in den Bereich des betreffenden Trägerelements bzw. Abschnitts erstrecken und so für eine noch bessere Wärmeabfuhr sorgen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das erste Penetrationselement an einer der ersten Montagefläche gegenüberliegenden Oberfläche des ersten Abschnitts angebracht ist. Sofern vorhanden ist außerdem das zweite Penetrationselement an einer der zweiten Montagefläche gegenüberliegenden Oberfläche des zweiten Abschnitts angebracht.
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Bevorzugt kann das Penetrationselement in der Mitte des jeweiligen Abschnitts angebracht sein, so dass es bei einem Aufblähen der dem Penetrationselement gegenüberliegenden Energiespeicherzelle bereits frühzeitig zu einer Perforation kommt, da die Dicke einer aufgeblähten Energiespeicherzelle typischerweise in der Mitte der Zelle am größten ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das erste Trägerelement einen ersten Sockelabschnitt auf, welcher den ersten Abschnitt mit dem Grundkörper verbindet. In entsprechender Weise weist das zweite Trägerelement einen zweiten Sockelabschnitt auf, welcher den zweiten Abschnitt mit dem Grundkörper verbindet. Das erste Penetrationselement ist an dem ersten Sockelabschnitt angebracht und, sofern vorhanden, ist das zweite Penetrationselement an dem zweiten Sockelabschnitt angebracht.
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Bei dieser Ausführungsform sind die Penetrationselemente also nicht mittig am Abschnitt sondern nahe bei der Verbindungsstelle zwischen dem jeweiligen Trägerelement und dem Grundkörper angebracht. Diese in Bezug auf das jeweilige Trägerelement asymmetrische Anbringung des jeweiligen Penetrationselementes hat den Vorteil, dass an der der jeweiligen Montageoberfläche gegenüber liegenden Oberfläche des betreffenden Abschnitts, welche frei von einem Penetrationselement ist, eine weitere Energiespeicherzelle angebracht werden kann. Damit können also trotz des Vorhandenseins eines Penetrationselementes auf vorteilhafte Weise an jedem Trägerelement zwei elektrische Energiespeicherzellen angebracht werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Trägerstruktur ferner ein weiteres erstes Penetrationselement auf, welches an dem ersten Sockelabschnitt angebracht und im Vergleich zu dem ersten Penetrationselement in eine unterschiedliche Richtung gerichtet ist. Sofern ein zweites Penetrationselement vorhanden ist weist die Trägerstruktur ferner ein weiteres zweites Penetrationselement auf, welches an dem zweiten Sockelabschnitt angebracht und im Vergleich zu dem zweiten Penetrationselement in eine unterschiedliche Richtung gerichtet ist.
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Bevorzugt sind die beiden an einem gemeinsamen Sockelabschnitt angebrachten Penetrationselemente derart ausgebildet, dass eines der beiden Penetrationselemente eine Energiespeicherzelle penetrieren kann, welche an einem in einer Richtung benachbarten Trägerelement angebracht ist, und dass das andere der beiden Penetrationselemente eine andere Energiespeicherzelle penetrieren kann, welche an einem Trägerelement angebracht ist, welches in einer anderen zu der einen Richtung entgegengesetzten Richtung benachbart ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist zumindest eines der Penetrationselemente eine Hohlnadel auf. Dies hat den Vorteil, dass aus dem Inneren der penetrierten Energiespeicherzelle austretende Substanzen nicht unkontrolliert an die Umgebung abgeführt werden sondern in kontrollierter Weise einem Auffangvolumen oder ein Entladungsvolumen bereitgestellt werden können. Dieses Auffangvolumen ist fluidtechnisch getrennt von einem Raum, in dem sich die Energiespeicherzellen befinden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Trägerstruktur ferner einen Entladungskanal auf, welcher zumindest teilweise in dem Grundelement ausgebildet ist, wobei der Entladungskanal mit zumindest einem der in Form einer Hohlnadel ausgebildeten Penetrationselemente verbunden ist.
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Der beschriebene Entladungskanal kann mit einer oder mit mehreren als Hohlnadel ausgebildeten Penetrationselemente verbunden sein. Im Falle der Verbindung mit mehreren als Hohlnadeln ausgebildeten Penetrationselementen kann der Entladungskanal auch als zentraler Entladungskanal bezeichnet werden.
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Abhängig von der Position, an welcher die Penetrationselemente angebracht sind, kann sich der Entladungskanal nicht nur in dem Grundelement sondern ggf. auch in dem jeweiligen oben beschriebenen Sockelelement und/oder dem jeweiligen oben beschriebenen Abschnitt befinden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Trägerstruktur zusätzlich ein Schlauchsystem auf, welches mit dem Entladungskanal verbunden ist. Insbesondere kann der Entladungskanal in das Schlauchsystem münden, welches dafür sorgt, dass die aus den betreffenden perforierten oder penetrierten Energiespeicherzellen austretenden Substanzen an einer geeigneten Stelle in die Umgebung abgegeben werden, wo keine Gefahr mehr für die Verletzung von Personen oder die Beschädigung von anderen insbesondere elektrischen Komponenten besteht. Optional kann in dem Entladungskanal oder in einem mit dem Entladungskanal verbundenen Auffangvolumen auch ein Überdruckventil angeordnet sein, so dass eine Abgabe von aus einer penetrierten Energiespeicherzelle ausgetretenen Substanzen erst ab einem gewissen Druck der ausgetretenen Substanz erfolgt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Trägerstruktur ferner einen Rückzündungsschutz auf, welcher in oder an dem Entladungskanal angeordnet ist. Der Rückzündungsschutz kann beispielsweise eine in dem Entladungskanal befindliche Fritte sein. Somit kann auf einfache Weise eine Explosion oder eine Verbrennung von gefährlichen aus einer Energiespeicherzelle ausgetretenen Substanzen, die sich noch im Entladungskanal befinden, verhindert werden.
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Es wird ein elektrisches Energiespeichersystem mit einem elektrischen Energiespeicher beschrieben, welcher insbesondere für ein elektromobiles Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Der elektrische Energiespeicher eines elektrischen Energiespeichersystems weist auf (a) eine Trägerstruktur des vorstehend beschriebenen Typs und (b) eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen, welche einzeln oder paarweise an jeweils einem Trägerelement der Trägerstruktur angeordnet sind.
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Dem beschriebenen elektrischen Energiespeichersystem mit einem elektrischen Energiespeicher liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit der vorstehend beschriebenen Trägerstruktur ein mechanisch stabiles Gerüst für einen elektrischen Energiespeicher oder ein Energiespeichermodul bereitgestellt ist, wobei an den Trägerelementen innerhalb eines engen Bauraums mehrere Energiespeicherzellen angebracht werden können. Dabei kann durch das zumindest eine Penetrationselement sichergestellt werden, dass eine Energiespeicherzelle, welche sich beispielsweise infolge einer Fehlfunktion und/oder einer elektrischen Überladung aufgebläht hat, zuverlässig geöffnet wird, so dass ggf. explosive Substanzen abgeführt werden, bevor es zu einer weitergehenden Beschädigung des elektrischen Energiespeichers kommt.
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Es wird ein elektrisches Energiespeichersystem beschrieben, welches insbesondere für ein elektromobiles Kraftfahrzeug verwendet werden kann.
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Dem elektrischen Energiespeichersystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der vorstehend beschriebene elektrische Energiespeicher auf einfache Weise mit einer Überwachungsfunktionalität ausgestattet werden kann, welche dafür sorgt, dass eine Öffnung einer Energiespeicherzelle erkannt wird.
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Der Sensor kann jeder beliebige Sensor sein, welcher zumindest eine ausgetretene Substanz direkt oder indirekt detektieren kann und/oder welcher basierend auf anderen Informationen über den Zustand einer Energiespeicherzelle erkennen kann, ob diese Energiespeicherzelle geöffnet wurde.
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Der beschriebene Sensor kann beispielsweise ein Gassensor sein, welcher zur Detektion von spezifischen Substanzen einer Energiespeicherzelle eingerichtet ist. Der Sensor kann jedoch auch derart ausgebildet sein, dass die Beschädigung der Umhüllung einer Energiespeicherzelle direkt erkannt werden kann. Dies kann beispielsweise mittels eines Dehnungsstreifens erfolgen, welcher an einer Umhüllung der Energiespeicherzelle angebracht ist und somit ein Aufblähen der Umhüllung direkt feststellen kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das elektrische Energiespeichersystem ferner eine Steuervorrichtung auf, welche mit dem Sensor gekoppelt ist und welche derart eingerichtet ist, nach der Detektion einer geöffneten Energiespeicherzelle den elektrischen Energiespeicher unter Berücksichtigung der Information über die Öffnung der Energiespeicherzelle zu betreiben.
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Anschaulich ausgedrückt kann der Sensor nach einer Beseitigung der unmittelbaren Gefahr infolge eines Überdrucks in der betreffenden Energiespeicherzelle die Steuervorrichtung darüber informieren, dass eine und ggf. auch welche Energiespeicherzelle geöffnet wurde und demzufolge als defekt anzusehen ist. Die Steuervorrichtung, welche beispielsweise in einem Batteriemanagementsystem implementiert werden kann, kann einem Benutzer oder einem Mechaniker, welcher für eine Wartung oder eine Instandsetzung des Energiespeichersystems verantwortlich ist, eine entsprechende Information über die Schädigung einer Zelle geben. Diese spezifische Information kann durch ein geeignetes visuelles oder akustisches Signal an die betreffende Person erfolgen. Außerdem kann diese Information über eine eingeschränkte oder ggf. keine weitere Nutzung des betreffenden Energiespeichers über ein Bussystem weitergegeben werden. In der Steuervorrichtung kann der Fehler bzw. die Öffnung der Energiespeicherzelle bewertet werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
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1a und 1b zeigen zum besseren Verständnis der Erfindung einen Ausschnitt aus einem bekannten elektrischen Energiespeicher, bei dem ein Aufblähen einer Energiespeicherzelle zu einer mechanischen Beschädigung einer Trägerstruktur des Energiespeichers führt.
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2 zeigt eine Trägerstruktur mit Penetrationselementen, die jeweils ungefähr in der Mitte eines Abschnittes eines als Kühlfinne ausgebildeten Trägerelements angeordnet sind und deren Spitzen jeweils zu der Energiespeicherzelle eines benachbarten Trägerelementes gerichtet sind.
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3 zeigt eine Trägerstruktur, bei der jeweils zwei Penetrationselemente an einem Sockelabschnitt eines als Kühlfinne ausgebildeten Trägerelements angebracht sind.
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4 zeigt einen elektrischen Energiespeicher mit einer Trägerstruktur, bei der die Penetrationselemente als Hohlnadeln ausgebildet sind und in einen Entladungskanal münden.
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5 zeigt einen elektrischen Energiespeicher mit einer Trägerstruktur, bei der ein Entladungskanal mit einem Schlauchsystem verbunden ist, welches dafür sorgt, dass die aus einer penetrierten Energiespeicherzelle austretenden Substanzen an einer geeigneten Stelle an die Umgebung abgegeben werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit anderen Bezugszeichen versehen sind, welche sich lediglich in ihrer ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheiden. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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Die 1a und 1b zeigen zum besseren Verständnis der Erfindung einen Ausschnitt aus einem bekannten elektrischen Energiespeicher, bei dem ein Aufblähen einer Energiespeicherzelle zu einer mechanischen Beschädigung einer Trägerstruktur des Energiespeichers führt.
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1a zeigt den elektrischen Energiespeicher in einem voll funktionsfähigen Zustand. Der Energiespeicher weist als mechanisches Gerüst eine Trägerstruktur 150 auf, welche ein Grundelement 160 und zwei Trägerelemente, ein erstes Trägerelement 170 und ein zweites Trägerelement 180, umfasst. Das erste Trägerelement 170 weist einen ersten Sockelabschnitt 174 und einen ersten Abschnitt 172 auf. Das zweite Trägerelement 180 weist einen zweiten Sockelabschnitt 184 und einen zweiten Abschnitt 122 auf. Die Sockelabschnitte 174 und 184 stellen jeweils die Verbindung des betreffenden Trägerelements 170 bzw. 180 zu dem Grundelement 160 dar. Die beiden Trägerelemente 170 und 180 fungieren jeweils als Kühlfinne, mit der in den beiden Energiespeicherzellen, der ersten Energiespeicherzelle 110 und der zweiten Energiespeicherzelle 120, produzierte Wärme zu dem Grundelement 160 abgeführt wird. Sowohl die beiden Trägerelemente 170 und 180 als auch das Grundelement 160 sind aus einem thermisch gut leitfähigen Material, beispielsweise Aluminium, hergestellt. Die Abschnitte 172 und 182 sind vorzugsweise Stegabschnitte.
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Je nach Anwendung können die beiden Energiespeicherzellen 110 und 120 parallel oder in Serie miteinander verschaltet sein. Dazu besteht zwischen den beiden Energiespeicherzellen 110 und 120 eine elektrische Verbindung 125, mit der ein Anschlusselement 112 der ersten Energiespeicherzelle 110 und ein Anschlusselement 122 der zweiten Energiespeicherzelle 120 elektrisch miteinander verbunden sind. Von der elektrischen Verbindung zwischen den beiden Energiespeicherzellen 110, 120 und weiteren, in 1a nicht dargestellten Energiespeicherzellen, ist in der Schnittdarstellung von 1a lediglich ein Teil dargestellt.
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1b zeigt den elektrischen Energiespeicher in einem nicht oder zumindest nicht voll funktionsfähigen Zustand, welcher dadurch verursacht wurde, dass die zweite Energiespeicherzelle 120 beispielsweise aufgrund einer Überladung zerstört wurde. Dabei wurde in der zweiten Energiespeicherzelle 120 ein so großer Überdruck erzeugt, dass sich deren Umhüllung aufgebläht hat. Diese Aufblähung war so stark, dass das zweite Trägerelement 180 verborgen wurde. Auch wenn ein solcher Zustand bei einem elektrischen Energiespeichersystem insbesondere für elektromobile Kraftfahrzeuge nur selten vorkommt, gilt es doch diesen zuverlässig zu vermeiden.
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2 zeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Trägerstruktur 250, welche abgesehen von zwei als Nadelspitzen ausgebildeten Penetrationselementen, ein erstes Penetrationselement 276 und ein zweites Penetrationselement 286, mit der in 1a dargestellten Trägerstruktur 250 identisch ist.
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Wie aus 2 ersichtlich, weist die Trägerstruktur 250 ebenfalls ein Grundelement 260 auf, an dem zwei als Kühlfinnen ausgebildete Trägerelemente, ein erstes Trägerelement 270 und ein zweites Trägerelement 280, angebracht sind. Das erste Trägerelement 270 weist einen ersten Sockelabschnitt 274 und einen ersten Abschnitt 272 auf. An einer planaren Montageoberfläche des ersten Abschnitts 272 ist eine erste Energiespeicherzelle 210 beispielsweise mittels einer Klebeverbindung angebracht. Das zweite Trägerelement 280 weist einen zweiten Sockelabschnitt 284 und einen zweiten Abschnitt 282 auf. An einer planaren Montageoberfläche des zweiten Abschnitts 282 ist eine zweite Energiespeicherzelle 220 beispielsweise mittels einer Klebeverbindung angebracht. Mittels einer elektrischen Verbindung 225 von zwei Anschlusselementen 212 und 222 sind die beiden Energiespeicherzellen 210 und 220 je nach Anwendung in einer Parallelschaltung oder in einer Serienschaltung elektrisch miteinander verbunden. Die Abschnitte 272 und 282 können Stegabschnitte sein.
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Das erste Penetrationselement 276 ist ungefähr in der Mitte des ersten Abschnitts 272 angeordnet. Die Nadelspitze des ersten Penetrationselements 276 zeigt in Richtung der zweiten Energiespeicherzelle 220. Sollte sich die zweite Energiespeicherzelle 220 beispielsweise aufgrund einer elektrischen Überladung aufblähen, dann wird das erste Penetrationselement 276 bei einem gewissen Ausdehnungsgrad die Umhüllung der zweiten Energiespeicherzelle 220 durchstoßen. Durch die dadurch resultierende Öffnung der Umhüllung kann dann ein Gas oder eine Flüssigkeit aus dem Inneren der Energiespeicherzelle 220 austreten und ein weiteres Aufblähen und damit eine Verbiegung des ersten Trägerelements 270 und/oder des zweiten Trägerelements 280 kann zuverlässig verhindert werden. Gleiches gilt für den Fall, dass sich aus welchen Gründen auch immer das zweite Trägerelement 280 nach rechts verbiegt und/oder das erste Trägerelement 270 nach links verbiegt. Bei einer Penetration der zweiten Energiespeicherzelle 220 kann dann, jedenfalls bei nicht zu großen Verbiegungen, dafür gesorgt werden, dass die zweite Energiespeicherzelle 220 nicht mit dem ersten Abschnitt 272 in Kontakt kommt. Auf diese Weise kann eine Deformation von einem Trägerelement 270 oder 280 durch eine Verbiegung des anderen Trägerelements 280 bzw. 270 zumindest bei nicht allzu großen Biegewinkeln verhindert werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass entsprechende Wirkungen auch für das zweite Penetrationselement 286 in Bezug auf eine in 2 nicht dargestellte dritte Energiespeicherzelle gelten, welche an einem ebenfalls nicht dargestellten dritten Trägerelement in 2 links von dem zweiten Trägerelement 280 angeordnet ist. Die beschriebene Trägerstruktur 250 kann also durch weitere Energiespeicherzellen im Prinzip beliebig erweitert werden.
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3 zeigt eine Trägerstruktur 350 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Penetrationselemente nicht mehr an den Abschnitten 272 bzw. 282 sondern an den Sockelabschnitten 274 bzw. 284 angeordnet sind. Im Gegensatz zu der Trägerstruktur 250 sind ferner für jedes Trägerelement 270, 280 zwei Penetrationselemente vorhanden. Genauer ausgedrückt befinden sich an dem ersten Sockelabschnitt 274 zwei Penetrationselemente, ein erstes Penetrationselement 376 sowie ein weiteres erstes Penetrationselement 377. In entsprechender Weise befinden sich an dem zweiten Sockelabschnitt 284 ein zweites Penetrationselement 386 sowie ein weiteres zweites Penetrationselement 387.
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Ein weiterer Unterschied im Vergleich zu der in 2 dargestellten Trägerstruktur 250 besteht darin, dass an jedem der beiden Trägerelemente 270, 280 jeweils zwei Energiespeicherzellen angebracht sind. Genauer ausgedrückt ist an dem ersten Trägerelement 270 neben einer ersten Energiespeicherzelle 210 noch eine weitere erste Energiespeicherzelle 311 befestigt. Dabei befindet sich die weitere erste Energiespeicherzelle 321 an der Seite, an der in der Trägerstruktur 250 von 2 das Penetrationselement 276 angeformt war. In entsprechender Weise ist an dem zweiten Trägerelement 280 neben einer zweiten Energiespeicherzelle 220 noch eine weitere zweite Energiespeicherzelle 321 befestigt. Auch hier befindet sich die weitere zweite Energiespeicherzelle 321 in Bezug auf die zweite Energiespeicherzelle 220 an der gegenüberliegenden Seite des zweiten Abschnitts 282.
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Über elektrische Verbindungen 325 sind die einzelnen Energiespeicherzellen 210, 311, 220, 321 auf geeignete Weise elektrisch miteinander verbunden.
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Wie aus 3 ersichtlich, ist jeweils eines der Penetrationselemente 376, 377, 386, 387 auf eine der Energiespeicherzellen gerichtet. Falls sich also eine Energiespeicherzelle aufbläht oder aus anderen Gründen mit der Spitze des entsprechenden Penetrationselements in Kontakt kommt, wird die Umhüllung der betreffenden Energiespeicherzelle durchstoßen. Genauer ausgedrückt kann das erste Penetrationselement 376 die zweite Energiespeicherzelle 220 öffnen, falls diese sich zu stark aufbläht. Das weitere erste Penetrationselement 377 kann eine nicht dargestellte aufgeblähte Energiespeicherzelle öffnen, welche sich in 3 rechts von der Energiespeicherzelle 210 befindet. Das weitere zweite Penetrationselement 387 kann die weitere erste Energiespeicherzelle 311 öffnen und das zweite Penetrationselement 386 kann eine nicht dargestellte aufgeblähte Energiespeicherzelle öffnen, welche sich in 3 links von der weiteren zweiten Energiespeicherzelle 321 befindet.
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4 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 400 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der elektrische Energiespeicher weist ein Gehäuse 402 auf, in welchem sich eine Trägerstruktur 450 befindet, welche sehr ähnlich zu der Trägerstruktur 350 von 3 aufgebaut ist. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, werden deshalb die im Vergleich zu der Trägerstruktur 350 gleichen Komponenten nicht noch einmal erläutert.
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Wie aus 4 ersichtlich, unterscheiden sich die Penetrationselemente 476, 477, 486 und 487 von den Penetrationselementen 376, 377, 386 bzw. 387 dadurch, dass die Penetrationselemente 476, 477, 486 und 487 als Hohlnadeln ausgebildet sind. Durch die Längsöffnungen dieser Hohlnadeln können Substanzen, welche beim Durchstoßen der Umhüllung einer Energiespeicherzelle aus dem Innenraum der betreffenden Energiespeicherzelle austreten, in einen in dem Grundelement 460 ausgeformten Entladungskanal 462 strömen. Selbstverständlich müssen dazu noch die Sockelabschnitte 474 und 484 im Vergleich zu den Sockelabschnitten 274 bzw. 284 dahingehend modifiziert werden, dass für jedes Penetrationselement 476, 477, 486, 487 ein entsprechender Verbindungskanal hin zu dem Entladungskanal 462 vorhanden ist.
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In dem Entladungskanal 462 können optional noch Rückzündungsschutzeinrichtungen 466 vorgesehen sein, um in dem Entladungskanal 462 die Gefahr einer Explosion oder einer Verbrennung von einer Substanz zu verringern, welche aus einer Energiespeicherzelle ausgetreten ist. Die Rückzündungsschutzeinrichtungen 466 können beispielsweise mittels einer bekannten Fritte realisiert sein.
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Außerdem können ebenfalls optional am Ende des Entladungskanals 462 Überdruckventile 464 vorgesehen sein. Diese können dafür sorgen, dass erst ab einem gewissen Druck innerhalb des Entladungskanals 462 derartige Substanzen an die Umgebung des elektrischen Energiespeichers 400 abgegeben werden. In diesem Sinn stellt der Entladungskanal 462 bis hin zu einem bestimmten Druck ein Auffangvolumen für Substanzen dar, welche aus einer Energiespeicherzelle ausgetreten sind.
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5 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 500 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Energiespeicher unterscheidet sich von dem Energiespeicher 400 von 4 lediglich darin, dass keine Überdruckventile und keine Rückzündungsschutzeinrichtungen vorhanden sind. Dafür sind die beiden Ausgänge des Entladungskanals 462 jeweils mit einem Schlauchsystem 540 verbunden, welches dafür sorgt, dass die aus einer penetrierten Energiespeicherzelle austretenden Substanzen an einer geeigneten Stelle aufgefangen und/oder an die Umgebung abgegeben werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der Entladungskanal auch lediglich einen einzigen Ausgang aufweisen kann. Dieses gilt sowohl für die Ausführungsform von 4 als auch für die Ausführungsform von 5.
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Bezugszeichenliste
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- 110
- erste Energiespeicherzelle
- 112
- Anschlusselement
- 120
- zweite Energiespeicherzelle
- 122
- Anschlusselement
- 125
- elektrische Verbindung
- 150
- Trägerstruktur
- 160
- Grundelement
- 170
- erstes Trägerelement/erste Kühlfinne
- 172
- erster Abschnitt bzw. Stegabschnitt
- 174
- erster Sockelabschnitt
- 180
- zweites Trägerelement/zweite Kühlfinne
- 182
- zweiter Abschnitt bzw. Stegabschnitt
- 184
- zweiter Sockelabschnitt
- 210
- erste Energiespeicherzelle
- 212
- Anschlusselement
- 220
- zweite Energiespeicherzelle
- 222
- Anschlusselement
- 225
- elektrische Verbindung
- 250
- Trägerstruktur
- 260
- Grundelement
- 270
- erstes Trägerelement/erste Kühlfinne
- 272
- erster Abschnitt bzw. Stegabschnitt
- 274
- erster Sockelabschnitt
- 276
- erstes Penetrationselement
- 280
- zweites Trägerelement/zweite Kühlfinne
- 282
- zweiter Abschnitt bzw. Stegabschnitt
- 284
- zweiter Sockelabschnitt
- 286
- zweites Penetrationselement
- 311
- weitere erste Energiespeicherzelle
- 321
- weitere zweite Energiespeicherzelle
- 325
- elektrische Verbindungen
- 350
- Trägerstruktur
- 376
- erstes Penetrationselement
- 377
- weiteres erstes Penetrationselement
- 386
- zweites Penetrationselement
- 387
- weiteres zweites Penetrationselement
- 400
- elektrischer Energiespeicher
- 402
- Gehäuse
- 450
- Trägerstruktur
- 460
- Grundelement
- 462
- Entladungskanal
- 464
- Überdruckventil
- 466
- Rückzündungsschutzeinrichtung/Fritte
- 474
- erster Sockelabschnitt
- 476
- erstes Penetrationselement
- 477
- weiteres erstes Penetrationselement
- 484
- zweiter Sockelabschnitt
- 486
- zweites Penetrationselement
- 487
- weiteres zweites Penetrationselement
- 500
- elektrischer Energiespeicher
- 540
- Schlauchsystem
