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Stand der Technik
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DE 34 25 169 C2 bezieht sich auf ein Verfahren zur Begrenzung der elektrischen Feldenergie oder von Potenzialdifferenzen entlang spannungsführender und von zündfähigen Gasen durchströmter Rohrleitungen. Diese können an ihrer Innenseite mit einem Elektrolytfilm versehen sein. Die Rohrleitung wird von Abschnitten aus einem isolierenden Material gebildet, zwischen denen sich metallisch leitende Verbindungsstücke befinden. Die Verbindungsstücke werden über strom- und/oder spannungsbegrenzende Bauelemente elektrisch miteinander verschaltet.
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EP 1 291 936 B1 betrifft eine Blockbatterie mit mehreren miteinander verschalteten elektrochemischen Zellen. Die Blockbatterie umfasst mindestens eine mehreren Zellen gemeinsame Gassammelleitung, wobei sich in den Zellen zündfähige Gasgemische bilden können. Die Innenwand der Gassammelleitung ist im Wesentlichen elektrisch isolierend ausgebildet und besitzt in mindestens einem Bereich eine Auskleidung aus einem elektronisch leitfähigem Material. Diese steht in elektrisch leitfähigem Kontakt zu Elektroden oder dem Elektrolyten einer Einzelzelle. Die Abstände ausgewählter Zellen von den Endpolen der Blockbatterie und ggf. untereinander sind so gewählt, dass unter allen vorgesehenen Betriebsbedingungen der Blockbatterie zwischen diesen Bereichen keine Spannungen über 30 V auftreten. Die im Bereich von einzelnen Zellen angeordnete elektronisch leitfähige Innenauskleidung der Gassammelleitung umfasst ein Rohr, oder ein Netzrohr aus Metall, oder eine elektronisch leitfähige Auskleidung aus einem elektronisch leitfähigen, offenporigen porösen Material, vorzugsweise eine Fritte.
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Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzte Batterien basieren auf der Lithium-Ionen-Technik. Lithium-Ionen-Batterien für Fahrzeuge können bei Überschreiten von Sicherheitsgrenzen beispielsweise durch Überladung auftretendes Überschreiten einer Spannungsgrenze mit einem bestimmten Strom, oder im internen Kurzschlussfall oder beim Durchdringen von Gegenständen im Falle eines Unfalles, Stoffe freisetzen. Bei diesen Stoffen kann es sich beispielsweise um Tröpfchen des Elektrolyten und/oder Dampf und/oder weitere Gase handeln, so zum Beispiel Wasserstoff, Methan, Ethen, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Sauerstoff. Diese können entweder separat oder in Kombination mit Feststoffen-Stäuben aus den Batteriezellen von Batteriemodulen von Batteriepacks auftreten. Bei Vorhandensein von O2 können die austretenden Stoffgemische brennen oder gar explodieren. Dazu ist jedoch eine Zündquelle, die beispielsweise durch einen Funken dargestellt werden kann, erforderlich.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Vermeidung von Funkenbildung in einem Batteriepack mit einem oder mehreren Batteriemodulen, die einzelnen miteinander verschaltete Batteriezellen umfassen, vorgeschlagen, wobei die Batteriemodule in einem Gehäuse angeordnet sind, welches eines Gasabführung mit einer Leitung umfasst, deren Innenwand eine elektrisch leitfähiges Material aufweist, und in einem Strömungsquerschnitt der Leitung ein Metallgestrick, eine Metallspirale oder die Innenwand mit einer Metallisierung versehen ist.
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Da durch die Leitung der Gasabführung im Falle einer Havarie ein Gemisch aus Tröpfchen gefährlicher Substanzen, wie beispielsweise Wasserstoff, CH4 oder Ethen strömen kann, oder auch Feststoffe und Stäube im Falle einer Havarie oder einer Überhitzung aus den Batteriezellen der Batteriemodule austreten können, kann eine elektrostatische Aufladung des Leitungsmaterials während des Strömungsvorganges dieses Gemisches bei Passage der Leitung vermieden werden, insbesondere ein Funkenüberschlag im Strömungsquerschnitt der Leitung der Gasabführung. Die Leitung der Gasabführung kann entweder per se aus metallischem Material gefertigt sein oder aus einem Kunststoffmaterial hergestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens ist in die Leitung der Gasabführung, insbesondere in deren Strömungsquerschnitt eine Metallisierung oder ein Metallgestrick oder eine Metallspirale eingelassen, wobei die Metallisierung, das Metallgestrick oder die Metallspirale mit einer Erdung versehen sind. Damit wird eine elektrostatische Aufladung der elektrisch leitfähigen Komponenten im Strömungsquerschnitt der Leitung vermieden, da die Ladung unmittelbar in die Erdung abgeleitet werden kann und eine elektrostatische Aufladung der Leitungswand unterbleibt.
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Insbesondere kann das im Strömungsquerschnitt der Leitung der Gasabführung angeordnete Metallgestrick als rohrförmiger Hohlkörper ausgebildet sein. Dass Metallgestrick kann unter Vorspannung an eine Innenwandung der Leitung angestellt werden, so dass das Metallgestrick aufgrund der Klemmwirkung in axiale Richtung gesehen, ausreichend fixiert ist, ohne dass weitere Befestigungselemente oder Befestigungsvorrichtungen vorzusehen wären.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante lässt sich eine Metallspirale unter Vorspannung in die Leitung der Gasabführung einklemmen. Die Metallspirale kann in vorteilhafter Weise in Form einer Spiralfeder ausgestaltet sein, wobei die Einzelwindungen der Metallspirale in einem Abstand in axiale Richtung voneinander beabstandet sind.
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Andererseits kann die Metallspirale oder das Metallgestrick auch in das Material einer beispielsweise aus Kunststoff gefertigten Leitung eingespritzt sein, wenn diese im Spritzgussverfahren hergestellt wird. Es könnte eine teilweise oder vollständige Einbettung der Metallspirale bzw. des Metallgestricks in die die Leitung der Gasabführung begrenzende Wand erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens besteht auch die Möglichkeit, bei einem mehrteilig ausgebildeten Gehäuse die jeweiligen Gehäusehälfte an einer Gehäuseinnenwand durch eine elektrische Verbindung leitend miteinander zu verbinden. Als elektrische Verbindung kann beispielsweise ein Kabel oder eine Litze oder dergleichen in Betracht kommen.
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Des Weiteren besteht die Möglichkeit, mindestens eine der beiden Gehäusehälften eines mehrteilig ausgebildeten Gehäuses zur Aufnahme von ein oder mehreren Batteriemodulen auf der Gehäuseinnenseite mit einer Metallisierung oder einem flächig ausgebildeten Metallgestrick zu versehen.
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Vorteile der Erfindung
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Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu erblicken, dass in einem Batteriepack mit mehreren Batteriemodulen, insbesondere im Falle der Havarie eine Funkenbildung vermieden werden kann. Dadurch wird ein im Falle einer Havarie entstehendes Stoffgemisch bei entsprechender Freisetzung in einem Gehäuse eines Batteriemoduls oder eines Batteriepacks nicht durch Funkenbildung infolge elektrischer Aufladung entzündet. Dies erhöht die Sicherheit eines Batteriepacks bzw. in diesem angeordneter Batteriemodule und einzelner Batteriezellen nach außen in erheblichem Maße. Des Weiteren ist das Einbringen eines elektrisch leitfähigen Materials in Form eines Hohlkörpers, sei es eine aus metallischem Material gefertigte in Federform ausgebildete Metallspirale, sei es ein Metallgestrick, äußerst einfach in eine Leitung einer Gasabführung zu integrieren, ohne dass es aufwendiger Befestigungsmimiken bedürfte. Die Erdung des Metallgestrickes bzw. der aus metallischem Material gefertigten Metallspirale stellt sicher, dass es im Strömungsquerschnitt, der von einem sensiblen Gemisch aus entzündbaren Gasen Stäuben und Feststoffen, die aus havarierten Batteriezellen austreten können, durchströmt wird, keine Funkenbildung auftritt, so dass ein möglicherweise zündfähiges Gemisch, durch Zumischung von Sauerstoff, nicht entzündet wird.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung stellt sicher, dass im Falle eines bei einer Havarie entstehenden zündfähigen Stoffgemisches aus Dämpfen und Stäuben dessen Entzündung bei Vorhandensein von Sauerstoff sicher ausgeschlossen ist. Da nicht vorhersehbar ist, ob im Falle einer Havarie ein aus dem Inneren einer Batteriezelle oder eines Batteriepacks austretendes Dampf-/Staubgemisch zündfähig ist, ist durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung allen Eventualitäten Rechnung getragen, so dass die Betriebssicherheit der Fraktionsbatterien für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug erheblich verbessert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 den schematischem Aufbau einer Gasabführung für eine Batteriemodul,
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2 die Anordnung mehrerer Batteriemodule in einem Gehäuse für ein Batteriepack,
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3 eine schematische Ansicht des Strömungsquerschnittes der Gasabführung,
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4 die Darstellung einer Funkenbildung im Strömungsquerschnitt,
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5 eine mit einer Metallisierung beschichtete Innenwand der Leitung der Gasabführung mit einer Erdung,
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6 ein im Strömungsquerschnitt der Leitung der Gasabführung angeordnetes Metallgestrick, ebenfalls mit einer Erdung versehen,
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7 eine in den Strömungsquerschnitt der Leitung der Gasabführung eingebrachte Metallspirale und
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8 ein mehrteilig ausgebildetes Gehäuse zur Aufnahme eines Batteriepacks, wobei mindestens eine der Gehäusehälften an der Gehäuseinnenseite mit einem elektrisch leitfähigen Material versehen ist und beide Hälften des metallisch ausgebildeten Gehäuses mit einer elektrischen Verbindung miteinander elektrisch verbunden sind.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der Darstellung gemäß 1 ist in schematischer Weise ein Batteriemodul zu entnehmen, dem eine Gasabführung zugeordnet ist.
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Ein in 1 dargestelltes Batteriemodul 10 umfasst eine Anzahl von Batteriezellen 12. Die Batteriezellen 12 sind in der Darstellung gemäß 1, das Batteriemodul 10 bildend, beispielsweise in Hochkantlage zueinander angeordnet. Den Batteriezellen 12 des Batteriemoduls 10 ist eine Gasabführung 14 zugeordnet, die eine als Sammler dienende Haube 16 aufweist. Aus eine oder mehrerer der Batteriezellen 12 des Batteriemoduls 10 im Falle einer Havarie austretende Stoffe, bzw. Gase, Stäube und Partikel werden durch die Haube 16 aufgefangen und in die Gasabführung 14 geleitet, die eine schlauch- oder rohrförmig ausgebildete Leitung 18 aufweist. Über diese verlassen die in der Gasabführung 14 gesammelten Stoffe bzw. Gase, Partikel oder dergleichen das Batteriemodul 10 in Strömungsrichtung 20 in die Umgebung.
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2 zeigt eine Anordnung mehrerer Batteriemodule.
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Eine Anzahl von Batteriemodulen 10, jeweils miteinander verschaltete Batteriezellen 12 umfassend, ist innerhalb eines Gehäuses 32 eines Batteriepacks 30 aufgenommen. Die Batteriemodule 10 befinden sich im Gehäuse-Innenraum 34. Aus einzelnen der Batteriezellen 12 der Batteriemodule 10 austretende Stoffe, so z.B. H2, Ethen, CO, CH4, CO2 und O2 ggf. noch in Kombination mit Feststoffen und Stäuben, die aus den Batteriezellen 12 austreten, werden – unter Druckanstieg im Gehäuse-Innenraum 34 – in diesem gesammelt und strömen in Strömungsrichtung 20 über eine Ausleitung 36 ab.
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Der Darstellung gemäß 3 ist die Darstellung einer Leitung bzw. Ausleitung der Gasabführung zu entnehmen.
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3 zeigt, dass die Leitung 18 der Gasabführung 14 im einfachsten Falle als eine Rohrleitung oder eine Schlauchleitung ausgebildet sein kann, die aus metallischem Material gefertigt ist, aus Kunststoffmaterial gefertigt sein kann oder auch aus einer Kombination der beiden genannten Materialgruppen hergestellt sein kann. Entsprechend des Durchmessers der Leitung 18 ergibt sich ein Strömungsquerschnitt 46. Den Strömungsquerschnitt 46 passiert eine Gasströmung 40, die sich aus den erwähnten Stoffen wie beispielsweise entzündliche Gase wie H2, CH4, Ethen, CO, CO2 und O2 ggf. in Kombination mit aus havarierten Batteriezellen 12 austretenden Feststoffen oder Stäuben in Strömungsrichtung 20 durch den Strömungsquerschnitt 46 bewegt. Dabei kann es zu einer elektrostatischen Aufladung kommen, die – falls die Ladungsunterschied zu groß sind – in eine Funkenbildung, d.h. einen Funkenschlag so durch einen Übersprung – vergleiche Darstellung gemäß 4 – im Strömungsquerschnitt kommen kann. Da es zu einem Zumischen von Sauerstoff, d.h. in einem Eintritt von Sauerstoff in den Strömungsquerschnitt 46 der Leitung 18 der Gasabführung 14 kommen kann, besteht die Möglichkeit, dass sich ein zündfähiges Gemisch bildet. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass in den Darstellungen gemäß der 3 und 4 einen Außenwand der Leitung 18 der Gasabführung 14 mit Bezugszeichen 50 bezeichnet ist, während die den Strömungsquerschnitt 46 begrenzende Innenwand durch Bezugszeichen 48 identifiziert ist. Mit Position 42 ist ein Leitungsmantel, der aus Kunststoffmaterial gefertigt sein kann, bezeichnet.
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Der Darstellung gemäß 5 ist eine Ausführungsvariante der Leitung der Gasabführung zu entnehmen, deren Innenwand mit einer Metallisierung versehen ist.
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Die Schnittdarstellung gemäß 5 zeigt, dass an der Innenwand 48 des Leitungsmantels 42 der Leitung 18 der Gasabführung 14 eine Metallisierung 52 aufgenommen ist. Bei dieser Metallisierung 52 kann es sich beispielsweise um eine Beschichtung oder dergleichen handeln, die unmittelbar auf die Innenwand 48 der Leitung 18 aufgebracht ist. Dies bedeutet, dass der Strömungsquerschnitt 46 durch die Metallisierung 52 der Innenwand 48 begrenzt ist und nicht unmittelbar durch das Material der Innenwand 48, d.h. das Material, aus welchem die Leitung 18 der Gasabführung 14 gefertigt ist.
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5 zeigt des Weiteren, dass die Metallisierung 52 über mindestens eine Erdung 54 mit Masse verbunden ist, so dass eine elektrostatische Aufladung unterbleibt, da es nicht zu Aufbau eines Ladungspotentials kommen kann, sondern die Ladung vielmehr unmittelbar abgeführt wird. Dadurch ist die Möglichkeit einer Funkenbildung, welche bei einem zu hohen Potentialunterschied auftreten könnte, ausgeschlossen.
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Der Darstellung gemäß 6 ist eine weitere Ausführungsvariante des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens zu entnehmen.
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6 ist zu entnehmen, dass sich im Strömungsquerschnitt 46 der Leitung 18 der Gasabführung 14 ein Metallgestrick 56 befindet. Das Metallgestrick 56 ist aus diagonal zueinander verlaufenden Drähten aus metallischem Material gebildet. Anstelle der in 6 dargestellten Geometrie kann es sich bei dem Metallgestrick 56 auch um ein Gewirk aus metallischen Fasern handeln. Analog zur im 5 dargestellten Metallisierung 52 der Innenseite 48 des Leitungsmantels 42, ist auch das in 6 dargestellte Metallgestrick 56 durch die mindestens eine Erdung 54 mit Masse verbunden. Dass den Strömungsquerschnitt 46 passierende, möglicherweise zündfähige Gemisch, enthaltend H2, CH4, Ethen, CO, CO2 und O2, in Kombination mit aus havarierten Batteriezellen 12 ausgetretener Feststoffe und Stäube, durchströmt das Metallgestrick 56, welches sich durchgängig d.h. in axiale Richtung durch die Leitung 18 erstreckt. Bei dem Metallgestrick 56 handelt es sich insbesondere um einen rohrförmigen Hohlkörper, der aufgrund der ihm innewohnenden Vorspannung einfach in den Strömungsquerschnitt 56 der Leitung 18 eingeschoben werden kann und aufgrund der ihm innewohnenden Vorspannung an der Innenwand 48 des Leitungsmantels 42 anliegt und demzufolge in axialer Richtung ausreichend fixiert ist. Dies bedeutet, dass es keiner zusätzlichen Befestigungselemente zur Fixierung des Metallgestrickes 56 im Strömungsquerschnitt 46 der Leitung 18 bedarf.
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In vorteilhafter Ausbildung des Metallgestricks 56 als rohrförmiger Hohlkörper weist das Metallgestrick 56 eine möglichst große Maschenweite auf. Dadurch ist sichergestellt, dass das austretende Dampf-/Staubgemisch mit möglichst geringem Druckverlust abströmen kann.
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Der Darstellung in 7 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Vermeidung von Funkenbildung an einem Batteriepack zu entnehmen.
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7 zeigt, dass in den Strömungsquerschnitt 46 des Leitungsmantels 42 aus Kunststoffmaterial der Gasabführung 14 eine Metallspirale 60 eingelassen ist. Bei der Metallspirale 60 kann es sich in vorteilhafter Weise um ein federartiges Element handeln, welches eine Anzahl von Einzelwindungen 62 umfasst. Die Einzelwindungen 62 der Metallspirale 60 sind in einem Abstand voneinander angeordnet
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Wie der Schnittdarstellung gemäß 7 zu entnehmen ist, ist die Metallspirale 60 derart in den Strömungsquerschnitt 76 der Leitung 18 bzw. des Leitungsmantels 18 eingeklemmt, dass die Metallspirale 60 dem Leitungsmantel 42 ein Wellenprofil 64 aufprägt. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Metallspirale 60, die ebenfalls über mindestens eine Erdung 54 verfügt, zur mechanischen Stabilisierung des Leitungsmantels 42 der Leitung 18 der Gasabführung 14 heranzuziehen. Damit kann die Wandstärke des Leitungsmantels 43 reduziert werden, da die mechanische Festigkeit durch die Metallspirale 60 gewährleistet wird. Es besteht die Möglichkeit, bei Herstellung des Leitungsmantels 42 der Leitung 18 aus Kunststoffmaterial im Wege des Spritzgussverfahrens, entweder das im Zusammenhang mit 6 bereits erwähnte Metallgestrick 56, oder die in 7 dargestellte Metallspirale 60 ganz oder teilweise in den Leitungsmantel 42 der Leitung 18 einzuspritzen. Des Weiteren kann in Bezug auf die Darstellung unter Rückgriff auf die Darstellung gemäß 7 die Metallspirale 60 auch einfach mit Durchmesserübermaß in den Strömungsquerschnitt 46 des Leitungsmantels 18 eingeschoben werden und wird in axiale Richtung in diesem aufgrund der metallischen Material innewohnenden Vorspannung gehalten und fixiert. Analog zur Ausführungsvariante gemäß 6, kann auf zusätzliche Befestigungselemente, welche die Metallspirale 60 im Strömungsquerschnitt 46 fixieren, verzichtet werden, da die Vorspannung der Einzelwindungen 62 der Metallspirale 60 diese im Leitungsquerschnitt 46 an Ort und Stelle hält.
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Der Darstellung gemäß 8 ist ein mehrteiliges Gehäuse eines Batteriepacks zu entnehmen, in dem eine Anzahl von Batteriemodulen aufgenommen sind.
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Aus der Darstellung gemäß 8 geht hervor, dass das mehrteilig ausgebildete Gehäuse 32 eine erste Gehäusehälfte 68 sowie eine zweite Gehäusehälfte 70 umfasst. Die beiden Gehäusehälften 68, 70 sind im miteinander gefügten Zustand durch eine umlaufende Dichtung 74 abgedichtet, so dass der Gehäuse-Innenraum 34 nach außen verschlossen ist, abgesehen von der Ausleitung 36. Aus der Schnittdarstellung gemäß 8 geht hervor, dass im Gehäuse-Innenraum 34 des mehrteilig ausgebildeten Gehäuses 32 nach 8 drei Batteriemodule 10 untergebracht sind, die jeweils eine Anzahl von Batteriezellen 12 umfassen. Bei Havarie einer der Batteriezellen 12 der Batteriemodule 10 treten Feststoffen, Gase, Stäube und dergleichen in den Gehäuseinnenraum 34 des mehrteilig ausgebildeten Gehäuses 32 aus und verlassen dieses in Strömungsrichtung 20 durch die Ausleitung 36. An dieser ist die Leitung 18, ausgestaltet gemäß der Ausführungsvariante nach den 5, 6 und 7, angeschlossen.
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8 zeigt, dass eine der beiden Gehäusehälften 68, 70 an einer Gehäuseinnenseite 42 mit einer Metallisierung 52 oder einem Metallgestrick 56 in flächiger Form versehen sein kann. Des Weiteren geht aus der Darstellung gemäß 8 hervor, dass die beiden Gehäusehälften 68, 70 des mehrteilig ausgebildeten Gehäuses 32 über eine elektrische Verbindung 66 leitend miteinander in Verbindung stehen. Bei der elektrischen Verbindung 66 handelt es sich insbesondere um eine Lasche, eine Litze oder ein Kabel oder dergleichen, welches eine elektrische Verbindung bis zwischen den beiden Gehäusehälften 68, 70 herstellt, so dass diese auf einem Potential liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3425169 C2 [0001]
- EP 1291936 B1 [0002]
