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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines erhöhten Innendrucks in einer Lithium-Ionen-Zelle mittels einer Membran, die unter erhöhtem Innendruck verformt wird. Weiter betrifft die Erfindung eine Lithium-Ionen-Zelle.
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Stand der Technik
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Bei Lithium-Ionen-Zellen führt eine Überladung zu Gasbildung und Druckanstieg in der Zelle. Dieser Druckanstieg kann zu einem thermischen Durchgehen der Zelle führen, wodurch Gefahr für Mensch und Umwelt besteht. Zum Schutz vor dieser Gefahr besitzen Lithium-Ionen-Zellen deshalb eine Überladungssicherheitseinrichtung (Overcharge safety device, OSD).
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Diese umfasst beispielsweise eine gewölbte Membran im Zelldeckel, welche über den Zelldeckel elektrisch leitend mit dem Pluspol der Zelle verbunden ist. Die Membran ist im fehlerfreien Zustand der Zelle nach innen gewölbt. Steigt der Druck in der Zelle, wird die Membran nach außen gedrückt und kommt in leitenden Kontakt zu einer Brücke am Minuspol der Zelle. Diese Verbindung hat einen geringeren Widerstand als der chemisch aktive Teil der Zelle (typischerweise eine Jelly Roll), wodurch der Ladestrom nicht mehr durch die Zelle, sondern größtenteils durch das Zellgehäuse fließt. Gleichzeitig kommt es jedoch zu einem Kurzschluss der Pole der Zelle. Der über die Zelle fließende Kurzschlussstrom kann die Membran zerstören. Um dies zu verhindern, ist in der Verbindung von der Zelle zum Pluspol bzw. zum Zellgehäuse eine Sicherung angeordnet, die diesen Kurzschlussstrom unterbricht, bevor die Membran der Jelly Roll und damit die Zelle zerstört wird.
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Zusätzlich besitzen die Zellen ein Überdruckventil, das eine Berstmembran aufweist, die reißt, sobald ein maximal zulässiger Zellinnendruck erreicht wird. Die in der Zelle entstandenen Gase können somit schlagartig entweichen und das thermische Durchgehen der Zelle wird verhindert.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 10 2011 002 659 A1 eine Lithium-Ionen-Zelle, welche ein Mittel zur Ausbildung eines elektrischen Kurzschlusses aufweist. Dieses bewirkt einen Kurzschluss zwischen den Polen der Zelle, wenn im Inneren der Zelle ein erhöhter Druck vorliegt. Durch den Kurzschluss kann verhindert werden, dass die Zelle weiter geladen wird, was in einem Zustand der Überladung der Zelle zu einem weiteren Anstiegt des Drucks in der Zelle führen kann.
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Nachteilig am Stand der Technik ist, dass schon bei einem geringen Druckanstieg der elektrische Kurzschluss zwischen dem Plus- und Minuspol der Zelle ausgelöst wird. Wenn dies stattfindet, ist dies typischerweise mit der Folge verbunden, dass die Zelle ausgebaut und gewartet werden muss, beispielsweise weil die Sicherung ersetzt werden muss. Außerdem ist die Reaktion auf einen Überladungszustand nach dem Stand der Technik auf das Kurzschließen der Pole der Zelle, d.h., das Verursachen eines Kurzschlusses für den Ladestrom, sowie das Abtrennen von der Zelle mittels der Sicherung beschränkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß erhält die Überladungssicherheitseinrichtung eine zweistufige Funktionalität. Bei einem Anstieg des Zellinnendrucks auf einen Kontaktdruck wird ein elektrischer Kontakt ausgelöst. Dieser führt jedoch nicht unmittelbar wie nach dem Stand der Technik zu einem Kurzschluss zwischen den Polen der Zelle. Steigt der Druck weiter bis auf einen Anschlussverbindungsdruck an, wird wie zum Stand der Technik beschrieben ein Kurzschluss zwischen den Polen der Zelle ausgelöst. Um die genannte Funktionalität zu erreichen, stellt die Membran bei Verformung unter dem Kontaktdruck in der Zelle eine elektrische Verbindung mit einem Kontaktelement her. Der Kontaktdruck ist geringer als der Anschlussverbindungsdruck. Mittels des Kontaktelements kann zum Beispiel von einer Steuereinrichtung oder einer speziellen Überdruckerfassungseinrichtung die elektrische Verbindung des Kontaktelements mit einem weiteren elektrischen Element detektiert werden. So kann festgestellt werden, dass ein erhöhter Innendruck der Zelle vorliegt. Die Bezeichnungen „Pole einer Zelle“ und „Anschlüsse einer Zelle“ bedeuten die Hauptanschlüsse der Zelle, über die sie geladen und entladen werden kann. Der Anschlussverbindungsdruck und der Kontaktdruck sind jeweils höher als der Druck bei störungsfreiem Normalbetrieb der Zelle. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung des Verfahrens liegt darin, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement und einem weiteren Element erfasst werden kann, bevor der Anschlussverbindungsdruck erreicht wird. Dies ermöglicht, andere Maßnahmen als das Kurzschließen der Anschlüsse der Zelle zu ergreifen. Falls diese weiteres Überladen bzw. Schädigung der Zelle verhindern, kann vermieden werden, dass der Anschlussverbindungsdruck erreicht wird, so dass die Zelle durch die Maßnahmen zu Beginn einer drohenden Überladung wieder in einen Normalzustand zurückgeführt werden kann. Darüber hinaus besteht auch beim Herstellen eines Kurzschlusses gemäß dem Stand der Technik die Gefahr, dass dies nicht ausreicht, um eine schwere Schädigung oder gar Explosion der Zelle zu verhindern. Durch das frühzeitige Ergreifen weiterer Maßnahmen mit anderen Wirkungsmechanismen können die genannten Gefahren mit höherer Wahrscheinlichkeit verhindert werden, so dass die Sicherheit der Zelle verbessert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die elektrische Erfassung der Verbindung des Kontaktelements der Überdruck in der Zelle aus der Ferne detektiert werden kann. Somit ist es möglich, eine Steuereinrichtung in sicherer Entfernung von der Zelle anzuordnen bzw. die Steuereinrichtung für viele der Zellen zu verwenden. Es ergibt sich eine erhöhte Konstruktionsfreiheit für den Einsatz einer solchen Zelle. Besonders bevorzugt ist die Membran reversibel verformbar, um zu ermöglichen, dass die Zelle bestenfalls in ihren Normalzustand zurückkehrt und keine weiteren Maßnahmen erforderlich sind.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird bei der Herstellung der elektrischen Verbindung das Kontaktelement mit einem Anschluss bzw. Pol der Zelle verbunden. Auf diese Weise wird beispielsweise an einer Steuereinrichtung, an die das Kontaktelement angeschlossen ist, das Potential des Pols erfassbar und somit auch erfassbar, dass die elektrische Verbindung geschlossen worden ist. Dies wiederum bedeutet, dass der Innendruck der Zelle zumindest auf den Kontaktdruck erhöht ist.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die elektrische Verbindung zwischen der Membran und dem Kontaktelement hergestellt. Die Membran ist dabei elektrisch mit einem nach außen geführten Anschluss oder mit einem der Pole der Batteriezelle oder dergleichen verbunden. Somit kann beispielsweise eine externe Steuereinrichtung, die die elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement und einem weiteren elektrischen Potential erfasst, detektieren, dass zwischen dem Potential der Membran und dem Potential des Kontaktelements eine Verbindung geschaffen wurde. Denkbar ist auch, eine Verbindung zwischen zwei nach außen geführten Anschlüssen zu erfassen, von denen einer mit der Membran und einer mit dem Kontaktelement verbunden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden unter dem Anschlussverbindungsdruck im Inneren der Zelle die Anschlüsse bzw. Pole der Zelle kurzgeschlossen, wobei das Kontaktelement Teil des Kurzschlussstrompfades zwischen den Anschlüssen der Zelle ist. Mittels des Kontaktelements werden somit die beiden Potentiale der Zelle kurzgeschlossen. Dadurch ändert sich das elektrische Potential des Kontaktelements, was an einer elektrischen Signalleitung zu dem Kontaktelement erfasst werden kann. Daher ist es denkbar, durch das geänderte Potential gegenüber dem elektrischen Zustand des Kontaktelements unter der elektrischen Verbindung aufgrund des Kontaktdrucks von dem Kurzschluss bei Vorliegen des Anschlussverbindungsdrucks zu unterscheiden. Bei Vorliegen eines Kurzschlusses und des Anschlussverbindungsdrucks kann der Kurzschlussstrom über die Membran fließen.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein Speichereintrag in einen Speicher geschrieben, wenn erfasst wird, dass durch einen Anschlussverbindungsdruck die Anschlüsse der Zelle kurzgeschlossen worden sind.
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In noch einer weiteren Ausführungsform wird ebenfalls eine Information in eine Speichereinrichtung geschrieben, wenn erkannt worden ist, dass mit dem Kontaktelement eine elektrische Verbindung hergestellt worden ist, was auf das Vorliegen des Kontaktdrucks im Inneren der Zelle schließen lässt. Eine solche Kennzeichnung der Zelle ermöglicht den Speicherzugriff für weitere Maßnahmen, seien es Maßnahmen zur Verhinderung von Erhitzung oder Explosion der Zelle oder nachfolgende Maßnahmen wie Austausch oder Wartung der Zelle.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann auf die Erfassung eines erhöhten Innendrucks der Zelle oder eine Kennzeichnung der Zelle als defekt hin eine solche Maßnahme ergriffen werden. Insbesondere kann die Maßnahme eine Begrenzung oder Verringerung eines Lade- oder Entladestroms oder eine Erhöhung einer Kühlleistung für die Zelle oder dergleichen sein.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Lithium-Ionen-Zelle vorgeschlagen, die dazu eingerichtet ist, mit ihr eines der vorstehend beschriebenen Verfahren durchzuführen. Dabei können noch weitere Komponenten neben der Lithium-Ionen-Zelle an dem Verfahren beteiligt sein. Es ergeben sich dieselben Vorteile wie für das Verfahren gemäß der Erfindung. Die für die Auswertung des Signals auf der Signalleitung erforderlichen zusätzlichen Komponenten können in bestehende Hard- und Software, insbesondere von einer Batteriesteuerung, integriert und/oder als zusätzliche Bauelemente hinzugefügt werden.
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In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Lithium-Ionen-Zelle vorgeschlagen, die elektrische Anschlüsse und eine Membran aufweist, welche unter erhöhtem Innendruck der Zelle verformbar ist. Ist die Membran unter einem Anschlussverbindungsdruck in der Zelle verformt, so sind mittels der Membran zwei elektrische Anschlüsse der Zelle kurzschließbar, nämlich ihre Pole. Dabei wird ein Kurzschlussstrompfad zwischen diesen Anschlüssen ausgebildet. Wenn die Membran unter einem Kontaktdruck im Inneren der Zelle verformt ist, ist mittels der Membran eine elektrische Verbindung mit einem Kontaktelement herstellbar. Dabei ist der Kurzschlussstrompfad nicht oder bei ansteigendem Innendruck der Zelle noch nicht ausgebildet. Der Kontaktdruck ist geringer als der Anschlussdruck, wobei ein erhöhter Innendruck mittels des Kontaktelements erfassbar ist, ohne dass sich zugleich ein Kurzschluss einstellt.
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Bevorzugt befindet sich bei einem Normaldruck im Inneren der Zelle, der bei normalen Betriebsbedingungen vorliegt, ein Spalt zwischen der Membran und dem Kontaktelement. Dieser Spalt wird von der Membran überwunden, wenn der Innendruck der Zelle bis zu dem Kontaktdruck ansteigt. Durch diesen Vorgang wird die elektrische Verbindung hergestellt. Vorzugsweise ist das Kontaktelement als Streifen ausgeführt, der insbesondere metallisch sein kann. Bevorzugt ist der Streifen an einem Ende befestigt, so dass er von der Membran gebogen werden kann. Die Verformungsbahn bei einer Verbiegung des Streifens verläuft dabei derart, dass das Kontaktelement mit einem Gegenkontaktelement in Verbindung treten kann. Durch diesen Vorgang wird der Kurzschluss zwischen den Polen der Zelle bewirkt. Das Kontaktelement, insbesondere das befestigte Ende eines als Streifen ausgebildeten Kontaktelements, ist dabei mit einem der Pole verbunden. Das Gegenkontaktelement ist dabei mit dem anderen Pol verbunden. Vorzugsweise weist die Membran eine gewölbte Form auf. Insbesondere ist die Membran im unverformten Zustand in Richtung des Inneren der Zelle gewölbt. Unter Innendruck der Zelle verformt sich die Membran bevorzugt derart, dass sie sich in Richtung des Äußeren der Zelle wölbt.
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In einer Ausführungsform der Lithium-Ionen-Zelle verläuft der Kurzschlussstrompfad, der sich bei Vorliegen des Anschlussverbindungsdrucks in der Zelle ausbildet, über das Kontaktelement. Das Kontaktelement hat somit die Doppelfunktion, zunächst bei Kontaktdruck eine elektrische Verbindung herzustellen, und bei Anschlussverbindungsdruck den Kurzschlussstrom zu leiten. Bei Herstellung des Kurzschlussstrompfades wird bevorzugt eine weitere elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement und einem Gegenkontaktelement hergestellt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Lithium-Ionen-Zelle weist diese eine Sicherung auf, mit der die Zelle von wenigstens einem ihrer Pole abtrennbar ist. Die Sicherung ist nicht im Kurzschlusspfad zwischen den Polen, sondern zwischen dem elektrochemischen Teil der Zelle und einem der Pole angeordnet. Wenn ein Kurzschluss zwischen den Anschlüssen der Zelle hergestellt ist, fließt ein Kurzschlussstrom, der, wenn dies während des Ladens eintritt, sowohl Ladestrom, als auch Strom aus Zelle umfasst. Bei einem Überladeschutz ist die Zelle typischerweise voll geladen und liefert einen hohen Kurzschlussstrom. Dieser Kurzschlussstrom aus der Zelle kann die Sicherung auslösen, sodass der Kurzschlussstrom nicht weiter fließen kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 ein Ausschnitt aus einem Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Lithium-Ionen-Zelle unter Normaldruck,
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2 ein Ausschnitt aus einem Querschnitt durch dieselbe Ausführungsform der Lithium-Ionen-Zelle unter Kontaktdruck und
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3 ein Ausschnitt aus einem Querschnitt durch dieselbe Ausführungsform der Lithium-Ionen-Zelle unter Anschlussverbindungsdruck.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle. Diese umfasst eine Jelly Roll 1, einen ersten Pol 2 und einen zweiten Pol 3, die als Anschlüsse dienen. Vorzugsweise ist der Pol 2 der Minuspol und der Pol 3 der Pluspol. Weiter weist die Zelle ein Gehäuse 4 auf, das einen Zellendeckel 5 umfasst. Der Zellendeckel 5 ist elektrisch leitfähig und von den beiden Polen 2 und 3 durchdrungen. Der Pol 3 ist elektrisch mit dem Zellendeckel 5 verbunden. Weiter ist der Pol 3 über eine Sicherung 6 mit der Jelly Roll 1 verbunden, die den chemisch aktiven Teil der Zelle bildet. In den Zellendeckel 5 ist eine Membran 7 eingesetzt, wobei diese elektrisch mit dem Zellendeckel 5 und somit auch mit dem Pol 3 verbunden ist. Unter Normaldruck ist die Membran in Richtung des Inneren der Lithium-Ionen-Zelle gewölbt. In Bezug auf die Membran 7 ist in Richtung des Äußeren der Zelle ein Kontaktelement 8 angeordnet. Das Kontaktelement 8 ist als Streifen ausgebildet und an einem seiner Enden in Längsrichtung mechanisch mit dem Zellendeckel 5 verbunden. An das Kontaktelement 8 ist eine Signalleitung 9 angeschlossen, mit welcher das Potential des Kontaktelements 8 extern abgegriffen werden kann. In dem in 1 gezeigten Zustand ist das Kontaktelement 8 elektrisch isoliert. Die mechanischen Befestigungsstellen 10 sind an oder in einem Isolierelement 11 angeordnet. Vorzugsweise ist das Kontaktelement direkt in das Isolierelement 11 eingebettet. Das Isolierelement 11 ist typischerweise aus Polypropylenstyrol oder einem anderen hochtemperaturbeständigen Polymer gefertigt oder umfasst diese Materialien. Weiter in Richtung des Äußeren der Zelle ist ein Gegenkontaktelement 12 angeordnet, welches elektrisch mit dem Pol 2 verbunden ist. Das Gegenkontaktelement 12 ist in dem Isolierelement 11 gehalten. Zwischen dem Gegenkontaktelement 12 und dem Kontaktelement 8 befindet sich ein Luftspalt, so dass die beiden Elemente 8, 12 elektrisch voneinander isoliert sind. Zwischen dem Kontaktelement 8 und der Membran 7 befindet sich ebenfalls ein Luftspalt, der der elektrischen Isolation der Membran 7 von dem Kontaktelement 8 unter Normaldruck dient. Das Isolierelement 11 ist mechanisch mit dem Zellendeckel 5 verbunden. Das Isolierelement 11 ist in eine Aussparung in dem Zellendeckel 5 eingesetzt, durch die auch der Pol 2 verläuft. Die Pole 2 und 3 sind vom Äußeren der Zelle her zugänglich. Die Membran 7, das Kontaktelement 8 und das Gegenkontaktelement 12 sind durch das Isolierelement 11 gegen externen Kontakt mechanisch geschützt.
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2 zeigt denselben Ausschnitt eines Querschnitts durch dieselbe Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle wie 1 bis auf den Unterschied, dass im Inneren der in 2 gezeigten Zelle ein Kontaktdruck herrscht. Damit der Zelle kein Gas unkontrolliert entweichen kann, sind vorzugsweise das Gehäuse 4 und der Zellendeckel 5 gasdicht miteinander verbunden. Außerdem ist bevorzugt das Isolierelement 11 gasdicht in den Zellendeckel 5 eingesetzt und umschließt gasdicht den Pol 2. Vorzugsweise ist auch der Durchtritt des Pols 3 durch den Zellendeckel 5 gasdicht ausgeführt. Der Kontaktdruck im Inneren der Zelle führt dazu, dass sich die Membran in Richtung des Äußeren der Zelle wölbt. Dabei berührt die Membran 7 das Kontaktelement 8, sodass dazwischen eine elektrische Verbindung entsteht. Da die Membran elektrisch mit dem Pol 3 verbunden ist, liegt auf der Signalleitung 9, die mit dem Kontaktelement 8 verbunden ist, das Potential des Pols 3 an. Dieses kann im Unterschied zu dem Betriebszustand in der 1 an der Signalleitung 9 erfasst werden. Ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Polen 2 und 3 tritt in diesem Betriebszustand nicht auf. Die elektrischen Pole 2 und 3 sind durch den Luftspalt zwischen dem Kontaktelement 8 und dem Gegenkontaktelement voneinander isoliert.
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3 zeigt denselben Ausschnitt eines Querschnitts durch dieselbe Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle die auch in den 1 und 2 gezeigt ist, jedoch mit dem Unterschied, dass im Inneren der Zelle ein Anschlussverbindungsdruck 14 herrscht. Der Kontaktdruck 13 beträgt vorzugsweise etwa 70% des Anschlussverbindungsdrucks. Dies gilt für die beginnende Berührung der Membran und des Kontaktelements 8. Durch den erhöhten Druck wölbt sich die Membran 7 noch stärker in Richtung des Äußeren der Zelle als in 2, wodurch das Kontaktelement 8 in Richtung des Äußeren der Zelle verformt wird. Diese Verformung ist so stark, dass das Kontaktelement 8 mit dem Gegenkontaktelement 12 in Berührung tritt. Dadurch wird ein Kurzschluss zwischen den Polen 2 und 3 bewirkt, dessen Kurzschlusspfad von dem Pol 2 über das Gegenkontaktelement 12, das Kontaktelement 8, die Membran 7 und den Zellendeckel 5 zum Pol 3 verläuft. Somit fließt der Kurzschlussstrom auch durch das Kontaktelement 8 hindurch. Der Strom fließt dabei im Wesentlichen in Dickenrichtung durch das als Streifen ausgebildete Kontaktelement 8. Dadurch ergibt sich ein geringer Widerstand gegen den Kurzschlussstrom in dem Kontaktelement 8. Wenn der in 3 gezeigte Zustand auftritt, während die Zelle geladen wird, sind die Pole 2 und 3 mit einer Ladestromquelle verbunden. Im Normalbetrieb fließt der Ladestrom von dem Pol 3 über die Sicherung 6 in die Jelly Roll 1 und aus dieser über den Pol 2 zurück zur Ladestromquelle oder über dieselben Elemente in umgekehrte Richtung. Tritt ein Anschlussverbindungsdruck 14 im Inneren der Zelle auf, weist der dadurch entstehende Kurzschlusspfad einen geringeren elektrischen Widerstand auf als die Jelly Roll 1. Der Ladestrom fließt somit bevorzugt über den Kurzschlusspfad. Der Kurzschlusspfad bewirkt jedoch auch, dass Strom aus der Jelly Roll 1 zwischen den Polen 2 und 3 über den Kurzschlusspfad fließt. Dieser Strom ist üblicherweise höher als der Ladestrom. Dies gilt insbesondere, wenn die Zelle überladen wird, da in diesem Zustand die Zelle schon voll geladen ist. Durch den hohen Strom aus der Jelly Roll 1 wird die Sicherung 6 ausgelöst, wodurch der Stromkreis zu der Jelly Roll 1 unterbrochen wird. Dann fließt nur noch der Ladestrom zwischen den Polen 2 und 3 über den Kurzschlusspfad. Ein Ladegerät ist typischerweise mit einer Kurzschlusserkennung ausgestattet und schaltet im Falle einer solchen Erkennung vorzugsweise den Ladestrom ab.
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Da schon das Vorliegen eines Kontaktdrucks einen außergewöhnlichen Betriebszustand der Zelle darstellt, kann beispielsweise eine Steuereinrichtung, die an die Signalleitung 9 angeschlossen ist, veranlassen, dass für die Zelle, in der der Kontaktdruck aufgetreten ist, ein Eintrag in einen Fehlerspeicher geschrieben wird. Wenn die Steuereinrichtung erkennt, dass bei Vorliegen eines Anschlusserkennungsdrucks 14 ein anderes Potential an der Signalleitung 9 anliegt, kann ein weiterer, von dem zuvor genannten Fehlereintrag verschiedener Fehlereintrag zusätzlich geschrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011002659 A1 [0005]
