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Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein abgeschlossenes Gehäuse und wenigstens ein darin aufgenommenes Batteriemodul, wobei das Gehäuse einen Boden umfassend eine Bodenfläche mit einer Senke für sich im Gehäuseinneren sammelnde Flüssigkeiten und eine den Boden verschließende Verschlussvorrichtung aufweist.
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Bei der Realisierung moderner Kraftfahrzeuge mit elektrischen Fahrantrieben stellt besonders die Speicherung und Bereitstellung der elektrischen Energie durch geeignete Batterien einen Hauptgegenstand der Entwicklung dar. Solche Batterien verfügen in der Regel über mehrere Batteriemodule, die selbst jeweils mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Speicherzellen ausgestattet sind. Diese Batteriemodule werden von einem Gehäuse aufgenommen, welches gegen ein Eindringen von Flüssigkeiten, insbesondere von Wasser, von außen abgeschlossen sind. Dadurch ist auch ein Flüssigkeitsaustausch von innen nach außen ausgeschlossen. Durch Druck- und/oder Temperaturänderungen kommt es innerhalb des Gehäuses zur Kondensierung von Flüssigkeitsdämpfen, welche sich innerhalb des Gehäuses befinden. Dies wird vor allem unterstützt dadurch, dass die erfindungsgegenständlichen Batterien zur Regulierung ihres Temperaturverhaltens oft mit einer aktiven Flüssigkeitskühlung ausgestattet sind. Es ist bekannt, dieses Kondensat durch die Schwerkraft auf die Bodenfläche des Gehäusebodens zu leiten und dort eine Senke zum Sammeln dieser Flüssigkeiten auszubilden. Zum Abführen des Kondensats aus dem Inneren der Batterie ist am Boden bzw. an der Bodenfläche eine Verschlussvorrichtung vorgesehen, welche insbesondere als Überdruckventil ausgeführt sein kann.
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Problematisch ist eine solche Sammlung von Flüssigkeiten innerhalb des Batteriegehäuses, weil das Vorkommen von elektrisch leitfähigen Medien in der Umgebung der Batteriemodule zu Korrosion und/oder Kurzschlüssen führen kann. Dies wird dadurch verstärkt, dass das Kondensat während der Fahrt des Kraftfahrzeuges in Bewegung geraten kann und so erst recht mit elektronisch sensiblen Stellen innerhalb der Batterie in Berührung kommen kann. Auch die Abführung des Kondensats durch eine an der Bodenfläche vorgesehene Verschlussvorrichtung birgt technische Unwägbarkeiten. Denn es besteht grundsätzlich die Gefahr, dass sich für die Abfuhr der Flüssigkeit nach außen vorgesehene Öffnungen zusetzen oder sich mechanisch aufwändigere Vorrichtungen wie Überdruckventile in Folge von eindringenden Fremdkörpern als unzuverlässig erweisen.
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WO 2013/037786 A1 offenbart einen elektrischen Energiespeicher für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einer Vielzahl miteinander verbundener Batteriezellen, welche in zumindest einem Stapel nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dabei ist innerhalb des Gehäuses eine Sammelleiste und/oder eine Kapillarstruktur zum Sammeln von Kondensat angeordnet, wobei die Sammelleiste und/oder die Kapillarstruktur in einem Auffangbehälter münden. Es kann zudem vorgesehen sein, dass der Auffangbehälter im Bodenbereich des Energiespeichers angeordnet ist, wobei bevorzugt ein Gehäusebodenteil zum Auffangbehälter hin abfallend ausgebildet ist.
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EP 2 533 346 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Entfernung von Flüssigkeit aus einer Energiespeichervorrichtung. Diese Vorrichtung weist ein eigenes äußeres rohr- oder zylinderförmiges Gehäuse mit Außenwänden auf. Das Gehäuse und damit die separate Flüssigkeitsabfuhrvorrichtung wird zusätzlich an das Gehäuse des Energiespeichers direkt formschlüssig angebracht, oder auch indirekt über eine Schlauch- oder Rohrverbindung damit gekoppelt. Es handelt sich folglich um eine zusätzlich am eigentlichen Energiespeichergehäuse angeordnete Einrichtung zur Flüssigkeitsabfuhr, wobei sich die Flüssigkeit zunächst im Inneren der Energiespeichervorrichtung am Boden sammelt und anschließend schwerkraftbedingt aus dem Energiespeichervorrichtungsgehäuse durch die Einlassöffnung in die Flüssigkeitsabfuhrvorrichtung gelangt. Auf einfache Weise kann unter Ausnutzung der Schwerkraft so gewährleistet werden, dass die Flüssigkeitsabfuhrvorrichtung auf der Unterseite des Energiespeichers angebracht werden kann, so dass das Kondensat besonders einfach abfließt.
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DE 10 2008 028 430 A1 offenbart ein Entgasungssystem für einen Akkumulator, der ein Gehäuse aufweist. Das Entgasungssystem weist einen Grundkörper zum Anbringen an einen Gehäuseboden des Akkumulators auf. Der Grundkörper weist in einem oberen Abschnitt eine Öffnung auf und ist in einem unteren Abschnitt zumindest teilweise flüssigkeitsdurchlässig. In dem Grundkörper ist eine Führung angeordnet, auf der ein Schwimmkörper vorgesehen, der von der Führung geführt wird. Das Entgasungssystem ermöglicht aufgrund des in der Führung beweglich angeordneten Schwimmkörpers einen schnellen Druckausgleich zwischen dem Akkumulatorinneren und der Akkumulatorumgebung, wenn beispielsweise eine Zelle in Folge einer Überladung, eines Kurzschlusses oder ähnlicher Ursachen eine große Menge Gas freisetzt. Der Druckanstieg wird über die Öffnungen in dem Entgasungssystem zuverlässig abgebaut.
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WO 2011/018129 A1 beschreibt eine Verschlussvorrichtung mit einer Notentgasungsfunktion, einem Druckausgleich sowie einer Kondensatabfuhr für ein gegenüber der Umgebung abgeschlossenes Gehäuse, welches zur Aufnahme einer technischen Komponente vorgesehen ist. Die Verschlussvorrichtung umfasst einen an einer Gehäuseöffnung befestigbaren Rahmen mit einer Rahmenöffnung sowie ein die Gehäuseöffnung verschließendes Verschlusselement. Das Verschlusselement ist derart ausgebildet bzw. derart relativ zu dem Rahmen angeordnet, dass durch die auf das Verschlusselement wirkende Schwerkraft in einer ersten Verschlussstellung zumindest ein Pfad in dem Verschlusselement oder durch das Verschlusselement ausgebildet ist, der einen Luftaustausch des Gehäuseinneren mit der Umgebung sowie einen Kondenswasserabfluss ermöglicht. Durch aus der Umgebung auf das Verschlusselement auftreffendes Wasser ist eine zweite Verschlussstellung erwirkbar, in der der Pfad dicht verschlossen ist. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Überdrucks, den das Gehäuseinnere gegenüber der Umgebung aufweist, ist das Verschlusselement von der Rahmenöffnung ablösbar.
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WO 2012/076808 A1 offenbart ein Batteriepack mit mehreren Zellen. Diese sind in einem oberen Gehäuseteil eines Gehäuses angeordnet, welcher Gehäuseteil querschnittlich betrachtet durch Seitenwände und einen zur Kühlung vorgesehenen Verdampfer begrenzt ist. In einem, auf der anderen Seite des Verdampfers befindlichen unteren Gehäuseteil, ist eine herausziehbare Schublade angeordnet, die ein saugfähiges Material aufnimmt. Der als massive Komponente ausgeführte Verdampfer teilt das Gehäuse in ein oberes Gehäuseteil mit den Zellen und ein Gehäuseteil. Der untere Gehäuseteil dient mit abgeschrägten Flächen der Abfuhr von Flüssigkeit, die sich im unteren Gehäuseteil, also zwischen dem Verdampfer und der Schublade, niederschlägt. Der durch den Verdampfer geschlossene obere Gehäuseteil ist stets luftdicht verschlossen, so dass ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit, die sich als Flüssigkeit niederschlagen kann, ausschließlich auf den unteren Gehäuseteil beschränkt ist. In diesem sind jedoch keine Zellen aufgenommen, da diese ausschließlich im oberen Gehäuseteil vorgesehen sind, wie auch keine fluidische Verbindung zwischen dem oberen und dem unteren Gehäuseteil gegeben ist.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Batterie anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Bereich der Senke ein Flüssigkeit aufnehmendes, auswechselbares Saugelement vorgesehen ist und die Verschlussvorrichtung eine bewegliche oder lösbare Abdeckung aufweist, welche einen Zugriff auf das Saugelement ermöglicht.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, sich sammelndes Kondensat an der Bodenfläche mit einem Saugelement aufzunehmen. Dadurch kann eine Bewegung der Flüssigkeit, die durch die Eigenbewegung des Fahrzeuges verursacht wird, weitestgehend ausgeschlossen werden. Insbesondere können so die Batteriemodule vor spritzendem Kondensat geschützt werden. Da ein solches Saugelement ein begrenztes Aufnahmevermögen aufweist, wird die Verschlussvorrichtung mit einer Abdeckung ausgeführt, welche die Abgeschlossenheit des Gehäuses weiterhin sicherstellt. Die Abdeckung ist allerdings beweglich oder lösbar ausgebildet, so dass der Boden geöffnet werden kann und ein Zugriff auf das Saugelement, vor allem eine Auswechslung, möglich ist. Vorteilhafterweise wird ein solcher Wechsel im Rahmen der üblichen Wartungszyklen durchgeführt, es ist aber auch gleichzeitig denkbar, eine Auswechslung nur bei Bedarf vorzunehmen. So wird eine mechanisch leicht zu handhabende Ausführung einer Batterie für ein Kraftfahrzeug erzielt, bei welcher insbesondere Störungen der Verschlussvorrichtung, wie sie insbesondere bei Ventilen und dergleichen vorkommen können, ausgeschlossen sind.
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In einer ersten vorteilhaften Ausführung wird das Gehäuse so ausgeführt, dass die Bodenfläche eine den Zufluss der Flüssigkeit ermöglichende Neigung zum Saugelement hin aufweist. Dadurch wird die Konzentration des Kondensats in der Senke beschleunigt. Zweckmäßigerweise ist diese Neigung so ausgebildet, dass ein Sammelbereich definiert ist und sich dort das Saugelement befindet.
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Als besonders günstig zeigt sich, dass die Neigung der Bodenfläche mittels zweier sich gegenüberliegenden oder mehreren sich paarig gegenüberliegenden Wandflächen des Gehäuses realisiert ist und/oder die Bodenfläche trichterartig ausgebildet ist. Es ist somit denkbar, dass die Bodenfläche ausgehend von zwei sich gegenüberliegenden Wandflächen der Batterie mit einer länglichen Senke ausgebildet ist und so eine trapezförmige Querschnittsfläche zeigt. Ebenso ist es möglich, insbesondere bei Gehäusen mit rechteckiger Grundfläche, die Neigung von sich paarig gegenüberliegenden Wandflächen ausgehen zu lassen und auf diese Weise eine kleinere eckige Senke zur Aufnahme des Saugelements zu bilden. Es ist aber auch vorstellbar, die Neigung kegelförmig auszubilden, so dass die Bodenfläche wie ein Trichter wirkt oder aber auch von einer der vorgenannten eckigen Ausführungsformen in eine trichterartige Ausführung überzugehen. Das Saugelement kann dann insbesondere auch in runder Form ausgelegt werden.
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Die zuvor genannten Ausführungsformen können in sinnvoller Weise dadurch weitergebildet werden, dass die Bodenfläche eine das Saugelement aufnehmende Vertiefung aufweist, in deren Bereich die Verschlussvorrichtung angeordnet ist. Durch eine solche Ausgestaltung kann insbesondere erreicht werden, dass ein Aufnahmeraum für das Saugelement ausgebildet wird, welcher dessen Geometrie genau entspricht. Eine so ausgebildete Vertiefung reduziert die Gefahr eines Verrutschens des Saugelements und unterstützt die Sammlung des Kondensats in sinnvoller Weise.
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In einer ersten Variante ist die Verschlussvorrichtung derart ausgeführt, dass die Abdeckung mittels mehrerer Schrauben am Boden lösbar befestigt ist. Dies dient insbesondere einem einfachen Zugriff auf das Saugelement für einen regelmäßig vorzunehmenden Austausch. Durch die Anbringung von mehreren Schrauben zur Fixierung der Abdeckung kann eine mechanisch robuste und gleichzeitig einfach zu lösende Ausführung der Verschlussvorrichtung erreicht werden.
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Es besteht alternativ die Möglichkeit, dass die Abdeckung um eine zum Boden vertikal oder parallel verlaufende Achse schwenkbar gelagert und mit wenigstens einem Befestigungselement, wie einer Schraube, in der Schließstellung fixiert ist. Hierbei ist es z. B. denkbar, die Abdeckung insbesondere mit einem Scharnier zu versehen und so ein Abklappen derselben zu ermöglichen. Ebenso kann aber auch eine schwenkbare Ausgestaltung der Abdeckung erreicht werden, in dem diese an einem Punkt befestigt ist und um eine senkrecht zum Boden verlaufende Drehachse bewegt werden kann. Zur betriebsüblichen Fixierung der Abdeckung ist dann mindestens ein weiteres Befestigungselement, z. B. eine Befestigungsschraube, vorzusehen, welches eine Schließstellung fixiert, die insbesondere das gesamte Gehäuse gegen Feuchtigkeitsaustausch abschließt. Vorteilhaft an dieser Lösung ist es, dass bei beengten Einbauverhältnissen lediglich ein zu lösendes Befestigungselement vorzusehen ist und ein Abfallen der Abdeckung von der Verschlussvorrichtung weitestgehend verhindert werden kann.
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Daneben ist es alternativ möglich, dass die Abdeckung kappenartig ist und ein Innengewinde aufweist, das auf ein am Boden vorgesehenes Außengewinde aufgeschraubt ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass Realisierungen denkbar sind, in welchen kein besonderes Werkzeug zum Lösen der Abdeckung benötigt wird. In diesem Fall ist das Saugelement vorzugsweise rund ausgeführt. Allen Ausführungen gemein ist, dass natürlich ein oder mehrere Dichtelemente, z. B. ein laufender Dichtgummi oder dergleichen, vorgesehen sind, die den Bereich zwischen Abdeckung und Boden abdichten.
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In allen genannten Ausführungsformen kann ferner vorgesehen werden, dass das Saugelement ein Faserstoff, Holz, Kreide, Papier, ein Polymer, einen Schwamm und/oder ein hydrophiles Material umfasst oder daraus besteht. All diese Materialien weisen üblicherweise Saugeigenschaften auf, wobei eine für die zu erwartende Flüssigkeitsmenge und das vorgesehene Wartungsintervall geeignete Zusammensetzung des Saugelements zu wählen ist. Es ist bei der Materialwahl ferner zu berücksichtigen, dass das Kondensat nicht notwendigerweise ausschließlich aus Wasser besteht, sondern auch weitere flüssige Stoffe enthalten kann. Insbesondere kann das Saugelement vorteilhafterweise so ausgeführt werden, dass auch im Fehlerfall austretende Batterieflüssigkeiten, wie beispielsweise Elektrolyte, vom Saugelement aufgenommen werden können.
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Ferner ist es zweckmäßig, dass innerhalb des Gehäuses eine die Flüssigkeitsaufnahme des Saugelements erfassende Detektionseinheit, insbesondere ein geeigneter Sensor, angebracht ist. Hier kommen verschiedenste Ausführungsformen dieser Detektionseinheit in Betracht, welche die bisherige Flüssigkeitsaufnahme kontakthaft oder kontaktlos ermitteln können und ein geeignetes Detektionssignal zur Verfügung stellen. Dies ist insbesondere in dem Fall sinnvoll, wenn ein Austausch des Saugelements nur bei Bedarf vorgenommen werden soll oder aber auch während der Wartungsintervalle mit einem außerplanmäßigen Austausch des Saugelements zu rechnen ist.
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Neben der Batterie betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße Batterie aufweist.
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Schließlich ist eine besonders vorteilhafte Ausführung in einem eine Detektionseinheit umfassenden Kraftfahrzeug zu sehen, wobei diese Detektionseinheit mit einer Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung verbunden ist, mittels welcher Informationen über die Flüssigkeitsaufnahme des Saugelements auf einer Ausgabeeinrichtung anzeigbar sind. Eine solche Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung wertet insbesondere die Detektionssignale zur Feuchtigkeitsaufnahme des Saugelements aus und leitet diese Information an eine Ausgabeeinrichtung weiter, durch welche insbesondere der Fahrer auf einen eingetretenen Wartungsfall der Batterie hingewiesen wird. Die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit kann dabei auch auf bestehende informationstechnische Infrastruktur des Fahrzeuges zurückgreifen, wie beispielsweise Bussysteme. Daneben ist auch die Integration der Ausgabeeinrichtung in bestehende Anzeigevorrichtungen des Fahrzeuges, insbesondere im Instrumentenbereich des Fahrerraums, zweckmäßig ausführbar.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 einen Schnitt einer erfindungsgemäßen Batterie mit Flüssigkeitskühlung und Verschlusseinrichtung in Schließstellung,
- 2 eine Detaildarstellung einer Verschlussvorrichtung mit einer Abdeckung, welche um eine vertikal zum Boden verlaufende Achse drehbar ist,
- 3 eine Detaildarstellung einer Verschlussvorrichtung mit einer Abdeckung, welche um eine parallel zum Boden verlaufende Achse drehbar ist,
- 4 eine Detaildarstellung einer Verschlussvorrichtung, bei welcher die Abdeckung als schraubbare Kappe ausgebildet ist, und
- 5 eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges mit einer erfindungsgemäßen Batterie sowie einer Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung und einer zugehörigen Ausgabeeinrichtung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Batterie 1, umfassend ein abgeschlossenes, üblicherweise aus Kunststoff bestehendes, Gehäuse 2, in welchem zwei Batteriemodule 3 vorhanden sind, die eine aktive Flüssigkeitskühlung 4 aufweisen. Das Gehäuse weist einen Boden 18 mit einer Bodenfläche 5 auf, welche ausgehend von den Wandflächen 6 geneigt ausgebildet ist. In der Bodenfläche ist eine Vertiefung 7 angebracht, welche gleichzeitig die Senke 8 für das Kondensat bildet. Zu dessen Aufnahme ist ein rechteckig ausgebildetes Saugelement 9, welches vorzugsweise aus Filz oder einem Vliesstoff besteht, in der Vertiefung 7 angeordnet. Innerhalb der Vertiefung 7 schließt der Boden 18 mit einer Verschlussvorrichtung 10 ab, welche eine Abdeckung 11 sowie zwei Schrauben 12 umfasst. Es ist zweckmäßig das Saugelement 9 beispielsweise durch geeignete Haken an der Abdeckung 11 oder mittels über der Vertiefung 7 ausgebildeten Halterungsdrähten gegen ein Verrutschen zu sichern. In der in 1 gezeigten Schließstellung sind die Schrauben 12 dabei angezogen und haltern die Abdeckung 11 am Boden 18, so dass Flüssigkeit weder eintreten noch austreten kann.
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Das Gehäuseinnere 13 ist hier luftgefüllt und weist daher eine unvermeidbare Luftfeuchtigkeit auf. Infolge von Druck- und/oder Temperaturänderungen, welche gerade von der Flüssigkeitskühlung 4 verursacht werden können, kondensiert diese Luftfeuchtigkeit, wodurch an allen Innenflächen des Gehäuses 2 eine Abscheidung von Kondensat stattfindet. Kondensat, welches sich an den Wandflächen 6 bildet, wird dabei durch die Schwerkraft zur Bodenfläche 5 hinfließen und dort infolge der Neigung zusammen mit sich auf der Bodenfläche 5 selber gesammelter Flüssigkeit zur Senke 8 abfließen. Das dort angeordnete Saugelement 9 nimmt diese kontinuierlich abfließenden Flüssigkeitsmengen auf. Somit wird das Kondensat an das flüssigkeitsaufnehmende Material des Saugelements 9 gebunden und ist nicht mehr frei innerhalb des Gehäuseinneren 13 bewegbar, wodurch die Batteriemodule 3 vor einem schädlichen Eindringen von Kondensat geschützt und Kurzschlüsse vermieden werden.
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Im Wartungsfalle können die Schrauben 12 gelöst und die Abdeckung 11 entfernt werden. Dabei kann das Saugelement 9 entnommen und vorzugsweise gegen ein unbenutztes Saugelement 9 ausgetauscht werden. Anschließend sind die Schrauben 12 wieder so anzuziehen, dass die Abgeschlossenheit des Gehäuses 2 wieder hergestellt ist.
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Die Batterie 1 umfasst ferner eine Detektionseinheit 14, welche z. B. Kontakt mit dem Saugelement 9 aufweist und in der Lage ist, die aufgenommene Menge an Flüssigkeit zu messen und ein Detektionssignal zu erzeugen, welches ausgewertet werden kann.
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2 zeigt in einer Detaildarstellung eine Verschlussvorrichtung 10 mit einer Abdeckung 11, welche um eine vertikal zum Boden 18 verlaufende Achse 19 drehbar ist. Dazu ist die Abdeckung 11 an einer Stelle mit einem Bolzen 21 so an der Verschlussvorrichtung 10 gelagert, dass die Abdeckung 11 durch Schwenken bewegt kann. In Schließstellung wird die Abdeckung 11 mit einem Befestigungselement 20 fixiert.
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3 zeigt eine weitere Variante einer Verschlussvorrichtung 10 im Detail. Hier ist die Abdeckung 11 so gelagert, dass sie um eine parallel zum Boden 18 verlaufende Achse 19 drehbar ist. Dabei weist die Abdeckung 11 ein Scharnier 22 an einer Seite der Verschlussvorrichtung 10 auf, so dass das Saugelement 9 durch ein Abklappen der Abdeckung 11 entnommen werden kann. Auch hier wird die Abdeckung 11 in Schließstellung mit einem Befestigungselement 20 fixiert.
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Eine dritte alternativ mögliche Ausführungsform der Verschlussvorrichtung 10 zeigt 4 in einer Detaildarstellung. Die Verschlussvorrichtung 10 wird hier mit einer Schraubkappe 23 am Boden 18 abgeschlossen. Dabei weisen sowohl die Schraubkappe 23 als auch die Verschlussvorrichtung 10 ein Gewinde 15 auf. Die notwendigerweise kreisrunde Grundfläche der Schraubkappe 23 legt es nahe, auch das Saugelement 9 mit einer kreisförmigen Grundfläche auszuführen.
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5 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 24 in Aufsicht, in dessen Heckbereich eine erfindungsgemäße Batterie 1 eingebaut ist. Ebenso ist das an der Detektionseinrichtung 14 kontakthaft anliegende Saugelement 9 angedeutet. Die Detektionseinheit 14 ist hier verbunden mit der Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 16. Diese ist vorliegend beispielhaft in der Nähe der Batterie 1 verdeckt für den Endnutzer angeordnet und wertet die von der Detektionseinheit 14 gelieferten Informationen aus. Ferner verarbeitet sie diese Information und ist mit der im Fahrgastbereich befindlichen Ausgabeeinrichtung 17 verbunden. Erkennt die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 16 aufgrund der detektierten Informationen eine Erschöpfung oder drohende Erschöpfung des Aufnahmevermögens des Saugelements 9, so wird ein optisches Signal über die Ausgabeeinrichtung 17 ausgegeben, welches den Fahrer veranlassen soll, die nächste Werkstatt aufzusuchen.
