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Die Erfindung betrifft eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Batterien, d. h. elektrochemische Energiespeicher, welche als so genannte Hochvolt-Batterien ausgebildet sind, allgemein bekannt. Derartige Batterien sind beispielsweise als Traktionsbatterie zur elektrischen Energieversorgung zumindest eines elektrischen Antriebsmotors eines Fahrzeugs vorgesehen, beispielsweise eines Hybridfahrzeugs, eines Elektrofahrzeugs oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Des Weiteren können derartige Batterien auch für Stationäranwendungen vorgesehen sein, zum Beispiel als Stromversorger und/oder Stromspeicher.
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Eine solche Batterie besteht aus einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen. Innerhalb der Batterie sind die Einzelzellen in der Regel in einem Zellblock oder in mehreren Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Einzelzellen sowie Einrichtungen zu deren mechanischer Fixierung, zur elektrischen Kontaktierung und zur Temperierung, d. h. zur Kühlung und/oder Heizung, aufweisen. Der Zellblock oder die Zellblöcke ist/sind in einem stabilen Batteriegehäuse untergebracht, welches zusätzlich die nötigen Einrichtungen zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie umfasst, beispielsweise ein Batteriemanagementsystem, Schütze zur Zu- und Abschaltung des Stromes, Sicherungen und Strommesser, und welches zudem die Anschlüsse nach außen umfasst, insbesondere zur Stromzuleitung und Stromableitung sowie zur Temperiermediumzuführung und Temperiermediumabführung und einen Anschluss für die Batteriesteuerung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Batterie umfasst eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen, welche in einem Innenraum eines Batteriegehäuses angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß umfasst die Batterie mindestens einen Trennschalter, mittels welchem eine elektrische Verbindung zwischen mindestens zwei Einzelzellen und/oder zwischen den Einzelzellen und einer elektrischen Anschlusseinheit der Batterie unterbrechbar ist, mindestens eine Betätigungseinheit zur Betätigung des Trennschalters und mindestens eine Erfassungseinheit zur Erfassung einer Änderung mindestens eines physikalischen Parameters im Innenraum des Batteriegehäuses. Die Erfassungseinheit ist derart direkt mit der Betätigungseinheit gekoppelt, dass die Betätigungseinheit aufgrund einer erfassten vorgegebenen Änderung des physikalischen Parameters auslösbar ist. Bei dem mindestens einen physikalischen Parameter handelt es sich insbesondere um einen physikalischen Parameter, welcher sich nur bei einer oder mehreren sich öffnenden Einzelzellen und einem daraus resultierenden Ausströmen heißen Ventinggases aus der jeweiligen Einzelzelle und/oder bei einem Brand in vorgegebener Weise ändert, d. h. sich in unzulässige Bereiche ändert.
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Die erfindungsgemäße Lösung dient der Erhöhung der Sicherheit der Batterie, denn der mindestens eine Trennschalter ist insbesondere zusätzlich zu den bereits oben beschriebenen üblichen Schützen, welche beispielsweise als Halbleiterschalter ausgebildet sind und welche der Zuschaltung und Abschaltung der Batterie im Normalbetrieb dienen, und zusätzlich zu den ebenfalls bereits oben beschriebenen üblichen Schmelzsicherungen, die bei Überstrom einmalig auslösen, in der Batterie angeordnet. Der Trennschalter ist in einem Hochvoltpfad der Batterie angeordnet und dient insbesondere dazu, die elektrische Spannung der noch elektrisch in Reihe geschalteten Einzelzellen zu reduzieren. Vorzugsweise ist der Trennschalter als ein Einmal-Trennschalter ausgebildet, d. h. nach dem einmaligen Öffnen des Trennschalters ist dieser nicht wieder zu schließen.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist der Trennschalter oder sind eine Mehrzahl solcher Trennschalter, um einen einfachen und zuverlässigen Aufbau zu ermöglichen, ohne elektronische Bauelemente auslösbar, nämlich allein durch die Abfrage einer oder mehrerer physikalischer Parameter im Innenraum des Batteriegehäuses mittels der mindestens einen Erfassungseinheit. Derartige physikalische Parameter sind beispielsweise ein Druck, eine Temperatur, ein Volumenstrom und/oder ein elektrischer Leitwert. Wird durch die Erfassungseinheit eine vorgegebene Veränderung des physikalischen Parameters oder der physikalischen Parameter erfasst, d. h. eine Änderung in unzulässige Bereiche, zum Beispiel eine Erhöhung der Temperatur im Innenraum des Batteriegehäuses durch sich öffnende und sogenannte Ventinggase abblasende Einzelzellen, dann wird die Trennung des Hochvolt-Stromkreises durch das automatische Betätigen des Trennschalters vorgenommen und die Spannung der noch elektrisch in Reihe geschalteten Einzelzellen reduziert. Eine derartige Änderung eines oder mehrerer physikalischer Parameter im Innenraum des Batteriegehäuses erfolgt insbesondere aufgrund einer Fehlfunktion der Batterie oder einzelner Einzelzellen, zum Beispiel aufgrund eines Überladens und/oder zu starken Entladens und/oder aufgrund einer Überlastung und/oder aufgrund eines Kurzschlusses und/oder aufgrund einer mechanischen Beschädigung.
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Durch die integrale Abfrage des oder der physikalischen Parameter im Innenraum des Batteriegehäuses werden gleichzeitig alle Einzelzellen überwacht, wodurch gegenüber einer Einzelüberwachung der jeweiligen Einzelzelle der Aufwand gesenkt wird. Öffnet sich zum Beispiel eine Einzelzelle durch Kurzschluss oder durch eine andere Fehlfunktion, dann tritt heißes Ventinggas in den Innenraum des Batteriegehäuses aus und führt durch eine entsprechende Erhöhung der Temperatur und/oder des Drucks und/oder des elektrischen Leitwerts und/oder einer Strömung zur Trennung des Stromkreises durch das automatische Betätigen des Trennschalters und damit zur Abschaltung. Die Überwachung des Innenraums des Batteriegehäuses und die Nutzung eines oder mehrerer physikalischer Parameter, die sich nur bei einer oder mehreren sich öffnenden Einzelzellen und/oder bei einem Brand in unzulässige Bereiche ändern, verhindern Fehlauslösungen, was besonders wichtig ist, da als Einmal-Stromtrennschalter ausgebildete Trennschalter die Batterie irreversibel stilllegen.
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Durch die direkte Kopplung der Erfassungseinheit mit der Betätigungseinheit derart, dass die Betätigungseinheit aufgrund der erfassten vorgegebenen Änderung des physikalischen Parameters auslösbar ist, wird ein hoher technischer Aufwand vermieden, da keine elektronischen Sensoren und keine Signalverarbeitungseinheit sowie deren Stromversorgung erforderlich sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer Batterie mit einem geschlossenen Trennschalter,
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2 schematisch eine Schnittdarstellung der Ausführungsform der Batterie gemäß 1 mit geöffnetem Trennschalter,
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3 schematisch eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie mit einem geschlossenen Trennschalter,
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4 schematisch eine Schnittdarstellung der Ausführungsform der Batterie gemäß 3 mit geöffnetem Trennschalter,
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5 schematisch eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie mit einem geschlossenen Trennschalter,
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6 schematisch eine Schnittdarstellung der Ausführungsform der Batterie gemäß 5 mit geöffnetem Trennschalter,
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7 schematisch eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie mit einem geschlossenen Trennschalter,
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8 schematisch eine Schnittdarstellung der Ausführungsform der Batterie gemäß 7 mit geöffnetem Trennschalter,
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9 schematisch eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie mit einem geschlossenen Trennschalter,
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10 schematisch eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie mit einem geschlossenen Trennschalter,
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11 schematisch eine Schnittdarstellung der Ausführungsform der Batterie gemäß 10 mit geöffnetem Trennschalter,
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12 schematisch eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie mit einem geschlossenen Trennschalter, und
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13 schematisch eine Schnittdarstellung der Ausführungsform der Batterie gemäß 12 mit geöffnetem Trennschalter.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 13 zeigen schematische Schnittdarstellungen einer Batterie 1, d. h. eines elektrochemischen Energiespeichers. Die Batterie 1 ist insbesondere als eine so genannte Hochvolt-Batterie ausgebildet. Die Batterie 1 ist beispielsweise als Traktionsbatterie zur elektrischen Energieversorgung zumindest eines elektrischen Antriebsmotors eines Fahrzeugs vorgesehen, beispielsweise eines Hybridfahrzeugs, eines Elektrofahrzeugs oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Des Weiteren kann diese Batterie 1 auch für Stationäranwendungen vorgesehen sein, zum Beispiel als Stromversorger und/oder Stromspeicher.
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Die Batterie 1 umfasst eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen 2, welche in einem Innenraum eines Batteriegehäuses 3 angeordnet sind. Des Weiteren umfasst die Batterie 1 mindestens einen Trennschalter 4, mittels welchem eine elektrische Verbindung zwischen mindestens zwei Einzelzellen 2 und/oder zwischen den Einzelzellen 2 und einer elektrischen Anschlusseinheit der Batterie 1 unterbrechbar ist. In den dargestellten Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 13 ist der Trennschalter 4 jeweils in einer elektrischen Verbindung zweier Zellblöcke 5 der Batterie 1 angeordnet, wobei jeder der Zellblöcke 5 jeweils eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen 2 aufweist. Somit ist mittels des Trennschalters 4 in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils die elektrische Verbindung zwischen den beiden Zellblöcken 5 der Batterie 1 zu trennen. Die beiden Zellblöcke 5 können jeweils mit weiteren, hier nicht näher dargestellten Zellblöcken 5 der Batterie 1 elektrisch seriell und/oder parallel verbunden sein. Die Batterie 1 kann auch mehrere derartige Trennschalter 4 aufweisen, welche beispielsweise zwischen weiteren Einzelzellen 2 und/oder Zellblöcken 5 der Batterie 1 angeordnet sind, um deren elektrische Verbindung trennen zu können.
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Die Batterie 1 weist zudem mindestens eine Betätigungseinheit 6 zur Betätigung des Trennschalters 4 und mindestens eine Erfassungseinheit 7 zur Erfassung einer Änderung mindestens eines physikalischen Parameters im Innenraum des Batteriegehäuses 3 auf. Die Erfassungseinheit 7 ist derart direkt mit der Betätigungseinheit 6 gekoppelt, dass die Betätigungseinheit 6 aufgrund einer erfassten vorgegebenen Änderung des physikalischen Parameters auslösbar ist.
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Der Trennschalter 4 dient der Erhöhung der Sicherheit der Batterie 1 und ist zweckmäßigerweise zusätzlich zu üblichen Schützen, beispielsweise in Form von entsprechenden Halbleiterschaltern, die der Zu- und Abschaltung der Batterie 1 im Normalbetrieb dienen, sowie zusätzlich zu üblichen Schmelzsicherungen, die bei Überstrom einmalig auslösen, als ein weiterer Stromtrenner vorgesehen, welcher in einer elektrischen Verbindung innerhalb der Batterie 1 angeordnet ist. Bei dieser elektrischen Verbindung, in der der Trennschalter 4 angeordnet ist und welche mittels des Trennschalters 4 zu trennen ist, handelt es sich insbesondere um eine so genannte Hochvoltverbindung, auch als Hochvolt-Pfad oder HV-Pfad bezeichnet. D. h. der Trennschalter 4 ist insbesondere in einer elektrischen Verbindung zwischen Einzelzellen 2 oder Zellblöcken 5 von Einzelzellen 2 der Batterie 1 angeordnet, um durch das Trennen der elektrischen Verbindung einen Stromfluss zum Laden und/oder Entladen aller oder mehrerer Einzelzellen 2 oder zumindest einer Einzelzelle 2 der Batterie 1 zu unterbrechen. Durch das Öffnen des Trennschalters 4 oder mehrerer Trennschalter 4 der Batterie 1 wird insbesondere die elektrische Spannung der noch elektrisch in Reihe geschalteten Einzelzellen 2 der Batterie 1 reduziert. Vorzugsweise ist der Trennschalter 4 oder sind die Trennschalter 4 der Batterie 1 als Einmal-Trennschalter ausgeführt.
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Der Trennschalter 4 kann beispielsweise als eine so genannte Pyrosicherung ausgebildet sein, wobei die Stromtrennung durch einen pyrotechnischen Gasgenerator 8 ausgelöst wird, dessen Druck über eine kolbenartige Einrichtung den Strompfad mechanisch auftrennt, wie in den 1 bis 9 sowie 12 und 13 gezeigt. D. h. die Betätigungseinheit 6 des Trennschalters 4 ist in diesem Fall als pyrotechnischer Gasgenerator 8 ausgebildet oder umfasst einen solchen pyrotechnischen Gasgenerator 8.
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In einer hier nicht dargestellten möglichen Ausführungsform ist diese Pyrosicherung mit einer Elektronik aktiv anzusteuern. Die Elektronik enthält einen Sensor, der ein elektrisches Signal an eine beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildete elektronische Verarbeitungseinheit übergibt, welche bei Bedarf durch einen Stromimpuls den Gasgenerator 8 zündet und den Trennvorgang auslöst. Eine hierfür erforderliche Stromversorgung erfolgt beispielsweise aus einem Bordnetz des Fahrzeugs. Allerdings weist diese in den 1 bis 13 nicht dargestellte Ausführungsform Nachteile auf, da aufgrund der erforderlichen elektronischen Sensoren, der Signalverarbeitungseinheit und deren Stromversorgung ein hoher technischer Aufwand erforderlich ist. Durch einen an der Elektronik anliegenden Zündstrom für den pyrotechnischen Gasgenerator 8 sind zudem besondere Sicherheitsvorkehrungen erforderlich, beispielsweise eine interne Überwachung der Elektronik auf Fehler und eine Abschaltung beim Öffnen der Batterie 1, um ein versehentliches Auslösen der Pyrosicherung zu vermeiden.
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Um diese Nachteile zu vermeiden und einen Aufbau der erforderlichen Komponenten in der Batterie 1 zu vereinfachen und die Sicherheit der Batterie 1 zu erhöhen, ist daher vorgesehen, wie oben bereits beschrieben, dass die Batterie 1 mindestens eine Betätigungseinheit 6 zur Betätigung des Trennschalters 4 und mindestens eine Erfassungseinheit 7 zur Erfassung einer Änderung mindestens eines physikalischen Parameters im Innenraum des Batteriegehäuses 3 aufweist, wobei die Erfassungseinheit 7 derart direkt mit der Betätigungseinheit 6 gekoppelt ist, dass die Betätigungseinheit 6 aufgrund einer erfassten vorgegebenen Änderung des physikalischen Parameters auslösbar ist.
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D. h. es sind, wie oben bereits beschrieben, ein oder mehrere Trennschalter 4, vorzugsweise Einmal-Stromtrennschalter, im Hochvolt-Pfad der Batterie 1 angeordnet, welche ohne elektronische Bauelemente durch die Abfrage eines oder mehrerer physikalischer Parameter im Innenraum des Batteriegehäuses 3 ausgelöst werden, d. h. durch die Erfassung eines oder mehrerer physikalischer Parameter im Innenraum des Batteriegehäuses 3, insbesondere durch eine Erfassung einer Änderung des physikalischen Parameters oder der mehreren physikalischen Parameter. Derartige physikalische Parameter sind insbesondere ein Druck, eine Temperatur, ein Volumenstrom und/oder ein elektrischer Leitwert im Innenraum des Batteriegehäuses 3, insbesondere deren jeweilige Änderung.
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Ändern sich diese physikalischen Parameter in vorgegebener Weise, d. h. ändern sie sich in unzulässige Bereiche, beispielsweise eine Erhöhung der Temperatur im Innenraum des Batteriegehäuses 3 auf oder über einen vorgegebenen Maximalwert durch sich öffnende und sogenannte Ventinggase G abblasende Einzelzellen 2, dann wird die Trennung des Hochvolt-Stromkreises durch Öffnen des Trennschalters 4 vorgenommen, wodurch die elektrische Spannung der noch elektrisch in Reihe geschalteten Einzelzellen 2 reduziert wird.
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Durch die integrale Erfassung des physikalischen Parameters oder der mehreren physikalischen Parameter im Innenraum des Batteriegehäuses 3 werden gleichzeitig alle Einzelzellen 2 überwacht, wodurch gegenüber einer Einzelüberwachung jeder Einzelzelle 2 der Aufwand gesenkt wird. Öffnet sich beispielsweise eine Einzelzelle 2 aufgrund eines Kurzschlusses oder einer anderen Fehlfunktion, dann tritt heißes Ventinggas G aus der Einzelzelle 2 in den Innenraum des Batteriegehäuses 3 aus und führt zur Trennung des Stromkreises mittels des Trennschalters 4 aufgrund einer erfassten Temperaturerhöhung und/oder Druckerhöhung und/oder aufgrund einer erfassten auftretenden Strömung und/oder aufgrund einer erfassten Erhöhung des elektrischen Leitwertes und somit zur Abschaltung einer oder mehrerer Einzelzellen 2, insbesondere der vom Kurzschluss betroffenen Einzelzelle 2, oder zur Abschaltung der gesamten Batterie 1. Eine aus der jeweils erfassten Änderung des jeweiligen physikalischen Parameters resultierende Wirkung ist in den Ausführungsbeispielen jeweils durch Wirkungspfeile W dargestellt.
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Durch die Überwachung des Innenraums des Batteriegehäuses 3 und die Nutzung von physikalischen Parametern, die sich nur dann in vorgegebene unzulässige Bereiche ändern, wenn sich eine oder mehrere Einzelzellen 2 aufgrund einer Fehlfunktion öffnen, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses, aufgrund einer Überlastung, aufgrund eines zu starken Ladens und/oder eines zu starken Entladens, oder wenn ein Brand auftritt, werden Fehlauslösungen verhindert. Dies ist insbesondere dann besonders wichtig, wenn der Trennschalter 4 oder die Trennschalter 4 als Einmal-Stromtrennschalter ausgebildet ist/sind, da derartige Einmal-Stromtrennschalter die Batterie 1 irreversibel stilllegen.
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In vorteilhaften Ausführungsformen der Batterie 1 ist die Betätigungseinheit 6 zur Betätigung des Trennschalters 4 indirekt ausgeführt. Hierbei wird eine zum Trennen der elektrischen Verbindung nötige Schaltenergie von einem Energiespeicher bereitgestellt, der beispielsweise nach einem chemischen, physikalischen oder elektrochemischen Prinzip arbeitet. Bei einem chemischen Prinzip ist der Energiespeicher beispielsweise als pyrotechnische Patrone oder als pyrotechnischer Gasgenerator 8 ausgebildet. In den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 9 sowie 12 und 13 weist die Betätigungseinheit 6 eine solche pyrotechnische Patrone oder einen solchen pyrotechnischen Gasgenerator 8 auf. Die Funktionsweise wird im Folgenden noch näher erläutert. Bei einem physikalischen Prinzip ist der Energiespeicher beispielsweise als Gasdruckspeicher und/oder Federdruckspeicher ausgebildet. Bei einem elektrochemischen Prinzip ist der Energiespeicher beispielsweise als eine Batterie ausgebildet, wobei dies die Batterie 1 sein kann, in welcher der Trennschalter 4 angeordnet ist, oder eine zusätzliche Batterie. D. h. bei dieser indirekten Ausführung der Betätigungseinheit 6 weist sie beispielsweise eine eigene Betätigungsenergiequelle auf und/oder ist mit einer Energiequelle gekoppelt oder koppelbar, beispielsweise mit einer Zusatzbatterie oder mit einer oder mehreren Einzelzellen 2 der Batterie 1.
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Eine erforderliche Energie zum Auslösen der Betätigungseinheit 6, d. h. zum Freisetzen der Schaltenergie aus dem oben genannten Energiespeicher, beispielsweise ein Zündstrom für die pyrotechnische Patrone oder den pyrotechnischen Gasgenerator 8, kann zugeführt werden, zum Beispiel aus den Einzelzellen 2 der Batterie 1, wie in den 1 bis 8 sowie 12 und 13 gezeigt, oder aus einem zusätzlichen Auslöseenergiespeicher, oder sie wird durch den oder die sich ändernden physikalischen Parameter bereitgestellt, beispielsweise durch eine Temperaturänderung, Druckänderung und/oder durch einen Volumenstrom, wie in 9 gezeigt.
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Wird der Zündstrom aus den Einzelzellen 2 der Batterie 1 selbst entnommen, kann dies optional an mehreren Stellen der Batterie 1 erfolgen, d. h. zur Bereitstellung des Zündstroms stehen mehrere Einzelzellen 2 zur Verfügung, so dass die Stromversorgung auch nach einem Ausfall von einer oder mehreren Einzelzellen 2 der Batterie 1 beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses und/oder eines Öffnens der jeweiligen Einzelzelle 2 und einem Austritt eines Elektrolyten, durch andere, noch intakte Einzelzellen 2 sichergestellt ist.
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Der Auslöser, der unter Nutzung der Auslöseenergie die Schaltenergie zur Trennung des Stromkreises mit einem geeigneten Mechanismus freisetzt, beispielweise ein elektrischer Schalter zur Schaltung des Zündstroms der pyrotechnischen Patrone oder des pyrotechnischen Gasgenerators 8, d. h. zur Aktivierung der Betätigungseinheit 6, arbeitet ohne elektronische Sensorik und Signalverarbeitung, sondern durch die Erfassung des physikalischen Parameters oder der mehreren physikalischen Parametern und insbesondere der jeweiligen Änderung im Innenraum des Batteriegehäuses 3.
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Ein durch eine vorgegebene Temperatur ausgelöster elektrischer Schalter kann beispielsweise nach dem Bimetallprinzip arbeiten, wie im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 gezeigt, oder als Dehnelement oder Dehnpatrone, oder mit einem federbelasteten Schmelzpropfen oder mit einem NTC-Thermowiderstand funktionieren. Ein durch Druck ausgelöster elektrischer Schalter kann beispielsweise mit einer barometrischen Dose, einem Kolbenzylinder, einer zerreißenden Membran, vorzugsweise einer Ventingmembran 11 des Batteriegehäuses 3, oder einem Piezoelement funktionieren. Beispiele hierfür sind in den 3 bis 8 sowie 12 und 13 dargestellt. Ein durch Volumenstrom von austretendem Ventinggas G ausgelöster Schalter kann zum Beispiel nach dem Stauklappenprinzip, vorzugsweise unter Nutzung einer Ventingklappe 14 des Batteriegehäuses 3, oder nach dem Turbinenradprinzip funktionieren, wie in 9 gezeigt.
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Ein durch elektrische Leitwertänderung ausgelöster Schalter kann beispielsweise auf eine Leitwerterhöhung eines Gases im Innenraum des Batteriegehäuses 3 durch den Austritt von Ventinggas G und/oder Elektrolyt aus einer oder mehreren Einzelzellen 2 oder auf die elektrische Leitwerterhöhung von Oberflächen durch darauf abgeschiedene Ventingprodukte von Einzelzellen 2 ansprechen.
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Trennschalter 4, die bzw. deren Betätigungseinheit 6 die Schaltenergie aus einem Speicher beziehen/bezieht, sind in der Lage, innerhalb kürzester Zeit große Ströme und Spannungen zu schalten. Hierfür ist es erforderlich, aufgetrennte Enden des Hochvolt-Kreises zur Löschung eines entstehenden Lichtbogens auf eine große Entfernung zu bringen.
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In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Batterie 1 ist der Trennschalter 4 bzw. dessen Betätigungseinheit 6 direkt ausgeführt, wobei die zum Trennen der elektrischen Verbindung nötige Schaltenergie direkt aus der Änderung des physikalischen Parameters oder der mehreren physikalischen Parameter gewonnen wird. So kann beispielsweise die Temperaturerhöhung über Dehnelemente oder die Druckerhöhung zum Beispiel über Mechanismen mit Kolbenzylinder zur direkten Betätigung des Trennschalters 4 verwendet werden, wie in den 10 und 11 gezeigt. D. h. die Betätigungseinheit 6 ist mit einer Energie, welche zur Änderung des physikalischen Parameters führt, betreibbar. Somit wird die durch die Änderung der einen oder mehreren physikalischen Größen bereitgestellte Energie direkt als Betätigungsenergie zur Betätigung des Trennschalters 4 genutzt, so dass das Vorhalten eines separaten Betätigungsenergiespeichers nicht erforderlich ist. Zudem ist keine zusätzliche Auslöseenergie zur Auslösung der Betätigungseinheit 6 erforderlich, denn das Auslösen erfolgt direkt durch die Änderung des physikalischen Parameters oder der mehreren physikalischen Parameter.
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Durch den Entfall der sonst nötigen elektronischen Sensorik und Elektronik lassen sich kostengünstige, bauraumoptimale und ausfallsichere Trennschalter 4, insbesondere Einmal-Trennschalter, darstellen. Da die genannten physikalischen Parameter jeweils im gesamten Innenraum des Batteriegehäuses 3 im Wesentlichen gleich sind, ist es lediglich erforderlich, die Erfassung an einer Stelle des Innenraums durchzuführen.
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Der Trennschalter 4 und die Erfassungseinheit 7 können an verschiedenen Positionen innerhalb der Batterie 1 angeordnet sein. Beispielsweise ist der Trennschalter 4 zwischen den Zellblöcken 5 im Hochvolt-Kreis der Batterie 1 angeordnet und die Erfassungseinheit 7 ist im Bereich einer Ventingöffnung des Batteriegehäuses 3 angeordnet, durch welche das Ventinggas G aus dem Batteriegehäuse 3 austritt.
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In vorteilhaften Ausführungsformen der Batterie 1 können mehrere Trennschalter 4, insbesondere Einmal-Stromtrennschalter, vorgesehen sein, die bzw. deren jeweilige Betätigungseinheit 6 mit einer einzigen Erfassungseinheit 7 gekoppelt sind. In anderen vorteilhaften Ausführungsformen kann ein Trennschalter 4 bzw. dessen Betätigungseinheit 6 mit mehreren Erfassungseinheiten 7 gekoppelt sein, die beispielsweise an repräsentativen Stellen innerhalb der Batterie 1 angeordnet sind.
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Es kann sinnvoll sein, dass ein jeweiliger Zustand des jeweiligen Trennschalters 4 bzw. der jeweiligen Betätigungseinheit 6 bzw. der jeweiligen Erfassungseinheit 7 von einer Batterieelektronik ausgewertet wird. Vorzugsweise erfolgt dies derart, dass hierfür keine aktive Rückwirkung des jeweiligen Trennschalters 4 bzw. der jeweiligen Betätigungseinheit 6 bzw. der jeweiligen Erfassungseinheit 7 erforderlich ist, um den technischen Aufwand nicht zu erhöhen.
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In den 1 bis 13 sind verschiedene konstruktive Ausführungsvorschläge, d. h. verschiedene Ausführungsformen der Batterie 1, näher dargestellt. In allen dargestellten Ausführungsformen ist der Trennschalter 4 eine Brücke, welche im geschlossenen Zustand des Trennschalters 4 mit zwei elektrischen Kontaktelementen eines Hochvolt-Stromkreises der Batterie 1 kontaktiert ist. Um ein ungewolltes Öffnen des Trennschalters 4 zu verhindern, ist die Brücke beispielsweise auf die Kontaktelemente aufgeschweißt oder aufgelötet, hier durch Schweiß- oder Lötpunkte dargestellt. Die Schweiß- oder Lötpunkte dieser Verbindung der Brücke mit den elektrischen Kontaktelementen weisen eine vorgegebene Festigkeit auf.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 ist der Trennschalter 4 indirekt betätigbar. Dabei zeigt 1 den geschlossenen Trennschalter 4 und 2 den geöffneten Trennschalter 4. Hierzu umfasst die Betätigungseinheit 6 zur Betätigung des Trennschalters 4, um diesen zu öffnen, einen pyrotechnischen Gasgenerator 8. D. h. die Schaltenergie zum Schalten des Trennschalters 4 ist hier in chemischer Form gespeichert. Die Betätigungseinheit 6 umfasst zudem einen Kolbenmechanismus, auf welchen der pyrotechnische Gasgenerator 8 nach dessen Zünden einwirkt. Ein Betätigungskolben 9 des Kolbenmechanismus wirkt daraufhin, angetrieben von dem Gas des Gasgenerators 8, auf die Brücke des Trennschalters 4 ein, wodurch die Schweiß- oder Lötpunkte aufbrechen und die Brücke von den elektrischen Kontaktelementen abgelöst wird, wie in 2 gezeigt.
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Die Zündung des Gasgenerators 8 erfolgt durch einen elektrischen Glühdraht, wobei die Auslöseenergie durch einen Zellblock 5 der Batterie 1 geliefert wird.
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Die Erfassungseinheit 7 ist als ein Bimetallschalter 23 ausgebildet. Mit diesem Bimetallschalter 23 wird als physikalischer Parameter die Temperatur im Innenraum des Batteriegehäuses 3 erfasst. Bei einer unzulässigen Temperaturerhöhung, d. h. bei Erreichen oder Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturgrenzwertes im Innenraum des Batteriegehäuses 3, zum Beispiel durch das heiße Ventinggas G, welches zum Beispiel aufgrund eines Kurzschlusses, einer Überladung oder einer anderen Überlastung aus einer Einzelzelle 2 oder aus mehreren Einzelzellen 2 austritt, krümmt sich das Bimetall des Bimetallschalters 23 aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung zweier unterschiedlicher Metallstreifen des Bimetallschalters 23, wodurch der Bimetallschalter 23 einen Zündstromkreis 10 des Gasgenerators 8 schließt und diesen somit auslöst.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß den 3 und 4 ähnelt dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, es wird lediglich eine andere Erfassungseinheit 7 verwendet. 3 zeigt den geschlossenen Trennschalter 4 und 4 den geöffneten Trennschalter 4. Die Erfassungseinheit 7, welchen den physikalischen Parameter im Innenraum des Batteriegehäuses 3 erfasst und bei einer vorgegebenen Änderung den Zündstromkreis 10 des Gasgenerators 8 schließt, ist als ein druckgesteuerter Schalter ausgebildet. D. h. als physikalischer Parameter wird hier der Druck im Innenraum des Batteriegehäuses 3 erfasst, genauer gesagt die Änderung des Drucks, erfasst. Die Erfassungseinheit 7 ist hierzu als eine Druckdose 24 ausgebildet. Diese Druckdose 24 weist ein metallisches Gehäuse auf, auf welchem ein Pol des Zündstromkreises 10 angeordnet ist. Der andere Pol des Zündstromkreises 10 wird durch einen Kontakt gebildet, der elektrisch isoliert in das Druckdoseninnere geführt ist. Die Druckdose 24 weist einen seitlichen Faltenbalg auf, so dass sie aufgrund eines unzulässigen Überdrucks im Innenraum des Batteriegehäuses 3, d. h. wenn der Druck einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet, zusammengedrückt wird, so dass sich die beiden Pole berühren, wodurch der Zündstromkreis 10 geschlossen wird und den Gasgenerator 8 der Betätigungseinheit 6 zündet. Dadurch wird mittels des Betätigungskolbens 9 der Betätigungseinheit 6, welcher von dem Gas des Gasgegenrators 8 angetrieben wird, die Brücke von den Kontaktelementen des Hochvoltstromkreises abgehoben, d. h. der Trennschalter 4 wird geöffnet.
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Der Überdruck, welcher zum Zusammenpressen der Druckdose 24 führt, resultiert beispielsweise aus dem aus einer geöffneten Einzelzelle 2 oder mehreren geöffneten Einzelzellen 2 ausströmenden Ventinggas G. Die Druckdose 24 weist vorzugsweise eine kleine Druckausgleichsöffnung auf, welche einen Ausgleich von kleinen und langsam ablaufenden Druckänderungen im Innenraum des Batteriegehäuses 3 ermöglicht. Dadurch werden Fehlschaltungen durch einen beispielsweise aus einem meteorologischen Hochdruckgebiet oder einer Bergfahrt resultierenden langsamen Druckanstieg, beispielsweise einen Druckanstieg im Innenraum des Batteriegehäuses 3, welcher sich beispielsweise über eine vorgegebene Zeitspanne erstreckt, vermieden.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß den 5 und 6 ähnelt den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen, es wird auch hier lediglich eine andere Erfassungseinheit 7 verwendet. 5 zeigt den geschlossenen Trennschalter 4 und 6 den geöffneten Trennschalter 4. Die Erfassungseinheit 7 umfasst hier die ohnehin vorhandene Ventingmembran 11 am Batteriegehäuse 3. Die Ventingmembran 11 ist als eine metallische Membran ausgebildet, auf welcher ein Pol des Zündstromkreises 10 liegt. Sie ist in einer Fassung 12 aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Kunststoff, angeordnet und darüber mit dem Batteriegehäuse 3 verbunden. Der andere Pol des Zündstromkreises 10 ist durch die Fassung 12 hindurch an eine Außenseite des Batteriegehäuses 3 geführt und über der Ventingmembran 11 positioniert, beispielsweise als ein Kontaktfühler 13. Zerreißt die Ventingmembran 11 aufgrund eines unzulässigen Überdrucks im Innenraum des Batteriegehäuses 3, d. h. wenn der Druck einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet, dann schlägt ein Teil der zerrissenen Ventingmembran 11 an den anderen Pol des Zündstromkreises 10, d. h. an den Kontaktfühler 13, an, so dass der Zündstromkreis 10 geschlossen wird und den Gasgenerator 8 der Betätigungseinheit 6 zündet. Dadurch wird mittels des Betätigungskolbens 9 der Betätigungseinheit 6, welcher von dem Gas des Gasgegenrators 8 angetrieben wird, die Brücke von den Kontaktelementen des Hochvoltstromkreises abgehoben, d. h. der Trennschalter 4 wird geöffnet. Der Überdruck, welcher zum Zerreißen der Ventingmembran 11 führt, resultiert auch hier beispielsweise aus dem aus einer geöffneten Einzelzelle 2 oder mehreren geöffneten Einzelzellen 2 ausströmenden Ventinggas G.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß den 7 und 8 ähnelt den drei vorhergehenden Ausführungsbeispielen, es wird auch hier lediglich eine andere Erfassungseinheit 7 verwendet. 7 zeigt den geschlossenen Trennschalter 4 und 8 den geöffneten Trennschalter 4. Die Erfassungseinheit 7 umfasst hier eine ohnehin vorhandene federbelastete Ventingklappe 14 der Batterie 1, welche bei unzulässigem Überdruck im Innenraum des Batteriegehäuses 3 öffnet und über eine Zündkontaktbrücke 15 den Zündstromkreis 10 schließt. Dies ähnelt dem Prinzip der Stauklappe.
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Die Zündkontaktbrücke 15 ist unterhalb der beiden Pole des Zündstromkreises 10 angeordnet und mit der Ventingklappe 14 verbunden. Die Ventingklappe 14 ist von außen auf das Batteriegehäuse 3 aufgesetzt, so dass sie nach außen zu öffnen ist. Die mit der Ventingklappe 14 verbundene Zündkontaktbücke 15 ist mittels Federelementen 16 oder mittels zumindest eines Federelementes 16 in Richtung des Innenraums federbelastet, so dass die Ventingklappe 14 durch die Federwirkung an das Batteriegehäuse 3 angepresst wird und dieses somit verschließt. Steigt der Druck im Innenraum des Batteriegehäuses 3 auf oder über einen vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise aufgrund des aus einer geöffneten Einzelzelle 2 oder mehreren geöffneten Einzelzellen 2 ausströmenden Ventinggases G, so wirkt dieser Druckanstieg der Federwirkung entgegen. Dadurch wird die Ventingklappe 14 nach außen von dem Batteriegehäuse 3 abgehoben, so dass das Ventinggas G aus dem Batteriegehäuse 3 entweichen kann.
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Die mit der Ventingklappe 14 verbundene Zündkontaktbrücke 15 wird in Richtung des Batteriegehäuses 3 bewegt und kontaktiert die Pole des Zündstromkreises 10, wodurch dieser geschlossen wird und den Gasgenerator 8 der Betätigungseinheit 6 zündet. Dadurch wird mittels des Betätigungskolbens 9 der Betätigungseinheit 6, welcher von dem Gas des Gasgegenrators 8 angetrieben wird, die Brücke von den Kontaktelementen des Hochvoltstromkreises abgehoben, d. h. der Trennschalter 4 wird geöffnet.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 9 ähnelt den vier vorhergehenden Ausführungsbeispielen. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine andere Erfassungseinheit 7 verwendet und zudem wird die Energie zum Zünden des Gasgenerators 8 von der Erfassungseinheit 7 erzeugt, so dass keine Bereitstellung des Zündstroms aus einem Zellblock 5 der Batterie 1 erforderlich ist.
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Die Erfassungseinheit 7 weist ein Turbinenrad 17 und einen vom Turbinenrad 17 antreibbaren elektrischen Generator 18 auf. Das Turbinenrad 17 ist im Bereich der Ventingöffnung im Batteriegehäuse 3 angeordnet. Wird die Ventingöffnung durch Zerstören der Ventingmembran 11 aufgrund eines Überdrucks im Inneraum des Batteriegehäuses 3, verursacht beispielsweise aus einer oder mehreren Einzelzellen 2 ausströmendes Ventinggas G, geöffnet, so strömt dieses Ventinggas G durch die Ventingöffnung des Batteriegehäuses 3 aus. Das Ventinggas G strömt dabei am Turbinenrad 17 entlang und treibt dieses an.
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Als physikalischer Parameter wird somit in diesem Ausführungsbeispiel der Volumenstrom des Ventingases G erfasst, durch welchen das Turbinenrad 17 der Erfassungseinheit 7 angetrieben wird. Des Weiteren wird durch diesen physikalischen Parameter gleichzeitig die Energie erzeugt, welche zum Zünden des Gasgenerators 8 erforderlich ist. Durch das auf diese Weise in Rotation versetzte Turbinenrad 17 wird über den elektrischen Generator 18 der Zündstrom zum Zünden des pyrotechnischen Gasgenerators 8 erzeugt. Dadurch wird die Auslösesicherheit verbessert, da keine zusätzliche Energiequelle erforderlich ist. Nach dem Zünden des Gasgenerators 8 wird mittels des Betätigungskolbens 9 der Betätigungseinheit 6, welcher von dem Gas des Gasgegenrators 8 angetrieben wird, die Brücke von den Kontaktelementen des Hochvoltstromkreises abgehoben, d. h. der Trennschalter 4 wird geöffnet.
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Die 10 und 11 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Batterie 1 mit einem direkt wirkenden Trennschalter 4, bei dem die Schaltenergie durch die Ausdehnung eines Dehnstoffes 19, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Wachses, bei unzulässiger Temperaturerhöhung erzeugt wird, beispielsweise aufgrund des Austritts heißen Ventinggases G aus einer oder mehreren geöffneten Einzelzellen 2. 10 zeigt den geschlossenen Trennschalter 4 und 11 den geöffneten Trennschalter 4. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Erfassungseinheit 7 und die Betätigungseinheit 6 miteinander kombiniert und weisen eine hermetisch dichte Druckkammer 20 auf, in welcher der Dehnstoff 19 angeordnet ist. Der Dehnstoff 19 wirkt bei einer temperaturbedingten Ausdehnung auf den beweglichen Betätigungskolben 9, der auf die aufgeschweißte oder aufgelötete Brücke des Trennschalters 4 einwirkt und diese von den Kontaktelementen ablöst, wodurch der Trennschalter 4 geöffnet wird, wie in 11 gezeigt.
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Zur Löschung oder Verhinderung eines Lichtbogens muss die Trennung der Brücke des Trennschalters 4 von den Kontaktelementen schlagartig erfolgen und die Brücke muss sofort in einen großen Abstand zu den in das Innere eines Schaltergehäuses mündenden Kontaktelementen des Hochvoltstromkreises der Batterie 1 gebracht werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Druckkammer 20 mit dem Dehnstoff 19 zusätzlich mit einer vorgegebenen Menge eines Federgases 21 gefüllt ist, welches nach dem Prinzip der Gasfeder zunächst die Dehnenergie speichert. D. h. der sich ausdehnende Dehnstoff 19 wirkt zunächst sowohl über den Betätigungskolben 9 auf die Brücke des Trennschalters 4 als auch auf das Federgas 21 der Gasfeder und komprimiert dieses, bis die durch die Ausdehnung des Dehnstoffs 19 auf die Brücke wirkende Kraft ausreicht, um die Schweiß- oder Lötpunkte aufzubrechen. Nach dem Bruch der Schweiß- oder Lötpunkte zwischen der Brücke und den Kontaktelementen, die eine vorgegebene Festigkeit aufweisen, wird die in der Gasfeder gespeicherte Energie durch das Entspannen des Federgases 21 schlagartig freigesetzt, so dass die Brücke des Trennschalters 4 sehr schnell von den Kontaktelementen des Hochvoltstromkreises wegbewegt wird.
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Alternativ zur Gasfeder kann die Energie auch in zumindest einer Druckfeder gespeichert werden. Diese Druckfeder ist zweckmäßigerweise zwischen dem Betätigungskolben 9 und der Brücke des Trennschalters 4 angeordnet, so dass der Betätigungskolben 9 aufgrund der Ausdehnung des Dehnstoffs 19 zunächst auf die Druckfeder wirkt und diese komprimiert und über die Druckfeder auf die Brücke wirkt. Brechen die Schweiß- oder Lötpunkte auf, wird die Brücke durch die sich entspannende Druckfeder sehr schnell von den Kontaktelementen entfernt.
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Um zu vermeiden, dass sich der Trennschalter 4 nach einer Abkühlung im Innenraum des Batteriegehäuses 3 wieder schließt, steht die Druckkammer 20 zweckmäßigerweise bereits unter Normaltemperatur unter einem leichten Überdruck, der auch nach der Auslösung erhalten bleibt bzw. welcher die Dehnmasse 19 nach dem Öffnen des Trennschalters 4 in Richtung der Brücke gepresst hält. Wird eine Druckfeder verwendet, so ist diese zweckmäßigerweise leicht vorgespannt in der Betätigungseinheit 6 angeordnet, wodurch sie die Brücke nach dem Auslösen des Trennschalters 4 von den Kontaktelementen entfernt hält.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Öffnen des Trennschalters 4 besonders einfach und zudem besonders sicher zu realisieren, beispielsweise auch bei einer Kollision des Fahrzeugs, in welchem die Batterie 1 angeordnet ist, da im Normalzustand der Batterie 1 keine gespeicherte Energie, zum Beispiel in chemischer Form wie bei dem pyrotechnischen Gasgenerator 8, in der Betätigungseinheit 6 vorhanden ist (abgesehen von der eventuell leicht vorgespannten Druckfeder oder Gasfeder, welche kein Sicherheitsrisiko darstellen).
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Das Ausführungsbeispiel gemäß den 12 und 13 ähnelt dem Ausführungsbeispiel gemäß den 5 und 6 und insbesondere dem Ausführungsbeispiel gemäß den 7 und 8. Die Erfassungseinheit 7 umfasst hier die Ventingmembran 11 an der Ventingöffnung des Batteriegehäuses 3 sowie einen mit der Ventingmembran 11 gekoppelten Mikrotaster 22, der als Auslöser zum Schließen des Zündstromkreises 10 des pyrotechnischen Gasgenerators 8 dient. Ein Tasterelement des Mikrotasters 22 ist federbelastet, d. h. mittels zumindest eines Federelementes 16 gegen die Ventingmembran 11 gepresst, an welcher es sich abstützt. Durch diese Vorspannung des Tasterelements ist der Zündstromkreis 10 geöffnet, da die Zündkontaktbrücke 15 von den Polen des Zündstromkreises 10 abgehoben ist. Der Mikrotaster 22 ist somit als ein so genannter Öffner-Schalter ausgebildet.
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Zerreißt die Ventingmembran 11 durch einen unzulässigen Überdruck im Innenraum des Batteriegehäuses 3, d. h. aufgrund eines Druckanstiegs auf oder über einen vorgegebenen Schwellwert beispielsweise durch einen Austritt von Ventinggas G aus einer oder mehreren geöffneten Einzelzellen 2, dann bewegt sich das Tasterelement aufgrund der Federwirkung in Richtung der Ventingöffnung, wodurch die Zündkontaktbrücke 15 die Pole des Zündstromkreises 10 kontaktiert und diesen somit schließt. Dadurch wird der pyrotechnische Gasgenerator 8 der Betätigungseinheit 6 gezündet und der Betätigungskolben 9 mittels des vom Gasgenerator 8 erzeugten Gases gegen die Brücke des Trennschalters 4 gepresst, bis die Schweiß- oder Lötpunkte aufbrechen, so dass der Trennschalter 4 geöffnet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Einzelzelle
- 3
- Batteriegehäuse
- 4
- Trennschalter
- 5
- Zellblock
- 6
- Betätigungseinheit
- 7
- Erfassungseinheit
- 8
- Gasgenerator
- 9
- Betätigungskolben
- 10
- Zündstromkreis
- 11
- Ventingmembran
- 12
- Fassung
- 13
- Kontaktfühler
- 14
- Ventingklappe
- 15
- Zündkontaktbrücke
- 16
- Federelement
- 17
- Turbinenrad
- 18
- Generator
- 19
- Dehnstoff
- 20
- Druckkammer
- 21
- Federgas
- 22
- Mikrotaster
- 23
- Bimetallschalter
- 24
- Druckdose
- G
- Ventinggas
- W
- Wirkungspfeil
