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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitsvorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch eines Batteriesystems sowie ein Batteriesystem sowie die Verwendung eines Batteriesystems gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Sicherheitsvorrichtungen zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch von Batteriesystemen bekannt. So zeigt beispielsweise die
DE 10 2007 017 018 A1 eine Batterie mit mehreren Zellen, wobei zu einem elektrischen Überbrücken von Zellen im Falle eines sich in einer der Zellen aufbauenden Überdrucks eine Zellüberbrückungseinrichtung offenbart wird. Die Zellüberbrückungseinrichtung umfasst bewegliche schaltbare elektrische Kontaktelemente, die von einem ersten in einen zweiten Schaltzustand geschaltet werden können.
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Weiterhin offenbart die
DE 10 2012 222 836 A1 ein Gehäuse für einen gasdichten Akkumulator, wobei im Rahmen einer Ausführungsform das erfindungsgemäße Gehäuse ein Proportionalventil aufweist, das bei Anwachsen eines Druckes im Inneren des Gehäuses gasdurchlässig wird, so dass Gas, an einem Ventilkörper vorbei, durch eine Öffnung in einer Wandung des Gehäuses entweichen kann. Bei einem Druckabfall im Inneren des Gehäuses kann der Ventilkörper wieder in seine ursprüngliche Position zurück gelangen.
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Darüber hinaus wird in der
US 2014/0127540 A1 ein Batteriemodul offenbart, wobei das Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriepacks enthält, wobei die Batteriepacks in elektrischer Serie geschaltet sind. Für den Fall eines ansteigenden Innendrucks innerhalb der Batteriepacks kann die elektrische Serienverbindung der Batteriepacks getrennt werden. Dabei kann das schadhafte Batteriepack elektrisch mittels eines Strombypasses überbrückt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Sicherheitsvorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch eines Batteriesystems, insbesondere eines Lithium-Ionen-Batteriesystems, wobei das Batteriesystem eine Anzahl elektrisch seriell geschalteter Batterievorrichtungen enthält. Die Sicherheitsvorrichtung ist zum elektrischen Überbrücken mindestens einer Batterievorrichtung geeignet. Dabei weist die Sicherheitsvorrichtung ein Kontaktelement auf, wobei das Kontaktelement eine erste Position und eine zweite Position einnehmen kann, wobei die mindestens eine Batterievorrichtung elektrisch seriell geschaltet ist, wenn sich das Kontaktelement in der ersten Position befindet, und die mindestens eine Batterievorrichtung elektrisch überbrückt ist, wenn sich das Kontaktelement in der zweiten Position befindet.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Sicherheitsvorrichtung eine Rückstellvorrichtung aufweist, um das Kontaktelement in Abhängigkeit einer Zustandsgröße der mindestens einen Batterievorrichtung von der zweiten in die erste Position zu bewegen.
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Durch den erfindungsgemäßen Umstand, dass die Sicherheitsvorrichtung eine Rückstellvorrichtung aufweist, um das Kontaktelement in Abhängigkeit von einer Zustandsgröße der mindestens einen Batterievorrichtung von der zweiten in die erste Position zu bewegen, kann eine schadhafte Batterievorrichtung, nach dem sie sich nicht mehr im schadhaften Zustand befindet, elektrisch wieder seriell geschaltet werden. Dadurch kann die Batterievorrichtung erneut genutzt werden. Zum einen wird eine weitere Verwendung der restlichen noch intakten Batterievorrichtungen ermöglicht, solange die schadhafte Batterievorrichtung nicht einsatzfähig ist. Zum anderen wird aber für den Fall, dass die zuvor schadhafte Batterievorrichtung wieder einsatzfähig ist, eine Überbelastung der restlichen Batterievorrichtungen vermieden, da die wieder einsatzfähige Batterievorrichtung wieder Bestandteil der elektrischen Reihenschaltung ist. Das Vermeiden der Überbelastung der restlichen Batterievorrichtungen stellt die Einsatzfähigkeit der Batterievorrichtungen und des Batteriesystems insgesamt sicher. Ein Ausfallen des gesamten Batteriesystems durch Ausfall lediglich einer Batterievorrichtung wird vermieden, dass die anderen Batterievorrichtungen nicht über längere Zeit elektrisch überlastet werden. Darüber hinaus wird der Umstand, dass eine Batterievorrichtung aus der elektrischen Serienschaltung dauerhaft ausgeschaltet wird, obwohl sie prinzipiell einsatzfähig wäre, vermieden. Ferner werden ein beschleunigtes Altern der einzelnen Batterievorrichtung und der anderen Batterievorrichtungen zum einen dadurch vermieden, dass Substanzen nicht aus der schadhaften Batterievorrichtung austreten, und zum anderen dadurch, dass es nicht zu einer dauerhaften elektrischen Überbelastung der verbliebenen, noch in elektrischer Reihe geschalteten, Batterievorrichtungen kommt.
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Bei einem Batteriesystem handelt es sich vorzugsweise um einen wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicher. Das Batteriesystem enthält neben der mindestens einen Batterievorrichtung gegebenenfalls Vorrichtungen zur Steuerung der Batterievorrichtung, sowie vorzugsweise Kontaktvorrichtungen. Die Kontaktvorrichtungen sind insbesondere zur Übertragung elektrischer Energie von dem Batteriesystem zu einem Verbraucher geeignet. Bei den Kontaktvorrichtungen kann es sich um sogenannte Terminals handeln. Auch die Batterievorrichtungen weisen Terminals zur elektrischen Kontaktierung, insbesondere zur elektrischen Kontaktierung untereinander, auf. Bei dem Verbraucher kann es sich insbesondere um ein Kraftfahrzeug handeln. Mindestens eine Batterievorrichtung kann beispielsweise schadhaft sein, wenn es zu einer Erhöhung eines Druckes, der im Inneren der mindestens einen Batterievorrichtung herrscht, gekommen ist. Eine schadhafte Batterievorrichtung geht mit einer Erhöhung der Gefährdung für Lebewesen oder Gegenstände, die sich in der Umgebung einer schadhaften Batterievorrichtung befinden, einher.
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Erfindungsgemäß ist zudem ein Batteriesystem, insbesondere ein Lithium-Ionen-Batteriesystem, wobei das Batteriesystem eine Anzahl elektrisch seriell geschalteter Batterievorrichtungen und mindestens eine Sicherheitsvorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch des Batteriesystems enthält. Dabei ist die Sicherheitsvorrichtung zum elektrischen Überbrücken mindestens einer Batterievorrichtung geeignet, wobei die Sicherheitsvorrichtung ein Kontaktelement aufweist, dass eine erste Position und eine zweite Position einnehmen kann, wobei die mindestens eine Batterievorrichtung elektrisch seriell geschaltet ist, wenn sich das Kontaktelement in der ersten Position befindet, und die mindestens eine Batterievorrichtung elektrisch überbrückt ist, wenn sich das Kontaktelement in der zweiten Position befindet. Dabei weist die Sicherheitsvorrichtung eine Rückstellvorrichtung auf, um das Kontaktelement in Abhängigkeit einer Zustandsgröße der mindestens einen Batterievorrichtung von der zweiten in die erste Position zu bewegen. Hintergrund der Erfindung ist wiederum die Erhöhung der Sicherheit im Umgang mit Batteriesystemen oder Batterievorrichtungen.
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Erfindungsgemäß ist zudem ein Batteriesystem wobei das Batteriesystem eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung aufweist.
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Erfindungsgemäß ist darüber hinaus die Verwendung eines Batteriesystems, aufweisend eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung, in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung handelt es sich bei der Zustandsgroße um einen Druck der im Inneren der mindestens einen Batterievorrichtung herrscht. Beispielsweise kann das Kontaktelement von der ersten Position in die zweite Position bewegt werden, wenn der Druck 8% bis 12% und insbesondere 10% über einem regulär innerhalb der Batterievorrichtung herrschenden Druck liegt.
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Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Sicherheitsvorrichtung eine Aufnahmevorrichtung auf, wobei die Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme von Substanzen aus der mindestens einen Batterievorrichtung geeignet ist. Insbesondere sind poröse Materialien zur Aufnahme der Substanzen aus der mindestens einen Batterievorrichtung geeignet. Vorzugsweise sind solche porösen Materialien geeignet, die zur dauerhaften Einlagerung der Substanzen oder zur chemischen Umwandlung der Substanzen geeignet sind. Zur chemischen Umwandlung der Substanzen sind insbesondere Katalysatoren geeignet.
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Durch den erfindungsgemäßen Umstand, dass die Sicherheitsvorrichtung eine Aufnahmevorrichtung aufweist, wobei die Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme von Substanzen aus der mindestens einen Batterievorrichtung geeignet ist, können diese Substanzen auf sichere und zuverlässige Weise gespeichert werden. Durch die sichere und zuverlässige Speicherung dieser Substanzen wird eine Schädigung anderer Batterievorrichtungen oder des gesamten Batteriesystems selbst vermieden.
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Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Aufnahmevorrichtung eine Membran auf, die zum Ausdehnen unter Druckeinwirkung geeignet ist.
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Gemäß einer nächsten vorzugsweisen Ausgestaltungsform der Erfindung berstet die Membran bei Überschreiten eines Druckwertes auf. Die Membran berstet beispielsweise bei einem Druckwert auf, der 70% bis 90% des Druckwerts und insbesondere 80% des Druckwerts entspricht, bei dem die Batterievorrichtung aufbersten würde.
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Durch den erfindungsgemäßen Umstand, dass die Membran bei Überschreiten eines Druckwertes aufberstet, werden solche Zustände vermieden, bei denen es zu einer vollständigen Zerstörung der mindestens einen schadhaften Batterievorrichtung gekommen wäre. Dadurch kann der Einsatz der restlichen Batterievorrichtungen und somit des Batteriesystems insgesamt sichergestellt werden. Darüber hinaus können die Substanzen, die zur Bildung eines Druckes im inneren der mindestens einen Batterievorrichtung geführt haben, dadurch dass die Membran aufgeberstet ist, kontrolliert abgeleitet werden. Die kontrollierte Ableitung dieser Substanzen führt wiederum zu einer Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch eines Batteriesystems.
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Gemäß einer nächsten vorzugsweisen Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Sicherheitsvorrichtung zum Ableiten von Substanzen aus der mindestens einen Batterievorrichtung heraus geeignet. Dabei werden Substanzen für den Fall, dass sich das Kontaktelement in der ersten Position befindet, nicht aus der mindestens einen Batterievorrichtung abgeleitet. Für den Fall, dass sich das Kontaktelement in der zweiten Position befindet, werden Substanzen aus der mindestens einen Batterievorrichtung abgeleitet. Durch den erfindungsgemäßen Umstand, dass die Sicherheitsvorrichtung zum Ableiten von Substanzen aus der mindestens einen Batterievorrichtung heraus geeignet ist, wobei Substanzen für den Fall, dass sich das Kontaktelement in der ersten Position befindet, nicht aus der mindestens einen Batterievorrichtung heraus abgeleitet werden, und für den Fall, dass sich das Kontaktelement in der zweiten Position befindet, Substanzen aus der mindestens einen Batterievorrichtung abgeleitet werden, wird eine kontrollierte Ableitung der Substanzen sichergestellt. Die kontrollierte Ableitung der Substanzen führt zu einer Erhöhung der Sicherheit im Umgang mit einem Batteriesystem.
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Gemäß einer nächsten vorzugsweisen Ausgestaltungsform der Erfindung handelt es sich bei der Rückstellvorrichtung um eine Feder, insbesondere um eine Zugfeder oder um eine Druckfeder. Vorzugsweise ist die Rückstellvorrichtung aus einem Material ausgebildet, das gegenüber solchen Substanzen chemisch inert und beständig ist, die in Batteriesystemen auftreten können. Die Rückstellvorrichtung ist insbesondere zwischen der Membran und dem Terminal oder innerhalb eines hohl ausgeführten Terminals angeordnet.
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Gemäß einer nächsten vorzugsweisen Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Sicherheitsvorrichtung in mindestens einen Terminal der mindestens einen Batterievorrichtung integriert, wobei der mindestens eine Terminal zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes geeignet ist.
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Durch den erfindungsgemäßen Umstand, dass die Sicherheitsvorrichtung in mindestens einen Terminal der mindestens einen Batterievorrichtung integriert ist, wird Raum innerhalb der Batterievorrichtung gespart.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt.
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Es zeigt:
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1 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch eines Batteriesystems gemäß einer ersten Ausführungsform schematisch dargestellt. Die Sicherheitsvorrichtung wird mit SV bezeichnet. Das Batteriesystem wird mit BS bezeichnet. Das Batteriesystem BS enthält eine Anzahl elektrisch seriell geschalteter Batterievorrichtungen BV. Mit T werden Terminals bezeichnet, wobei die Terminals T zur elektrischen Kontaktierung einer Batterievorrichtung BV mit einer anderen Batterievorrichtung BV geeignet sind. Mit GE werden gasdichte Elektrodendurchführungen bezeichnet, die an einem Gehäuse G der Batterievorrichtung BV angeordnet sind und die verhindern, dass Substanzen, insbesondere Gase, an der Stelle, an der die Terminals T durch das Gehäuse G hindurchragen, austreten können. Die Batterievorrichtung BV weist eine positive Elektrode EP, eine negative Elektrode EN und einen Elektrolyten EL auf, die alle innerhalb des Gehäuses G der Batterievorrichtung BV angeordnet sind. Die Sicherheitsvorrichtung SV weist ein Kontaktelement auf. Das Kontaktelement wird mit KE bezeichnet. Das Kontaktelement KE ist elektrisch leitfähig. Das Kontaktelement KE kann eine erste Position P1 und eine zweite Position P2 einnehmen. Die mindestens eine Batterievorrichtung BV ist elektrisch seriell mit anderen Batterievorrichtungen BV geschaltet, wenn sich das Kontaktelement KE in der ersten Position P1 befindet. Die mindestens eine Batterievorrichtung BV wird elektrisch überbrückt, wenn sich das Kontaktelement KE in der zweiten Position P2 befindet. Ursächlich für das Bewegen des Kontaktelementes KE von der ersten Position P1 zu der zweiten Position P2 ist die mechanische Bewegung des Kontaktelementes KE durch einen Druck, der im Inneren der mindestens einen Batterievorrichtung BV herrscht. Dieser Druck im Inneren der mindestens einen Batterievorrichtung BV wird durch Substanzen, insbesondere Gase, erzeugt, die im Inneren der mindestens einen Batterievorrichtung BV aufgetreten sind. Durch den Druck wird das Kontaktelement KE in Richtung R bewegt, so dass sich das Kontaktelement von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 bewegt. Der Druck wirkt auf ein Verstellelement VE, wodurch sich das Verstellelement VE in Richtung R bewegt. Bei dem Verstellelement VE handelt es sich insbesondere um einen Stift, der vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildet ist. Bei dem elektrisch nicht leitfähigen Material kann es sich insbesondere um einen glasfaserverstärkten Kunststoff oder um einen hochvernetzten Kunststoff handeln. Durch die Bewegung des Verstellelementes VE in Richtung R wird der elektrische Kontakt zwischen der mindestens einen Batterievorrichtung, bei der es zu einer Entstehung eines Überdruckes im Inneren gekommen ist, zu den anderen Batterievorrichtungen BV getrennt. Das Verstellelement VE ist auf einer Membran M angeordnet, die sich unter Einwirkung eines Druckes in Richtung R wölbt. Durch die Wölbung der Membran M in Richtung R wird die Aufnahmevorrichtung AV geschaffen, die zur, insbesondere temporären, Aufnahme von Substanzen geeignet ist.
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Befindet sich das Kontaktelement KE in der zweiten Position P2 wird ein elektrischer Kontakt zwischen einem ersten Abschnitt L1 einer Leitung L und einem zweiten Abschnitt L2 einer Leitung L hergestellt. Durch die Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen dem ersten Abschnitt L1 und dem zweiten Abschnitt L2 wird die mindestens eine Batterievorrichtung BV, bei der das Kontaktelement KE von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 bewegt worden ist, elektrisch überbrückt. Dabei ist das Verstellelement VE derart ausgebildet, dass es auf den ersten Abschnitt L1 Druck ausüben kann. Der elektrische Kontakt zwischen dem ersten Abschnitt L1 und einem Terminal T1 wird in dem Fall, in dem sich das Kontaktelement KE in der ersten Position P1 befindet, über das Kontaktelement KT hergestellt. Das Kontaktelement KT ist an dem Terminal T angeordnet. Für den Fall, dass sich das Kontaktelement KE in der zweiten Position P2 befindet, wird der der elektrische Kontakt zwischen dem zweiten Abschnitt L2 und dem Kontaktelement KE über das Kontaktelement KL hergestellt. Das Kontaktelement KL ist dem zweiten Abschnitt L2 angeordnet. Mit RV wird eine Rückstellvorrichtung bezeichnet, wobei die Rückstellvorrichtung RV das Kontaktelement KE in Abhängigkeit einer Zustandsgröße der mindestens einen Batterievorrichtung BV von der zweiten Position P2 in die erste Position P1 bewegt. Bei der Zustandsgröße kann es sich insbesondere um einen Druck und/oder um eine Temperatur handeln, die im Inneren der Batterievorrichtung herrschen. Bei der Rückstellvorrichtung RV kann es sich insbesondere um eine Feder handeln. Das mit BS bezeichnete Batteriesystem kann in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung SV zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch eines Batteriesystems BS gemäß einer zweiten Ausführungsform schematisch dargestellt. In 2 ist der Fall dargestellt, in dem bei einer Batterievorrichtung BVY eine Sicherheitsvorrichtung SVY, in Abhängigkeit des Drucks innerhalb der Batterievorrichtung BVY, eine Überbrückung der Batterievorrichtung BVY bewirkt hat. Die anderen Batterievorrichtungen BV sind nach wie vor elektrisch in Serie geschaltet, wobei die Batterievorrichtung BVX über den Terminal TY der Batterieverrichtung BVY mit der Batterievorrichtung BVZ elektrisch verbunden ist. Die Batterievorrichtung BVY ist in diesem Fall elektrisch überbrückt.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung SV zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch eines Batteriesystems BS gemäß einer dritten Ausführungsform schematisch dargestellt. Im Unterschied zu der in 1 schematisch dargestellten Ausführungsform ist am Terminal T1 zusätzlich eine Gasableitung GA angeordnet. Durch die Gasableitung GA, die als Rohr ausgebildet sein kann, können Substanzen aus der Batterievorrichtung BV in Richtung RA abgeleitet werden. Bei den Substanzen aus der Batterievorrichtung BV kann es sich um Gase handeln. Die Gasableitung GA ist auch zur Ableitung von Flüssigkeiten geeignet. Das Verstellelement VE ragt durch die Gasableitung GA hindurch und kann wie in 1 in Richtung R und gegen die Richtung R bewegt werden. Die Gasableitung GA weist zwei Öffnungen O1 und O2 auf. Die Öffnung O2 ist derart ausgelegt, dass das Verstellelement VE durch die Öffnung O2 hin und her geschoben werden kann, ohne dass Substanzen durch die Öffnung O2 austreten können. Die Öffnung O1 ist gemäß dieser Ausführungsform beispielhaft trichterförmig ausgelegt. Das Verstellelement VE weist eine beispielsweise kegelförmige Verdickung S auf. Befindet sich die Verdickung S in der Öffnung O1, können keine Substanzen aus der Batterievorrichtung BV in das Innere der Gasableitung GA hinein gelangen; zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Kontaktelement KE in Position P1. Bewegt sich das Verstellelement VE in Richtung R, so können Substanzen aus der Batterievorrichtung BV in das Innere der Gasableitung GA gelangen und mit diesem in Richtung RA abgeleitet werden, zugleich wird die Batterievorrichtung BV, bei der es zu einer Entstehung eines Überdruckes im Inneren gekommen ist, elektrisch überbrückt. Die Membran M kann insbesondere für die Substanzen, die in der Batterievorrichtung BV zu einer Entstehung eines Überdrucks geführt haben, durchlässig, insbesondere semipermeabel, ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007017018 A1 [0002]
- DE 102012222836 A1 [0003]
- US 2014/0127540 A1 [0004]
