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Die Erfindung betrifft ein Filterelement für eine Abblasöffnung eines Batteriegehäuses nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Batteriegehäuse einer Hochvolt-Batterie mit einem derartigen Filterelement. Die Erfindung betrifft letztlich auch eine Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
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Bei Hochvolt-Batterien ist es so, dass diese unter bestimmten Umständen und bei entsprechenden Defekten thermisch und bezüglich ihres Innendrucks außer Kontrolle geraten können. In Fachkreisen wird dieser Vorgang mit dem englischen Begriff Thermal Runaway bezeichnet. Dabei wird dann über mit Sollbruchstellen versehene Öffnungen in den betroffenen Einzelzellen eine Mischung aus Gasen, Dämpfen und Partikeln, welche zum Teil glühen, abgeblasen. Typischerweise hat das Batteriegehäuse dann eine Abblasöffnung, eine sogenannte Venting-Öffnung, welche über eine Berstscheibe oder dergleichen abgesichert ist und nur im Falle eines Überdrucks und/oder der Temperatur aufgrund eines solchen Thermal Runaways öffnet. Die Mischung aus Gasen, Dämpfen und Partikeln gelangt dann in die Umgebung. Die glühenden Partikel können dabei die Gase und Dämpfe entzünden, was aus Sicherheitsgründen unerwünscht ist.
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Die
CN 210 467 960 U beschreibt in diesem Zusammenhang ein Gehäuse für einen Batteriepack einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs. Dabei sind an dem Gehäuse Filterelemente aus geschäumtem Metall angebracht, welche die abgeblasenen Medien filtern, bevor diese in die Umgebung gelangen, um so insbesondere ein Durchzünden der gasförmigen und dampfförmigen Medien außerhalb des Gehäuses der Hochvolt-Batterie zu verhindern.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein gegenüber diesem Stand der Technik weiter verbessertes Filterelement anzugeben. Außerdem ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriegehäuse mit einem derartigen Filterelement und eine Traktionsbatterie mit einem solchen Batteriegehäuse anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Filterelement mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen es Filterelements ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Batteriegehäuse mit einem derartigen Filterelement gemäß Anspruch 5 die Aufgabe. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Batteriegehäuses aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Letztlich löst außerdem eine Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem derartigen Batteriegehäuse die Aufgabe.
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Dem Erfinder hat sich gezeigt, dass der Aufbau eines Filterelements für eine solche Abblas- bzw. Venting-Öffnung aus geschäumtem Material weiter verbessert werden kann, wenn das Material als offenporiger Schaum aus Kupfer oder einer Kupfer-Legierung, aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung oder auch aus einer Keramik ausgebildet ist. Ein solcher offenporiger Schaum als Filterelement eignet sich ideal für das Filtern von bei einem Thermal Runaway ausgestoßenen Medien. Es ist durch die Ausgestaltung aus Kupfer oder Aluminium oder auch einer Keramik einerseits sehr gut wärmeleitend ist bzw. im Falle der Keramik hochtemperaturbeständig. Beides trägt dazu bei, dass auch in schwierigen Situationen eine gute Filterwirkung erreicht wird. Außerdem kann durch die gute Wärmeleitfähigkeit bei den metallischen Schäumen aus Aluminium oder Kupfer eine gute Ableitung von Wärme von den heißen Partikeln erreicht werden, sodass die Gefahr, dass diese Partikel so heiß bleiben, dass sie außerhalb des Batteriegehäuses die anderen Medien zünden und damit die gesamten abgeblasenen Medien durchzündet werden, entsprechend verringert werden kann.
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Offenporige Metallschäume oder Keramikschäume in der genannten Art waren bisher nur entsprechend schwierig herzustellen. Mittlerweile ist dies über den sogenannten LCS-Prozess, das Lost Carbonate Sintering, entsprechend einfach und effizient möglich. Dieser Prozess, welcher insbesondere für einen Sinterwerkstoff auf Basis von Kupfer oder Aluminium als offenporiger Metallschaum eingesetzt werden kann, erfolgt dabei im Wesentlichen in vier Stufen, bei welchen zuerst Kupferpulver und Kaliumcarbonatpulver (K2CO3) miteinander vermischt werden, wodurch durch die Menge und Größe der verwendeten Pulverpartikel Porendurchmesser und Porendichte des hergestellten Sinterwerkstoffs sehr fein eingestellt werden können. Im nächsten Schritt wird die Mischung unter Druck von ca. 200 MPa in konturnahen Formen verdichtet und dann im Vakuum bei Temperaturen von knapp 1000°C (bei Kupfer) gesintert. Der Schmelzpunkt des Kaliumcarbonats liegt dabei deutlich niedriger als der des Kupfers, sodass dieses zersetzt wird, bevor es den Siedepunkt erreicht. Dies führt dazu, dass die Kupferpartikel ohne zu schmelzen aneinanderhaften, während das vollständig zersetzte Kaliumcarbonat gasförmig oder dampfförmig entweicht. Es entsteht damit ein reiner formstabiler Kupferschaum, der bei dem Prozess kaum schrumpft, was für den beschriebenen Einsatzzweck als Filterelement ideal ist. Eine vergleichbare Technologie liegt auch für die Herstellung von Aluminiumschaum bei entsprechend niedrigeren Temperaturen vor.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Filterelements kann es dabei vorgesehen sein, dass dieses eine Porengröße von 400 bis 700 µm aufweist. Eine solche Porengröße ist für das Filtern der bei einem Thermal Runaway entstehenden Partikel ideal, insbesondere wenn eine entsprechende Lauflänge der Gase innerhalb des Materials des Filterelements gegeben ist, sodass die Partikel weitgehend ausgefiltert werden.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung eines derartigen erfindungsgemäßen Filterelements kann es nun ferner vorgesehen sein, dass das Material undurchlässige Schichten aufweist, wobei mehrere Elemente des Materials mit den undurchlässigen Schichten so kombiniert werden, dass sich die Strömungswege für das zu filternde Medium in dem Material verlängern. Das Filterelement selbst kann also aus mehreren Teilen des entsprechenden Materials, beispielsweise eines offenporigen Kupferschaums ausgebildet sein. Undurchlässige Schichten können dabei im Inneren oder vorzugsweise außen auf dem Material angeordnet werden. Hierdurch lassen sich mehrere Materialelemente zu dem Filterelement kombinieren, wobei die undurchlässigen Schichten im Berührungsbereich zwischen den einzelnen Elementen liegen und so dafür sorgen, dass die Elemente nicht parallel zueinander, sondern in Reihe nacheinander von dem zu filternden Medium durchströmt werden. Diese erhöhte Filterlänge verbessert einerseits die Filterwirkung und bietet andererseits die Möglichkeit, Wärme von den heißen Partikeln in das Material des Filterelements abzuleiten, sodass die oben beschriebenen Vorteile nochmals verstärkt werden. Dies lässt sich prinzipiell auch bei offenporigem Aluminiumschaum oder offenporigen Keramikschaum entsprechend umsetzen.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriegehäuse einer Hochvolt-Batterie umfasst nun ein derartiges Filterelement in einer der beschriebenen Ausführungsvarianten. Unter einer Hochvolt-Batterie ist dabei gemäß den gültigen ECE-Richtlinien eine Batterie zu verstehen, welche eine Gleichspannung von mehr als 60 V aufweist, was beispielsweise bei sogenannten Traktionsbatterien, welche zum Antrieb von zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden, typischerweise der Fall ist. Für solche Batterien ist das Risiko des oben angesprochenen Thermal Runaway relativ groß, sodass durch das Ausstatten eines Batteriegehäuses für derartige Batterien mit einem Filterelement gemäß der Erfindung ein ganz entscheidender Vorteil bezüglich der Sicherheit entsteht.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses kann es dabei vorgesehen sein, dass das Filterelement einem Berstelement vorgeschaltet ist. Ein solches Berstelement, welches das Batteriegehäuse ab einem bestimmten Überdruck innerhalb des Batteriegehäuses in Richtung der Umgebung hin öffnet, ist aus Sicherheitsgründen typischerweise in jedem derartigen Batteriegehäuse vorgesehen. Das Filterelement kann nun in Strömungsrichtung vor diesem Berstelement angeordnet sein, wobei sich die Strömungsrichtung auf den Fall bezieht, in dem das Berstelement angesprochen, also eine Öffnung freigegeben hat. Das Filterelement kann dann seine Wirkung tun, bevor die entsprechenden Gase, Dämpfe und Partikel durch das geöffnete Berstelement in die Umgebung des Batteriegehäuses abgeblasen werden.
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Eine außerordentlich günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses sieht es nun ferner vor, dass das Filterelement mit einer Kühleinrichtung in thermisch leitender Verbindung steht. Häufig sind in derartigen Batteriegehäusen Kühlelemente ohnehin vorhanden, welche als Kühleinrichtung genutzt werden können, um das Filterelement zu kühlen. Daneben wäre es selbstverständlich auch denkbar, eine eigene Kühleinrichtung für das Filterelement vorzusehen.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses kann es dabei vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung als passives Kühlelement ausgebildet ist. Ein solches passives Kühlelement können beispielsweise Kühlrippen oder dergleichen sein. Das Filterelement kann beispielsweise im Stoffschluss und/oder Formschluss zu derartigen Kühlelementen aufgebaut werden oder mit diesen über ein wärmeleitendes Element, sei es eine Heatpipe oder ein Metallelement als Verbindung in thermischer Verbindung stehen. Kommt es zu einem Thermal Runaway und entsprechend heiße Gase, Dämpfe und/oder Partikel durchströmen das Filterelement, dann werden diese nicht nur durch die Masse des Filterelements selbst und dessen Wärmekapazität, sondern auch durch die Kühleinrichtung weiter abgekühlt. Hierdurch wird die Gefahr des Ausstoßes heißer Partikel in die Umgebung nochmals weiter reduziert.
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Neben einer solchen passiven Kühlung, beispielsweise über am Batteriegehäuse außen angebrachte Kühlrippen oder dergleichen, ist dabei ergänzend oder alternativ auch eine aktive Kühlung mit einem gekühlten Wärmesenke denkbar. Auch hier kann das Filterelement wieder mit dem Wärmesenke in thermisch leitender Verbindung stehen, beispielsweise indem der Wärmetauscher unmittelbar an das Filterelement angebracht oder zumindest teilweise von diesem ausgebildet ist, sodass also zumindest einige Poren von dem Kühlmedium, sei es nun ein Gas oder eine Flüssigkeit, aktiv durchströmt werden. Alternativ dazu wäre auch die Ausgestaltung in der Art denkbar, dass das Kühlelement über ein wärmeleitendes Element wie beispielsweise einen gut wärmeleitenden Metallstab, eine Heatpipe oder dergleichen an einen aktiv gekühlten Wärmetauscher, beispielsweise den Wärmetauscher zur Kühlung der Zellblöcke in dem Batteriegehäuse thermisch angebunden wird.
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Wie bereits erwähnt, kann die Aufgabe auch durch eine Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem derartigen Batteriegehäuse und damit auch mit einem derartigen Filterelement ideal gelöst werden. Insbesondere für solche Fahrzeuganwendungen spielt die Sicherheit eine ganz entscheidende Rolle, sodass durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Filterelements bzw. des Batteriegehäuses gemäß der Erfindung mit dem erfindungsgemäßen Filterelement eine besonders hohe Sicherheit des Aufbaus erzielt werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Filterelements sowie des Batteriegehäuses ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
- 1 eine erste mögliche Ausführungsform einer Traktionsbatterie gemäß der Erfindung;
- 2 eine zweite mögliche Ausführungsform einer Traktionsbatterie gemäß der Erfindung;
- 3 das Filterelement der Ausführungsformen gemäß 1 und 2;
- 4 eine alternative Ausführungsform des Filterelements; und
- 5 eine weitere alternative Ausführungsform des Filterelements.
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In der Darstellung der 1 ist eine Traktionsbatterie 1 mit einem Batteriegehäuse 2 zu erkennen. Im Inneren des Batteriegehäuses 2 befindet sich ein Zellblock 3 aus einer Vielzahl von Einzelzellen 4, von welchen hier noch einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Traktionsbatterie 1 soll zum Antrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs oder eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, also beispielsweise eines Hybridfahrzeugs dienen. Sie ist in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet. Bei derartigen HV-Batterien besteht grundsätzlich die Gefahr eines sogenannten Thermal Runaways.
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Für den Fall eines solchen thermischen Ereignisses werden aus einigen oder allen Einzelzellen 4 des Zellblocks 3 Gase, Dämpfe und Partikel abgelassen. In der Darstellung der 1 sind die Gase und Dämpfe durch die mit 6 bezeichneten Linien angedeutet. Von diesen Gasen und Dämpfen 6 mitgerissene Partikel, welche insbesondere sehr stark erhitzt sind und glühen können, sind durch eine Vielzahl von kleinen Kreuzen entsprechend angedeutet, von welchen einige mit dem Bezugszeichen 5 versehen sind. Die Gase und Dämpfe 6 sowie die gegebenenfalls glühenden Partikel 5 sammeln sich nun in dem Batteriegehäuse 2 und setzen dieses selbst unter einen Überdruck. Für diesen Fall ist im Bereich des Batteriegehäuses 2 eine sogenannte Abblasöffnung oder Venting-Öffnung 7 vorgesehen. Diese weist ein Berstelement, beispielsweise eine hier in geborstenem Zustand dargestellte Berstscheibe 8 auf, welche sich bei einem gewissen Druck im Inneren des Batteriegehäuses 2 entlang einer Sollbruchstelle selbst zerstört und damit ein Abströmen der Medien in eine Umgebung 9 der Traktionsbatterie 1 ermöglicht.
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Hierdurch lässt sich eine unkontrollierte Zerstörung des Batteriegehäuses 2 durch den Überdruck und damit letztlich eine Explosion der Traktionsbatterie 1 verhindern. In der gängigen Praxis kann es nun dazu kommen, dass die glühenden Partikel 5 die ausgestoßenen Dämpfe und Gase 6 entsprechend entzünden, sodass auch von einer solchen durchgezündeten Gaswolke ein entsprechendes Risiko ausgeht. Um dies zu vermeiden, wird in Strömungsrichtung der aus dem Batteriegehäuse 2 bzw. der Abblasöffnung 7 abströmenden Gase vor dem Berstelement 8 ein Filterelement 10 angeordnet. Dieses Filterelement 10 dient dazu, die Partikel 5 ganz oder teilweise aus dem abströmenden Medium herauszufiltern, sodass im Idealfall nur noch Gase und Dämpfe 6 in die Umgebung gelangen, so wie es in der Darstellung der 1 beispielhaft dargestellt ist.
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Das Filterelement 10 selbst kann dafür aus einem temperaturbeständigen offenporigen Schaum hergestellt sein, welcher beispielsweise aus Keramik realisiert werden kann. Besonders bevorzugt soll das Filterelement 10 jedoch aus einem offenporigen geschäumten Material auf der Basis von Kupfer oder einer Kupfer-Legierung bzw. Aluminium oder einer Aluminium-Legierung ausgebildet sein. Solche Schäume, welche vorzugsweise nach dem Lost Carbonate Sintering-Verfahren (LCS) hergestellt werden können, sind dabei entsprechend temperaturstabil und es kann je nach erwarteten Temperaturen eventueller Venting-Gase, -Dämpfe 6 und -Partikel 5 entweder Kupfer eingesetzt werden, was für Temperaturen bis 900°C sehr gut beständig ist, oder Aluminium, wenn geringere Temperaturen erwartet werden. Der offenporige Schaum als Material des Filterelements 10 kann beispielsweise über das genannte LCS-Verfahren hinsichtlich seiner Porengröße als offenporiges Material weitgehend beliebig eingestellt werden, wobei sich für den Einsatz des Filterelements 10 für den hier dargestellten Anwendungszweck im Batteriegehäuse 2 einer Traktionsbatterie 1 Porengrößen in der Größenordnung von 400 bis 700 µm anbieten. Die Porengrößen können dabei durchgehend gleich verteilt oder auch über die Durchströmungslänge mit abnehmender Porengröße ausgebildet sein.
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Das Material des Filterelements 10 hält alle oder zumindest einen Großteil der Partikel 5 zurück. Besonders kleine Partikel, welche das Material des Filterelements 10 gegebenenfalls passieren können, werden aufgrund der relativ hohen Wärmekapazität und der guten Wärmeleitfähigkeit eines solchen Filterelements, beispielsweise aus offenporigem Kupferschaum relativ stark abgekühlt, sodass die Gefahr eines Durchzündens der in die Umgebung abgeblasenen Dampf- und Gaswolke, welche in der Darstellung der 1 beispielhaft wiederum mit 6 bezeichnet ist, relativ zuverlässig verhindert werden kann.
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In der Darstellung der 2 ist derselbe Aufbau der Traktionsbatterie 1 mit einem Unterschied nochmals dargestellt. Für die analog zur Darstellung in 1 vorhandenen Elemente gilt dabei das Gesagte. Der Unterschied besteht nun darin, dass zusätzlich eine Kühleinrichtung 12 vorgesehen ist, welche über ein wärmeleitendes Element 13 mit dem Filterelement 10 in Kontakt steht. Dadurch lässt sich eine sehr gute Wärmeabfuhr aus dem Filterelement 10 realisieren, um so nicht nur glühende Partikel 5 effizient abzukühlen, sondern idealerweise auch verdampfte Flüssigkeiten entsprechend zu kondensieren, was deren Zündfähigkeit nochmals weiter reduziert. Da Flüssigkeiten eher in dem Batteriegehäuse 2 zurückgehalten werden können, können so außerdem Emissionen verringert werden.
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Die Kühleinrichtung 12 selbst kann dabei passiv ausgebildet sein, beispielsweise durch Kühlrippen außen am Batteriegehäuse 2 bzw. im Bereich einer ohnehin vorhandenen Wärmesenke oder dergleichen. Alternativ dazu wäre es auch denkbar, die Kühleinrichtung 12 als aktiv gekühlte Kühleinrichtung bzw. als aktiv gekühlten Wärmetauscher umzusetzen, welcher eigens zur Kühlung des Filterelements 10 vorgesehen ist, oder welcher beispielsweise zur Kühlung der Batterieeinzelzellen 4 oder anderer (elektrischer) Elemente in dem mit der Traktionsbatterie 1 versehenen Fahrzeug ohnehin vorhanden ist und über das Wärmeleitelement 13 mit dem Filterelement 10 verbunden wird.
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Das Wärmeleitelement 13 kann dabei beispielsweise als Metallelement aus einem gut wärmeleitenden Material wie beispielsweise Kupfer ausgebildet sein. Alternativ dazu wäre auch die Ausbildung als sogenannte Heatpipe denkbar, bei welcher über eine Flüssigkeit und/oder ein Gas durch Konvektionseffekte Wärme sehr effizient übertragen werden kann. Auch die direkte mechanische Anbindung an das Filterelement beispielsweise, indem zumindest Teile des Filterelements 10 selbst von einem Kühlmedium durchströmt werden und/oder ein Wärmetauscher in das Material des Filterelements 10 integriert ist, wäre denkbar.
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Das Filterelement 10 kann dabei wie es in den 1 und 2 dargestellt ist, als einfaches flächiges Filterelement ausgebildet sein. Dieses kann beispielsweise in seiner Form rund, rechteckig, quadratisch oder dergleichen sein. Es ist in der Darstellung der 3 nochmals dargestellt, wobei die Durchströmungsrichtung, welche durch die Pfeile angedeutet ist, hier von links nach rechts geht. Dabei ist zu erkennen, dass das flächige Filterelement 10, wie es in der Darstellung der 3 gezeigt ist, nur eine relativ kurze Lauflänge der zu filternden Medien innerhalb des Filterelements 10 bereitstellt, sodass die Filter- und Kühlwirkung aufgrund der relativ kurzen Durchtrittsstrecke entsprechend begrenzt ist.
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Durch ein großvolumiges Element als Filterelement 10, wie es in der Darstellung der 4 zu erkennen ist, lässt sich dies entsprechend verbessern. Ist der Aufbau beispielsweise zylinder- oder würfelförmig aufgebaut, entsteht jedoch ein relativ großer Raumbedarf, welcher sich zwar positiv auf die Bindungseigenschaften auch kleinerer Partikel im Filterelement 10 auswirkt, weil das Volumen des geschäumten Materials größer ist. Andererseits benötigt ein solches Filterelement 10 in dem Batteriegehäuse 2 relativ viel Bauraum. Dies lässt sich nun verbessern, indem für die zu filternden Medien undurchlässige Schichten in dem Filterelement 10 vorgesehen werden. Rein beispielhaft ist dies in der Darstellung der 5 angedeutet. Über die hier mit dicker Linie dargestellten für das zu filternde Medium undurchlässigen Schichten 14 wird eine entsprechende Umlenkung der Medienströme innerhalb des Filterelements 10 erzielt, sodass die Medien innerhalb des Filterelements 10 einen längeren Strömungsweg zurücklegen, als wenn diese für die Medien undurchlässigen Schichten 14 nicht vorhanden wären.
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In der Praxis lässt sich ein solcher Aufbau insbesondere dadurch realisieren, dass verschiedene Teile hergestellt und zu dem endgültigen Filterelement 10 kombiniert werden, beispielsweise eine hohlzylindrische Außenpatrone und eine zylindrische Innenpatrone, zwischen welchen eine für das Medium undurchlässige Wand 14, beispielsweise als Oberflächenbeschichtung des entsprechenden Elements angeordnet ist. Ein solcher verschachtelter Aufbau, welcher neben dem hier angedeuteten Aufbau auch weitere Teile aufweisen kann, sodass die Strömung innerhalb des Filterelements 10 mehrfach umgelenkt wird, kann dabei insbesondere so gestaltet sein, dass jedes der Teile eine unterschiedliche Porengröße aufweist, sodass das zuerst von dem Medium durchströmte Teil des Filterelements eine größere Porengröße von beispielsweise 600 bis 700 µm aufweist, das danach durchströmte Teil eine Porengröße von 500 bis 600 µm und ein drittes zuletzt durchströmtes Teil eine Porengröße von 400 bis 500 µm. Hierdurch lässt sich eine ideale Filterwirkung bei gleichzeitiger Kühlung der Medien entweder durch die Wärmekapazität des Filterelements 10 selbst und/oder vorzugsweise durch die Anbindung an die Kühleinrichtung 12 entsprechend erreichen.
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Alles in allem kann so ein sehr zuverlässiger und sicherer Aufbau zum Abgeben von Venting-Gasen, -Dämpfen 6 und -Partikeln 5 in die Umgebung 9 der Traktionsbatterie 1 realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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