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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Fahrzeugstromspeicherbatterien und insbesondere die Steuerung des Innendrucks dieser Batterien.
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Fahrzeugstromspeicherbatterien umfassen mehrere Stromspeicherzellen, die innerhalb einer Hülle angeordnet sind.
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Bei einem thermischen Durchgehen einer der Stromspeicherzellen steigt ihre Temperatur rasch an und Gas wird innerhalb der Stromspeicherzelle erzeugt. Der Innendruck steigt, bis bei einer prismatischen Zelle eine zu diesem Zweck vorgesehene Sicherheitskapsel aufgesprengt wird oder bei einer Pouch-Zelle die Umhüllung reißt.
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Sobald die Stromspeicherzelle zerplatzt ist, treten die Gase mit einer Temperatur von 300 bis 500°C in das Innenvolumen der Hülle. Einige Sekunden nach diesem Ereignis ist eine zweite Entgasung bei einer höheren Temperatur von üblicherweise 500 bis 800°C zu beobachten. Dieses Gas, das insbesondere Wasserstoff, Sauerstoff und CO enthält, kann sich möglicherweise entzünden. Es dauert ungefähr 15 bis 20 Sekunden, bis diese Phase erreicht ist.
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Die bei diesem Ereignis freigesetzte Menge der thermischen Energie beträgt mehr als 1100 kJ für eine Stromspeicherzelle von 60 Ah. Bei einem Abbrand ist diese Energie noch höher, und die Temperatur kann 1400°C erreichen.
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Die bei diesem thermischen Durchgehen erzeugte Gasmenge beträgt ohne Abbrand zwischen 110 Litern und 180 Litern für eine Stromspeicherzelle von 60 Ah.
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Zur Steuerung des Überdrucks im Inneren der Hülle der Batterie ist es möglich, Lüftungsöffnungen vorzusehen, die sich im Deckel der Hülle oder auf einer der Seitenflächen dieser Hülle befinden.
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Diese heißen Gase müssen unbedingt abgeführt werden, um ein Zerplatzen der Batteriehülle zu verhindern.
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Darüber hinaus umfassen Hochleistungsstromspeicherbatterien des bei Kraftfahrzeugen verwendeten Typs einen Kreislauf zur thermischen Konditionierung der Stromspeicherzellen, in dem ein Wärmeträgerfluid zirkuliert. Dieser Kreislauf zur thermischen Konditionierung ermöglicht das Abführen der im Betrieb von den Stromspeicherzellen erzeugten Wärmeenergie.
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Das von dem Wärmeträgerfluid eingenommene Volumen variiert mit seiner Temperatur.
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Wenn der Kreislauf zur thermischen Konditionierung im Innenvolumen der Hülle begrenzt ist, kann die Wärmeausdehnung des Wärmeträgerfluids zu einem erheblichen Druck auf bestimmte Bereiche der Batteriehülle, insbesondere auf den Deckel führen.
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Wenn die Stromspeicherzellen in direktem Kontakt mit einem dielektrischen Wärmeträgerfluid angeordnet sind, werden dadurch die Freiräume der Hülle gefüllt und ein Druck nahezu auf die gesamte Oberfläche des Deckels ausgeübt. Da der Deckel groß ist, führt auch ein mäßiger auf den Deckel ausgeübter Druck insgesamt zu einer erheblichen Kraft, die dazu neigt, den Deckel zu verformen und sogar vom unteren Boden der Batterie zu lösen.
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In diesem Kontext zielt die Erfindung darauf ab, eine Stromspeicherbatterie vorzuschlagen, die eine Lösung der oben genannten Probleme ermöglicht.
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Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt eine Fahrzeugstromspeicherbatteriestruktur, wobei die Batteriestruktur Folgendes aufweist:
- - eine Hülle, die innen ein Aufnahmevolumen begrenzt, das zur Aufnahme von Stromspeicherzellen ausgebildet ist;
- - einen Kreislauf zur thermischen Konditionierung der Stromspeicherzellen, der mit einem Wärmeträgerfluid gefüllt sein soll und innerhalb des Aufnahmevolumens begrenzt ist;
- - einen Abführkreislauf mit einem stromaufwärtigen Ende und einem stromabwärtigen Ende, das außerhalb der Stromspeicherbatterie ausmündet;
- - eine Kompensations- und Druckablassvorrichtung, die eine Expansionskammer aufweist, die in dem Aufnahmevolumen ausgebildet ist und mit dem Kreislauf zur thermischen Konditionierung in Strömungsverbindung steht, wobei die Expansionskammer zumindest eine feste Wand und eine bewegliche Wand aufweist, die in Bezug auf die feste Wand auf einem Normalpositionsbereich bewegt werden kann, so dass ein Innenvolumen der Expansionskammer verändert wird, wobei die bewegliche Wand ferner in Bezug auf die feste Wand bis zu einer Druckablassposition bewegt werden kann, in der das stromaufwärtige Ende des Abführkreislaufs mit der Expansionskammer in Strömungsverbindung steht.
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Die Erwärmung des Wärmeträgerfluids führt zu einer Wärmeausdehnung dieses Fluids, wobei dieses einen größeren Teil des Innenvolumens der Hülle einnimmt. Dieses zusätzliche Volumen des Wärmeträgerfluids kann in der Expansionskammer aufgenommen werden. Die bewegliche Wand der Expansionskammer bewegt sich unter der Wirkung des von dem Wärmeträgerfluid ausgeübten Drucks, so dass das Innenvolumen der Expansionskammer zunimmt.
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Mit dem Normalpositionsbereich der beweglichen Wand kann das Innenvolumen der Expansionskammer verändert werden, so dass eine Anpassung an Volumenänderungen des Wärmeträgerfluids für den gesamten Nenntemperaturbereich dieses Fluids erfolgt.
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Die Batterie unterliegt in der Tat den Außentemperaturen, denen das Fahrzeug ausgesetzt ist. Diese Temperaturen können von -40°C bis +40°C schwanken. Bei einer starken Nutzung des Fahrzeugs führt die Entladung der Batterie außerdem zu einer Erwärmung der Stromspeicherzellen und somit zu einer Erwärmung des Wärmeträgerfluids. In einer Extremsituation könnte dieses Fluid eine Temperatur von +80°C erreichen.
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Der Normalpositionsbereich für die Verlagerung der beweglichen Wand ist somit so vorgesehen, dass die Expansionskammer ein zusätzliches Volumen an Wärmeträgerfluid aufnehmen kann, das der Wärmeausdehnung des Wärmeträgerfluids, mit dem der Kreislauf zur thermischen Konditionierung gefüllt ist, von -40°C bis +80°C entspricht.
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Dieses zusätzliche Volumen beträgt üblicherweise zwischen 0,5 Litern und 3 Litern, üblicherweise zwischen 0,7 Litern und 2 Litern und beträgt z.B. 1 Liter.
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Bei einem thermischen Durchgehen einer oder mehrerer Stromspeicherzellen verteilen sich außerdem die erzeugten Gase in dem Aufnahmevolumen der Hülle, wodurch der Innendruck dieser Hülle und in der Expansionskammer steigt. Die bewegliche Wand wird somit bis zur Druckablassposition bewegt, in der die Gase in den Abführkreislauf strömen können. Die Gase werden anschließend zum Äußeren der Batterie und an die Atmosphäre ausgestoßen.
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Die Batteriestruktur kann eines oder mehrere der nachfolgenden Merkmale aufweisen, die einzeln oder in allen technisch möglichen Kombinationen betrachtet werden:
- - die Hülle weist ein hohles Gestell auf, das dazu vorgesehen ist, zur Fahrzeuglauffläche gewandt zu sein, wobei der Abführkreislauf ein Innenvolumen des hohlen Gestells durchquert;
- - die Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung weist ein Rückstellorgan auf, das die bewegliche Wand der Expansionskammer entgegen dem Druck beaufschlagt, der von dem Wärmeträgerfluid, mit dem die Expansionskammer gefüllt ist, auf die bewegliche Wand ausgeübt wird;
- - die Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung weist ein Rohr mit einem oberen Abschnitt auf, der die feste Wand der Expansionskammer definiert, wobei die bewegliche Wand der Expansionskammer ein Kolben ist, der sich im Inneren des Rohrs längs einer Achse des Rohrs bewegt;
- - das Rohr weist einen unteren Abschnitt auf, der das stromaufwärtige Ende des Abführkreislaufs definiert;
- - der obere Abschnitt des Rohrs hat einen ersten Querschnitt, wobei der untere Abschnitt des Rohrs einen zweiten Querschnitt hat, der größer ist als der erste Querschnitt;
- - die bewegliche Wand der Expansionskammer weist eine obere Fläche auf, die die Expansionskammer begrenzt, sowie eine dem Rohr gegenüberliegende Seitenfläche, wobei die Seitenfläche mindestens eine vertiefte Einkerbung aufweist mit einem offenen Ende, das auf Höhe der oberen Fläche der beweglichen Wand ausmündet, und mit einem geschlossenen Ende, das zum offenen Ende entgegengesetzt ist;
- - der obere Abschnitt des Rohrs weist mindestens eine Zirkulationsöffnung auf, die die Expansionskammer mit dem Kreislauf zur thermischen Konditionierung verbindet und an einem Hochpunkt des Aufnahmevolumens liegt, wenn die Batterie horizontal ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Stromspeicherbatterie für ein Fahrzeug, mit:
- - einer Batteriestruktur mit den obigen Merkmalen, wobei das Wärmeträgerfluid, mit dem der Kreislauf zur thermischen Konditionierung gefüllt ist, ein dielektrisches Wärmeträgerfluid ist; und
- - mehreren Stromspeicherzellen, die direkt mit dem Wärmeträgerfluid in Kontakt stehen, mit dem der Kreislauf zur thermischen Konditionierung gefüllt ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Füllen des Kreislaufs zur thermischen Konditionierung einer Stromspeicherbatterie mit einer Batteriestruktur mit den obigen Merkmalen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Anordnen der Stromspeicherbatterie in der Horizontalen;
- - Verbinden des stromaufwärtigen Endes des Abführkreislaufs mit der Expansionskammer der Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung;
- - Füllen des Kreislaufs zur thermischen Konditionierung mit Wärmeträgerfluid über einen Wärmeträgerfluideinlass und/oder einen Wärmeträgerfluidauslass, bis das Wärmeträgerfluid in das Rohr strömt;
- - Isolieren des stromaufwärtigen Endes des Abführkreislaufs von der Expansionskammer durch Anordnen der beweglichen Wand in ihrem Normalpositionsbereich.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung, die nachfolgend beispielhaft und keineswegs einschränkend gegeben ist und sich auf die beigefügten Figuren bezieht. Darin zeigen:
- - 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Stromspeicherbatterie in Draufsicht, wobei nur eine kleine Anzahl von Stromspeicherzellen dargestellt ist und der Deckel nicht dargestellt ist;
- - 2 eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts der Stromspeicherbatterie aus 1 entsprechend dem Einfall der Pfeile II, in der die Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung gezeigt ist.
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Die in den 1 und 2 dargestellte elektrische Batterie ist für die Ausstattung eines Fahrzeugs, üblicherweise eines Kraftfahrzeugs wie eines Pkw, eines Busses oder eines Lkw vorgesehen.
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Das Fahrzeug ist beispielsweise ein von einem Elektromotor angetriebenes Fahrzeug, wobei der Motor von der elektrischen Batterie elektrisch gespeist wird. Als Variante ist das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug und umfasst somit einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor, der von der elektrischen Batterie elektrisch gespeist wird. Gemäß einer weiteren Variante wird das Fahrzeug von einem Verbrennungsmotor angetrieben, wobei die elektrische Batterie dazu vorgesehen ist, andere Ausrüstungen des Fahrzeugs elektrisch zu speisen, z.B. den Anlasser, die Scheinwerfer usw.
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Die Batterie umfasst eine Batteriestruktur 1 und mehrere Stromspeicherzellen 3. In 1 sind nur einige Stromspeicherzellen 3 dargestellt, die Batterie umfasst jedoch eine große Anzahl von Stromspeicherzellen 3, üblicherweise mehrere Dutzend Stromspeicherzellen 3.
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Die Stromspeicherzellen 3 sind von jedem geeigneten Typ. Es handelt sich z.B. um Lithiumzellen vom Typ Lithium-Ionen-Polymer- ((Li-Po-), Lithium-Eisen-Phosphat- (LFP-), Lithium-Kobalt- (LCO-), Lithium-Mangan- (LMO-), Nickel-Mangan-Kobalt- (NMC-) oder um NiMH-Zellen (englisch „nickel metal hydride“).
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Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Stromspeicherzellen 3 quaderförmige Stromspeicherzellen. Als Variante sind die Stromspeicherzellen 3 Pouch--Zellen.
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Die Stromspeicherzellen 3 sind in einem oder in mehreren Modulen 5, üblicherweise in mehreren Modulen 5 verteilt. Die Anzahl der Stromspeicherzellen pro Modul und die Gesamtzahl der Module in der Batterie hängen von der gewünschten Kapazität der Batterie ab.
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Die Batteriestruktur 1 weist eine Hülle 7 auf, die innen ein Aufnahmevolumen 9 begrenzt, das zur Aufnahme der Stromspeicherzellen 3 ausgebildet ist.
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Wie in 2 gezeigt, weist die Hülle 7 ein hohles Gestell 11 auf, das dazu vorgesehen ist, einer Lauffläche des Fahrzeugs zugewandt zu sein. Das hohle Gestell 11 weist im dargestellten Beispiel eine obere Platte 13 auf, die das Aufnahmevolumen 9 begrenzt, und eine untere Platte 15, die der Lauffläche zugewandt ist. Die obere Platte 13 und die untere Platte 15 sind voneinander beabstandet.
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Das hohle Gestell 11 hat daher zwischen der oberen Platte 13 und der unteren Platte 15 ein freies Innenvolumen 17, in dem üblicherweise nicht dargestellte Versteifungsprofile untergebracht sind.
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Die Stromspeicherzellen 3 liegen an der oberen Platte 13 an.
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Die Hülle 7 weist auch einen Deckel 19 auf.
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Der Deckel 19 ist starr und in dichter Weise am Gestell 11 befestigt.
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Zwischen dem Deckel 19 und dem hohlen Gestell 11 ist das Aufnahmevolumen 9 begrenzt.
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Üblicherweise weist der Deckel 19 einen oberen Boden 21 auf, wobei ein nicht dargestellter aufrechter Rand den oberen Boden 21 umgibt, wobei der aufrechte Rand durch einen abstehenden Kragen verlängert ist, der gegen die obere Platte 13 gedrückt ist.
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Die Batteriestruktur 1 umfasst weiterhin einen Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 der Stromspeicherzellen 3 auf, der dazu vorgesehen ist, mit einem Wärmeträgerfluid gefüllt zu sein. Der Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 ist innerhalb des Aufnahmevolumens 9 begrenzt. Er ist in 1 schematisch dargestellt.
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Der Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 ist zumindest dazu vorgesehen, die von den Stromspeicherzellen 3 im Betrieb abgegebene Wärmeenergie abzuführen.
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Wie in 1 zu sehen ist, weist dieser Kreislauf 23 einen Wärmeträgerfluideinlass 25 und einen Wärmeträgerfluidauslass 27 auf. Er weist beispielsweise einen Zuführsammler 29, der mit dem Wärmeträgerfluideinlass 25 in Strömungsverbindung steht, und einen Abführsammler 31 auf, der mit dem Wärmeträgerfluidauslass 27 in Strömungsverbindung steht.
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Bei dem dargestellten Beispiel weist der Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 auch mehrere Zuführuntersammler 33 auf, die mit dem Zuführsammler 29 in Strömungsverbindung stehen. Jeder Zuführuntersammler 33 speist ein oder mehrere Module 5, zwei Module 5 in dem Ausführungsbeispiel von 1. Jeder Untersammler 33 verteilt das Wärmeträgerfluid in mehreren Leitungen 35 zum Kühlen der Stromspeicherzellen 3 des Moduls bzw. der Module 5.
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Der Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 weist ferner mehrere Abführuntersammler 37 auf, die mit dem Abführsammler 31 in Strömungsverbindung stehen. Jeder Abführuntersammler 37 speist ein oder mehrere Module 5, im dargestellten Beispiel zwei Module.
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Die Kühlleitungen 35, die die Stromspeicherzellen des Moduls bzw. der Module 5 speisen, sind mit den entsprechenden Abführuntersammlern 37 verbunden.
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Als Variante sind andere Anordnungen des Kreislaufs zur thermischen Konditionierung möglich.
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Im dargestellten Beispiel ist das Wärmeträgerfluid, mit dem der Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 gefüllt ist, ein dielektrisches Wärmeträgerfluid.
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Die Stromspeicherzellen 3 sind in direktem Kontakt mit dem Wärmeträgerfluid angeordnet, mit dem der Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 gefüllt ist.
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Bei dem dielektrischen Fluid handelt es sich z.B. um eine fluorierte oder nicht fluorierte Kühlflüssigkeit oder um ein Mineralöl oder um ein modifiziertes Pflanzenöl.
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Das Wärmeträgerfluid füllt alle Freiräume des Aufnahmevolumens 9 aus.
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Der Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 ist üblicherweise mit einem externen Kühlkreislauf verbunden, der an Bord des Fahrzeugs vorgesehen ist. Dieser externe Kühlkreislauf steht mit der Wärmeträgerfluideinlassöffnung und der Wärmeträgerfluidauslassöffnung 25, 27 in Strömungsverbindung. Er weist mindestens ein Organ auf, das die Zirkulation des Wärmeträgerfluids längs des Kreislaufs zur thermischen Konditionierung 23 sicherstellt, und einen Wärmetauscher, der so angeordnet ist, dass er das im Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 zirkulierende Wärmeträgerfluid kühlt.
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Die Batteriestruktur 1 weist auch einen Abführkreislauf 39 auf, der in 1 schematisch dargestellt ist. Dieser Abführkreislauf 39 ist dazu vorgesehen, die im Inneren der Stromspeicherzellen 3 erzeugten Gase im Falle eines thermischen Durchgehens abzuführen.
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Der Abführkreislauf 39 weist ein stromaufwärtiges Ende 41, das weiter unten beschrieben ist, und ein stromabwärtiges Ende 43 auf, das außerhalb der Batterie ausmündet.
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Der Abführkreislauf 39 verläuft vorteilhafterweise durch das Innenvolumen 17 des hohlen Gestells 11.
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Mit anderen Worten, die von dem stromaufwärtigen Ende 41 zum stromabwärtigen Ende 43 zirkulierenden Gase strömen durch das Innenvolumen 17, das zwischen der oberen Platte 13 und der unteren Platte 15 begrenzt ist. Die Batteriestruktur 1 weist auch eine Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung 45 auf.
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Diese Vorrichtung ist dazu vorgesehen, die Wärmeausdehnung des Wärmeträgerfluids, mit dem der Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 gefüllt ist, zu ermöglichen, ohne den Innendruck in der Hülle 7 der Batteriestruktur wesentlich zu erhöhen. Sie ist auch dafür vorgesehen, im Falle eines thermischen Durchgehens einer oder mehrerer Stromspeicherzellen 3 das Aufnahmevolumen 9 mit dem Abführkreislauf 39 zu verbinden, um das Abführen der von den Stromspeicherzellen freigesetzten Gase aus der Batterie zu ermöglichen.
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Wie in 2 zu sehen, weist die Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung 45 eine Expansionskammer 47 auf, die im Aufnahmevolumen 9 angeordnet ist und mit dem Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 in Strömungsverbindung steht.
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Die Expansionskammer 47 weist mindestens eine feste Wand 49 und eine bewegliche Wand 51 auf, die in Bezug auf die feste Wand 49 über einen Normalpositionsbereich bewegt werden kann, um ein Innenvolumen der Expansionskammer 47 zu verändern.
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Darüber hinaus ist die bewegliche Wand 51 in Bezug auf die feste Wand 49 bis zu einer Druckablassposition bewegbar, in der das stromaufwärtige Ende 41 des Abführkreislaufs 39 mit der Expansionskammer 47 in Strömungsverbindung steht.
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Die Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung 45 weist ein Rückstellorgan 53 auf, das die bewegliche Wand 51 der Expansionskammer 47 entgegen dem Druck beaufschlagt, der von dem Wärmeträgerfluid, mit dem die Expansionskammer 47 gefüllt ist, auf die bewegliche Wand 51 ausgeübt wird.
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Mit anderen Worten, die Expansionskammer 47 ist im Normalbetrieb stets mit dem Wärmeträgerfluid gefüllt, da sie mit dem Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 in Strömungsverbindung steht.
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Unter Normalbetrieb ist hier eine Situation zu verstehen, in der die Batterie betriebsbereit ist und die Stromspeicherzellen 3 sich nicht in einer Situation eines thermischen Durchgehens befinden.
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Die Position der beweglichen Wand 51 im Normalpositionsbereich ergibt sich somit aus dem Kräftegleichgewicht zwischen einerseits dem Druck, den das die Expansionskammer 47 füllende Wärmeträgerfluid auf die bewegliche Wand 51 ausübt, und andererseits der von dem Rückstellorgan 53 ausgeübten Rückstellkraft.
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Bei dem in 2 dargestellten Beispiel weist die Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung 45 ein Rohr 55 auf.
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Das Rohr 55 ist in dem Aufnahmevolumen 9 untergebracht.
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Das Rohr 55 weist einen oberen Abschnitt 57 auf, der die feste Wand 49 der Expansionskammer 47 definiert.
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Die bewegliche Wand 51 der Expansionskammer 47 ist dann ein Kolben, der sich innerhalb des Rohrs 55 längs einer Mittelachse X des Rohrs 55 bewegt.
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Das Rohr 55 weist auch einen unteren Abschnitt 59 auf, der das stromaufwärtige Ende 41 des Abführkreislaufs 39 definiert.
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Der obere Abschnitt 57 des Rohrs 55 hat senkrecht zur Achse X des Rohrs 55 einen ersten Querschnitt, wobei der untere Abschnitt 59 des Rohrs 55 senkrecht zur Achse X einen zweiten Querschnitt hat, der größer ist als der erste Querschnitt. Der untere Abschnitt 59 ist über eine Schulter 61 mit dem oberen Abschnitt 57 verbunden.
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Der obere Abschnitt 57 hat einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt.
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Ebenso hat der untere Abschnitt 59 einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt.
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Der obere Abschnitt 57 hat üblicherweise einen kreisförmigen Querschnitt. Als Variante hat er einen ovalen, rechteckigen oder beliebigen anderen Querschnitt.
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Im dargestellten Beispiel ist das Rohr 55 so angeordnet, dass seine Achse X im Wesentlichen senkrecht zum hohlen Gestell 11 verläuft.
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Der untere Abschnitt 59 des Rohrs 55 weist ein unteres Ende 62 auf, das zum oberen Abschnitt 57 entgegengesetzt ist und über einen vorstehenden Kragen 63 an der oberen Platte 13 anliegt.
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Das untere Ende 62 des unteren Abschnitts 59 des Rohrs 55 ist deckungsgleich mit einer in der oberen Platte 13 ausgebildeten Öffnung 65 angeordnet. Das Innenvolumen 17 des hohen Gestells 11 ist somit über die Öffnung 65 mit dem Inneren des Rohrs 55 verbunden.
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Das obere Ende 67 des oberen Abschnitts 57 erstreckt sich unmittelbar unter dem Deckel 19 der Hülle 7, genauer gesagt unmittelbar unter dem oberen Boden 21.
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Im oberen Abschnitt 57 des Rohrs 55 sind Zirkulationsöffnungen 69 ausgebildet. Diese Zirkulationsöffnungen 69 verbinden die Expansionskammer 47 mit dem Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23. Sie sind aus Gründen, die weiter unten erläutert sind, an einem Hochpunkt des Aufnahmevolumens 9 angeordnet.
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Bei Bedarf und wie in 2 dargestellt, weist der obere Boden 21 des Deckels 19 ein vertieftes Relief 70 zur Außenseite des Aufnahmevolumens 9 hin auf, in dem das obere Ende 67 des oberen Abschnitts 57 des Rohrs 55 untergebracht ist. Dieses vertiefte Relief 70 ermöglicht die Bildung eines Hochpunkts für das Aufnahmevolumen 9.
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Die bewegliche Wand 51 der Expansionskammer 47 hat eine allgemein zylindrische Form, die koaxial zur Achse X verläuft.
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Sie weist eine obere Fläche 71 auf, die die Expansionskammer 47 begrenzt, und eine Seitenfläche 73, die dem Rohr 55 gegenüberliegt.
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Sie weist außerdem eine untere Fläche 75 auf, die der oberen Fläche 71 gegenüberliegt.
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Die obere Fläche 71 erstreckt sich im dargestellten Beispiel in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zur Achse X verläuft.
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In der Seitenfläche 73 ist eine Nut 77 ausgebildet. Eine Dichtung 79 greift in die Nut 77 ein und erzeugt eine gleitende Abdichtung zwischen der beweglichen Wand 51 und der Innenfläche des oberen Abschnitts 57 des Rohrs 55.
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Die Seitenfläche 73 der beweglichen Wand 51 weist auch mindestens eine vertiefte Einkerbung 81 mit einem offenen Ende 83 auf, das an der oberen Fläche 71 der beweglichen Wand 51 ausmündet, und mit einem geschlossenen Ende 85 gegenüber dem offenen Ende 83.
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Bei dem dargestellten Beispiel weist die Seitenfläche 73 vier vertiefte Einkerbungen 81 auf, die in einem Winkel von 90° zueinander um die Achse X angeordnet sind. Als Variante ist die Seitenfläche 73 mit weniger als vier vertieften Einkerbungen oder mehr als vier vertieften Einkerbungen versehen.
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Im dargestellten Beispiel verläuft jede vertiefte Einkerbung 81 geradlinig und parallel zur X-Achse. Sie erstreckt sich parallel zur X-Achse betrachtet üblicherweise auf mindestens 50 % der Höhe der Seitenfläche 73 der beweglichen Wand 51. Im dargestellten Beispiel ist die bzw. jede Einkerbung 81 geradlinig.
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Die bzw. jede Einkerbung 81 befindet sich vollständig in dem Teil der Seitenfläche 73, der zwischen der Nut 77 und der oberen Fläche 71 der beweglichen Wand 51 liegt.
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Die Nut 77 befindet sich in unmittelbarer Nähe der unteren Fläche 75 der beweglichen Wand 51.
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Um das Gleiten der beweglichen Wand 51 im Inneren des Rohrs 55 zu erleichtern, hat die Innenfläche des oberen Abschnitts 57 des Rohrs 55 vorzugsweise eine Rauigkeit von weniger als 15 µm. Als Variante oder zusätzlich ist diese Innenfläche mit einer Schicht aus einem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten beschichtet, das eine Rauigkeit von weniger als 10 µm, vorzugsweise zwischen 2 und 8 µm hat, wie etwa Teflon (PTFE).
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Die bewegliche Wand 51 der Expansionskammer 47 besteht üblicherweise aus einem Kunststoff, z.B. aus Polypropylen oder Polyamid. Vorteilhafterweise ist der Kunststoff mit Glasfasern verstärkt.
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Das Rohr 55 besteht vorzugsweise aus Stahl.
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Die untere Platte 15 des Gestells 11 weist unmittelbar gegenüber der Öffnung 65 eine entsprechende Öffnung 87 auf, die durch eine abnehmbare Klappe 89 verschlossen ist.
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Die Klappe 89 ist durch abnehmbare Befestigungsorgane 91, wie etwa Schrauben abnehmbar an der unteren Platte 15 befestigt.
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Das Rückstellorgan 53 der Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung 45 ist ein elastisches Organ, üblicherweise eine Feder. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um eine Schraubenfeder, die koaxial zur X-Achse verläuft.
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Die untere Fläche 75 der beweglichen Wand 51 ist so ausgehöhlt, dass sie einen Stützteller für ein oberes Ende des Rückstellorgans 53 definiert. Ein unteres Ende des Rückstellorgans 53 liegt an der Klappe 89 an.
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Bei dem in 2 gezeigten Beispiel ist ein zylindrischer Abstandshalter 93 im Innenvolumen 17 des Gestells 11 um die Öffnung 65 und die entsprechende Öffnung 87 herum angeordnet.
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Dieser Abstandshalter 93 hat im Wesentlichen denselben Durchmesser wie der untere Abschnitt 59 des Rohrs 55 und ist axial in dessen Verlängerung angeordnet. Er liegt an der oberen Platte 13 des Gestells 11 an und liegt über nicht bezeichnete vorstehende Kragen an der unteren Platte 15 des Gestells 11 an.
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Der zylindrische Abstandshalter 93 ist mit mehreren Löchern 95 durchsetzt, die die Gaszirkulation aus dem Inneren des Rohrs 55 in das Innenvolumen 17 des Gestells 11 ermöglichen.
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Wie in 2 veranschaulicht, münden die im oberen Abschnitt 57 des Rohrs 55 ausgebildeten Zirkulationsöffnungen 69 in einen Untersammler 97, der seinerseits auf einer Seite mit dem Zuführsammler 29 und auf einer gegenüberliegenden Seite mit dem Abführsammler 31 verbunden ist. Als Variante ist die Expansionskammer 47 mit einem der Abführuntersammler 37 verbunden. Vorteilhafterweise ist die Expansionskammer 47 mit einem beliebigen Teil des Fluidnetzes verbunden.
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Die Funktionsweise der Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung 45 als Expansionsgefäß wird ausführlich beschrieben.
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Wie oben erwähnt, unterliegt eine Kraftfahrzeugbatterie den Außentemperaturen, denen dieses Fahrzeug ausgesetzt ist. Dies gilt insbesondere für Fahrzeuge mit Elektroantrieb, deren Batterie in der Regel unter dem Fahrzeug angeordnet ist.
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Diese Temperaturen können von -40 °C bis +40 °C reichen. Die gesamte Batterie kann diese Temperatur erreichen, wenn sie diesen lange genug ausgesetzt ist.
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Bei intensiver Nutzung des Fahrzeugs führt die Entladung der Batterie zu einer Erwärmung der Stromspeicherzellen 3. Ebenso kommt es beim Aufladen, insbesondere beim Schnellladen der Batterie ebenfalls zu einer Erwärmung der Stromspeicherzellen 3.
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In jedem Fall führt diese Erwärmung auch zu einer Erwärmung des Wärmeträgerfluids, das im Extremfall eine Temperatur von +80 °C erreichen kann.
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Bei einer Batterie des oben beschriebenen Typs mit Stromspeicherzellen 3, die in direktem Kontakt mit einem dielektrischen Wärmeträgerfluid stehen, beträgt das Volumen des dielektrischen Fluids bei einer Batterie mit einer Kapazität von 85 kW/Stunde etwa 8 Liter. Die Dichte des Wärmeträgerfluids beträgt bei -40 °C 0,9 kg/I, während sie bei +80 °C 0,81 kg/l beträgt. Das Volumen des Fluids nimmt also zwischen -40 °C und +80 °C um etwa 0,9 I zu.
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Darüber hinaus bewirken die Temperaturschwankungen der Batterie auch eine Ausdehnung der Elemente, aus denen diese Batterie besteht.
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Die Stromspeicherzellen 3 nehmen insbesondere ein Volumen ein, das sich in Abhängigkeit von den Lade- und Entladezyklen ändert. Dabei sind zwei Arten von Veränderungen zu beobachten: eine direkt vom Lade- oder Entladevorgang abhängige Veränderung, die stark von der Intensität der Lade- und Entladevorgänge abhängig ist. Dieses Phänomen kann mit dem Atmen verglichen werden. Eine andere Veränderung hängt mit der langfristigen Alterung der Stromspeicherzellen zusammen und führt zu einer Volumenerhöhung.
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So ergibt sich das für das Wärmeträgerfluid in der Batteriehülle 7 verfügbare Volumen sowohl aus der Änderung der Dichte dieses Wärmeträgerfluids als auch aus der Änderung des Volumens der Stromspeicherzellen selbst. Da das Wärmeträgerfluid eine inkompressible Flüssigkeit ist, ist es wichtig, diese Schwankungen auszugleichen, damit sich die Batteriehülle nicht verformt.
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Dies ist besonders wichtig, da die Batterie große Abmessungen haben kann. Der Deckel 19 der Batterie kann z.B. eine Länge von 2 m und eine Breite von 1,8 m haben. Ein Überdruck von 10 Millibar im Inneren der Hülle 7 führt in diesem Fall zu einem Druck von 360 kg auf diesen Deckel 19. Daher ist es wichtig, diesen Druck zu minimieren.
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Um den Druck im Inneren der Batteriehülle 7 trotz der Wärmeausdehnung des Wärmeträgerfluids und der Veränderungen des von den Stromspeicherzellen eingenommenen Volumens so gering wie möglich zu halten, ist vorgesehen, das für das Wärmeträgerfluid verfügbare Volumen in der Expansionskammer 47 anzupassen.
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Diese Anpassung erfolgt durch die Verlagerung der beweglichen Wand 51 in Bezug auf die feste Wand 49. Diese Verlagerung erfolgt auf einfache Weise und ist das Ergebnis des Gleichgewichts zwischen dem Druck, der von dem die Expansionskammer 47 füllenden Wärmeträgerfluid ausgeübt wird, und der Rückstellkraft des Organs 53.
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Wenn der Druck des Wärmeträgerfluids im Inneren der Hülle 7 steigt, steigt die Kraft, die das Wärmeträgerfluid auf die bewegliche Wand 51 ausübt, und die bewegliche Wand 51 bewegt sich in Richtung einer Vergrößerung des Volumens der Expansionskammer 47. Wenn im Gegensatz dazu der Druck im Inneren der Hülle 7 abnimmt, nimmt die von dem Wärmeträgerfluid auf die bewegliche Wand 51 ausgeübte Kraft ab, und diese bewegt sich unter der Wirkung der durch das Organ 53 ausgeübten Rückstellkraft in Richtung einer Verringerung des Volumens der Expansionskammer 47.
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Der Normalpositionsbereich für die bewegliche Wand 51 wird durch die gestrichelten Linien c und f in 2 begrenzt. Dieser Positionsbereich entspricht hier den Positionen der oberen Fläche 71 der beweglichen Wand 51. Position f entspricht der Position der oberen Fläche 71, wenn die Expansionskammer 47 ihr minimales Volumen hat. Position c entspricht der Position der oberen Fläche 71, wenn die Expansionskammer 47 ihr maximales Volumen hat.
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Das minimale Volumen entspricht beispielsweise einer Situation, in der die Batterie eine Temperatur von -40 °C hat, wobei sich die Stromspeicherzellen 3 im Ruhezustand befinden und sich noch nicht aufgrund von Alterung verformt haben.
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Das maximale Volumen entspricht einer Situation, in der die Batterie eine Temperatur von +80 °C hat, wobei die Stromspeicherzellen 3 sowohl durch einen Lade- oder Entladevorgang als auch durch Alterung aufgebläht sind.
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Die Volumenänderung der Expansionskammer 47 zwischen den Positionen f und c beträgt beispielsweise etwa 1 Liter.
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Wie oben erwähnt, ist der Zustand der Innenfläche des oberen Abschnitts 57 des Rohrs 55 so gewählt, dass die Reibungen zwischen dem Kolben und dem Rohr minimiert werden.
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Außerdem ist das Rückstellorgan 53 so ausgelegt, dass die auf die bewegliche Wand 51 ausgeübte Rückstellkraft möglichst konstant ist und sich in Abhängigkeit von der Position der beweglichen Wand 51 wenig ändert.
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Die von dem Rückstellorgan 53 ausgeübte Kraft neigt dazu, in Abhängigkeit von dem Hub der beweglichen Wand 51 zu steigen. Je größer hingegen der Querschnitt der beweglichen Wand 51 ist, desto größer ist die Dichtfläche, die mit der festen Wand 49 in Kontakt steht, und desto größer ist auch die Reibung. Die Wahl des Querschnitts des oberen Abschnitts 49 des Rohrs 55 und des Hubs der beweglichen Wand 51 ist daher ein Kompromiss, um die Reibung zwischen der beweglichen Wand 51 und der festen Wand 49 zu begrenzen und dabei die von dem Rückstellorgan 53 ausgeübte Kraft so konstant wie möglich zu halten.
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Der obere Abschnitt 57 des Rohrs 55 hat beispielsweise einen Durchmesser von 20 mm, d.h. eine Fläche von 314 mm2. Die von dem Rückstellorgan 53 auf die bewegliche Wand 51 ausgeübte Kraft beträgt 2,5 Newton, wenn das Volumen der Expansionskammer 47 minimal ist, und 2,9 Newton, wenn das Volumen der Expansionskammer 47 maximal ist.
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In der oberen Position, d.h. in der Position f in 2, beträgt der von der beweglichen Wand 51 auf das Wärmeträgerfluid ausgeübte Druck 76 Millibar. In der unteren Position, d.h. in der Position c in 2, beträgt der von der beweglichen Wand 51 auf das Wärmeträgerfluid ausgeübte Druck 91 Millibar.
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Es wird nun die Funktionsweise der Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung 45 beschrieben, um das Abführen der Gase zu ermöglichen, die aus einem thermischen Durchgehen einer oder mehrerer Stromspeicherzellen 3 stammen.
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Wie oben erwähnt, breiten sich bei einem thermischen Durchgehen einer oder mehrerer Stromspeicherzellen 3 Gase in das Aufnahmevolumen 9 der Batterie aus, sobald die Außenschicht der bzw. jeder Stromspeicherzelle geplatzt ist.
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Der Druck im Inneren der Hülle 7 steigt dann stark an, so dass die bewegliche Wand 51 über den Normalpositionsbereich hinaus bis in die Druckablassposition gedrückt wird.
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Die Gase drängen in der Tat das Wärmeträgerfluid zurück, das nur einen einzigen Ausweg hat: die Expansionskammer 47. Wenn die bewegliche Wand 51 die in 2 dargestellte Position s erreicht, greift das geschlossene Ende 85 der bzw. jeder vertieften Einkerbung 81 in den unteren Abschnitt 59 des Rohrs 55 ein.
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Dadurch entsteht eine Strömungsverbindung zwischen der Expansionskammer 47 und dem stromaufwärtigen Ende 41 des Abführkreislaufs 39. Dadurch können zuerst das Wärmeträgerfluid und dann die Gase zum unteren Abschnitt 59 des Rohrs 55 und dann durch die Öffnung 65 strömen.
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Das Wärmeträgerfluid und die Gase können dann entlang des Abführkreislaufs 39 durch das Innenvolumen 17 des hohlen Gestells 11 bis zum stromabwärtigen Ende 43 des Abführkreislaufs 39 strömen.
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In Abhängigkeit von der durch das thermische Durchgehen erzeugten Gasmenge wird die bewegliche Wand 51 mehr oder weniger zurückgedrängt. Wenn das thermische Durchgehen stark ist, werden weiterhin Gase erzeugt, und der Weg der Gase ist so direkt wie möglich. Auf seinem Weg erwärmt das Gas alle Komponenten, auf die es trifft. Nach einer gewissen Zeit sind die Gase heiß genug, um den Kunststoff, aus dem die bewegliche Wand 51 besteht, zu schmelzen, wodurch ein größerer Durchlassquerschnitt zum Abführen dieses Gases entsteht. Dies trägt dazu bei, den Druck im Inneren der Batterie zu senken.
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Wie oben erwähnt, befinden sich die Zirkulationsöffnungen 69 am Hochpunkt des Aufnahmevolumens 9, das von der Hülle 7 begrenzt wird, so dass die Batterie nicht ihr gesamtes Wärmeträgerfluid entleert. Dadurch wird die Ausbreitung der Erwärmung auf die Bereiche, die an die im thermischen Durchgehen befindlichen Teile der Stromspeicherzellen angrenzen, verlangsamt.
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Die Tatsache, dass das Rohr 55 aus Stahl oder einem anderen wärmebeständigen Material besteht, ist in dieser Hinsicht von Vorteil. Ein Rohr aus Aluminium oder Kunststoff könnte unter der Wirkung der gasbedingten Erwärmung schnell schmelzen, was zu einer vollständigen Entleerung der Batterie führen würde.
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Die Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung 45 ist auch für das Befüllen der Batterie mit Wärmeträgerfluid von Vorteil.
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Die Befüllung der Batterie muss in der Tat so erfolgen, dass nach Abschluss der Befüllung praktisch keine Luft mehr im Aufnahmevolumen 9 vorhanden ist.
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Die Wärmeträgerfluideinlassöffnung und -auslassöffnung 25, 27 sind üblicherweise nicht am oberen Boden 21, sondern seitlich, z.B. am aufrechten Rand des Deckels 19 angeordnet. Der obere Boden 21 des Deckels 19 ist in der Tat im Allgemeinen dem Fahrzeugboden zugewandt.
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Das Verfahren zum Befüllen des Kreislaufs zur thermischen Konditionierung 23 der Batterie umfasst folgende Schritte:
- - Anordnen der Stromspeicherbatterie 1 in der Horizontalen;
- - Verbinden des stromaufwärtigen Endes 41 des Abführkreislaufs 39 mit der Expansionskammer 47;
- - Füllen des Kreislaufs zur thermischen Konditionierung 23 mit Wärmeträgerfluid über den Wärmeträgerfluideinlass 25 und/oder den Wärmeträgerfluidauslass 27, bis das Wärmeträgerfluid in das Rohr 55 strömt;
- - Isolieren des stromaufwärtigen Endes 41 des Abführkreislaufs 39 von der Expansionskammer 47 durch Anordnen der beweglichen Wand 51 in ihrem Normalpositionsbereich.
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Unter dem Anordnen der Batterie in der horizontalen Lage ist hier die Tatsache zu verstehen, dass die Batterie so angeordnet ist, dass das hohle Gestell 11 horizontal liegt, wobei die X-Achse des Rohrs dann im Wesentlichen vertikal ist.
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Das Verbinden des stromaufwärtigen Endes 41 des Abführungskreislaufs 39 mit der Expansionskammer 47 erfolgt üblicherweise, indem die bewegliche Wand 51 bis in die in 2 dargestellte Position s bewegt wird, d.h. in eine Position, in der die vertiefte(n) Einkerbung(en) 81 den oberen Abschnitt 57 des Rohrs 55 mit dem unteren Abschnitt 59 des Rohrs 55 in Strömungsverbindung bringt/bringen.
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Dazu wird die Klappe 89 abgebaut und das Rückstellorgan 53 aus dem Rohr 55 entfernt.
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Beim Füllschritt füllt das Wärmeträgerfluid zunächst die unteren Bereiche des Kreislaufs zur thermischen Konditionierung 23. Am Ende des Füllens erreicht es den Hochpunkt des Aufnahmevolumens 9, der den Zirkulationsöffnungen 69 entspricht. Wenn das Wärmeträgerfluid über das Rohr 55 austritt, ist der Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 vollständig mit dem Wärmeträgerfluid gefüllt. Die Speisung des Wärmeträgerfluideinlasses 25 und/oder des Wärmeträgerfluidauslasses 27 wird unterbrochen.
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Um das stromaufwärtige Ende 41 des Abführkreislaufs 39 von der Expansionskammer 47 zu isolieren, wird die bewegliche Wand 51 unter Berücksichtigung der Temperatur des Wärmeträgerfluids und der Batterie bis zu ihrer Sollposition zurückgeschoben. Das Rückstellorgan 53 wird dann erneut in Stellung gebracht und die Klappe 89 an der unteren Platte 15 des Gestells 11 befestigt.
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Mit der Ausgleichs- und Druckablassvorrichtung 45 können somit das Befüllen des Kreislaufs zur thermischen Konditionierung 23 und die Blasenbeseitigung sehr bequem durchgeführt werden.
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Dies ist aufgrund der komplexen Geometrie der Batterie besonders vorteilhaft. In einer derart komplexen Umgebung ist die Umsetzung der Blasenbeseitigung durch Vakuumbildung im Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 kompliziert und erzeugt keine guten Ergebnisse.
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Eine Blasenbeseitigung durch Vakuumbildung würde sehr viel Zeit in Anspruch nehmen, und es wäre erforderlich, einen Teil der Batteriekomponenten zu verstärken, damit sie der Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Batterie standhalten.
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Ein weiteres Mittel zur Durchführung der Blasenbeseitigung würde darin bestehen, das Wärmeträgerfluid zirkulieren zu lassen, indem eine große Flüssigkeitsmenge zum Zurückdrängen der Luftblasen abgegeben wird. Dies kann nur schwer in Betracht gezogen und nur dann durchgeführt werden, wenn der Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 lediglich in Reihe zueinander geschaltete Abschnitte und keine parallel geschalteten Abschnitte aufweist.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann der Kreislauf zur thermischen Konditionierung 23 mit einem beliebigen Verlauf mit in Reihe und/oder parallel geschalteten Abschnitten angeordnet werden.
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Die Erfindung ist vorstehend mit einem dielektrischen Wärmeträgerfluid und mit direkt in Kontakt mit dem Wärmeträgerfluid angeordneten Stromspeicherzellen beschrieben worden. Sie findet jedoch auch bei einem nicht dielektrischen Fluid Anwendung, das indirekt mit den Stromspeicherzellen in thermischem Kontakt steht.
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Darüber hinaus ist vorstehend ein Abführkreislauf durch das hohle Gestell beschrieben worden. Als Variante wird das hohle Gestell nicht von dem Abführkreislauf durchquert.
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Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die feste Wand 49 ein Rohr, und die bewegliche Wand 51 bildet einen Kolben, der sich im Inneren des Rohrs 55 bewegt. Als Variante ist die bewegliche Wand eine schwenkbare Klappe.
