DE102021124831A1 - Battery assembly and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl an Batterie- und Verformungselementen (20, 30), die gemeinsam einen Stapelverbund (11) bilden. Der Stapelverbund (11) ist in einem Batteriegehäuse (12) der Batterieanordnung (1) angeordnet. In dem Stapelverbund (11) sind die Batterieelemente (20) in einer vorgegebenen Stapelrichtung (R) verschiebbar gelagert. Für den Fall, dass in dem Stapelverbund (11) nun wenigstens eines der Batterieelemente (20) einen vorgegebenen Erhitzungszustand (Z) aufweist, ist das jeweils in dem Stapelverbund (11) angrenzende Verformungselement (30) ausgebildet, in einem ersten Präventionszustand eine Volumenvergrößerung um einen vorgegebenen Grenzbetrag bereitzustellen und dadurch zumindest eine Verschiebung der übrigen Batterieelemente (20) in dem Batteriegehäuse (12) zu bewirken.The invention relates to a battery arrangement (1) for a motor vehicle with a large number of battery and deformation elements (20, 30) which together form a stacked assembly (11). The stacked assembly (11) is arranged in a battery housing (12) of the battery arrangement (1). The battery elements (20) are mounted in the stacked assembly (11) so that they can be displaced in a predetermined stacking direction (R). In the event that at least one of the battery elements (20) in the stacked assembly (11) now has a predetermined heating state (Z), the respective deformation element (30) adjoining the stacked assembly (11) is designed to have an increase in volume by in a first preventive state provide a predetermined limit amount and thereby bring about at least one displacement of the remaining battery elements (20) in the battery housing (12).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl an Batterie- und Verformungselementen, die gemeinsam einen Stapelverbund bilden. Der Stapelverbund ist in einem Batteriegehäuse der Batterieanordnung angeordnet. In dem Stapelverbund ist jeweils zwischen zwei in einem vorgegebenen Abstand benachbart zueinander angeordneten Batterieelementen zumindest eines der Verformungselemente thermisch kontaktierend angeordnet. Dabei ist das jeweilige Verformungselement aus einem mit einem Fluid gefüllten verformbaren Hüllmedium gebildet.The invention relates to a battery arrangement for a motor vehicle with a large number of battery elements and deformation elements which together form a stacked assembly. The stacked assembly is arranged in a battery housing of the battery arrangement. In the stacked assembly, at least one of the deformation elements is arranged in a thermally contacting manner between two battery elements arranged adjacent to one another at a predetermined distance. In this case, the respective deformation element is formed from a deformable enveloping medium filled with a fluid.
In einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug, wie zum Beispiel einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, kann eine Batterieanordnung als elektrischer Energiespeicher zum Betreiben eines elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Die Batterieanordnung kann zum Beispiel eine Antriebsbatterie oder eine Hochvoltbatterie sein. Die Batterieanordnung kann beispielsweise als Sekundärbatterie oder Akkumulator ausgebildet sein und kann somit für den Betrieb des Kraftfahrzeugs geladen oder entladen werden. Um elektrische Energie zum Betreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen zu können, kann die Batterieanordnung mehrere in geeigneter Weise elektrisch miteinander verschaltete Batterieelemente umfassen. Ein solches Batterieelement kann zum Beispiel eine Batteriezelle sein. Ein Batterieelement nutzt chemische Reaktionen eines aktiven Materials, um die elektrische Energie zu erzeugen. Für Batterieelemente sind unterschiedliche Technologien oder Zusammensetzungen des aktiven Materials bekannt. Batterieelemente mit unterschiedlichen Technologien sind zum Beispiel sogenannte Lithium-Ionen-Zellen oder Lithium-Eisenphosphat-Zellen oder Feststoffzellen. Auch für einen Formkörper eines Batterieelements, also eine Verpackung des aktiven Materials in einer gewünschten Zellform, sind unterschiedliche Typen bekannt. Zum Beispiel können prismatische oder runde beziehungsweise zylinderförmige oder sogenannten Pouchzellen zum Einsatz kommen.In an electrically drivable motor vehicle, such as an electric or hybrid vehicle, a battery arrangement can be used as an electrical energy store for operating an electric drive of the motor vehicle. The battery arrangement can be a traction battery or a high-voltage battery, for example. The battery arrangement can be designed, for example, as a secondary battery or accumulator and can thus be charged or discharged for the operation of the motor vehicle. In order to be able to provide electrical energy for operating the motor vehicle, the battery arrangement can comprise a plurality of battery elements which are electrically connected to one another in a suitable manner. Such a battery element can be a battery cell, for example. A battery element uses chemical reactions of an active material to generate electrical energy. Different technologies or compositions of the active material are known for battery elements. Battery elements with different technologies are, for example, so-called lithium-ion cells or lithium-iron phosphate cells or solid cells. Different types are also known for a shaped body of a battery element, ie a packaging of the active material in a desired cell shape. For example, prismatic or round or cylindrical or so-called pouch cells can be used.
Zum Bilden der Antriebsbatterie sind zwei unterschiedliche Optionen für die Anordnung der Batterieelemente in einem Batteriegehäuse bekannt. Gemäß einer ersten Option können die einzelnen Batterieelemente zuerst in einem sogenannten Zellmodul oder Batteriemodul in ein gemeinsames Modulgehäuse verbaut werden. Mehrere solcher Batteriemodule können dann wiederum zum Bilden der Antriebsbatterie in geeigneter elektrischer Weise miteinander verbunden und in dem Batteriegehäuse angeordnet werden. Gemäß einer zweiten Option können die einzelnen Batterieelemente beispielsweise direkt in das Batteriegehäuse eingebracht werden. Bei der genannten Batterieanordnung kann es sich somit zum Beispiel um ein Batteriemodul oder die gesamte Antriebsbatterie handeln.Two different options for arranging the battery elements in a battery housing are known for forming the traction battery. According to a first option, the individual battery elements can first be installed in a so-called cell module or battery module in a common module housing. A plurality of such battery modules can then in turn be connected to one another in a suitable electrical manner to form the drive battery and can be arranged in the battery housing. According to a second option, the individual battery elements can be introduced directly into the battery housing, for example. The battery arrangement mentioned can thus be, for example, a battery module or the entire drive battery.
Um die Batterieelemente in dem Gehäuse anzuordnen, also um eine Paketierung der Batterieelemente zu realisieren, werden die Batterieelemente gestapelt. Das heißt, die Zellen werden in einer dem Batteriegehäuse angepassten Form nebeneinander oder benachbart zueinander angeordnet und dann in das Batteriegehäuse eingebracht. Die Batterieelemente bilden dadurch einen Batterieverbund oder Batteriestapel. Hierbei kann die prismatische Zellform bevorzugt sein. Denn bei prismatischen Zellen kann die Stapelung zum Beispiel dadurch erfolgen, dass die Batterieelemente immer mit der jeweils größten Seitenfläche aneinander angelegt werden.The battery elements are stacked in order to arrange the battery elements in the housing, that is to say to pack the battery elements. This means that the cells are arranged next to one another or adjacent to one another in a form adapted to the battery housing and then introduced into the battery housing. The battery elements thus form a battery assembly or battery stack. Here, the prismatic cell shape can be preferred. Because in the case of prismatic cells, stacking can take place, for example, by always placing the battery elements against one another with the largest side surface in each case.
Ein Beispiel für ein Verfahren zum Anordnen oder Stapeln von in einer Reihe angeordneten Akkumulatorzellen ist etwa aus der
In Versuchen hat sich herausgestellt, dass das Verspannen der Batterieelemente helfen kann, um eine Lebensdauer und eine Funktion der Batterieanordnung zu verbessern. Denn die Batterieelemente können im bestimmungsgemäßen Betrieb und mit fortschreitender Alterung aufgrund der elektrochemischen Prozesse eine Volumenänderung erfahren. Dieser Vorgang wird als Swelling oder Zellatmen bezeichnet. Beim Verspannen werden die Batterieelemente in dem Batteriestapel jeweils mit einer vorgegebenen Kompressionskraft untereinander und dem Gehäuse in dem Batteriegehäuse gehalten. Die ungebremste Volumenvergrößerung wird dadurch vermieden. Dabei soll die Kompressionskraft über die gesamte Lebensdauer der Batterieanordnung möglichst konstant gehalten werden. Um das zu realisieren, können sogenannte Zelltrennelemente in den Batteriestapel eingebracht werden. Dabei kann zum Beispiel jeweils zwischen zwei benachbarten Batterieelementen eines oder mehrere solcher Zelltrennelemente angeordnet sein. Die Zelltrennelemente bilden Abstandshalter und Puffer zwischen den Batterieelementen. Gemeinsam mit den Zelltrennelementen bilden die Batterieelemente einen Stapelverbund.Experiments have shown that bracing the battery elements can help to improve the service life and function of the battery arrangement. Because the battery elements can experience a change in volume during normal operation and with increasing aging due to the electrochemical processes. This process is called swelling or cell breathing. During bracing, the battery elements in the battery stack are each held in the battery housing with a predetermined compressive force with respect to one another and the housing. The unchecked increase in volume is thereby avoided. The compression force should be kept as constant as possible over the entire service life of the battery arrangement. In order to achieve this, so-called cell separator elements can be introduced into the battery stack. In this case, for example, one or more such cell separating elements can be arranged in each case between two adjacent battery elements. The cell separators form spacers and buffers between the battery elements. Together with the cell separators, the battery elements form a stacked assembly.
Der Einsatz von Zelltrennelementen als Kompressionskissen zwischen benachbarten Batteriezellen in einer Antriebsbatterie ist zum Beispiel aus der
Um Auswirkungen beim Swelling für einen Akkumulator entgegenzuwirken, ist zudem aus der
Eine weitere Funktion eines Zelltrennelements kann es sein, die Batterieelemente thermisch gegeneinander abzuschirmen. Dazu kann als Zelltrennelement zum Beispiel ein steifer oder fester Formkörper eingesetzt werden. Für diese Funktion werden zum Beispiel sogenannte Glimmerplatten eingesetzt. Als Material eignet sich zum Beispiel sogenanntes Mika oder ein keramisches Material. Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, dass mit steigendem Energiegehalt oder steigender Kapazität der Batterieelemente für die thermische Abschirmung auch eine Dicke der Zelltrennelemente vergrößert werden muss. Dadurch wird ein Abstand zwischen den einzelnen Batterieelementen in dem Stapelverbund ebenfalls vergrößert. Im vorhandenen Bauraum oder im Batteriegehäuse können somit mit steigendem Energieinhalt weniger Batterieelemente verbaut werden. Insgesamt können so weniger leistungsstarke Antriebsbatterien hergestellt werden, was zum Beispiel eine Reichweite oder Fahrzeugperformance (Fahrzeugleistung) einschränkt.Another function of a cell separator can be to thermally shield the battery elements from one another. For this purpose, for example, a rigid or solid molded body can be used as the cell separating element. So-called mica plates, for example, are used for this function. So-called mica or a ceramic material, for example, is suitable as a material. However, this results in the disadvantage that with increasing energy content or increasing capacity of the battery elements for the thermal shielding, the thickness of the cell separator elements must also be increased. As a result, a distance between the individual battery elements in the stacked assembly is also increased. As the energy content increases, fewer battery elements can be installed in the available installation space or in the battery housing. Overall, less powerful drive batteries can be produced in this way, which, for example, limits a range or vehicle performance (vehicle performance).
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermische Isolierung von Batterieelementen in einer Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die eine verbesserte Fahrzeugleistung ermöglichen.It is the object of the present invention to provide thermal insulation of battery elements in a battery assembly for a motor vehicle, which enables improved vehicle performance.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die Beschreibung sowie die Figuren offenbart.The object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous developments of the invention are disclosed by the dependent patent claims, the description and the figures.
Um eine verbesserte Fahrzeugleistung zu erreichen oder zu bewirken, ist in der Erfindung eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug offenbart. Die Batterieanordnung umfasst eine Vielzahl an Batterie- und Verformungselementen, die gemeinsam einen Stapelverbund bilden. Der Stapelverbund ist in einem Batteriegehäuse der Batterieanordnung angeordnet. In dem Stapelverbund ist jeweils zwischen zwei nebeneinanderliegenden, also in einem vorgegebenen Abstand benachbart zueinander angeordneten, Batterieelementen zumindest eines der Verformungselemente thermisch kontaktierend angeordnet. Das jeweilige Verformungselement dient somit als Abstandshalter zwischen zwei benachbarten Batterieelementen. Mit „thermisch kontaktierend“ ist vorliegend gemeint, dass eine thermische Energie oder Wärmeenergie von dem Batterieelement direkt, also im Wesentlichen ohne Zwischenmedium, an das Verformungselement abgegeben werden kann. Um den thermischen Kontakt zu gewährleisten, kann das jeweilige Verformungselement in einer durch den Stapelverbund vorgegebenen Stapelrichtung mit einer jeweiligen Kontaktseite direkt an einer zugewandte Kontaktseite des Batterieelements anliegen. Die Kontaktseiten können sich dabei zum Beispiel vollständig oder zumindest abschnittsweise berühren. Zum Beispiel kann jedes Batterieelement zwischen zwei Verformungselementen eingepresst oder komprimiert angeordnet sein. Analog kann jedes Verformungselement zum Beispiel zwischen zwei Batterieelementen eingepresst oder komprimiert angeordnet sei.In order to achieve or effect improved vehicle performance, a battery assembly for a motor vehicle is disclosed in the invention. The battery arrangement comprises a large number of battery and deformation elements which together form a stacked assembly. The stacked assembly is arranged in a battery housing of the battery arrangement. In the stacked assembly, at least one of the deformation elements is arranged in a thermally contacting manner between two adjacent battery elements, ie arranged adjacent to one another at a predetermined distance. The respective deformation element thus serves as a spacer between two adjacent battery elements. In the present case, “thermally contacting” means that thermal energy or thermal energy can be released from the battery element directly, that is to say essentially without an intermediate medium, to the deformation element. In order to ensure the thermal contact, the respective deformation element can rest directly with a respective contact side on a facing contact side of the battery element in a stacking direction predetermined by the stack assembly. The contact sides can, for example, touch each other completely or at least in sections. For example, each battery element can be pressed or compressed between two deformation elements. Analogously, each deformation element can be pressed or arranged in a compressed manner between two battery elements, for example.
Gemäß der Erfindung ist das jeweilige Verformungselement dabei verformbar ausgebildet. Das heißt, das Verformungselement kann ein elastisches oder plastisches Material umfassen. Vorliegend ist vorgesehen, dass das jeweilige Verformungselement aus einem mit einem Fluid gefüllten verformbaren Hüllmedium gebildet ist. Das Hüllmedium kann somit eine Außenhülle für das Fluid bilden. Das heißt, das Hüllmedium kann eine geschlossene, abgedichtete Struktur aus einem elastisch oder plastisch deformierbaren Material sein, das bei Füllen mit dem Fluid einen Hohlraum ausbilden kann. Das Fluid kann zum Beispiel ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Das Gas kann zum Beispiel Luft oder Stickstoff oder Sauerstoff umfassen.According to the invention, the respective deformation element is designed to be deformable. That is, the deformation element can comprise an elastic or plastic material. It is provided here that the respective deformation element is formed from a deformable enveloping medium filled with a fluid. The envelope medium can thus form an outer envelope for the fluid. That is, the containment medium can be a closed, sealed structure made of an elastically or plastically deformable material that can form a cavity when filled with the fluid. The fluid can be a gas or a liquid, for example. The gas may include air or nitrogen or oxygen, for example.
In dem Stapelverbund weisen die Verformungselemente in einem Normalzustand oder Grundzustand einen vorgegebenen Innendruck auf. Das heißt, der Fluiddruck des Fluides im Inneren des Hüllmediums kann in einem vorgegebenen Wertebereich liegen. Dieser kann zum Beispiel in einem Herstellungsprozess der Versorgungselemente voreingestellt sein oder in einem Montageprozess beim Bilden des Stapelverbunds durch Komprimieren des Stapelverbunds eingestellt werden. In dem Montageprozess kann der Stapelverbund zum Beispiel mit einer Kraft von etwa 2 bis 8 kN komprimiert werden. Mit Normalzustand oder Grundzustand ist vorliegend zum Beispiel ein Zustand gemeint, den die Verformungselemente im bestimmungsgemäßen Betrieb der Batterieanordnung als elektrischer Energiespeicher des Kraftfahrzeugs aufweisen. Es kann sich somit um einen Zustand direkt nach dem Herstellungsprozess oder dem Montageprozess handeln, der zum Beispiel ohne Defekte der Batterieelemente bis zum Lebens- oder Nutzungsende der Batterieelemente im Wesentlichen aufrechterhalten werden kann. Der Innendruck kann zum Beispiel in einem Wertebereich von 0,1 bis 0,4 Pascal liegen.In the stacked composite, the deformation elements have a predetermined internal pressure in a normal state or basic state. This means that the fluid pressure of the fluid inside the enclosing medium can be within a predetermined range of values. This can be preset, for example, in a manufacturing process for the supply elements or set in an assembly process when forming the stacked assembly by compressing the stacked assembly. In the assembly process, the stacked composite can be compressed, for example, with a force of around 2 to 8 kN. With normal state or basic state is meant here, for example, a state that the deformation elements in the intended operation of the battery assembly as electrical energy storage have cher of the motor vehicle. It can therefore be a state directly after the manufacturing process or the assembly process, which can be maintained, for example without defects in the battery elements, until the end of life or use of the battery elements. The internal pressure can be in a value range from 0.1 to 0.4 pascal, for example.
Zudem sind die Batterieelemente und zum Beispiel auch die Verformungselemente in dem Batteriegehäuse in der vorgegebenen Stapelrichtung verschiebbar gelagert. Das heißt, die Batterieelemente können relativ zum Batteriegehäuse zum Beispiel seitlich, also entlang der vorgegebenen Stapelrichtung, bewegt oder verschoben werden. Dabei kann zum Beispiel der gesamte Stapelverbund in dem Batteriegehäuse verschoben werden, oder die Batterieelemente können relativ zu dem Stapelverbund verschoben werden. Im ersten Fall kann somit eine Volumenvergrößerung des Stapelverbunds bewirkt werden. Im zweiten Fall kann ein Volumen des Stapelverbunds zum Beispiel konstant gehalten werden.In addition, the battery elements and, for example, also the deformation elements are mounted in the battery housing such that they can be displaced in the specified stacking direction. This means that the battery elements can be moved or shifted relative to the battery housing, for example laterally, ie along the specified stacking direction. In this case, for example, the entire stacked assembly can be displaced in the battery housing, or the battery elements can be displaced relative to the stacked assembly. In the first case, an increase in volume of the stacked composite can thus be brought about. In the second case, a volume of the composite stack can be kept constant, for example.
Für den Fall, dass in dem Stapelverbund nun wenigstens eines der Batterieelemente einen vorgegebenen Erhitzungszustand aufweist, ist vorgesehen, dass das jeweils in dem Stapelverbund angrenzende, also das thermisch kontaktierende, Verformungselement ausgebildet ist, in einem ersten Präventionszustand eine Volumenvergrößerung um einen vorgegebenen Grenzbetrag bereitzustellen. Durch die Volumenvergrößerung ist das Verformungselement ausgebildet, zumindest eine Verschiebung der übrigen Batterieelemente in dem Batteriegehäuse zu bewirken. Die übrigen Batterieelemente sind vorliegend diejenigen Batterieelemente, die den Erhitzungszustand nicht aufweisen. Es kann sich zum Beispiel um Batterieelemente handeln, die im Gegensatz du dem Erhitzungszustand einen bestimmungsgemäßen Betriebszustand aufweisen.In the event that at least one of the battery elements in the stacked assembly now has a predetermined heating state, it is provided that the deformation element that is adjacent in the stacked assembly, i.e. the thermally contacting deformation element, is designed to provide an increase in volume by a predetermined limit amount in a first preventive state. Due to the increase in volume, the deformation element is designed to bring about at least a displacement of the remaining battery elements in the battery housing. In the present case, the remaining battery elements are those battery elements which are not in the heating state. For example, battery elements can be involved which, in contrast to the heating state, have a specified operating state.
Durch die Volumenvergrößerung kann auch eine Vergrößerung des Abstands zwischen den benachbarten Batterieelementen bewirkt werden. Anders ausgedrückt, können die Verformungselemente zwischen dem Normalzustand und dem ersten Präventionszustand wechseln. Und zwar in Abhängigkeit davon, ob das benachbarte, also thermisch kontaktierte Batterieelement den Erhitzungszustand aufweist oder nicht.The increase in volume can also increase the distance between the adjacent battery elements. In other words, the deformation elements can change between the normal state and the first prevention state. Namely, depending on whether the adjacent, ie thermally contacted, battery element is in the heating state or not.
Der Erhitzungszustand betrifft zum Beispiel eine Überhitzung oder ein thermisches Durchgehen des Batterieelements. In dem Erhitzungszustand weist das Batterieelement eine Temperatur in einem vorgegebenen Temperaturwertebereich auf. Der Temperaturwertebereich kann zum Beispiel zwischen 80° und 1.200° Celsius liegen. Durch das Erhitzen des Batterieelements bis zum Erhitzungszustand und weiter wird auch das angrenzende Verformungselement erhitzt. Dadurch kann das Fluid zum Beispiel eine Durchschnittstemperatur aufweisen, die in dem vorgegebenen Temperaturwertebereich liegt, und der auf ein thermisches Durchgehen des Batterieelements zurückzuführen ist, mit dem das Verformungselement thermisch kontaktiert ist. Der Erhitzungszustand ist somit von dem bestimmungsgemäßen Betriebszustand verschieden. Der Erhitzungszustand kann sich zum Beispiel bei einem Defekt, wie einem Kurzschluss oder einer Verschmutzung, eintreten.The heating condition relates to, for example, overheating or thermal runaway of the battery element. In the heated state, the battery element has a temperature in a predetermined temperature value range. The range of temperature values can be between 80° and 1,200° Celsius, for example. By heating the battery element to the heating state and on, the adjacent deformation element is also heated. As a result, the fluid can have, for example, an average temperature which lies within the predetermined temperature value range and which is attributable to a thermal runaway of the battery element with which the deformation element is in thermal contact. The heating state is thus different from the intended operating state. The heating condition can occur, for example, in the event of a defect such as a short circuit or contamination.
Durch die Volumenvergrößerung und die darauf zurückzuführende Abstandsvergrößerung der unbeschädigten oder intakten Batterieelemente (im bestimmungsgemäßen Batriebszustand) ergibt sich der Vorteil, dass eine thermische Isolation zwischen den Batterieelementen verbessert werden kann. So kann eine Ausbreitung des Erhitzungszustands von dem einen Batterieelement auf die anderen effektiv vermieden werden. Dadurch kann zum Beispiel ein Batteriebrand vermieden oder zumindest verzögert werden. Die Volumenvergrößerung kann somit zur Hitzeausbreitungsprävention dienen. Dadurch kann vermieden werden, dass, wenn eines der Batterieelemente thermisch durchgeht, die übrigen Batterieelemente in dem Stapelverbund in einer Kettenreaktion nachfolgen oder mitgerissen werden.The increase in volume and the resulting increase in distance between the undamaged or intact battery elements (in the intended operating state) results in the advantage that thermal insulation between the battery elements can be improved. In this way, the heating condition can be effectively prevented from spreading from one battery element to the other. In this way, for example, a battery fire can be avoided or at least delayed. The increase in volume can thus serve to prevent the spread of heat. It can thereby be avoided that, if one of the battery elements thermally runs away, the remaining battery elements in the stacked assembly follow in a chain reaction or are entrained.
Zum Bereitstellen der Volumenvergrößerung wird die Eigenschaft eines Fluides ausgenutzt, sich bei Erwärmung auszudehnen. Die Volumenvergrößerung erfolgt dabei in der Regel nicht schlagartig. Stattdessen kann das Volumen des jeweiligen Verformungselements kann mit steigender Temperatur langsam oder kontinuierlich zunehmen, bis die gewünschte Volumenvergrößerung beim Vorliegen des Erhitzungszustands erreicht ist. Ein Betrag der Volumenvergrößerung hängt zum Beispiel von einem Wärmeleitkoeffizienten oder Ausdehnungskoeffizienten des jeweiligen Materials, das das Fluid umfasst ist, ab.The property of a fluid to expand when heated is used to provide the increase in volume. The increase in volume usually does not occur suddenly. Instead, the volume of the respective deformation element can increase slowly or continuously with increasing temperature until the desired increase in volume is achieved when the heating state is present. An amount of volume increase depends, for example, on a coefficient of thermal conductivity or coefficient of expansion of the particular material comprising the fluid.
Wie zuvor beschrieben, kann das Fluid in verschiedenen Ausgestaltungsformen vorliegen, nämlich zum Beispiel als Gas oder als Flüssigkeit. Das Hüllmedium kann zum Beispiel vollständig oder teilweise mit dem Fluid gefüllt oder befüllt sein. Beim Nutzen einer Flüssigkeit sind die Verformungselemente insbesondere inkompressibel. Das heißt, es kann beim Vorliegen des Erhitzungszustands im Wesentlichen nur eine Volumenvergrößerung und keine Volumenverkleinerung des Verformungselements bewirkt werden. Alternativ kann das Fluid als Gas vorliegen. In diesem Fall Beim Nutzen von Gas können die Verformungselemente hingegen zum Beispiel kompressibel sein. Das heißt, in Abhängigkeit von dem Erhitzungszustand kann sowohl eine Volumenvergrößerung als auch eine Volumenverkleinerung der Verformungselemente möglich sein. Darauf wird im späteren Verlauf noch näher eingegangen.As described above, the fluid can be present in various configurations, namely, for example, as a gas or as a liquid. For example, the containment medium can be completely or partially filled or filled with the fluid. When using a liquid, the deformation elements are in particular incompressible. This means that when the heating state is present, essentially only an increase in volume and no reduction in volume of the deformation element can be brought about. Alternatively, the fluid can be in the form of a gas. In this case, however, when using gas, the deformation elements can be compressible, for example. That is, dependent Depending on the heating state, both an increase in volume and a reduction in volume of the deformation elements can be possible. This will be discussed in more detail later.
Statt rein gasförmig oder rein flüssig, kann das Fluid beispielsweise unterschiedliche Fluidkomponenten oder Materialien umfassen. Eine Fluidkomponente kann zum Beispiel gasförmig vorliegen, während eine andere flüssig vorliegt. Zum Beispiel kann ein erstes Teilvolumen des Hüllmedium eine Flüssigkeit umfassen und ein zweites Teilvolum kann ein Gas umfassen.Instead of being purely gaseous or purely liquid, the fluid can, for example, comprise different fluid components or materials. For example, one fluid component may be in gaseous form while another is in liquid form. For example, a first sub-volume of the containment medium may comprise a liquid and a second sub-volume may comprise a gas.
Das Fluid kann als Material oder Stoff zum Beispiel Wasser und/oder Luft umfassen. Wird als das Fluid zum Beispiel Wasser eingesetzt, kann bei Überschreiten des Siedepunkts von Wasser, also zum Beispiel bei 100° Celsius, zusätzlich Wasserdampf als Gas entstehen, wodurch die Volumenvergrößerung verstärkt werden.The fluid can comprise, for example, water and/or air as a material or substance. If, for example, water is used as the fluid, when the boiling point of water is exceeded, for example at 100° Celsius, water vapor can also be produced as a gas, which increases the increase in volume.
In dem Stapelverbund kann in der Stapelrichtung zwischen einem in dem Stapelverbund außenliegenden Batterieelement und einer angrenzenden Gehäusewand des Batteriegehäuses zum Beispiel jeweils ein zusätzliches Verformungselement vorgesehen sein. Dadurch können auch die im Stapelverbund außen liegenden Batterieelemente gegen das Gehäuse, also einer Kraft, die zwischen Gehäuse und außenliegendem Batterieelement wirkt, geschützt sein.In the stacked assembly, an additional deformation element can be provided in the stacking direction between a battery element lying on the outside in the stacked assembly and an adjoining housing wall of the battery housing. As a result, the battery elements on the outside in the stacked assembly can also be protected against the housing, ie a force that acts between the housing and the battery element on the outside.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes embodiments that result in additional advantages.
In einer Ausführungsform ist das Fluid ein Gas. Das Gas kann zum Beispiel Luft und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff aufweisen. Bei Eintreten oder Vorliegen des Erhitzungszustands sind gemäß der Ausführungsform die übrigen Verformungselemente in dem Stapelverbund ausgebildet, in Abhängigkeit von der jeweiligen Volumenvergrößerung des jeweiligen angrenzenden Verformungselements in einem zweiten Präventionszustand eine Volumenreduktion bereitzustellen. Dadurch ist die Vielzahl an Verformungselementen ausgebildet, durch die Volumenvergrößerung und die Volumenreduktion eine Verschiebung der Batterieelemente in dem Stapelverbund zu bewirken. Damit ist gemeint, dass sich die Batterieelemente relativ zu dem Stapelverbund bewegen. Ein Stapelvolumen des Stapelverbunds bleibt dabei gleich.In one embodiment, the fluid is a gas. The gas may include air and/or nitrogen and/or oxygen, for example. When the heating state occurs or is present, according to the embodiment, the remaining deformation elements in the stacked assembly are designed to provide a volume reduction in a second prevention state depending on the respective increase in volume of the respective adjacent deformation element. As a result, the multiplicity of deformation elements is designed to bring about a displacement of the battery elements in the stacked assembly as a result of the increase in volume and the reduction in volume. This means that the battery elements move relative to the stacked assembly. A stack volume of the stacked assembly remains the same.
Anders ausgedrückt weist das oder weisen die Verformungselemente, die benachbart zu dem Batterieelement liegen, für das der Erhitzungszustand vorliegt, die Volumenvergrößerung auf. Dadurch wird ein Abstand zu den benachbarten Batterieelementen vergrößert. Die übrigen Verformungselemente, also diejenigen, die benachbart zu den Batterieelementen liegen für die der Betriebszustand vorliegt, werden hingegen komprimiert. Es ergibt sich die Volumenreduktion. Dadurch wird eine Verringerung des Abstands zwischen den übrigen Batterieelementen bewirkt.In other words, the deformation element or elements that are adjacent to the battery element for which the heating condition exists exhibits the volume increase. As a result, a distance to the adjacent battery elements is increased. On the other hand, the other deformation elements, that is to say those which are adjacent to the battery elements for which the operating state is present, are compressed. The result is the reduction in volume. This brings about a reduction in the distance between the remaining battery elements.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein maximaler Abstand von nicht durchgegangenen Batterieelementen zu dem jeweils durchgegangenen Batterieelement erreicht werden kann, ohne dass für den Stapelverbund ein zusätzlicher Bauraumbedarf besteht.This results in the advantage that a maximum distance can be achieved between battery elements that have not passed through and the battery element that has passed through in each case, without additional installation space being required for the stacked assembly.
Die Volumenreduktion im zweiten Präventionszustand ist dabei hauptsächlich auf zwei Effekte zurückzuführen. Einerseits auf die Volumenerhöhung der Verformungselemente im ersten Präventionszustand und andererseits einer Kraft zwischen Gehäuse und Stapelverbund. Der Stapelverbund kann nämlich in dem Batteriegehäuse für einen stabilen Halt eingeklemmt oder eingepasst sein. Dabei ist das Gehäuse im Wesentlichen nicht deformierbar. Das heißt, ein Gehäusevolumen des Batteriegehäuses bleibt im Wesentlichen gleich und kann einer Kraft standhalten, die zwischen dem Stapelverbund und einer Gehäusewand des Batteriegehäuses bei der Volumenvergrößerung der Verformungselemente im ersten Präventionszustand wirkt. Das Gas im Inneren der übrigen Verformungselemente kann komprimiert werden und es kommt zu der Volumenverkleinerung der Verformungselemente im zweiten Präventionszustand. Die Kompression kann zudem dadurch begünstigt werden, dass sich die übrigen Verformungselemente in einer kälteren Umgebung befinden, als die Verformungselemente, die an dem Batterieelement in dem Erhitzungszustand angeordnet sind.The volume reduction in the second state of prevention is mainly due to two effects. On the one hand on the increase in volume of the deformation elements in the first state of prevention and on the other hand on a force between the housing and the composite stack. Namely, the stacked composite can be clamped or fitted in the battery case for a stable hold. The housing is essentially non-deformable. That is, a housing volume of the battery housing remains substantially the same and can withstand a force that acts between the stacked assembly and a housing wall of the battery housing when the deformation elements increase in volume in the first prevention state. The gas inside the remaining deformation elements can be compressed and the volume reduction of the deformation elements occurs in the second prevention state. The compression can also be promoted by the fact that the remaining deformation elements are in a colder environment than the deformation elements that are arranged on the battery element in the heating state.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Verformungselemente jeweils wenigstens ein Ventilelement zum Bereitstellen oder Einstellen eines Massestroms des Gases aus dem Hüllmedium heraus auf. Mit Ventilelement ist im Sinne der vorliegenden Erfindung allgemein ein Bauteil zum fluidischen Verbinden zwischen zwei getrennten Volumen gemeint. Dazu ist das Ventilelement zumindest zwischen zwei Stellungen verstellbar oder bewegbar. In einer geöffneten Stellung wird der Massestrom zugelassen oder ermöglicht. In einer geschlossenen Stellung wird der Massestrom verhindert oder versperrt.According to a further embodiment, the deformation elements each have at least one valve element for providing or adjusting a mass flow of the gas out of the enveloping medium. In the context of the present invention, a valve element generally means a component for fluidic connection between two separate volumes. For this purpose, the valve element can be adjusted or moved at least between two positions. In an open position, mass flow is permitted or enabled. In a closed position, mass flow is prevented or blocked.
In der vorliegenden Ausführungsform dient das jeweilige Ventilelement somit zur fluidischen Verbindung des Hüllvolumens und der Umgebung, also zum Beispiel dem Innenraum des Batteriegehäuses. Für die Ausgestaltung des Ventilelements sind gemäß der Ausführungsform zwei verschiedene Varianten denkbar.In the present embodiment, the respective valve element thus serves to fluidically connect the envelope volume and the environment, ie, for example, the interior of the battery housing. According to the embodiment, two different variants are conceivable for the configuration of the valve element.
In einer ersten Variante der Ausführungsform ist das Ventilelement ausgebildet, den Massestrom in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Druckwert des Gases auf einen Ventilkörper des jeweiligen Ventilelements bereitzustellen oder einzustellen. Dabei ist der Druckwert abhängig von der Volumenverkleinerung vorgegeben. Das heißt, nur wenn der Druck im Inneren des Hüllmediums einen vorgegebenen Druckgrenzwert übersteigt, wechselt das Ventilelement in die geöffnete Stellung. Das Gas kann somit aus dem Hüllmedium in die Umgebung, also zum Beispiel in das Batteriegehäuse, austreten. Das Ventilelement kann als druckgesteuert bezeichnet werden und sich automatisch öffnen oder schließen. Mit automatisch ist dabei gemeint, dass das Einstellen des Ventilelements ohne zusätzliche Steuerelektronik erfolgen kann. Das Ventilelement kann somit zum Beispiel ein Druckausgleichsventil sein.In a first variant of the embodiment, the valve element is designed to provide or set the mass flow to a valve body of the respective valve element as a function of a predetermined pressure value of the gas. The pressure value is specified as a function of the volume reduction. This means that the valve element only changes to the open position if the pressure inside the enveloping medium exceeds a predetermined pressure limit value. The gas can thus escape from the enveloping medium into the environment, for example into the battery housing. The valve element can be said to be pressure controlled and open or close automatically. Automatic means that the valve element can be adjusted without additional control electronics. The valve element can thus be a pressure compensation valve, for example.
In einer zweiten Variante der Ausführungsform umfasst die Batterieanordnung zusätzlich oder alternativ eine Überwachungseinrichtung, die ausgebildet ist, den Erhitzungszustand und/oder die Volumenverkleinerung zu detektieren und daraufhin ein Steuersignal zum Ansteuern eines Stellglieds der Ventilelemente der übrigen Verformungselemente, also der Verformungselemente in dem zweiten Präventionszustand, bereitzustellen und dadurch den Massestrom zu bewirken. Das Schließen des Ventilelements kann in Abhängigkeit von der Überwachung elektronisch oder elektrisch gesteuert erfolgen.In a second variant of the embodiment, the battery arrangement additionally or alternatively comprises a monitoring device which is designed to detect the heating state and/or the reduction in volume and then a control signal for controlling an actuator of the valve elements of the remaining deformation elements, i.e. the deformation elements in the second prevention state. provide and thereby cause the mass flow. The closing of the valve element can be electronically or electrically controlled depending on the monitoring.
Zur Überwachung des Stapelverbunds kann die Überwachungseinrichtung zum Beispiel eine Sensoreinheit aufweisen. Zum Erfassen oder Erkennen des Erhitzungszustands kann die Sensoreinheit zum Beispiel einen Temperatursensor aufweisen, der eine Temperatur des jeweiligen Batterieelements überwacht. Dazu kann zum Beispiel jedem Batterieelement wenigstens ein separater oder eigener Temperatursensor zugeordnet sein. Alternativ kann für den Stapelverbund ein gemeinsamer Temperatursensor vorgesehen sein. Zum Bestimmen oder Feststellen der Volumenverkleinerung kann die Sensoreinheit zum Beispiel einen Drucksensor oder einen Längensensor aufweisen. Mit dem Drucksensor kann zum Beispiel ein Druck des Gases, also ein Innendruck in dem Hüllmedium, gemessen werden. Mit dem Längensensor kann zum Beispiel die durch die Volumenverkleinerung hervorgerufene, in Stapelrichtung wirkende Abstandsänderung zwischen den benachbarten Batterieelementen gemessen werden. Der jeweilige Überwachungswert oder Sensorwert der Sensoreinheit kann dann zum Beispiel an eine Auswerteeinheit der Überwachungseinrichtung zum Auswerten und Erzeugen des Steuersignals bereitgestellt werden. Dazu kann die Auswerteeinheit zum Beispiel ein Steuergerät, wie zum Beispiel einen Mikrocontroller, aufweisen. Mittels der Auswerteeinheit kann zum Auswerten der jeweilige Überwachungswert mit einem entsprechenden Grenzwert verglichen werden. Wird der Grenzwert je nach Ausgestaltung des Überwachungswerts entweder unterschritten oder überschritten, kann das Steuersignal erzeugt und damit das Stellglied angesteuert werden.To monitor the stacked assembly, the monitoring device can have a sensor unit, for example. In order to detect or detect the heating state, the sensor unit can have a temperature sensor, for example, which monitors the temperature of the respective battery element. For this purpose, at least one separate or dedicated temperature sensor can be assigned to each battery element, for example. Alternatively, a common temperature sensor can be provided for the stacked assembly. In order to determine or establish the reduction in volume, the sensor unit can have a pressure sensor or a length sensor, for example. The pressure sensor can be used, for example, to measure a pressure of the gas, that is to say an internal pressure in the enveloping medium. The length sensor can be used, for example, to measure the change in distance between the adjacent battery elements, which is caused by the reduction in volume and acts in the stacking direction. The respective monitoring value or sensor value of the sensor unit can then be made available, for example, to an evaluation unit of the monitoring device for evaluating and generating the control signal. For this purpose, the evaluation unit can have a control device, such as a microcontroller, for example. The evaluation unit can be used to compare the respective monitoring value with a corresponding limit value for evaluation. If the limit value is either fallen below or exceeded, depending on the configuration of the monitoring value, the control signal can be generated and the actuator can be controlled with it.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei Kompression der Volumenelemente in dem zweiten Präventionszustand eine Stabilität des Hüllmediums gewährleistet sein kann. Durch die Volumenverkleinerung, also die Kompression, steigt nämlich ein Druck des Gases im Inneren des Hüllmediums. Um das Verformungselement aufgrund der Druckerhöhung vor einer Beschädigung zu schützen, kann das entsprechende Ventilelement eingesetzt werden.This results in the advantage that when the volume elements are compressed in the second prevention state, stability of the enveloping medium can be ensured. The reduction in volume, ie the compression, increases the pressure of the gas inside the enveloping medium. In order to protect the deformation element from damage due to the pressure increase, the corresponding valve element can be used.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Fluid eine Flüssigkeit und die Verformungselemente weisen jeweils wenigstens ein Ventilelement zum Bereitstellen oder Einstellen eines Massestroms der Flüssigkeit aus dem Hüllmedium heraus auf. Die Batterieanordnung umfasst zudem eine Überwachungseinrichtung, die ausgebildet ist, den Erhitzungszustand zu detektieren und daraufhin ein Steuersignal zum Ansteuern eines Stellglieds derjenigen Ventilelemente der übrigen Verformungselemente in dem zweiten Präventionszustand, also derjenigen Verformungselemente, die nicht an dem den Erhitzungszustand aufweisenden Batterieelement angrenzen, bereitzustellen. Dadurch ist die Überwachungseinrichtung ausgebildet, den Massestrom zu bewirken. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch für das flüssigkeitsgefüllte Hüllmedium, die Volumenverkleinerung der Verformungselemente im zweiten Präventionszustand realisiert werden kann. Eine Verschiebung der Batterieelemente relativ zu dem Stapelverbund ist möglich und ein reduzierter Bauraumbedarf für den Stapelverbund kann mit der thermischen Isolation in Einklang gebracht werden.According to a further embodiment, the fluid is a liquid and the deformation elements each have at least one valve element for providing or adjusting a mass flow of the liquid out of the enveloping medium. The battery arrangement also includes a monitoring device that is designed to detect the heating state and then provide a control signal for controlling an actuator of those valve elements of the other deformation elements in the second preventive state, i.e. those deformation elements that are not adjacent to the battery element that is in the heating state. As a result, the monitoring device is designed to bring about the mass flow. This results in the advantage that the volume reduction of the deformation elements in the second prevention state can also be realized for the liquid-filled enveloping medium. A displacement of the battery elements relative to the stacked assembly is possible and a reduced space requirement for the stacked assembly can be reconciled with the thermal insulation.
Bei dem Ventilelement kann es sich zum Beispiel um das zuvor beschriebene elektronisch steuerbare Ventilelement handeln. Auch bezüglich der Überwachungseinrichtung kann auf die zuvor beschriebenen Ausgestaltungsmöglichkeiten verwiesen werden.The valve element can be, for example, the electronically controllable valve element described above. Reference can also be made to the design options described above with regard to the monitoring device.
In den folgenden Ausführungsformen geht es darum, wie das Hüllmedium ausgestaltet sein kann.The following embodiments deal with how the enclosing medium can be designed.
Dazu ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Hüllmedium wenigstens ein Material aufweist, das zumindest für das Vorliegen des Erhitzungskriteriums temperaturbeständig ausgebildet ist. Das heißt, das Hüllmedium kann zum Beispiel eine Schmelztemperatur aufweisen die größer ist als der Temperaturwertebereich, der bei dem Erhitzungszustand vorliegt. Somit kann sichergestellt werden, dass durch das jeweilige Verformungselement die Volumenvergrößerung oder -verkleinerung realisieren kann, ohne dass das Hüllmedium beim Verformen oder Erhitzen zerstört wird oder seine Dichtigkeit verliert.For this purpose it is provided in one embodiment that the enveloping medium has at least one material which is designed to be temperature-resistant at least for the presence of the heating criterion. This means that the encasing medium can, for example, have a melting point that is greater than the range of temperature values that occurs at the point of heating condition is present. It can thus be ensured that the increase or decrease in volume can be realized by the respective deformation element without the enveloping medium being destroyed or losing its tightness during deformation or heating.
Materialien, die sich für das Hüllmedium eignen können, sind in einer weiteren Ausführungsform offenbart. Gemäß einer ersten Variante weist das Hüllmedium einen metallischen Werkstoff umfassend Stahl oder Aluminium auf. Das Hüllmedium kann somit zum Beispiel aus einem Blech oder einer Platte geformt oder gebildet sein. Eine Dicke oder Stärke des metallischen Werkstoffs kann dabei zum Beispiel an den Temperaturbereich, der für den Erhitzungszustand vorliegt, angepasst sein.Materials that may be suitable for the containment medium are disclosed in another embodiment. According to a first variant, the enveloping medium has a metallic material comprising steel or aluminum. The enclosing medium can thus be shaped or formed from a metal sheet or a plate, for example. A thickness or strength of the metallic material can be adapted, for example, to the temperature range that is present for the heating state.
Gemäß einer zweiten Variante kann das Hüllmedium einen faserverstärkten Kunststoff aufweisen, wobei der Kunststoff als ein faserverstärkendes Material Aramid oder Glas oder Kohlenstoff umfasst. Als Kunststoff eignet sich zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE). In den Kunststoff kann somit das faserverstärkende Material eingearbeitet sein. Ein Verhältnis zwischen Kunststoff und der Faserverstärkung kann zum Beispiel an einen gewünschten Temperaturbereich angepasst sein. Für die Faserverstärkung können zum Beispiel Kevlarfasern, Glasfasern oder Kohlenstofffasern wie zum Beispiel Kunststoffnanoröhren (Carbonnanotubes) eingesetzt werden.According to a second variant, the enveloping medium can have a fiber-reinforced plastic, the plastic comprising aramid or glass or carbon as a fiber-reinforced material. Polytetrafluoroethylene (PTFE), for example, is a suitable plastic. The fiber-reinforcing material can thus be incorporated into the plastic. For example, a ratio between the plastic and the fiber reinforcement can be adjusted to a desired temperature range. For example, Kevlar fibers, glass fibers or carbon fibers such as plastic nanotubes (carbon nanotubes) can be used for the fiber reinforcement.
In einer dritten Variante weist das Hüllmedium einen Faserverbundwerkstoff auf. Der Faserverbundwerkstoff ist mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet, welches zumindest für das Vorliegen des Erhitzungszustands temperaturbeständig ausgebildet ist. Das Hüllmedium kann somit mehrschichtig ausgebildet sein. Zum Beispiel kann für ein Hauptmaterial des Hüllmediums ein Faserverbundwerkstoff, also ein Material, gewählt werden, das an sich nicht für den gewünschten Temperaturbereich temperatur- oder hitzebeständig ist. Dieses Material kann dann mit einem temperaturbeständigen Material beschichtet werden. Für den Faserverbundwerkstoff kann zum Beispiel eine Naturfaser oder eine Kunststofffaser gewählt werden. Um die Temperaturbeständigkeit des Hüllmediums zu gewährleisten, kann zum Beispiel sowohl eine Innenseite als auch eine Außenseite des Hüllmediums mit dem Beschichtungsmaterial beschichtet sein.In a third variant, the enveloping medium has a fiber composite material. The fiber composite material is coated with a coating material which is designed to be temperature-resistant at least for the presence of the heating state. The enveloping medium can thus be multi-layered. For example, a fiber composite material, ie a material that is not temperature or heat resistant in the desired temperature range, can be selected for a main material of the enveloping medium. This material can then be coated with a temperature resistant material. For example, a natural fiber or a synthetic fiber can be selected for the fiber composite material. In order to ensure the temperature resistance of the enveloping medium, both an inside and an outside of the enveloping medium can be coated with the coating material, for example.
In den folgenden Ausführungsformen geht es darum, wie eine elektrische Kontaktierungseinheit realisiert sein kann, die die Verschiebung der Batterieelemente im Batteriegehäuse ermöglicht.The following embodiments deal with how an electrical contacting unit can be implemented that allows the battery elements to be displaced in the battery housing.
Dazu ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass zum elektrischen Kontaktieren der Batterieelemente eine elektrische Kontaktierungseinheit vorgesehen ist. Die Kontaktierungseinheit kann zum Beispiel eine Leiterplatte mit Leiterbahnen und Anschlusskontakten aufweisen. Dadurch kann zum Beispiel eine elektrische Kontaktierung der Batterieelemente miteinander oder untereinander und/oder mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs ermöglicht werden. Die Kontaktierungseinheit ist zumindest abschnittsweise an einer in Stapelrichtung liegenden Oberfläche des Stapelverbunds angeordnet. Das heißt, die Kontaktierungseinheit kann zum Beispiel auf einer jeweiligen Seitenfläche der Batterieelemente und/oder der Verformungselemente aufliegen. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn für die Oberfläche zum Anordnen der Kontaktierungseinheit diejenige Oberfläche des Stapelverbunds gewählt wird, an der für die Batterieelemente elektrische Anschlusspole oder Anschlusskontakte ausgeführt sind.For this purpose, one embodiment provides for an electrical contacting unit to be provided for electrical contacting of the battery elements. The contacting unit can, for example, have a printed circuit board with conductor tracks and connection contacts. As a result, for example, electrical contacting of the battery elements with one another or with one another and/or with an on-board network of the motor vehicle can be made possible. The contacting unit is arranged at least in sections on a surface of the stacked assembly lying in the stacking direction. This means that the contacting unit can rest, for example, on a respective side surface of the battery elements and/or the deformation elements. In this case, it can be advantageous if that surface of the stacked assembly is selected for the surface for arranging the contacting unit, on which electrical connection poles or connection contacts are designed for the battery elements.
Zum Anschließen der Batterieelemente an die Kontaktierungseinheit ist zumindest ein flexibler Leiterabschnitt bereitgestellt. Dieser kann den Anschlusskontakt der Kontaktierungseinheit ausbilden. Dieser ist ausgebildet, in Abhängigkeit von der Verschiebung der Batterieelemente zwischen einem gestauchten Zustand und einem gestreckten Zustand zu wechseln. Mit flexibel ist dabei gemeint, dass der Leiterabschnitt plastisch oder elastisch verformbar ist.At least one flexible conductor section is provided for connecting the battery elements to the contacting unit. This can form the connection contact of the contacting unit. This is designed to switch between a compressed state and a stretched state depending on the displacement of the battery elements. Flexible means that the conductor section can be deformed plastically or elastically.
Für die Kontaktierung kann der Leiterabschnitt zum Beispiel an einem Ende mit dem jeweiligen Batterieelement und mit einem anderen gegenüberliegenden Ende mit der Kontaktierungseinheit elektrisch leitend verbunden. Natürlich kann zum Beispiel für jeden Anschlusskontakt oder Anschlusspol (Pluspol, Minuspol) des jeweiligen Batterieelements ein separater Leiterabschnitt vorgesehen sein. Durch das Wechseln zwischen dem gestauchten und dem gestreckten Zustand kann mittels des Leiterabschnitts somit eine Distanz zwischen den Anschlusskontakten des jeweiligen Batterieelements und der Kontaktierungseinheit in Abhängigkeit von der Verschiebung vergrößert oder verkleinert werden. Als Leiterabschnitt kann sich zum Beispiel ein Schaltdraht oder Leiterdraht eignen. Dieser kann in dem gestauchten Zustand zum Beispiel aufgewickelt oder gefaltet sein und im Gegensatz dazu im gestreckten Zustand kann die Wicklung oder Faltung bis zum Erreichen eines im Wesentlichen vollständig geradlinigen Leiterabschnitts auseinandergefaltet werden.For the purpose of contacting, the conductor section can be electrically conductively connected, for example, at one end to the respective battery element and at another opposite end to the contacting unit. Of course, a separate conductor section can be provided, for example, for each connection contact or connection pole (positive pole, negative pole) of the respective battery element. By changing between the compressed and the stretched state, a distance between the connection contacts of the respective battery element and the contacting unit can be increased or decreased depending on the displacement by means of the conductor section. A jumper wire or conductor wire, for example, can be suitable as the conductor section. In the compressed state, this can be wound up or folded, for example, and in contrast to this, in the stretched state, the winding or fold can be unfolded until an essentially completely straight conductor section is reached.
Alternativ dazu ist gemäß einer weiteren Ausführungsform eine elektrische Kontaktierungseinheit vorgesehen, die wie zuvor beschrieben abschnittsweise entlang einer in Stapelrichtung liegenden Oberfläche des Stapelverbunds angeordnet ist. Anstelle des flexiblen Leiterabschnitts weist die Kontaktierungseinheit für jedes der Batterieelemente zum elektrischen Anschließen an die Kontaktierungseinheit eine jeweilige Stromschiene auf. Diese erstreckt sich entlang der Stapelrichtung über einen vorgegebenen Streckenabschnitt.As an alternative to this, according to a further embodiment, an electrical contacting unit is provided which, as described above, is arranged in sections along a surface of the stacked assembly lying in the stacking direction. Instead of the flexible conductor section has the Contacting unit for each of the battery elements for electrical connection to the contacting unit on a respective busbar. This extends along the stacking direction over a predetermined section.
Die Stromschiene kann im Wesentlichen ein flächiger Anschlusskontakt sein, dessen Abmessungen in Stapelrichtung größer sind als die Abmessungen des jeweiligen Anschlusspols eines Batterieelements. Dadurch kann die Stromschiene beispielweise einen Schleifkontakt für das jeweilige Batterieelement bereitstellen. Zum elektrischen Kontaktieren können die Batterieelemente bei der Verschiebung entlang des Streckenabschnitts, über den sich die Stromschiene erstreckt, gleiten und dabei gleichzeitig im elektrischen Kontakt bleiben. Bei einer elektrischen Parallelschaltung der Batterieelemente kann zum Beispiel eine gemeinsame Stromschiene für mehrere Batterieelemente vorgesehen sein.The busbar can essentially be a flat connection contact whose dimensions in the stacking direction are larger than the dimensions of the respective connection pole of a battery element. As a result, the busbar can provide a sliding contact for the respective battery element, for example. For electrical contact, the battery elements can slide during the displacement along the section over which the conductor rail extends and at the same time remain in electrical contact. If the battery elements are electrically connected in parallel, a common busbar can be provided for a number of battery elements, for example.
Entsprechend der flexiblen Kontaktierungseinheit kann zusätzlich oder alternativ zum Beispiel eine flexible Kühleinheit, die zum Kühlen der Batterieelemente verwendet werden kann, vorgesehen sein. Dazu kann gemäß einem Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass zum Kühlen der Batterieelemente eine Kühleinheit vorgesehen ist, deren Kühlkörper zumindest abschnittsweise entlang einer in Stapelrichtung liegenden Oberfläche des Stapelverbunds angeordnet ist. Der Kühlkörper kann zum Beispiel um eine Kühlplatte mit integriertem Kühlkanal sein, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist. Für die Oberfläche zum Anordnen des Kühlkörpers kann zum Beispiel eine Oberfläche des Stapelverbunds gewählt werden, die gegenüber der Oberfläche zum Anbringen der Kontaktierungseinheit liegt. In einer vorgegebenen Einbaulage der Batterieanordnung kann die Kontaktierungseinheit zum Beispiel oberhalb des Stapelverbunds und der Kühlkörper zum Beispiel unterhalb des Stapelverbunds angeordnet sein.Corresponding to the flexible contacting unit, a flexible cooling unit, for example, which can be used to cool the battery elements, can be provided additionally or alternatively. For this purpose, according to one aspect of the invention, a cooling unit is provided for cooling the battery elements, the heat sink of which is arranged at least in sections along a surface of the stacked assembly lying in the stacking direction. The heat sink can, for example, be a cooling plate with an integrated cooling channel through which a coolant can flow. For example, a surface of the stacked assembly that lies opposite the surface for attaching the contacting unit can be selected for the surface for arranging the heat sink. In a predetermined installation position of the battery arrangement, the contacting unit can be arranged, for example, above the stacked assembly and the heat sink, for example, below the stacked assembly.
Die Kühleinheit weist zum thermischen Koppeln der Batterieelemente an den Kühlkörper eine thermische Kontaktschicht auf. Diese kann zum Beispiel ein Material mit einer vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die thermische Kontaktschicht kann zum Beispiel mittels einer Wärmeleitpaste oder eines Wärmeleitpads realisiert sein. Insgesamt können so die Batterieelemente flexibel thermisch mit der Kühleinheit kontaktiert werden, auch wenn sie in dem Batteriegehäuse oder in dem Zellstapel von ihrer ursprünglichen Position an eine andere Position verschoben werden.The cooling unit has a thermal contact layer for thermally coupling the battery elements to the heat sink. This can have a material with a predetermined thermal conductivity, for example. The thermal contact layer can be implemented, for example, by means of a thermally conductive paste or a thermally conductive pad. Overall, the battery elements can be flexibly thermally contacted with the cooling unit, even if they are moved from their original position to a different position in the battery housing or in the cell stack.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Verformungselemente ausgebildet, sich in Abhängigkeit von einer alterungsbedingten oder betriebsbedingten Verformung der Batterieelemente zu verformen. Durch die Verformungselemente können somit zwei Funktionen, nämlich die alterungs- oder betriebsbedingte Kompression und die thermische Abschirmung umgesetzt werden. Mit den alterungsbedingten oder betriebsbedingten Verformungen ist zum Beispiel das eingangs beschriebene Swelling oder der Batterieelemente gemeint. Die Verformung der Batterieelemente beim Swelling kann zum Beispiel nur lokal erfolgen und von dem jeweils benachbarten Verformungselement aufgenommen werden. Hierbei braucht somit keine Verschiebung der Batterieelemente in dem Batteriegehäuse erfolgen. Das heißt, im bestimmungsgemäßen Betriebszustand kann das jeweilige Verformungselement wie ein übliches Zelltrennelement genutzt werden.According to a further embodiment, the deformation elements are designed to deform as a function of a deformation of the battery elements caused by aging or operation. Two functions can thus be implemented by the deformation elements, namely the compression caused by aging or operation and the thermal shielding. Deformations caused by aging or operation mean, for example, the swelling described at the beginning or of the battery elements. The deformation of the battery elements during swelling, for example, can only take place locally and can be absorbed by the respectively adjacent deformation element. In this case, therefore, there is no need to shift the battery elements in the battery housing. This means that in the intended operating state, the respective deformation element can be used like a conventional cell separating element.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Batterieanordnung, wie sie zuvor beschrieben wurde betreffen. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The invention also relates to a motor vehicle with a corresponding battery arrangement as described above. The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car or truck, or as a passenger bus or motorcycle.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.The invention also includes the combinations of features of the described embodiments. The invention also includes implementations that each have a combination of the features of several of the described embodiments, unless the embodiments were described as mutually exclusive.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung mit einer Vielzahl von Batterieelementen und Verformungselementen, die gemeinsam einen Stapelverbund bilden; und -
2 eine schematische Darstellung der Batterieanordnung gemäß1 , bei der eines der Batterieelemente einen vorgegebenen Erhitzungszustand aufweist.
-
1 a schematic representation of a battery arrangement with a plurality of battery elements and deformation elements, which together form a stacked assembly; and -
2 a schematic representation of the battery arrangement according to FIG1 , wherein one of the battery elements has a predetermined heating condition.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and that each also develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to encompass combinations of the features of the embodiments other than those illustrated. Furthermore, the described embodiments are also due to further already described features of the invention can be supplemented.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols designate elements with the same function.
Die Antriebsbatterie 10 umfasst, wie in
Zum Bereitstellen der elektrischen Energie umfasst die Antriebsbatterie 10 eine Vielzahl von Batterieelementen 20. In
Für eine optimale Lebensdauer und Funktionsfähigkeit eines solchen Batterieelements hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn auf das Batterieelement 20 über die Nutzungsdauer von außen, also aus einer Umgebung, eine vorgegebene Kompressionskraft ausgeübt wird. Bei der Nutzung, also im Betrieb, kann es nämlich zum sogenannten Swelling und dadurch zu einer Volumenzunahme eines Volumens des jeweiligen Batterieelements 20 kommen. Diese sind zum Beispiel von den chemischen Reaktionen des aktiven Materials und irreversiblen chemischen Prozessen im aktiven Material herbeigeführt.For an optimal service life and functionality of such a battery element, it has proven to be advantageous if a predetermined compression force is exerted on the
Um diese Kompressionskraft beim Verbauen der Batterieelemente 20 in einer Antriebsbatterie 10 zu realisieren, können sogenannte Zelltrennelemente eingesetzt werden. In
Zum thermisch leitenden Kontaktieren ist jedes der Verformungselemente zumindest abschnittsweise oder bereichsweise mit einer jeweiligen ersten Seite direkt anliegend an einer zweiten Seite des jeweiligen Batterieelements 20 angeordnet. Mit einer gegenüberliegenden zweiten Seite ist das jeweilige Verformungselement 30 zumindest abschnittsweise oder bereichsweise direkt anliegend an einer ersten Seite eines gegenüberliegenden oder benachbarten Batterieelements 20 angeordnet. Das heißt, das jeweilige Verformungselement 30 liegt mit zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils teilweise oder vollständig an einer zugewandten Seite von zwei benachbarten Batterieelementen 20 an, und zwar so, dass ein thermischer Kontakt zwischen dem jeweiligen Batterieelement 20 und dem Verformungselement 30 besteht. Im angeordneten und eingebrachten Zustand in dem Gehäuse 12 weisen die Batterieelemente 20 somit einen durch die Verformungselemente 30 vorgegebenen Abstand d zueinander auf.For thermally conductive contacting, each of the deformation elements is arranged at least in sections or in areas with a respective first side directly adjacent to a second side of the
Die Verformungselemente 30 sind gemäß
Kommt es beim Betrieb der Antriebsbatterie 10 nun zu dem vorgenannten Swelling, also der Zellatmung, des jeweiligen Batterieelements 20, können die Verformungselemente 30 eine Kraft, die sich aufgrund des Swellings des Batterieelements 20 ergibt, aufnehmen. Dabei kann zum Beispiel das Gas 32 im Inneren komprimiert und das Hüllmedium 31 deformiert werden. So kann im Wesentlichen ein möglichst konstanter Druck oder eine konstante Kraft auf die Batterieelemente 20 ausgeübt werden. Die Batterieelemente 20 altern oder verbrauchen weniger schnell. Dabei bleibt beim Swelling oder den alterungsbedingten Volumenveränderungen der vorgegebene Abstand d zwischen den Batterieelementen 20 im Wesentlichen unverändert.If the aforementioned swelling, ie cell respiration, of the
In der Ausgestaltung der Batterieanordnung gemäß
Zur elektrischen Kontaktierung der Batterieelemente 20 umfasst die Batterieanordnung 1 gemäß
Gemäß
Die Verformungselemente 30 können neben dem Aufnehmen von Swellingkräften zusätzlich noch eine weitere Funktion aufweisen. Diese ist in
Gemäß
Die zusätzliche Funktion der Verformungselemente 30 in der Antriebsbatterie 10 ist es nun, eine ausreichende thermische Isolation zwischen den Batterieelementen 20 im Fall des Vorliegens des Erhitzungszustands Z zu gewährleisten, um die Propagation zu verhindern. Dazu ist das Hüllmedium 31 zunächst aus einem temperaturbeständigen verformbaren Material gebildet. Das Hüllmedium 31 ist somit gegenüber dem Erhitzungszustand Z stabil. Ein Schmelzpunkt des Hüllmediums 31 oder eine Zerstörungstemperatur, die zu einem Defekt des Hüllmediums 31 führt, kann somit größer sein, als eine Temperatur, mit der das Verformungselement 30 beaufschlagt werden kann, wenn es zu dem Erhitzungszustand Z kommt. Als Material eignet sich zum Beispiel ein metallischer Werkstoff umfassend Stahl oder Aluminium. Das Hüllmedium 31 kann somit zum Beispiel aus einem Metallblech geformt sein. Alternativ kann ein faserverstärkter Kunststoff als Material für das Hüllmedium 31 eingesetzt werden. Als faserverstärkendes Material kann zum Beispiel Aramid, etwa in Form von Kevlarfasern, oder Glas, etwa in Form von Glasfasern, oder Kohlenstoff, etwa in Form von Kohlenstoffnanoröhrchen, in den Kunststoff eingearbeitet sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Hüllmedium 31 zum Beispiel mehrschichtig aus mehreren Materialien in verschiedenen Schichten aufgebaut sein. So kann zum Beispiel ein nicht temperaturbeständiger Faserverbundwerkstoff als Grundschicht genutzt werden, der von einem temperaturbeständigen Beschichtungsmaterial als zusätzliche Schicht umgeben ist.The additional function of the
Durch die Ausgestaltung der Verformungselemente 30 kann beim thermischen Durchgehen, nun Folgendes passieren: In dem Erhitzungszustand Z steigt eine Temperatur des Batterieelements 20. Aufgrund der thermischen Kontaktierung der benachbarten Verformungselemente 30 steigt auch die Temperatur der benachbarten Verformungselemente 30. Durch die Erwärmung des Gases 32 steigt zunächst ein Gasinnendruck des jeweiligen Verformungselements 30. Da das Verformungselement 30 verformbar ausgebildet ist und die Batterieelemente 20 in dem Gehäuse 12 entlang der Stapelrichtung R verschiebbar gelagert sind, kann sich das Verformungselement 30 ausdehnen. Es ergibt sich eine Volumenvergrößerung auf ein Volumen V1. Die tatsächliche Vergrößerung des Volumens, also ein Betrag der Volumenvergrößerung, hängt dabei von einer jeweiligen Temperatur des durchgehenden Batterieelements 20 ab. Hierbei wird nämlich eine mit der allgemeinen Gasgleichung beschriebene Eigenschaft von Gasen ausgenutzt, sich bei einer Temperaturerhöhung auszudehnen. Das Volumen steigt, eine Dichte des Gases sinkt, ein Gasinnendruck des Gases 32 im Hüllmedium 30 kann im Wesentlichen konstant bleiben oder steigt höchstens leicht an. Due to the design of the
Durch die Volumenvergrößerung werden die übrigen oder intakten Batterieelemente 20 relativ zu dem durchgehenden Batterieelement 20 in dem Stapelverbund 11 verschoben und insbesondere von dem durchgehenden Batterieelement 20 weggedrückt. Das heißt, die Batterieelemente 20 werden in Stapelrichtung in dem Stapelverbund von dem durchgehenden Batterieelement 20 weggeschoben. Da das Gehäuse 12 im Wesentlichen nicht deformierbar ist und sich die übrigen Verformungselemente 30 in einer kälteren Umgebung befinden, können die übrigen Verformungselemente 30 durch die Verschiebung der benachbarten Batterieelemente 20 in dem Stapelverbund 11 in einen zweiten Präventionszustand versetzt. Dabei werden die Verformungselemente 30 komprimiert oder zusammengedrückt. Es ergibt sich eine Volumenverkleinerung auf ein Volumen V2.Due to the increase in volume, the remaining or
Aufgrund der Volumenvergrößerung und der Volumenverkleinerung der Verformungselemente 30 werden die intakten Batterieelemente 20 verschoben. Hierbei erweist sich dann auch die Ausgestaltung der Stromschienen 15 als nützlich. Somit kann nämlich sichergestellt werden, dass die Batterieelemente auch beim Vorliegen des Erhitzungszustands Z, also die verschobenen Batterieelemente 20, noch elektrisch leitend über die Kontaktierungseinheit 14 angeschlossen sind.Due to the increase in volume and the reduction in volume of the
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass zum Beispiel bei Detektion des Erhitzungszustands zum Beispiel mittels einer Überwachungseinrichtung eine Schnellentladung der übrigen Batterieelemente 20 durchgeführt werden kann. Alternativ können die übrigen Batterieelemente 20 über den Steueranschluss zum Beispiel von einem Batteriemanagementsystem noch ansprechbar oder steuerbar sein. So kann zum Beispiel bei Detektion des Erhitzungszustands Z eines der Batterieelemente die übrigen Batterieelemente 20 durch Ansteuern mit dem Batteriemanagementsystem deaktiviert oder abgeschaltet werden.This results in the advantage that, for example, when the heating state is detected, for example by means of a monitoring device, rapid discharge of the remaining battery elements occurs 20 can be performed. Alternatively, the remaining
Durch die Volumenvergrößerung wird insgesamt auch der Abstand d zwischen den benachbarten Batterieelementen 20 vergrößert. Die zu dem durchgehenden Batterieelement 20 benachbarten Batterieelemente 20 weisen somit, wie in
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Abstand der intakten Batterieelemente 20 von dem durchgehenden Batterieelement 20 vergrößert werden kann, ohne den Bauraumbedarf der Antriebsbatterie 10 zu vergrößern.This results in the advantage that a distance between the
Um die Kompression oder Volumenverkleinerung der Verformungselemente in dem zweiten Präventionszustand noch effektiver gestalten zu können, umfasst jedes Verformungselement 30, wie in
Die Wirkung der Verformungselemente 30 kann noch einmal kurz wie folgt zusammengefasst werden: Wenn es aufgrund von einem Defekt oder externen Einflüssen in einem Batterieelement oder einer Batteriezelle zu einem thermischen Problem und somit zum Beispiel einem Thermal Runaway kommt, erwärmt sich die havarierte Zelle und gibt einen Teil der Wärme in die benachbarten Luftkissen ab. Dadurch wird das Gas in den Kissen erwärmt. Der Druck in den beiden benachbarten Luftkissen steigt mit der Temperatur. Somit entsteht ein Druckunterschied zwischen den erwärmten Luftkissen und den übrigen, also den kalten Luftkissen. Da es physikalisch zu einem Gleichgewicht in dem Zellverbund kommen sollte, erfolgt somit ein Druckausgleich, bei dem die kalten, also die übrigen, Luftkissen komprimiert werden. Die aufgeheizten Luftkissen expandieren. Dadurch findet eine Zellverschiebung, also eine Verschiebung der Batterieelemente statt. Die benachbarten Zellen der havarierten Zelle werden von dieser weggedrückt. Somit entsteht ein größerer Abstand zur havarierten Zelle. Damit wird der Wärmeeintrag in die benachbarten Zellen reduziert und somit eine thermische Propagation verhindert. Dabei wird ein maximaler Abstand zwischen den Zellen generiert, ohne dafür zusätzlichen Bauraumbedarf zu benötigen.The effect of the
Insgesamt zeigen die Ausführungsbeispiele, wie Airbags zwischen Batteriezellen zur Verhinderung der thermischen Propagation eingesetzt werden können.Overall, the exemplary embodiments show how airbags can be used between battery cells to prevent thermal propagation.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- DE 102012224330 A1 [0008]DE 102012224330 A1 [0008]
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