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Stand der Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle mit einem Gehäuse und mit einem durch eine positive Elektrode gebildeten Positivpol und einem durch eine negative Elektrode gebildeten Negativpol.
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Lithium-Ionen-Batteriezellen werden häufig in ein druckbeständiges, elektrisch und thermisch leitendes Gehäuse integriert. Das Gehäuse bildet hierbei eine dritte Elektrode im System der Lithium-Ionen-Batteriezelle. Das Potential des Gehäuses spielt eine wesentliche Rolle für die Korrosions- und Reaktionsfreudigkeit im Falle typischer Cell Misuse Tests, beispielsweise eine Überladung, einen sogenannten „Nail-Penetration“-Tests und des Weiteren mehr. Grundsätzlich kommen heute zwei unterschiedliche Konzepte zur Steuerung der Korrosionsbeständigkeit und zum Management des Gefährdungspotentials zum Einsatz:
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Die Positive CAN und die Neutrale CAN. Beim Konzept „Positive CAN“ wird im Allgemeinen die Korrosionsbeständigkeit des Gehäuses erhöht, beim Konzept „Neutrale CAN“ kommt es häufig zur Reduktion der Reaktionsfreudigkeit im Falle typischer Fehlnutzungstests (Cell Misuse Tests).
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US 2012/0225333 A1 bezieht sich auf eine Batterie und einen Batteriepack. Die Batterie umfasst ein Batteriegehäuse mit einer Polarität im normalen Betriebszustand, in dem die Korrosion des Batteriegehäuses reduziert ist. Bei Auftreten eines Störungszustandes, beispielsweise beim Überladen und beim übermäßigen Entladen nimmt das Gehäuse der Batterie einen neutralen Zustand an, wodurch die Sicherheit und die Zuverlässigkeit der Batterie und des Batteriepacks verbessert werden. Die Batterie umfasst eine Elektrodenanordnung, ein erstes Elektrodenterminal und ein zweites Elektrodenterminal, das Batteriegehäuse selbst und eine Abdeckung. Im Batteriegehäuse befinden sich die Elektrodenanordnung und ein Elektrolyt. Mittels einer Sicherung ist das erste Elektrodenterminal mit dem Batteriegehäuse verbunden. Daher weisen die Abdeckung und das Batteriegehäuse das Potential des ersten Elektrodenterminals auf. Die innere Oberfläche des Batteriegehäuses ist derart behandelt, dass diese gegen die Elektrodenanordnung, das erste und das zweite Anschlussterminal sowie gegen die Abdeckung elektrisch isoliert ist. Tritt ein übermäßig hoher Strom auf, der durch das erste Terminal fließt, fließt dieser auch durch eine Sicherung, die daraufhin schmilzt. Nach dem Schmelzen der Schmelzsicherung sind das Batteriegehäuse und das erste Terminal voneinander getrennt. Beim Schmelzen der Schmelzsicherung ändert sich das Potential des Batteriegehäuses von einem positiven Potential auf ein neutrales Potential. Das erste Elektrodenterminal und das Batteriegehäuse haben dasselbe Potential bevor die Schmelzsicherung schmilzt, das Batteriegehäuse nimmt jedoch einen neutralen Zustand ein, nachdem die Schmelzsicherung geschmolzen ist. Im normalen Betriebszustand des Batteriepacks wird Korrosion des Batteriegehäuses und der Abdeckung verhindert; wird das Batteriepack hingegen überladen oder in unzulässiger Weise entladen, werden das Batteriegehäuse und die Abdeckung schnell in einen neutralen Zustand überführt, so dass die Sicherheit des Batteriepacks signifikant erhöht werden kann.
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US 2012/0164497 bezieht sich auf eine Batterie. Die Batterie umfasst ein Batteriegehäuse, in dem sich eine gestapelte Elektrodenanordnung befindet. Ferner ist in dem Batteriegehäuse ein Separator vorgesehen. Da das Batteriegehäuse elektrisch leitfähig ist, sind die gestapelte Elektrodenanordnung und das Batteriegehäuse elektrisch gegeneinander zu isolieren. Dazu wird eine isolierende Harzplatte eingesetzt, die im Wesentlichen eine Geometrie aufweist, die der Geometrie der unteren Fläche des Batteriegehäuses entspricht. Um eine Verschlechterung der Batterieleistung zu verhindern, ist ein leitender Abschnitt vorgesehen, so dass das Potential des Batteriegehäuses auf das Potential der positiven Elektrode oder das Potential der negativen Elektrode der Batterie gesetzt werden kann. Der leitende Abschnitt verbindet den positiven Elektrodenanschluss mit der Abdeckung, so dass eine leitende Verbindung zwischen dem positiven Elektrodenterminal und dem Batteriegehäuse entsteht, so dass das Batteriegehäuse auf dem Potential der positiven Elektrode liegt. Obwohl der leitende Abschnitt als eine Leitung oder ein Draht mit einem geringen elektrischen Widerstand ausgebildet werden kann, so dass die Wärmestrahlungsleistung erhöht wird, kann ein Widerstand mit einem hohen Widerstand von 10 MΩ oder mehr, aus Sicherheitsgründen eingesetzt werden.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einem Gehäuse vorgeschlagen, mit einem durch eine positive Elektrode gebildeten Positivpol und einem durch eine negative Elektrode gebildeten Negativpol, wobei das Gehäuse über eine elektrische widerstandsbehaftete Verbindung mit der positiven Elektrode verbunden ist und ein Potential des Gehäuses im Wesentlichen durch einen Elektrolytwiderstand und einen Isolationswiderstand gegeben ist.
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Gemäß dieser Lösung kann das Potential in Richtung der positiven Elektrode angehoben werden, so dass eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit im Normalbetrieb der Batteriezelle gewährleistet ist. Im Falle einer Störung kann entweder über eine Zuschaltung einer definiert widerstandsbehafteten Verbindung das Gehäuse der Batteriezelle an die negative Elektrode, das Potential des Gehäuses abgesenkt werden, oder bei einer Trennung der widerstandsbehafteten Verbindung von Gehäuse der Batteriezelle und positiver Elektrode das Potential des Gehäuses von der positiven Elektrode entkoppelt werden. Der Isolationswiderstand ist abhängig von den auf der Innenseite und/oder der Außenseite des Gehäuses verwendeten Isolationsmaterialien.
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Der Elektrolyt-Widerstand und der Widerstand der im Gehäuse befindlichen Materialien bilden einen ersten Spannungsteiler. Die elektrische widerstandsbehaftete Verbindung wird in vorteilhafter Weise niederohmig ausgeführt und stellt einen weiteren, zweiten Spannungsteiler dar, der zum erwähnten ersten Spannungsteiler in elektrischer Parallelschaltung angeordnet ist. In einer Ausführungsmöglichkeit weist die niederohmige Verbindung einen niederohmigen Zuschaltwiderstand auf oder kann auch den niederohmigen Zuschaltwiderstand sowie einen Trennschalter umfassen.
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Die niederohmige Verbindung kann in Bezug auf das Gehäuse der Batteriezelle gesehen, sowohl in innenliegender Anordnung, d.h. innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, oder auch außenliegend vorgesehen werden. Beide Varianten sind möglich, wobei bei einer außenliegenden Anordnung eine bessere Zugänglichkeit gegeben ist.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriezelle ist derart ausgebildet, dass durch ein niederohmiges Zuschalten oder Trennen des Potentials des Gehäuses zu oder von dem Positiv- bzw. Negativpol das Potential des Gehäuses gegenüber den beiden Elektroden, die den Positivpol bzw. den Negativpol bilden, variiert werden kann. Insbesondere kann durch Trennung oder Schließen eines Trennschalters im zweiten Spannungsteiler das Potential des Gehäuses der Batteriezelle durch die niederohmige Verbindung geändert werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriezelle lässt sich darüber hinaus auch durch Herbeiführen eines niederohmigen Kurzschlusses tiefentladen und somit in einen eigensicheren Zustand überführen.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch ein Verfahren zur Änderung eines Potentials eines Gehäuses einer Batteriezelle mit den nachfolgenden Verfahrensschritten:
- a) Im Normalbetrieb der mindestens einen Batteriezelle wird das Potential des Gehäuses der mindestens einen Batteriezelle auf das Potential der positiven Elektrode angehoben,
- b) Im Störungsfall wird das Potential des Gehäuses der mindestens einen Batteriezelle auf ein Potential abgesenkt, welches zwischen den Potentialen der beiden Elektroden, d.h. den Potentialen der beiden Pole, dem Negativpol und dem Pluspol, liegt.
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Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, kann durch Zuschaltung der definiert widerstandsbehafteten Verbindung das Gehäuse an eine negative Elektrode das Potential des Gehäuses abgesenkt werden.
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Durch eine Trennung der definiert widerstandsbehafteten Verbindung des Gehäuseteiles von der positiven Elektrode hingegen wird das Potential des Gehäuses der Batteriezelle gegenüber der positiven Elektrode entkoppelt.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriezelle sowie das vorgeschlagene Verfahren lassen sich insbesondere beim Betrieb und zur Überwachung von Traktionsbatterien von Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen einsetzen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegen darin, dass im Standardbetriebsfalle der Batteriezelle das Potential des Gehäuses zur Erhöhung der Korrosionsresistenz auf das Potential der positiven Elektrode angehoben werden kann. In diesem Falle ist das „Positive CAN“ Konzept verwirklicht. Im Falle einer Störung kann hingegen das Potential des Gehäuses der Batteriezelle über einen dafür geeigneten Mechanismus auf ein Potential abgesenkt werden, welches zwischen den Potentialen der beiden Elektroden der Batteriezelle liegt.
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Im Falle der Verwirklichung des „Positiv CAN“-Konzeptes liegt der Kern der Batteriezelle auf dem positiven Potential. Der Kern der Batteriezelle und der Deckel liegen auf dem positiven Potential, beispielsweise einem ersten Potential, während das andere Terminal der Batteriezelle das vom ersten Potential verschiedene zweite Potential darstellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Zuschaltung des negativen Potentials bei Auftreten einer Störung in außenliegender Anordnung,
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2 die Zuschaltung des negativen Potentials bei Auftreten eines Störfalles bei innenliegender Anordnung der niederohmigen Verbindung innerhalb des Batteriegehäuses,
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3 eine Trennung des Gehäuses der Batteriezelle vom Positivpol im Falle des Auftretens einer Störung mit einer außerhalb des Gehäuses liegenden niederohmigen Verbindung und
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4 eine Trennung des Gehäuses der Batteriezelle vom Positivpol im Falle einer Störung durch eine niederohmige Verbindung im Inneren des Gehäuses der Batteriezelle.
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Ausführungsvarianten der Erfindung
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1 zeigt eine Zuschaltung eines negativen Potentials (Negativpol) über eine niederohmige Verbindung an einen Positivpol.
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1 zeigt eine Batteriezelle 10, deren Gehäuse 12 eine positive Elektrode 14 aufweist, die einen Positivpol bildet. Des Weiteren weist die Batteriezelle 10 eine negative Elektrode 16 auf, die den Negativpol bildet. Die beiden Pole, d.h. der Positivpol und der Negativpol liegen außerhalb des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10. Im Inneren des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 gemäß der Darstellung in 1 befindet sich ein Widerstand, der durch den im Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 vorhandenen Elektrolyten gebildet ist, sowie ein – hier idealisiert dargestellter – Isolationswiderstand 22, der sich aus den im Inneren des Gehäuses 12 verwendeten Isolationsmaterialien ergibt. Der Elektrolyt-Widerstand 20 sowie der Isolationswiderstand 22 bilden einen ersten Spannungsteiler 18, der in der Darstellung gemäß 1 zwischen der positiven Elektrode 14 und der negativen Elektrode 16 liegt und der das Potential des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 darstellt.
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Des Weiteren befindet sich in der Darstellung gemäß 1 in außenliegender Anordnung 34 eine niederohmige Verbindung 30. Die niederohmige Verbindung 30, dargestellt in außenliegender Anordnung 34, umfasst einen niederohmigen Zuschaltwiderstand 28 sowie einen Trennschalter 26. Die Komponenten der niederohmigen Verbindung 30 bilden einen zweiten Spannungsteiler 24, der in elektrischer Parallelschaltung zum ersten Spannungsteiler 18, der das Potential des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 repräsentiert, geschaltet ist. Durch Zuschaltung, d.h. Betätigung des Trennschalters 26 wird durch die niederohmige Verbindung 30, die eine definiert widerstandsbehaftete Verbindung darstellt, das Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 an die negative Elektrode 16 angeschlossen und somit das Potential des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 abgesenkt. Dies erfolgt im Falle einer Störung, beispielweise eines unzulässigen Überladens oder eines unzulässig schnell erfolgenden Entladens.
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Die Gefahr einer bevorstehenden Störung der Batteriezelle 10 durch Überladen oder durch Auftreten eines internen Kurzschlusses geht im Allgemeinen mit einer Gasentwicklung innerhalb der Batteriezelle 10 einher. Im Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 ist an einer Stelle eine dünne Folie integriert, die unabhängig vom zeitlichen Druckverlauf innerhalb der Batteriezelle 10 nur eine digitale Gestaltumformung ermöglicht, die auch nach dem Abfall des Innendruckes in der Batteriezelle 10 bzw. innerhalb des Gehäuses 12 erhalten bleibt. Ist diese Folie selbst elektrisch leitfähig ausgebildet, so kann die Folie dazu genutzt werden, das Potential des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 entweder an das negative Zellpotential galvanisch zu binden, d.h. mit der negativen Elektrode 16, die den Negativpol bildet, oder besteht die Möglichkeit, das Potential des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 vom positiven Zellpotential, d.h. von der positiven Elektrode 14, die den Positivpol bildet, galvanisch zu trennen. Alternativ besteht durch eine nicht elektrisch leitend ausgebildete Folie die Möglichkeit, einen mechanischen Schalter anzusteuern, beispielsweise Trennschalter 26, über den entsprechend der elektrischen Anbindung zu den beiden Elektroden 14, 16, das Potential des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 variiert werden kann. Die Variation des Potentials des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 erfolgt abhängig davon, ob gerade ein Korrosionsschutz wichtig ist oder aber eine chemische Reaktion, einhergehend mit einer Gasentwicklung und einer Erhöhung des Innendruckes des Batteriezelle 10 im Falle einer Störung zu reduzieren ist. Die Zuschaltung oder die Trennung zum Negativpol, gebildet durch die negative Elektrode 16 bzw. zum Positivpol, gebildet durch die positive Elektrode 14, kann innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 angeordnet sein, wie nachstehend auch erläutert werden wird. Mittels eines Trennschalters 26 kann ein zu diesem in Reihe liegender Widerstand von der jeweils von der negativen Elektrode 16, vgl. 1 und 2, oder im Falle der 3 und 4 von der positiven Elektrode 14 getrennt werden und ist bei geöffnetem Trennschalter 26 nicht leitend.
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2 zeigt die Zuschaltung des negativen Potentials (Negativpol) durch eine niederohmige Verbindung zum Positivpol, wobei die niederohmige Verbindung innenliegend im Gehäuse 12 der Batteriezelle verläuft.
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2 ist zu entnehmen, dass – wie bereits oben stehend im Zusammenhang mit 1 – die Batteriezelle 10 das Gehäuse 12 umfasst, in dem die positive Elektrode 14 sowie die negative Elektrode 16 ausgebildet sind, die entweder den Positivpol oder den Negativpol bilden. Die beiden Elektroden 14, 16 sind innerhalb des Gehäuses 12 über den ersten Spannungsteiler 18, welcher das Potential des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 repräsentiert, elektrisch miteinander verbunden. In Parallelschaltung zum ersten Spannungsteiler 18 liegt der zweite Spannungsteiler 24, der durch den Elektrolyt-Widerstand 20 und den Isolationswiderstand 22 gebildet ist. In der Ausführungsvariante gemäß 2 verläuft der zweite Spannungsteiler 24 mit seinen Komponenten 20 bzw. 22 in innenliegender Anordnung 32 innerhalb des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10. Die niederohmige Verbindung 30 umfasst in der Ausführungsvariante gemäß 2 den niederohmigen Zuschaltwiderstand 28 sowie den Trennschalter 26. Bei Auftreten einer Störung erfolgt die Zuschaltung der niederohmigen Verbindung 30, die eine definiert widerstandsbehaftete Verbindung des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 mit der negativen Elektrode 16 eingeht und demzufolge das Potential des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 im Falle des Auftretens einer Störung absenkt, jedoch im Standardbetrieb, d.h. im Normalbetrieb, das Potential des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 zur Erhöhung der Korrosionsresistenz auf das Potential der positiven Elektrode 14 angehoben ist und dort auch verbleibt.
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3 zeigt eine Trennung des Gehäuses vom positiven Potential (Positivpol) der Batteriezelle durch eine außenliegend angeordnete niederohmige Verbindung.
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3 zeigt, dass die Batteriezelle 10 analog zu den 1 und 2 die positive Elektrode 14 sowie die negative Elektrode 16 aufweist. Die beiden Elektroden 14, 16 erstrecken sich durch das Gehäuse 12 und bilden auf dessen Außenseite den Positivpol sowie den Negativpol. Innerhalb des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 verläuft der erste Spannungsteiler 18, gebildet durch einen idealisiert dargestellten Elektrolyt-Widerstand 20 sowie einen ebenfalls idealisiert dargestellten die Isolation repräsentierenden Widerstand 22. In außenliegender Anordnung 34 gemäß 3 verläuft die niederohmige Verbindung 30, die in der in 3 dargestellten Ausführungsvariante keinen niederohmigen Zuschaltwiderstand 28 umfasst.
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Die in 3 dargestellte niederohmige Verbindung 30, die den Trennschalter 26 sowie einen niederohmigen Widerstand umfasst, ermöglicht die Trennung des Gehäuses 12 vom positiven Potential des durch die positive Elektrode 14 gebildeten Positivpols der Batteriezelle 10. Die Trennung einer niederohmigen Verbindung 30, die die widerstandsbehaftete Verbindung des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 zur positiven Elektrode 14 darstellt, ermöglicht eine Entkopplung des Potentials des Gehäuses 12 von der positiven Elektrode 14.
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4 zeigt die Trennung des Potentials des Gehäuses vom positiven Potential (Positivpol) im Falle des Auftretens eines Störfalles, wobei eine niederohmige Verbindung in innenliegender Anordnung dargestellt ist.
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Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass innerhalb des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 die positive Elektrode 14 sowie die negative Elektrode 16 verlaufen, die jeweils den Positivpol bzw. den Negativpol der Batteriezelle 10 darstellen. Der Elektrolyt-Widerstand 20 und der Isolationswiderstand 22 bilden den ersten Spannungsteiler 18, der die positive Elektrode 14 mit der negativen Elektrode 16 verbindet. Darüber hinaus befindet sich in innenliegender Anordnung 32 in Bezug auf das Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 die niederohmige Verbindung 30, einen zugeschalteten niederohmigen Widerstand sowie den Trennschalter 26 umfassend. Im Unterschied zur Ausführungsvariante gemäß 3 verläuft in der Ausführungsvariante gemäß 4 die niederohmige Verbindung 30 mit dem zugeschalteten niederohmigen Widerstand sowie dem Trennschalter 26 innerhalb des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10.
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Die 1 bis 4 zeigen unterschiedliche Varianten für die dynamische Änderung des Potentials des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10. Grundsätzlich ist das Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 zum Negativpol bzw. zum Positivpol, hier gebildet durch die positive Elektrode 14 und die negative Elektrode 16, elektrisch isoliert. Die Isolation zu den jeweiligen Polen ist in den 1 bis 4 durch die jeweils dargestellten Elektrolyt-Widerstände 20 sowie die Isolationswiderstände 22 dargestellt. Diese beiden Widerstände 20 bzw. 22 ergeben sich aus den Widerständen der innerhalb des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 verbauten Isolationsmaterialien sowie des im Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 bevorrateten Elektrolyten.
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Durch eine niederohmige Zuschaltung oder Trennung des Potentials des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 zum Negativpol bzw. zum Positivpol, gebildet jeweils durch die positive Elektrode 14 und die negative Elektrode 16, innerhalb oder außerhalb der Batteriezelle 10 kann das Potential des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 gegenüber den Polen, d.h. dem Negativpol und dem Positivpol, variiert werden. Während dies gemäß der Ausführungsvarianten der 1 und 2 durch den zweiten Spannungsteiler 24 erfolgt, der parallel zum ersten Spannungsteiler 18 geschaltet ist, erfolgt dies gemäß der Ausführungsvarianten in den 3 und 4 durch einen zugeschalteten niederohmigen Widerstand, der in diesem Falle die niederohmige Verbindung 30 bildet und zwischen dem Positivpol, gebildet durch die positive Elektrode 14 und dem Gehäuse 12 der Batteriezelle 10.
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Durch Trennung bzw. Schließen von Kontakten innerhalb des zweiten Spannungsteilers 24, vgl. Trennschalter 26, kann das Potential des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 schnell durch die Wirkung der niederohmigen Verbindung 30 geändert werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, durch einen niederohmigen Kurzschluss die Batteriezelle 10 tief zu entladen und dadurch in einen eigensicheren Zustand zu überführen. Dabei können zusätzlich niederohmige Zuschaltwiderstände 28, bzw. die Trennschalter 26 innerhalb bzw. außerhalb des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 angebracht werden, wie dies in den 1 und 3 durch die außenliegende Anordnung 34 repräsentiert ist und im Zusammenhang mit den 2 und 4 durch die innenliegende Anordnung der niederohmigen Verbindung 30 bzw. des zweiten Spannungsteilers 24 in innenliegender Anordnung 32 dargestellt ist.
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Es besteht daneben die Möglichkeit, in zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsvarianten der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung die genannten Komponenten auch jeweils pro Batteriezelle 10 in und außerhalb der jeweiligen Batteriezelle anzubringen.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereiches eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0225333 A1 [0004]
- US 2012/0164497 [0005]
