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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung. Die Batterieanordnung umfasst ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens eine Rundzelle bzw. ein Modul umfassend eine Mehrzahl von Rundzellen sowie einen Kanal.
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Eine Zelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Zelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist.
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Es sind z. B. Zellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Festkörperakkumulator) bekannt.
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Ein Modul umfasst insbesondere eine oder eine Mehrzahl von Zellen, die miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind. Einzelne Module können miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden. Eine Batterieanordnung umfasst mindestens ein oder ggf. mehrere Module.
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Vorrangiges Ziel bei der Entwicklung von Batterieanordnungen ist es, das Volumen für die Zellen so groß wie möglich und das die Zellen umschließende Gehäuse so klein wie möglich zu konstruieren, wobei sämtliche mechanischen Lastfälle ohne Brand und ohne Kurzschluss ertragen werden müssen.
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Um die maximale Leistungs- und Energiedichte zu erreichen, müssen Strukturbauteile platzsparend und möglichst ohne Redundanzen ausgelegt werden. Gleichzeitig muss neben dem Bauraum für die Zellen ausreichend Bauraum innerhalb des Gehäuses für die elektrischen Leitungen und Steuergeräte vorgehalten werden.
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Ein Haupttreiber ist die z-Maßkette (also entlang einer vertikalen Richtung im Kraftfahrzeug), die zwangsläufig aufgrund des hoch aufbauenden Batteriesystems im Fahrzeugboden stark aufbaut. Dabei gilt es, das z-Maß der Batterieanordnung, also die Höhe, so weit wie möglich zu reduzieren, ohne die bestehenden Anforderungen zu vernachlässigen bzw. zu reduzieren. Die Motivation ist dabei neben der besseren Fahrdynamik und des besseren Strömungswiderstandes auch das Thema Einstieg (bspw. Inklusionsfähigkeit).
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Insbesondere sollen dabei Lastpfade für äußere Crashfälle (z. B. Pfahlcrash Seite) direkt in das Gehäuse eines Moduls verlagert sowie integriert und somit mehr Bauraum für beispielsweise Zellen zur Verfügung gestellt werden.
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Aus der
US 8,944,198 B2 ist ein Abluftsystem für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges bekannt. Das Abluftsystem umfasst einen Ventilator, der zur Abführung von Gasen aus der Batterie im Crashfall betrieben wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batterieanordnung vorgeschlagen werden, durch die eine möglichst effiziente Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums ermöglicht werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batterieanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Es wird eine Batterieanordnung vorgeschlagen, zumindest umfassend
- • ein Gehäuse und darin angeordnet
- • zumindest eine Rundzelle, die sich ausgehend von einem Fußbereich mit einem zylindrischen Zellenkörper entlang einer Längsachse hin zu einem Kopfbereich erstreckt und am Kopfbereich einen in Richtung der Längsachse gegenüber einer Kopfbereichsendfläche hervorstehenden Rundzellenkopf aufweist sowie
- • einen ersten Kanal der sich durch das Gehäuse von einem Einlass hin zu einem Auslass erstreckt.
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Der erste Kanal weist zumindest eine Öffnung auf, durch die hindurch sich der Rundzellenkopf in den ersten Kanal hinein erstreckt, so dass eine Entgasung der zumindest einen Rundzelle über den Rundzellenkopf in den ersten Kanal erfolgt.
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Insbesondere wird hier die mindestens eine Zelle der Batterieanordnung als lasttragende Komponente eingesetzt. Im Crashfall kann damit Crashenergie über eine Verformung der mindestens einen Zelle abgebaut werden.
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In dem Gehäuse der Batterieanordnung ist die mindestens eine Rundzelle, bevorzugt eine Mehrzahl von Rundzellen, besonders bevorzugt eine Mehrzahl von Modulen, jeweils umfassend eine Mehrzahl von Rundzellen, angeordnet. Dabei sind die Rundzellen insbesondere mit einer möglichst hohen Packungsdichte in dem Gehäuse angeordnet.
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Eine Rundzelle erstreckt sich insbesondere ausgehend von einem Fußbereich entlang einer Längsachse mit einem zylindrischen Zellenkörper hin zu einem Kopfbereich und weist am Kopfbereich einen in Richtung der Längsachse gegenüber einer Kopfbereichsendfläche hervorstehenden Rundzellenkopf auf. Der Zellenkörper wird durch mehrere Lagen von Elektrodenblättern (Anode und Kathode) sowie durch Separatoren gebildet. Insbesondere werden die Lagen und Separatoren zunächst gestapelt angeordnet und dann miteinander um die Längsachse gewickelt, so dass ein im Wesentlichen zylindrischer Zellenkörper gebildet ist.
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Insbesondere weist der Zellenkörper entlang der Längsachse eine konstante Querschnittsfläche auf, so dass eine Fußbereichsendfläche und eine Kopfbereichsendfläche insbesondere gleich groß sind.
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Die Rundzelle weist am Kopfbereich einen Rundzellenkopf auf. Insbesondere weist dieser quer zur Längsachse eine geringere Querschnittsfläche auf als der Zellenkörper bzw. die Kopfbereichsendfläche. Insbesondere ist der Rundzellenkopf im Wesentlichen konzentrisch zur Kopfbereichsendfläche bzw. zum Zellenkörper bzw. zur Längsachse angeordnet.
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Im Havarie- bzw. Crashfall werden Bestandteile der Rundzelle, z. B. Gas und/oder Elektrolytreste über den Rundzellenkopf aus der Rundzelle abgeführt.
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In dem Gehäuse ist insbesondere auch ein erster Kanal angeordnet. Dieser weist insbesondere für jede daran angeordnete Rundzelle eine Öffnung auf, über die sich der jeweilige Rundzellenkopf in den ersten Kanal hinein erstreckt. Über den jeweiligen Rundzellenkopf können Bestandteile der Rundzelle in den ersten Kanal abgeführt werden, so dass diese nicht in das Gehäuse austreten und darin befindliche andere Rundzellen beschädigen können.
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Die mindestens eine Rundzelle kann stehend oder liegend oder auch in anderen Einbaulagen in der Batterieanordnung und entsprechend im Betrieb der Batterieanordnung gegenüber einer Umgebung (insbesondere gegenüber der Richtung der Schwerkraft) angeordnet sein.
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Insbesondere ist zwischen der Kopfbereichsendfläche und dem ersten Kanal ein Wärmeleitmaterial angeordnet. Insbesondere ermöglicht das Wärmeleitmaterial ein besonders gutes Abführen von Wärme aus der Zelle hin zum ersten Kanal bzw. hin zu einem durch den Kanal strömenden Kühlmedium.
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Insbesondere wird über das Wärmeleitmaterial die gesamte Kopfbereichsendfläche, ggf. exklusive des sich durch die Öffnung hindurch erstreckenden Rundzellenkopfs mit dem ersten Kanal wärmeleitend verbunden. Insbesondere kann über den gesamten Kopfbereich (also Kopfbereichsendfläche und Rundzellenkopf) Wärme an den ersten Kanal abgeführt werden.
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Insbesondere ist die Öffnung gegenüber dem Gehäuse durch das Wärmeleitmaterial, z. B. fluiddicht oder gasdicht, abgedichtet. Durch das Wärmeleitmaterial erfolgt insbesondere also eine Trennung eines innerhalb des ersten Kanals angeordneten Volumens gegenüber eines innerhalb des Gehäuses aber außerhalb des ersten Kanals und der jeweiligen Rundzelle angeordneten Volumens.
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Insbesondere ist der Fußbereich mit einem zweiten Kanal wärmeleitend verbunden. Insbesondere ist auch der Fußbereich, insbesondere möglichst großflächig, über ein bzw. das Wärmeleitmaterial mit dem zweiten Kanal verbunden.
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Der zweite Kanal weist insbesondere ebenfalls einen Einlass und einen Auslass auf. Insbesondere wird der zweite Kanal von einem Kühlmittel beaufschlagt.
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Insbesondere weist die Rundzelle einen sich entlang der Längsachse erstreckenden Wickeldorn auf, wobei der Wickeldorn mit dem Rundzellenkopf wärmeleitend verbunden ist. Insbesondere ist der Wickeldorn, ggf. zusätzlich, mit dem Fußbereich der Rundzelle wärmeleitend verbunden. Insbesondere kann über den Wickeldorn effektiv Wärme aus der Rundzelle abgeführt werden, insbesondere hin zu einem den ersten Kanal bzw. den zweiten Kanal durchströmenden Kühlmedium.
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Insbesondere ist die Öffnung durch eine Membran verschlossen, wobei die Membran im Fall einer Entgasung der Rundzelle in den Kanal hinein verdrängbar und zumindest teilweise zerstörbar ist.
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Insbesondere umfasst die Batterieanordnung zumindest eine Mehrzahl von Rundzellen, wobei die Mehrzahl von Rundzellen nebeneinander angeordnet sind und sich jede Rundzelle mit dem Rundzellenkopf über jeweils eine Öffnung in den ersten Kanal hinein erstreckt.
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Insbesondere ist der erste Kanal, ggf. auch der zweite Kanal, im Betrieb der Batterieanordnung mit einem Kühlmedium (z. B. einer Kühlflüssigkeit) beaufschlagt. Über das Kühlmedium kann im Betrieb der Batterieanordnung Wärme aus dem Gehäuse abgeführt bzw. die Rundzellen temperiert werden.
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Insbesondere wird vorliegend vorgeschlagen, den ersten Kanal zum einen zum Kühlen bzw. Temperieren der mindestens einen Rundzelle und zum anderen zum Abführen von im Crashfall möglicherweise aus der Rundzelle austretenden Bestandteilen der Rundzelle zu verwenden.
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Insbesondere wird also ein kombiniertes Kühlungs- und Entgasungssystem für Rundzellen vorgeschlagen. In diesem System wird das geschlossene Kühlsystem, also der erste Kanal, genutzt, um im Havariefalle einer oder mehrerer Rundzellen die entstehenden heißen Gase gerichtet und geschlossen zur Umgebung hinzuführen und schließlich sicher an diese abzuleiten. Es handelt sich daher insbesondere um eine Funktionsintegration zweier Systeme, womit neben dem Sicherheitsgewinn zusätzlich noch ein Gewichts- und Bauraumvorteil entsteht.
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Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit zur zweiseitigen Kühlung von Rundzellen an deren beiden Stirnflächen, nämlich im Fußbereich über den zweiten Kanal und im Kopfbereich über den ersten Kanal. Die hiermit einhergehende Möglichkeit zum Verzicht auf innenliegende, geschwungene Wärmeleitbleche ermöglicht es zudem, die Verdrängung von Rundzellen bei geeigneter Ausgestaltung des kombinierten Kühlungs- und Entgasungssystems weiterhin und ggf. verstärkt zu nutzen.
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Insbesondere ist der zweite Kanal ein weiterer erster Kanal, der auf der einen Seite mit dem Fußbereich zumindest einer Rundzelle wärmeleitend verbunden ist und der auf der anderen Seite mindestens eine Öffnung zur Aufnahme zumindest eines Rundzellenkopfs einer anderen Rundzelle aufweist.
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Die Rundzelle ist insbesondere mit einem nach außen geformten Rundzellenkopf gestaltet, vergleichbar mit haushaltsüblichen AA- oder AAA-Batterien. Dieser Rundzellenkopf wird formschlüssig in eine mit Öffnungen (bevorzugt Bohrungen) versehene Kühlmediumleitungsstruktur, den ersten Kanal, eingebracht, so dass sich der Zellenkörper (eigentliche Rundzelle) außerhalb dieses ersten Kanals befindet, während der Rundzellenkopf in diesen hineinragt.
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Die verbleibenden Spalte zwischen Rundzelle und erstem Kanal werden insbesondere mit einem Wärmeleitmaterial, insbesondere -kleber verschlossen, das ohnehin für einen verbesserten Wärmetransportprozess an dieser Stelle eingefügt werden sollte.
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Das Wärmeleitmaterial erfüllt demzufolge sowohl die ihm naturgemäß zugedachte Funktion der Verbesserung der Wärmeleitung wie auch die hier erforderliche Zusatzfunktion der Abdichtung des ersten Kanals zur Rundzelle in einer Funktionsintegration. Die dritte Funktion, die in diesem Zusammenhang integriert wird, ist die Lagesicherung der Rundzellen innerhalb des Gehäuses.
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Der erste Kanal bzw. das Kühlsystem besitzt insbesondere zu beiden Seiten Zu- bzw. Abgänge (Einlass bzw. Auslass). Über diese werden im Normalzustand das Kühlmedium zu- bzw. abgeführt und im Havariezustand die aus der Rundzelle ausgetretenen Rundzellenbestandteile (z. B. Gase) abgeführt.
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Die Rundzellen besitzen am Rundzellenkopf eine Entgasungsöffnung (bevorzugt eine Sollschwachstelle im metallischen Rundzellengehäuse), die im Normalfall verschlossen ist und sich erst im Falle eines Events öffnet, um die entstehenden heißen Gase und Elektrolytreste gerichtet abzublasen. Es wird vorliegend vorgeschlagen, dieses Abblasen nicht in das Gehäuse, sondern in die geschlossene Kühlmediumleitungsstruktur vorzunehmen, also den ersten Kanal, sodass die Gase und Elektrolytreste der Rundzelle gerichtet und sicher von der beschädigten Rundzelle weg, hin zu einem sichern Auslass an anderer Stelle der Batterieanordnung bzw. des Kraftfahrzeuges, geleitet werden können. Eine Beschädigung weiterer Rundzellen oder anderer (elektrischer) Bauteile kann damit verhindert werden.
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Diese Auslässe können mit Membranen oder Überdruckventilen gegenüber der Umgebung geschlossen ausgeführt sein, so dass nur im Falle der Entgasung Bestandteile der Rundzelle an die Umgebung abgeführt werden.
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Durch das Hineinragen des Rundzellenkopfes in den ersten Kanal wird dieser insbesondere permanent mit einem Kühlmedium umströmt, so dass in diesem Bereich eine höchst effektive Direktkühlung vorliegt. Zudem vorteilhaft für das Thermomanagement ist der hieran thermisch direkt angebundene Wickeldorn innerhalb bzw. im Zentrum der Rundzelle, der auf diese Weise die Rundzelle zusätzlich von innen kühlen kann.
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Insbesondere ist der erste Kanal mit mindestens einer Abblasvorrichtung strömungstechnisch verbunden, wobei im Fall eines aus der zumindest einen Rundzelle in den ersten Kanal hinein austretenden Batteriebestandteils und bei Überschreiten eines Grenzdruckes in dem ersten Kanal der Überdruck über die mindestens eine Abblasvorrichtung abbaubar ist. Insbesondere ist die Abblasvorrichtung so angeordnet, dass der Abbau des Überdrucks an einen vorbestimmbaren Bereich außerhalb des Gehäuses erfolgt.
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Insbesondere ist der erste Kanal mit einer Mehrzahl von Abblasvorrichtungen strömungstechnisch verbunden, wobei die Abblasvorrichtungen steuerbar schaltbar sind, so dass der in den ersten Kanal ausgetretene Batteriebestandteil gezielt zu mindestens einer Abblasvorrichtung hin umleitbar ist. Damit kann eine Beschädigung anderer Rundzellen vermieden werden, in dem die aus der Rundzelle ausgetretenen Bestandteile über den ersten Kanal entlang z. B. eines möglichst kurzen Weges aus dem Gehäuse abgeführt werden.
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Die Öffnungen (vorzugsweise Bohrungen) im ersten Kanal können insbesondere mit einer zusätzlichen Membran verschlossen werden. Diese Membran kann sehr dünn ausgeführt werden, da sie im Normalzustand vom Innendruck des Kühlsystems, also vom Druck des im ersten Kanal vorliegenden Kühlmediums an den direkt anliegenden Rundzellenkopf gedrückt wird. Dies ist insofern vorteilhaft, als dass die Membran bzw. ihre Zerstörung bereits für kleine Druckdifferenzen ausgelegt werden kann und die Öffnung schnell und früh freigibt, was einer schnellen Ableitung der Rundzellenbestandteile (z. B. Gase) gleichkommt bzw. diese zur Folge hat. Insbesondere kann die Auslegung der Membran ausschließlich im Hinblick auf die Anforderungen der Entgasung erfolgen. Beim Abgasen, d. h. im Havariefall einer Rundzelle, wird deren Entgasungsöffnung am Rundzellenkopf freigegeben, und durch die entstehende Druckdifferenz an der Membran wird diese in den strukturleeren ersten Kanal hineindeformiert bis sie schließlich zerstört wird und die Öffnung zum ersten Kanal freigibt. Der Vorteil dieser zusätzlichen Membran liegt in der zusätzlichen Abdichtfunktion des Kühlsystems zur Rundzelle, d. h. einer redundanten Auslegung der Abdichtung parallel zum Wärmeleitkleber.
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Mit der vorgeschlagenen Batterieanordnung ist es möglich, die zahlreichen Vorteile von Rundzellen in Batteriesystemen nach wie vor vollständig zu nutzen und zugleich deren hohe Beanspruchbarkeit zusätzlich mit einzusetzen. Dies erhöht einerseits die Sicherheit von Batteriesystemen und damit gleichzeitig auch die Sicherheit der Fahrzeuge, in denen sie eingesetzt werden, und ermöglicht zusätzlich andererseits noch effizientere Batteriesysteme. Weiterhin kann neben Spritzguss der 3D-Druck als Fertigungsprozess eingesetzt werden, der zusätzliche Freiheiten bei der Strukturgebung, z. B. der Gestaltung des ersten und ggf. zweiten Kanals und deren Öffnungen, ermöglicht und ebenfalls schnell und kostengünstig darstellbar ist. Der bedeutendste Vorteil ist die (sehr) hohe Geschwindigkeit und der sehr hohe Grad der Automatisierbarkeit des Prozesses, erreichbar durch die entwickelte konstruktive Detailausbildung. Damit ist es möglich, die Herstellung der Batterieanordnung bestehend aus Rundzellen schnell und kostengünstig zu realisieren und damit den Einzelkostenvorteil der Rundzellen zu wahren. In der Folge sind diese Batterieanordnungen auch im Zusammenbau preislich konkurrenzfähig gegenüber Pouchzellenmodulen und Modulen mit prismatischen Zellen.
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Es wird weiter ein Verfahren zum Betreiben der beschriebenen Batterieanordnung vorgeschlagenen. Die Batterieanordnung umfasst ein Steuergerät, über das zumindest eine Abblasvorrichtung, bevorzugt eine Mehrzahl von Abblasvorrichtungen, gesteuert schaltbar ist. Der erste Kanal der Batterieanordnung ist mit einer Mehrzahl von Abblasvorrichtungen strömungstechnisch verbunden, wobei die Abblasvorrichtungen über das Steuergerät so steuerbar schaltbar sind, dass das in den ersten Kanal ausgetretene Batteriebestandteil gezielt zu mindestens einer Abblasvorrichtung hin umleitbar ist.
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Die Batterieanordnung umfasst also insbesondere ein Steuergerät, dass zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, also zur gezielten Schaltung mindestens einer Abblasvorrichtung, ausgestattet, konfiguriert oder programmiert ist.
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Weiter kann das Verfahren auch von einem Computer bzw. mit einem Prozessor einer Steuereinheit ausgeführt werden.
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Es wird demnach auch ein System zur Datenverarbeitung vorgeschlagen, das einen Prozessor umfasst, der so angepasst/konfiguriert ist, dass er das Verfahren durchführt.
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Es kann ein computerlesbares Speichermedium vorgesehen sein, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer/Prozessor diesen veranlassen, das Verfahren auszuführen.
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Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf die Batterieanordnung und/oder das computerimplementierte Verfahren (also den Computer bzw. den Prozessor, das System zur Datenverarbeitung, das computerlesbare Speichermedium) übertragbar und umgekehrt.
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Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: eine Batterieanordnung mit stehender Rundzelle in einer Seitenansicht im Schnitt;
- 2: die Batterieanordnung nach 1 im Havariefall;
- 3: eine Batterieanordnung mit liegenden Rundzellen in einer Seitenansicht im Schnitt;
- 4: eine Batterieanordnung (z. B. mit stehenden Rundzellen) in einer Draufsicht im Schnitt; und
- 5: die Batterieanordnung nach 4 im Havariefall.
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1 zeigt eine Batterieanordnung 1 mit stehender Rundzelle 3 in einer Seitenansicht im Schnitt. 2 zeigt die Batterieanordnung 1 nach 1 im Havariefall. Die 1 und 2 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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Die Batterieanordnung 1 umfasst ein Gehäuse 2 und darin angeordnet eine Rundzelle 3, die sich ausgehend von einem Fußbereich 4 mit einem zylindrischen Zellenkörper 5 entlang einer Längsachse 6 hin zu einem Kopfbereich 7 erstreckt und am Kopfbereich 7 einen in Richtung der Längsachse 6 gegenüber einer Kopfbereichsendfläche 8 hervorstehenden Rundzellenkopf 9 aufweist sowie einen ersten Kanal 10 der sich durch das Gehäuse 2 von einem Einlass 11 hin zu einem Auslass 12 erstreckt. Der erste Kanal 10 weist eine Öffnung 13 auf, durch die hindurch sich der Rundzellenkopf 9 in den ersten Kanal 10 hinein erstreckt, so dass im Havariefall (siehe 2) eine Entgasung der zumindest einen Rundzelle 3 über den Rundzellenkopf 9 in den ersten Kanal 10 erfolgt.
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Die Rundzelle 3 erstreckt sich ausgehend von einem Fußbereich 4 entlang einer Längsachse 6 mit einem zylindrischen Zellenkörper 5 hin zu einem Kopfbereich 7 und weist am Kopfbereich 7 einen in Richtung der Längsachse 6 gegenüber einer Kopfbereichsendfläche 8 hervorstehenden Rundzellenkopf 9 auf. Der Zellenkörper 5 wird durch mehrere Lagen von Elektrodenblättern (Anode und Kathode) sowie durch Separatoren gebildet. Die Lagen und Separatoren werden zunächst gestapelt angeordnet und dann miteinander um die Längsachse 6 gewickelt, so dass ein zylindrischer Zellenkörper 5 gebildet ist. Der Zellenkörper 5 weist entlang der Längsachse 6 eine konstante Querschnittsfläche auf, so dass eine Fußbereichsendfläche im Fußbereich 4 und eine Kopfbereichsendfläche 8 gleich groß sind.
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Die Rundzelle 3 weist am Kopfbereich 7 einen Rundzellenkopf 9 auf. Dieser weist quer zur Längsachse 6 eine geringere Querschnittsfläche auf als der Zellenkörper 5 bzw. die Kopfbereichsendfläche 8. Der Rundzellenkopf 9 ist im Wesentlichen konzentrisch zur Kopfbereichsendfläche 8 bzw. zum Zellenkörper 5 bzw. zur Längsachse 6 angeordnet.
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Im Havarie- bzw. Crashfall werden Bestandteile 20 der Rundzelle 3, z. B. Gas und/oder Elektrolytreste, über den Rundzellenkopf 9 aus der Rundzelle 3 abgeführt.
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In dem Gehäuse 2 ist auch ein erster Kanal 10 angeordnet. Dieser weist für jede daran angeordnete Rundzelle 3 eine Öffnung 13 auf, über die sich der jeweilige Rundzellenkopf 9 in den ersten Kanal 10 hinein erstreckt. Über den jeweiligen Rundzellenkopf 9 können Bestandteile 20 der Rundzelle 3 in den ersten Kanal 10 abgeführt werden, so dass diese nicht in das Gehäuse 2 austreten und darin befindliche andere Rundzellen 3 beschädigen können.
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Die Rundzelle 3 ist stehend in der Batterieanordnung 1 und entsprechend im Betrieb der Batterieanordnung 1 gegenüber einer Umgebung und gegenüber der Richtung der Schwerkraft angeordnet.
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Zwischen der Kopfbereichsendfläche 8 und dem ersten Kanal 10 ist ein Wärmeleitmaterial 14 angeordnet. Das Wärmeleitmaterial 14 ermöglicht ein besonders gutes Abführen von Wärme aus der Rundzelle 3 hin zum ersten Kanal 10 bzw. hin zu einem durch den ersten Kanal 10 strömenden Kühlmedium 18.
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Die Öffnung 13 ist gegenüber dem Gehäuse 2 durch das Wärmeleitmaterial 14, z. B. fluiddicht oder gasdicht, abgedichtet. Durch das Wärmeleitmaterial 14 erfolgt also eine Trennung eines innerhalb des ersten Kanals 10 angeordneten Volumens gegenüber eines innerhalb des Gehäuses 2 aber außerhalb des ersten Kanals 10 und der jeweiligen Rundzelle 3 angeordneten Volumens.
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Der Fußbereich 4 der Rundzelle 3 ist mit einem zweiten Kanal 15 wärmeleitend verbunden.
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Die Rundzelle 3 weist einen sich entlang der Längsachse 6 erstreckenden Wickeldorn 16 auf, wobei der Wickeldorn 16 mit dem Rundzellenkopf 9 wärmeleitend verbunden ist. Der Wickeldorn 16 ist zusätzlich mit dem Fußbereich 4 der Rundzelle 3 verbunden, so dass über den Wickeldorn 16 effektiv Wärme aus der Rundzelle 3 hin zu einem den ersten Kanal 10 bzw. den zweiten Kanal 15 durchströmenden Kühlmedium 18 abgeführt werden kann.
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Die Öffnung 13 ist durch eine Membran 17 verschlossen, wobei die Membran 17 im Fall einer Entgasung der Rundzelle 3 in den Kanal 10 hinein verdrängbar und zumindest teilweise zerstörbar ist.
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Der erste Kanal 10 und der zweite Kanal 15 werden im Betrieb der Batterieanordnung 1 von einem Kühlmedium 18 (z. B. einer Kühlflüssigkeit) beaufschlagt. Über das Kühlmedium 18 kann im Betrieb der Batterieanordnung 1 Wärme aus dem Gehäuse 2 abgeführt bzw. die Rundzellen 3 temperiert werden.
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Der erste Kanal 10 wird zum einen zum Kühlen bzw. Temperieren der Rundzelle 3 und zum anderen zum Abführen von im Crashfall möglicherweise aus der Rundzelle 3 austretenden Bestandteilen 20 der Rundzelle 3 verwendet.
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In diesem kombinierten Kühlungs- und Entgasungssystem für Rundzellen 3 wird das geschlossene Kühlsystem, also der erste Kanal 10, genutzt, um im Havariefalle einer oder mehrerer Rundzellen 3 die entstehenden heißen Gase bzw. Bestandteile 20 der Rundzellen 3, gerichtet und geschlossen zur Umgebung 22 hinzuführen und schließlich sicher an diese abzuleiten.
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Der erste Kanal 10 bzw. das Kühlsystem besitzt zu beiden Seiten des Gehäuses 2 einen Einlass 11 sowie einen Auslass 12. Über diese werden im Normalzustand das Kühlmedium 18 zu- bzw. abgeführt und im Havariezustand die aus der Rundzelle 3 ausgetretenen Bestandteile 20 abgeführt.
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Der erste Kanal 10 ist mit einer Abblasvorrichtung 19 strömungstechnisch verbunden, wobei im Fall eines aus der zumindest einen Rundzelle 3 in den ersten Kanal 10 hinein austretenden Bestandteils 20 der Rundzelle 3 und bei Überschreiten eines Grenzdruckes 21 in dem ersten Kanal 10 der Überdruck über die eine Abblasvorrichtung 19 an die Umgebung 22 abbaubar ist. Die Abblasvorrichtung 19 ist so angeordnet, dass der Abbau des Überdrucks an einen vorbestimmbaren Bereich außerhalb des Gehäuses 2 erfolgt.
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Dabei ist der erste Kanal 10 mit einer Mehrzahl von Abblasvorrichtungen 19 strömungstechnisch verbunden, wobei die Abblasvorrichtungen über ein Steuergerät 23 steuerbar schaltbar sind, so dass das in den ersten Kanal 10 ausgetretene Bestandteil 20 der Rundzellen 3 gezielt zu mindestens einer Abblasvorrichtung 19 hin umleitbar ist. Damit kann eine Beschädigung anderer Rundzellen 3 vermieden werden, in dem die aus der Rundzelle 3 ausgetretenen Bestandteile 20 über den ersten Kanal 10 entlang z. B. eines möglichst kurzen Weges aus dem Gehäuse 2 abgeführt werden.
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3 zeigt eine Batterieanordnung 1 mit liegenden Rundzellen 3 in einer Seitenansicht im Schnitt. Auf die Ausführungen zu den 1 und 2 wird verwiesen.
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Hier sind mehrere Rundzellen 3 übereinander angeordnet. Diese Rundzellen 3 erstrecken sich mit ihren Kopfbereichsendflächen 8 in einen ersten Kanal 10. Weitere Stapel von Rundzellen 3 sind innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet. Benachbart zueinander angeordnete Stapel sind so angeordnet, dass die Rundzellen 3 des einen Stapels mit dem Kopfbereich 7 an den ersten Kanal 10 angrenzend angeordnet sind, während die Rundzellen 3 des anderen Stapels mit dem Fußbereich 4 an den gleichen, dann als zweiten Kanal 15 bezeichneten, Kanal angrenzend angeordnet sind. Die einzelnen ersten Kanäle 10 sind mit einem gemeinsamen Einlass 11 und einem gemeinsamen Auslass 12 strömungstechnisch verbunden.
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4 zeigt eine Batterieanordnung 1 mit stehenden Rundzellen 3 in einer Draufsicht im Schnitt. 5 zeigt die Batterieanordnung 1 nach 4 im Havariefall. Die 4 und 5 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 3 wird Bezug genommen.
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Im Unterschied zu 1 und 2 sind hier eine Mehrzahl von ersten Rundzellen 3 nebeneinander stehend angeordnet.
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In dem Gehäuse 2 ist ein erster Kanal 10 angeordnet. Dieser weist für jede daran angeordnete Rundzelle 3 eine Öffnung 13 auf, über die sich der jeweilige Rundzellenkopf 9 in den ersten Kanal 10 hinein erstreckt. Über den jeweiligen Rundzellenkopf 9 können Bestandteile 20 der Rundzelle 3 in den ersten Kanal 10 abgeführt werden, so dass diese nicht in das Gehäuse 2 austreten und darin befindliche andere Rundzellen 3 beschädigen können.
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Die Öffnung 13 einer Rundzelle 3 ist durch eine Membran 17 verschlossen, wobei die Membran 17 im Fall einer Entgasung der Rundzelle 3 in den ersten Kanal 10 hinein verdrängbar und zumindest teilweise zerstörbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterieanordnung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Rundzelle
- 4
- Fußbereich
- 5
- Zellenkörper
- 6
- Längsachse
- 7
- Kopfbereich
- 8
- Kopfbereichsendfläche
- 9
- Rundzellenkopf
- 10
- erster Kanal
- 11
- Einlass
- 12
- Auslass
- 13
- Öffnung
- 14
- Wärmeleitmaterial
- 15
- zweiter Kanal
- 16
- Wickeldorn
- 17
- Membran
- 18
- Kühlmedium
- 19
- Abblasvorrichtung
- 20
- Bestandteil
- 21
- Grenzdruck
- 22
- Umgebung
- 23
- Steuergerät
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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