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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Technik zur Sicherung eines elektrischen Energiespeichers für ein Elektrowerkzeug gegen Umweltgefährdung.
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Ein elektrischer Energiespeicher kann beispielsweise für den Betrieb eines kabellosen elektrischen Handwerkzeugs verwendet werden. Derartige Handwerkzeuge umfassen beispielsweise einen Akkuschrauber, eine Leuchten, eine Säge und ähnliche Geräte. Der Energiespeicher ist dabei üblicherweise dazu eingerichtet, elektrische Energie im Bereich mehrerer zehn Wattstunden (Wh) zu speichern. Dazu umfasst der Energiespeicher eine oder mehrere Energiezellen, in denen die elektrische Energie aufgenommen ist. Dabei können unterschiedliche Technologien angewendet werden, beispielsweise Nickel-Metallhydrid (NiMh) oder Lithium-Ionen (Li-Ion).
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Die Energiezellen sind üblicherweise hermetisch verschlossen, um ein Austreten von Chemikalien zu verhindern. Zwar verfügen einige Typen von Energiezellen über ein Sicherheitsventil, über das ein Gas entweichen kann, das insbesondere während eines Überladens entstehen kann, jedoch ist die Kapselung der Energiezellen ansonsten vollständig. Wird eine der Energiezellen aufgebrochen, beispielsweise in Folge eines Aufpralls, so kann ein Elektrolyt entweichen, das feuergefährlich sein kann. Ferner kann beim Aufbrechen der Energiezelle ein Kurzschluss entstehen, der eine Brandgefahr steigern kann. In seltenen Fällen kann eine mechanisch beschädigte Energiezelle auch explodieren. Außerdem zumindest einige der üblicherweise in den Energiezellen verwendeten Chemikalien als gesundheitsschädlich einzustufen.
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Zum Schutz einer Umgebung gegen Gefährdung durch eine aufgebrochene Energiezelle werden die Energiezellen im Energiespeicher üblicherweise passiv durch ein Gehäuse geschützt. Weitere passive Schutzmaßnahmen können stoßdämpfendes Material umfassen, das zwischen dem Gehäuse und den Energiezellen angeordnet ist.
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Trotzdem ereignen sich gelegentlich Unfälle mit elektrischen Energiespeichern der genannten Art, bei denen es zu einer Umweltgefährdung kommen kann. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einer Umweltgefährdung durch einen Energiespeicher aufgrund einer mechanischen Einwirkung zu reduzieren. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Energiespeichers und eines Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Nach einem ersten Aspekt umfasst ein erfindungsgemäßer mobiler Energiespeicher, insbesondere zum Betrieb eines Elektrowerkzeugs, mindestens eine hermetisch verschlossene Energiezelle, einen Sensor zur Bestimmung eines Umgebungsparameters des Energiespeichers und eine Steuereinrichtung zur Bestimmung einer Gefährdung der Energiezelle auf der Basis des Umgebungsparameters.
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Dadurch ist es auch möglich, eine Gefährdung einer Umgebung durch einen beschädigten Energiespeicher, beispielsweise mit einer aufgebrochenen Energiezelle, frühzeitig zu bestimmen. Aufgrund der bestimmten Gefährdung können und Maßnahmen abgeleitet werden, um die Gefährdung zu verringern bzw. zu verhindern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Sensor einen Beschleunigungssensor und der Umgebungsparameter weist auf einen freien Fall des Energiespeichers hin. Der Sensor kann ein Mehrachsen-Sensor sein, insbesondere ein Dreiachsen-Sensor, der beispielsweise als mikromechanisches Bauteil ausgebildet ist. Der freie Fall kann erfasst werden, wenn Beschleunigungswerte des Sensors in allen drei Raumachsen nahe Null sind. In einer weiteren Ausführungsform kann die kinetische Energie des Energiespeichers auf der Basis einer Zeitdauer bestimmt werden, die sich der Energiespeicher im freien Fall befindet. Erreicht die kinetische Energie einen vorbestimmten Schwellenwert, so kann eine Gefährdung bestimmt werden.
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In einer ersten Variante umfasst der Energiespeicher ferner einen Speicher, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, auf der Basis des Umgebungsparameters Informationen im Speicher abzulegen, die auf Umstände der Gefährdung hinweisen.
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Beispielsweise kann festgehalten werden, wie stark oder wie häufig ein Umwelteinfluss ist, der die Gefährdung bewirken kann. Der Energiespeicher kann beispielsweise außer Betrieb genommen werden, wenn davon ausgegangen werden muss, dass die passive Sicherheit des Energiespeichers nicht mehr ausreicht, um den Aufbruch der Energiezelle dauerhaft sicher zu verhindern. Außerdem können so Informationen über die Strukturfestigkeit des Energiespeichers gesammelt werden, deren spätere Auswertung, insbesondere über eine Vielzahl Energiespeicher, eine verbesserte Konstruktion des Energiespeichers erlauben kann.
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In einer zweiten Variante, die mit der ersten Variante kombiniert werden kann, umfasst der Energiespeicher zusätzlich eine aktive Sicherheitseinrichtung, um der Gefährdung entgegenzuwirken. Die aktive Sicherheitseinrichtung kann etwa dazu beitragen, eine mögliche Umweltgefährdung durch einen Aufbruch der Energiezelle zu minimieren. Die passive Sicherheit des mobilen Energiespeichers kann so durch eine aktive Komponente sinnvoll ergänzt werden, sodass die Umweltgefährdung des mobilen Energiespeichers insgesamt verringert ist.
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Dabei kann die Sicherheitseinrichtung einen elektrischen Schalter zum Auftrennen einer elektrischen Verbindung der Energiezelle umfassen. Ein Strom durch die Energiezelle kann dadurch abgeschaltet werden, sodass beispielsweise die Gefahr einer Entzündung eines in der Energiezelle vorgesehenen Elektrolyts reduziert ist.
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Die Sicherheitseinrichtung kann auch ein aktives Hilfsmittel zur Begrenzung eines Strukturschadens der Energiezelle durch einen Aufprall des Energiespeichers auf einen Gegenstand umfassen. Beispielsweise kann die Sicherheitseinrichtung einen aufblasbaren Prallsack zur Dämpfung eines Aufpralls des Energiespeichers umfassen. Analog zu einem sogenannten Airbag zum Schutz einer Person in einem Kraftfahrzeug kann der Prallsack dazu beitragen, eine kinetische Energie des Energiespeichers beim Aufprall auf einen Gegenstand weniger schnell zu reduzieren, sodass verminderte Beschleunigungskräfte auf den Energiespeicher wirken. Ein Strukturschaden an der Energiezelle, der beispielsweise zu ihrem Aufbrechen führen kann, kann so reduziert sein.
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In einer anderen Ausführungsform kann die Sicherheitseinrichtung einen Fallschirm zur Abbremsung einer Bewegung des Energiespeichers durch die Luft umfassen. Dabei kann die kinetische Energie des Energiespeichers noch vor einem Aufprall auf einen Gegenstand reduziert werden, sodass ein Strukturschaden an der Energiezelle infolge des Aufpralls ebenfalls reduziert sein kann.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst der Sensor einen Beschleunigungssensor und der Umgebungsparameter weist auf einen Aufprall des Energiespeichers auf einen Gegenstand hin. Dabei können bestimmte Beschleunigungswerte einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigen und so darauf hinweisen, dass gerade ein Aufprall des Energiespeichers auf einen anderen Gegenstand stattfindet. In dieser Ausführungsform kann die Bestimmung der Gefährdung in dem Moment bestimmt werden, in dem der Schaden potentiell eintritt. Diese Vorgehensweise ist vergleichbar mit der Technik, die an einem Kraftfahrzeug zum Auslösen eines Airbags verwendet wird.
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In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Sensor einen akustischen Sensor zur Erfassung eines Aufprallgeräuschs des Energiespeichers auf einen Gegenstand umfassen. Der akustische Sensor kann dazu eingerichtet sein, Körperschall einer Komponente des Energiespeichers oder Luftschall aufzunehmen. Auch hier erfolgt eine Bestimmung der Gefährdung im Moment des Schadenseintritts.
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Der Sensor kann auch einen Drucksensor zur Bestimmung einer Deformation eines Gehäuses des Energiespeichers umfassen, wobei der Umgebungsparameter auf einen Aufprall auf einen Gegenstand hinweist. Der Drucksensor kann einfach und kostengünstig am Gehäuse des Energiespeichers vorgesehen sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der Sensor auch eine physikalische Deformation des Gehäuses bestimmen. Hierzu kann der Sensor beispielsweise einen Dehnungsmessstreifen umfassen, der mit dem Gehäuse verbunden ist.
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Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Energiespeichers, der insbesondere zum Betrieb eines Elektrowerkzeugs eingerichtet ist, Schritte des Erfassens eines Umgebungsparameters des Energiespeichers und des Bestimmens einer Gefährdung einer hermetisch verschlossenen Energiezelle des Energiespeichers auf der Basis des Umgebungsparameters.
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Das Verfahren kann insbesondere durch eine Steuereinrichtung ausgeführt werden, die in einem bekannten Energiespeicher mit Energiezellen der oben diskutierten Art zur Steuerung eines Lade- oder Endladevorgangs der Energiezelle bereits vorgesehen ist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen
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1 eine Prinzipdarstellung eines elektrischen Energiespeichers;
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2 Ausführungsformen einer Sicherheitseinrichtung des elektrischen Energiespeichers von 1;
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3 ein Ablaufdiagramm eines ersten Verfahrens für den elektrischen Energiespeicher aus 1, und
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4 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Verfahrens für den elektrischen Energiespeicher aus 1 darstellt.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines elektrischen Energiespeichers 100. Der elektrische Energiespeicher 100 ist ein mobiler Energiespeicher, der insbesondere zum Betrieb eines kabellosen Elektrowerkzeugs vorgesehen ist. Der Energiespeicher 100 ist vorzugsweise als sogenanntes Akkupack ausgeführt und üblicherweise dazu eingerichtet, Energien im Bereich von mehreren zehn Wattstunden, etwa 30–85 Wh, zu speichern. Der Energiespeicher 100 umfasst ein Gehäuse 105, eine oder mehrere Energiezellen 110, eine Steuereinrichtung 115, einen Sensor 120 und Anschlüsse 125 zur externen Verbindung mit einem elektrischen Verbraucher oder einem Ladegerät. Ferner können ein Speicher 130 und/oder eine Sicherheitseinrichtung 135 vorgesehen sein. Die Sicherheitseinrichtung 135 kann in unterschiedlichen Ausführungsformen vorliegen, von denen eine einen oder mehrere elektrische Schalter 140 umfasst. Die elektrischen Schalter 140 sind dazu eingerichtet, eine elektrische Verbindung wenigstens einer der Energiezellen 110 zu unterbrechen.
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In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist ferner eine Schnittstelle 145 vorgesehen, die zum Austausch von Informationen zwischen der Steuereinrichtung 115 und einer Komponente außerhalb des Gehäuses 105 eingerichtet ist. Die Steuereinrichtung 115 ist dazu eingerichtet, mittels des Sensors 120 wenigstens einen Umgebungsparameter des Energiespeichers 100 abzutasten und auf der Basis des abgetasteten Umgebungsparameters einen bevorstehenden Aufbruch einer der Energiezellen 110 zu bestimmen. Dazu kann der Sensor 120 in unterschiedlichen Ausführungsformen vorliegen.
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In einer Variante umfasst der Sensor 120 einen Dreiachsen-Beschleunigungssensor. Die Messrichtungen der drei Achsen sind voneinander linear unabhängig. Der Beschleunigungssensor kann insbesondere einen mikromechanischen Sensor zur quantifizierenden Bestimmung der Beschleunigung des Energiespeichers 100 in den drei Raumrichtungen umfassen. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 115 dazu eingerichtet sein, den bevorstehenden Aufbruch einer der Energiezellen 110 zu erfassen, falls die Beschleunigungswerte des Sensors 122 in allen drei Raumrichtungen nahe Null liegen, sodass von einem freien Fall ausgegangen werden kann. In einer Variante kann erst dann von einem bevorstehenden Aufbruch einer Energiezelle 110 ausgegangen werden, wenn der freie Fall länger als eine vorbestimmte Zeitdauer vorliegt.
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In einer ähnlichen Ausführungsform ist der Sensor 120 wieder ein Beschleunigungssensor, jedoch ist die Verarbeitungseinrichtung 115 dazu eingerichtet, eine Beschleunigung des Energiespeichers 100 während eines Aufpralls auf einen Gegenstand zu bestimmen. In diesem Fall kann der Beschleunigungssensor auch ein binäres Signal bereitstellen, das angibt, ob eine vorbestimmte Beschleunigung bereits überschritten wurde. Dafür kann wie zuvor ein mikromechanischer Sensor verwendet werden oder beispielsweise auch ein mechanischer Sensor, bei dem eine Testmasse so aufgehängt ist, dass ein elektrischer Kontakt hergestellt oder unterbrochen wird, wenn eine vorbestimmte Beschleunigung auf die Testmasse wirkt. Ein derartiger mechanischer Sensor kann in einer Ausführungsform auch nur zum einmaligen Gebrauch vorgesehen sein.
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In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst der Sensor 120 einen akustischen Sensor zur Erfassung eines Aufprallgeräuschs des Energiespeichers 100 auf einen Gegenstand. Dazu kann der Sensor 120 Luftschall oder Körperschall, insbesondere des Gehäuses 105, abtasten.
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In wieder einer weiteren Ausführungsform umfasst der Sensor 120 einen Drucksensor, der eine Deformation des Gehäuses 105 während des Aufpralls des Energiespeichers 100 auf einen Gegenstand abtastet. Der Sensor 120 kann auch einen Dehnungsmessstreifen umfassen, der mit dem Gehäuse 105 verbunden ist und eine Deformation des Gehäuses 105 während eines Aufpralls auf einen Gegenstand bestimmt.
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Die Art der Verarbeitung des Sensorsignals durch die Verarbeitungseinrichtung 115 ist auf die Art und die Einbaulage des Sensors 120 abgestimmt. Das Bestimmen des bevorstehenden Aufbruchs einer der Energiezellen 110 kann, wie oben beschrieben wurde, entweder vor oder während einem Aufprall des Energiespeichers 105 auf einen Gegenstand erfolgen. Dabei können auch beide Vorgehensweisen miteinander kombiniert werden. Die Verarbeitungseinrichtung 115 ist ferner dazu eingerichtet, den bevorstehenden Aufbruch einer der Energiezellen 110 aktiv oder passiv weiterzuverarbeiten. Es können auch beide Verarbeitungsarten miteinander kombiniert sein.
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In der passiven Variante speichert die Verarbeitungseinrichtung 115 im Speicher 130 Informationen ab, die sie auf der Basis der Messungen des Sensors 120 bestimmt hat. Dabei sind die Informationen so ausgewählt, dass ein Hergang eines Schadensereignisses am Energiespeicher 100 möglichst genau rekonstruiert werden kann. Diese Informationen können beispielsweise eine Falldauer, eine Beschleunigungsstärke, einen Ladezustand oder einen Ausmaß eines Schadens umfassen. Ferner können alle Informationen mit einem Zeitstempel versehen sein. Es können auch Ereignisse gezählt werden, beispielsweise wie oft der Energiespeicher 100 einem Stoß bzw. einer Bescheunigung ausgesetzt ist, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
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Die gesammelten Informationen können in bevorzugter Weise mittels der Schnittstelle 145 aus dem Speicher 130 abrufbar sein. Eine externe Komponente kann auf der Basis der gesammelten Informationen einen allgemeinen Zustand des Energiespeichers 100 bewerten, um beispielsweise dessen Betriebssicherheit einzuschätzen. Ein nicht mehr betriebssicherer Energiespeicher 100 kann von der weiteren Verwendung ausgeschlossen werden. Die gespeicherten Informationen können ferner dazu verwendet werden, abzuschätzen, welchen Belastungen der Energiespeicher 100 ausgesetzt war. Diese Informationen können in Zusammenhang gesetzt werden mit einem tatsächlichen Schaden, der am Energiespeicher 100 und insbesondere an einer der Energiezellen 110 eingetreten ist. So kann einerseits über eine Vielzahl Energiespeicher 100 bestimmt werden, welchen Belastungen die Energiespeicher 100 üblicherweise ausgesetzt sind, andererseits kann eine passive Sicherheit der Energiespeicher 100 an die bestimmten Belastungen angepasst werden. Dies betrifft insbesondere einen mechanischen Aufbau des Gehäuses 105, das den größten Teil des passiven Schutzes des Energiespeichers 100 und insbesondere der Energiezellen 110 bereitstellt.
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In der aktiven Variante ist die Steuereinrichtung 115 dazu eingerichtet, vor oder während eines Aufbruchs einer der Energiezellen 110 die Sicherheitseinrichtung 135 zu aktivieren. Wie oben bereits beschrieben wurde, kann die Sicherheitseinrichtung 135 einen oder mehrere Schalter 140 umfassen. Zusätzlich oder alternativ können auch andere Maßnahmen zur Verhinderung oder Begrenzung eines mechanischen Schadens am Energiespeicher 100 ergriffen werden, die anhand der folgenden Figuren erläutert werden sollen.
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2 zeigt Ausführungsformen der Sicherheitseinrichtung 135 des elektrischen Energiespeichers 100 aus 1. 2A zeigt eine erste Variante, bei der die Sicherheitseinrichtung 135 einen Fallschirm 205 umfasst, der durch die Steuereinrichtung 115 ausgestoßen wird und dazu eingerichtet ist, eine Bewegung des Energiespeichers 100 durch Luft abzubremsen. Insbesondere in der Variante, in der ein freier Fall des Energiespeichers 100 bestimmt wird, kann der Fallschirm 210 ausgebreitet werden, noch bevor der Energiespeicher 100 seinen Fall beendet. Dadurch kann die kinetische Energie des Energiespeichers 100 reduziert werden, um einen Strukturschaden am Energiespeicher 100 und insbesondere den Energiezellen 110 zu reduzieren.
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2B zeigt eine Variante, in der die Sicherheitseinrichtung 135 einen aufblasbaren Prallsack 210 umfasst, der durch die Steuereinrichtung 115 aufgeblasen wird und an einer oder mehreren Seiten des Energiespeichers 100 angeordnet ist. Der Prallsack 210 kann beispielsweise pyrotechnisch oder mittels eines pneumatischen Druckspeichers aufgeblasen werden, nachdem bevorstehender oder bereits eintretender Aufbruch einer der Energiezellen 110 bestimmt wurde. Auch der Prallsack 210 wird vorzugsweise in Kombination mit der Bestimmung des freien Falls des Energiespeichers 100 verwendet, wie oben mit Bezug auf 1 genauer beschrieben ist.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines ersten Verfahrens 300, der zur oben beschriebenen passiven Verarbeitung korrespondiert. In einem ersten Schritt 305 wird der Sensor 120 abgetastet. Die Daten des Sensors 120 werden in einem folgenden Schnitt 310 im Speicher 130 abgelegt. Danach wird in einem Schritt 315 überprüft, ob ein Aufbruch einer der Energiezellen 110 bevorstehend bzw. eingetreten ist. Diese Bestimmung kann auf der Basis der Daten des Sensors 120 durchgeführt werden. Der Aufbruch kann als bevorstehend bzw. eingetreten gelten, wenn eine Wahrscheinlichkeit des Aufbruchs als ausreichend hoch eingestuft wurde. Die Bestimmung dieser Wahrscheinlichkeit wird unten mit Bezug auf 4 noch genauer beschrieben.
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Ist der Aufbruch nicht eingetreten, so kehrt das Verfahren 300 zurück zum Schritt 305 und kann erneut durchlaufen. Für das Verfahren 300 kann der Speicher 130 insbesondere als Ringspeicher angelegt sein, bei dem die jeweils ältesten Werte überschrieben werden, wenn der Speicher 130 gefüllt ist. Wurde bestimmt, dass der Aufbruch einer der Energiezellen 110 eingetreten ist, so wird die Datenspeicherung in einem Schritt 320 beendet. Der Speicher 130 enthält dann Informationen, die einen vorbestimmten Zeitraum vor dem Aufbruch betreffen.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines zweiten Verfahrens 400 für den elektrischen Energiespeicher 100 aus 1. Das Verfahren 400 ist mit dem Verfahren 300 kombinierbar. In einem ersten Schritt 405 wird der Sensor 120 abgetastet, wie im Schritt 305 des ersten Verfahrens 300 beschrieben ist.
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In einem Schritt 410 wird bestimmt, ob ein Aufprall des Energiespeichers 100 auf einen Gegenstand bevorsteht. Diese Bestimmung kann insbesondere auf der Basis eines erfassten freien Falls des Energiespeichers 100 erfolgen. In einer Variante kann auch bestimmt werden, dass der Aufprall bereits eintritt. Insbesondere dann, wenn der Sensor 120 zur Abtastung eines Umgebungsparameters des Energiespeichers 100 eingerichtet ist, der auf eine unmittelbar eintretende Schadenswirkung auf den Energiespeicher 100 reagiert, kann im Schritt 410 der Aufprall bestimmt werden.
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Ist kein Aufprall bevorstehend bzw. im Gang, so kehrt das Verfahren 400 zum Schritt 405 zurück und kann erneut durchlaufen. Anderenfalls wird in einem Schritt 415 bestimmt, ob ein Aufbruch einer der Energiezellen 410 wahrscheinlich ist. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn sich der Energiespeicher 100 länger als eine vorbestimmte Zeit im freien Fall befindet oder eine auf dem Energiespeicher 100 einwirkende Impulskraft einen vorbestimmten Stellenwert übersteigt. Die Wahrscheinlichkeit des Aufbrechens einer der Energiezellen 110 wird also auf der Basis des Signals des Sensors 120 bestimmt, vorzugsweise durch vergleichen eines Schwellenwerts.
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Wird der Aufbruch als unwahrscheinlich bestimmt, so kehrt das Verfahren 400 zum Schritt 405 zurück und kann erneut durchlaufen. Andernfalls wird in einem Schritt 420 die Sicherheitseinrichtung 435 ausgelöst. Das Auslösen der Sicherheitseinrichtung 135 kann reversibel oder irreversibel sein.
