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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Vorrichtungen zur Kühlung von Batterien, und insbesondere der Batterien eines Fahrzeugs mit Elektro- und/oder Hybridantrieb. Sie betrifft eine Vorrichtung dieser Art zur Kühlung durch Luftzirkulation um mehrere nebeneinanderliegende Batterieelemente herum.
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Stand der Technik
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Fahrzeuge mit Hybridantrieb haben bekanntlich einen doppelten Antrieb, Verbrennungsmotor und Elektromotor, die wechselweise oder miteinander kombiniert zum Einsatz kommen. Fahrzeuge mit Elektroantrieb hingegen sind allein mit einem elektrischen Antrieb ausgeführt. Die elektrische Energie der Fahrzeuge mit Elektro- oder Hybridantrieb wird von einem Batteriemodul geliefert, insbesondere NiMH- oder Lithiumionen-Batterie, das mehrere Batterieelemente umfasst, in der Größenordnung von 50 bis 400, die in Serien- oder Serien-ParallelSchaltung angeordnet sind. Im Falle einer Serienschaltung sind die Batterieelemente in aneinander angrenzenden Säulen angeordnet, wobei jede Säule mehrere axial aneinanderstoßende Batterieelemente aufweist.
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Ein Problem besteht im Betrieb der Batterien über einen gegebenen Temperaturbereich. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Batterien zu kühlen. Es wurde vorgeschlagen, sie in ein Gehäuse einzubringen, in dessen Innerem mittels eines Gebläses oder dergleichen ein Luftstrom erzeugt wird, damit die Luft zwischen den Batterieelementen zirkuliert. Es sei beispielsweise auf die Druckschriften
FR 2 829 619 A1 (PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES S.A.),
US 5 320 190 A (AUDI NSU AUTO UNION AG),
WO 99/43 509 A2 (EXIDE CORP) und
EP 1 376 733 A2 (TOYOTA MOTOR CO LTD) verwiesen.
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Die gattungsgemäße
EP 1 153 803 A2 zeigt eine Baugruppe mit einer Batteriesäule, die in einem ersten Raum angeordnet ist, der mit einem zweiten, ein Gebläse enthaltenden Raum verbunden ist. Die Luft gelangt durch eine Einlassöffnung in den ersten Raum und verlässt diesen durch eine zum Gebläse führende Auslassöffnung, wobei die Luft zwischen den einzelnen Batteriezellen der Säule hindurch und an dieser entlang strömt.
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In der
EP 1 026 770 A1 ist eine Baugruppe beschrieben, bei der mehrere Batteriesäulen in einem Gehäuse aufgenommen sind. An einer Stirnseite des Gehäuses ist ein Gebläse angeordnet, das Luft durch eine gegenüberliegend im Gehäuse angeordnete Einlassöffnung ansaugt. Die Batteriesäulen sind quer zum Luftstrom ausgerichtet. Zur Verwirbelung der durchströmenden Luft sind im Bereich der Einlassöffnung und an der Innenwand des Gehäuses Verwirbelungselemente vorgesehen.
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Eine zu überwindende Schwierigkeit liegt vor allem darin, eine wirkungsvolle, regulierte und gleichmäßige Kühlung der Batterien insgesamt zu erzielen, unabhängig davon, an welcher Stelle sie im Inneren des Moduls liegen. Insbesondere wird angestrebt, die Lebensdauer der Batterien über eine Minimierung ihrer radialen und axialen Temperaturgradienten zu erhöhen, so dass eine Temperatur von etwa 30°C an der Außenfläche der Batterien nicht überschritten wird. Da bereits ein radialer Gradient von 10 bis 20°C besteht, wenn die Batterien unter Höchstlast stehen, ergibt sich daraus, dass die Temperatur der Batterien an der Außenfläche so gleichmäßig wie möglich sein muss, und insbesondere, dass die Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten an der Außenfläche der Batterien 5°C nicht übersteigen darf. Im übrigen muss auch die Gesamtheit der Batterieelemente beim Laden und beim Entladen das gleiche Verhalten zeigen. Daraus ergibt sich schließlich, dass eine Temperaturdifferenz zwischen der in das Batteriemodul eintretenden Luft und der daraus austretenden Luft in der Größenordnung von höchstens 5°C angestrebt wird, um eine derartige Homogenität der Temperatur an der Außenfläche der Batterien zu erhalten.
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Es wird also eine optimale Ausnutzung des Luftstroms für eine wirkungsvolle Batteriekühlung bei geringst möglichem Energieverbrauch angestrebt.
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Darüber hinaus kann die um die Batterien zirkulierende Luft von den Batterien verunreinigt werden und muss nach außen abgeführt werden, um eine Vergiftung der Fahrzeuginsassen zu vermeiden. Daraus folgt ferner, dass Vorkehrungen für die Dichtigkeit der Vorrichtung getroffen werden müssen. Außerdem kann aufgrund der Öffnung der Vorrichtung zur Außenseite hin eine Lärmbelästigung entstehen. Die Vorrichtung sollte so ausgelegt sein, dass eine solche Belästigung gering gehalten wird.
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Die Ausführung der Vorrichtung soll für die verschiedenen dargelegten Probleme Lösungen bieten, ohne jedoch einen nicht akzeptablen Raumbedarf bei einem Einbau in einem möglichst kleinen Raum des Fahrzeugs zu erfordern.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Baugruppe mit einer Vorrichtung zur Kühlung von Batterien insbesondere eines Hybridfahrzeugs vorzuschlagen, mit der die oben erläuterten Probleme und Schwierigkeiten beseitigt werden.
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Die erfindungsgemäße Baugruppe weist hierzu die Merkmale des Anspruchs 1 auf.
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Daraus geht hervor, dass die Batterien von der Luft, die mittels des Gebläses zugeführt und zur Außenseite des Insassenraumes abgeführt wird, wirksam gekühlt werden, ohne dass dadurch hinderliche, physische oder Lärmbelästigungen für die Fahrzeuginsassen verursacht werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Maßnahmen noch vervollständigt werden können, um eine gleichmäßige Batteriekühlung zu optimieren.
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Der erste Raum ist vorteilhaft mit Mitteln zur Veränderung der Dynamik der ihn durchströmenden Luft ausgehend von einer axialen Luftzirkulation entlang den Batteriesäulen versehen. Dabei ist vorgesehen, dass die Kühlleistung der Vorrichtung längs des Weges der den ersten Raum durchströmenden Luft konstant und die Temperatur an der Außenfläche der Batterien gleichmäßig ist, und zwar ungeachtet dessen, wo sie im einzelnen im Inneren des Raumes angeordnet sind. Des weiteren geht daraus hervor, dass der zur Kühlung der Batterien erforderliche Luftstrom verringert werden kann, womit in vorteilhafter Weise ein verringerter Energieverbrauch der Vorrichtung sowie weniger Lärmbelästigung verbunden ist. Ferner ergibt sich aus diesen Maßnahmen eine Ausnutzung der axialen Abmessung der Vorrichtung zur Unterbringung der Mittel zur Veränderung der Luftdynamik, ohne dass der Platzbedarf der Vorrichtung erhöht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante weist der erste Raum an der Seite der Säulen, insbesondere quer zu deren Längsachse, angeordnete Lufteinlassmittel sowie Leitmittel für die zugeführte Luft zu einem stromaufwärtigen Belüftungsraum auf, der in einer zu den Batteriesäulen im wesentlichen senkrechten Ebene angeordnet ist, um eine axiale Luftzirkulation an den Säulen entlang zu einem stromabwärtigen Belüftungsraum zu bewirken, der im wesentlichen senkrecht zu den Batteriesäulen ist. Damit wird insbesondere auf die Homogenisierung der Luftzirkulation stromaufwärts bis stromabwärts der Batterien abgestellt.
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Der erste Raum weist insbesondere eine Lufteinlassöffnung und eine Luftauslassöffnung auf, die an den Seiten der Batteriesäulen vorgesehen sind. Die Einlass- und die Auslassöffnung münden in jeweils ein seitliches Lufteintritts- bzw. Luftaustrittsellenbogenrohr. Diese Rohre stehen mit dem stromaufwärtigen bzw. dem stromabwärtigen Belüftungsraum derart in Verbindung, dass die Luft im wesentlichen senkrecht zu den Säulen zugeführt wird, durch ein stromaufwärtiges Ellenbogenrohr zum stromaufwärtigen Belüftungsraum geleitet wird, dann axial an den Batteriesäulen entlang zum stromabwärtigen Belüftungsraum zirkuliert und danach durch ein stromabwärtiges Ellenbogenrohr seitlich abgeführt wird.
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Vorzugsweise ist stromaufwärts des stromaufwärtigen Belüftungsraums eine Luftströmungsdrosseldüse angeordnet, insbesondere in der Nähe der Abwinkelung des stromaufwärtigen seitlichen Rohres. Hierbei ist vorgesehen, dass das Druckgefälle im stromaufwärtigen Belüftungsraum durch eine Zunahme der Luftgeschwindigkeit zum stromabwärtigen Raum hin ausgeglichen wird.
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Das Volumen des stromaufwärtigen Belüftungsraums ist vorzugsweise größer als das Volumen des stromabwärtigen Belüftungsraums. Durch diese Anordnung wird die Luftzirkulation aufgrund eines zwischen dem stromaufwärtigen Raum und dem stromabwärtigen Raum erzeugten Druckunterschieds gefördert.
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Der erste Raum weist vorzugsweise Mittel zum Hervorrufen von Wirbeln und/oder einer Beschleunigung der ihn durchströmenden Luft auf.
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Die Batteriesäulen sind erfindungsgemäß in jeweils einer Hülse aufgenommen, die eine variable, von ihrem stromabwärtigen Ende zu ihrem stromaufwärtigen Ende hin abnehmende Dicke haben. Dadurch wird die Erwärmung der Luft in Kontakt mit den Batterien durch einen Anstieg der Luftgeschwindigkeit zum stromabwärtigen Ende der Hülsen hin ausgeglichen, um eine gleichmäßigere Wirkung der Batteriekühlung durch die Luft zu erhalten.
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Die Hülsen sind insbesondere durch Streben ausgesteift, durch die Durchgänge zur axialen Luftzirkulation zwischen und entlang den Batteriesäulen entstehen, und sind vorzugsweise mit radialen Haltestegen für die Batteriesäulen versehen, mit denen um die Säulen herum Kammern zur axialen Luftzirkulation gebildet sind.
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Die Batteriesäulen sind vorzugsweise mit einem Mantel umhüllt, der vorteilhaft Rippen für einen Kontakt mit den Hülsen aufweist, um den Wärmeaustausch zwischen den Batterien und der zwischen dem Mantel und den Hülsen axial zirkulierenden Luft zu fördern.
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Überdies im besonderen und vor allem in dem Fall, dass der Lufteinlass axial ausgeführt ist, sind der Lufteinlassöffnung gegenüberliegend in Richtung auf die Batteriesäulen Einsatzteile angeordnet, damit die Luftströmung zu den der Einlassöffnung gegenüberliegenden Batteriesäulen teilweise verhindert und die Luftverteilung zu den anderen Batteriesäulen gefördert wird. Bei dieser Anordnung wird die Luft eher zu den von der Einlassöffnung entfernt gelegenen Batterien geleitet. Die Einsatzteile stehen beispielsweise aus den Hülsen vor, die die Batteriesäulen umgeben.
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Besonders in dem Fall, dass der Lufteinlass axial ausgebildet ist, sind die Batteriesäulen, die der Lufteinlassöffnung ins Innere des ersten Raumes am nächsten liegen, vorzugsweise teilweise isoliert. Die Isolierung der entsprechenden Batteriesäulen wird vorteilhaft von dem Mantel getragen oder aber wird aus Ringen gebildet, die die Säulen verkleiden.
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Insbesondere zur Förderung des Wärmeaustauschs zwischen den Batterien und der Luft ist ferner vorteilhaft an jeder der Anoden der am Ende der entsprechenden Säulen befindlichen Batterien ein Wärmeübertragungselement, insbesondere aus Aluminium oder einem ähnlichen Werkstoff, angebracht. Dieses Wärmeübertragungselement ist zum Beispiel aus einem stranggepressten Rohr ausgebildet, das an die Anode angeschlossen ist, die ein Wärmetauschelement trägt, oder auch aus einer mit Lamellen versehenen und von den Rohren gemeinsam gestützten Platte gebildet. Die Lamellen sind vorzugsweise bezüglich der Längsachse der Säulen geneigt und über die Dicke der Platte hinaus verlängert.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist die mit Lamellen versehene Platte aus einem insbesondere mittels Schweißen, Löten oder eines ähnlichen Verfahrens mit dem Rohr fest verbundenen Gitter gebildet. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante ist das Wärmetauschelement aus einer Rundscheibe mit Flügeln gebildet. Da die Säulen innerhalb der Hülsen aufgenommen sind, weisen diese vorzugsweise eine Einrichtung auf, mit der die Rundscheiben mit den Flügeln gegenüber der entsprechenden Batteriesäule in axialer Richtung gehalten sind.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Batteriesäulen innerhalb von Zellen untergebracht, die aus mehreren gestapelten Platten gebildet sind, welche Durchgangsfenster für die Säulen aufweisen. Diese Platten weisen insbesondere Mittel wie etwa Durchbrüche oder dergleichen auf, um Grenzschichtablösungen der durch diese Mittel zirkulierenden Luft zu bewirken. Vorzugsweise haben die Fenster am Rand radiale Schlitze, damit zwischen den Batteriesäulen und den Platten ein enger Kontakt hergestellt und der Wärmeaustausch dazwischen gefördert wird. Die radialen Schlitze sind zum Beispiel Ausschnitte, mit denen in vorteilhafter Weise umgebogene Abschnitte ausgebildet werden, die Klemmschellen für die Batteriesäulen bilden. Die umgebogenen Abschnitte bilden vorteilhaft Abstandshalter von einer Platte zu einer anderen.
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Der zweite Raum ist vorzugsweise in Richtung der Luftzirkulation hinter dem ersten Raum angeordnet, insbesondere am Heck des Fahrzeugs, damit die Verringerung der Lärmbelästigungen optimiert ist.
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Vorteilhaft ist das Gebläse mit elektronischen Steuermitteln zu seiner Verwendung versehen. Damit soll im Inneren des ersten Raumes ein kontrollierbarer Luftdurchsatz sichergestellt sein, insbesondere im Hinblick auf eine zulässige Temperaturdifferenz in der Größenordnung von 5°C zwischen der in das Innere des ersten Raumes eintretenden Luft und der daraus austretenden Luft. Zudem werden diese Steuermittel zur Beherrschung des im Innenraum des Fahrzeugs entstehenden Luftverlusts genutzt, der gegebenenfalls durch die aus dem Inneren des Insassenraumes zur Kühlung der Batterien abgezogene Luft verursacht wird, und zwar entweder unmittelbar oder über eine Lüftungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlage, wie weiter unten beschrieben wird.
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Gemäß unterschiedlicher Ausführungsvarianten erzeugen die elektronischen Steuermittel entweder einen Ein-Aus-Betrieb des Gebläses oder aber eine variable Drehzahl des Gebläses.
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Die Einlassöffnung und die Auslassöffnung sind vorzugsweise jeweils mit einem Rückschlagventil versehen, insbesondere um zu vermeiden, dass die austretende Luft ins Innere des Fahrzeuginnenraums zurückgedrückt wird bzw. Abgase ins Innere des ersten oder des zweiten Raumes gelangen, falls die Vorrichtung am Heck des Fahrzeugs in der Nähe des Auspufftopfes angeordnet ist.
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Gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen können der erste und der zweite Raum entweder in demselben Gehäuse oder auch in Gehäusen vorgesehen sein, die miteinander in Verbindung stehen.
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Bei einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der zweite Raum die Auslassöffnung und wenigstens eine Einlassmündung aufweist, die mit einer Auslassmündung des ersten Raumes verbunden ist, wobei der zweite Raum insbesondere am ersten Raum befestigt ist.
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Das Gebläse weist vorzugsweise wenigstens zwei Turbinen auf, von denen jede einer Einlassmündung des zweiten Raumes zugeordnet ist, wobei die Einlassmündungen mit einer entsprechenden Auslassmündung des ersten Raumes in Verbindung stehen. Dies ermöglicht eine geeignete Luftzirkulation von dem einen zum anderen Raum, jedoch ohne dass die Vorrichtung dabei in hinderlicher Weise mehr Platz benötigt.
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Die Auslassöffnung und die Einlassöffnung des zweiten Raumes sind vorzugsweise jeweils mit einer umlaufenden dichten Verbindung insbesondere aus Schaumgummi oder dergleichen versehen.
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Das zweite Gehäuse, das den zweiten Raum darstellt, ist aus aneinander montierten Schalen ausgebildet, die das Gebläse und gegebenenfalls das entsprechende Rückschlagventil halten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform gehört das Gebläse zu einer Lüftungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlage des Fahrzeugs, die stromaufwärts des ersten Raumes angeordnet ist und eine zur Kühlung der Batterien bestimmte Luftauslassmündung aufweist. Diese Luftauslassmündung steht über eine Leitung insbesondere mit dem ersten Raum in Verbindung.
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Es wird deutlich, dass gemäß dieser Variante die Leitung der Luft von der Anlage aus, die einen derartigen zweiten Raum umfasst, in dem das Gebläse angeordnet ist, zu dem ersten Raum hin erfolgt, der stromabwärts angeordnet ist, wobei dieser ferner stromaufwärts eines Gehäuses vorgesehen sein kann, in dem ein zusätzliches Gebläse gemäß der vorhergehend dargelegten Ausführungsvariante zur Optimierung der Zirkulation des Luftstroms im Inneren des ersten Raumes untergebracht ist.
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Auf diese Weise ist es möglich, ständig kalte Luft zum ersten Raum zuführen zu können, damit die Batterien ständig verfügbar sind. Daraus ergibt sich auch, dass wegen der gekühlten Luft die zur Kühlung der Batterien einzusetzende Luftmenge kleiner ist. Grob geschätzt ist der erforderliche Luftdurchsatz etwa 2,5 mal geringer, wenn die Luft gekühlt wird.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Anlage eine Lüftungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlage, die für den für die hinteren Insassen vorgesehenen Bereich des Fahrzeugs bestimmt ist. Damit wird angestrebt, eine bestehende, geringfügig modifizierte Anlage des Fahrzeugs zu nutzen, um die eigentlichen Kosten der Batteriekühlung zu senken und einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad zu erhalten.
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Die Auslassmündung liegt vorzugsweise hinter einem Verdampfer und vor einem Kühler, die Teil der Anlage sind. Bei einer solchen Positionierung der Auslassmündung kann die Luft von der Anlage abgezogen werden, ohne den innerhalb des Insassenraumes von der Anlage hergestellten Komfort zu beeinträchtigen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsvariante liegt die Auslassmündung hinter einem Kühler, der Teil der Anlage ist. Bei dieser Anordnung ist vorgesehen, dass die Batterien, sofern dies aufgrund der Temperatur der Außenluft erforderlich ist, von der vom Kühler kommenden Luft erwärmt werden, damit sie in einem optimalen Temperaturbereich betrieben werden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Vorrichtung ist die Anlage eine speziell zur Kühlung der Batterien bestimmte Anlage.
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Die Leitung, welche die Anlage mit dem ersten Raum verbindet, ist vorzugsweise mit Mitteln versehen, die Kondensate auffangen und ableiten und verhindern, dass Wasser zum ersten Raum hin läuft und die Umgebung der Batterien feucht wird, was insbesondere eine Beeinträchtigung der elektrischen Funktion der Batterien verursachen könnte.
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Die Mittel zum Auffangen und Ableiten der Kondensate sind beispielsweise von einem Auffangbehälter für die Kondensate an den Wänden der Leitung gebildet, der mit einer Ablaufrinne zum Ableiten der Kondensate aus der Leitung hinaus versehen ist.
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Die Auslassmündung der Anlage ist vorzugsweise mit wenigstens einer Luftverteileinrichtung zur gezielten Aufteilung der Luft von der Anlage aus zum ersten Raum hin versehen.
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Die Luftverteileinrichtung besteht zum Beispiel aus einem Satz von wenigstens zwei Klappen oder Schiebern. Eine erste Klappe oder ein erster Schieber ist zum Verschließen der zur Kühlung der Batterien bestimmten Mündung vorgesehen, während eine zweite Klappe oder ein zweiter Schieber zum Verschließen einer Hauptmündung der Anlage zur Luftverteilung zum Kühler hin vorgesehen ist.
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Die erste Klappe bzw. der erste Schieber ist bevorzugt eine Klappe, die entweder geschlossen oder geöffnet ist, während die zweite Klappe bzw. der zweite Schieber progressiv geöffnet wird. Die erste Klappe ist beispielsweise ein Zylinderschieber, der mit dem zweiten Schieber versehen ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die erste Klappe und die zweite Klappe an einem ihrer Enden nach Art eines Blasebalgs gelenkig miteinander verbunden, wobei das andere Ende der ersten Klappe an das Gehäuse der Anlage angelenkt ist, während das andere Ende der zweiten Klappe längs einer Führungsschiene verschiebbar ist.
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Die Leitung ist vorteilhaft mit einer zusätzlichen Lufteinlassmündung versehen, die mit einem zusätzlichen Lufteinlasskanal verbunden ist, der mit der Umgebung des Fahrzeugs in Verbindung steht. Die zusätzliche Lufteinlassmündung ist vorzugsweise mit einer zusätzlichen Luftverteileinrichtung versehen, die in der geschlossenen Position die zusätzliche Lufteinlassmündung verschließt und Luft von der Anlage her durchlässt und in der offenen Position Luft durch die zusätzliche Lufteinlassmündung durchlässt und die Leitung verschließt.
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Vorzugsweise und besonders in dem Fall, dass das Gebläse zu einer Lüftungs, Heizungs- und/oder Klimaanlage gehört, weist die Vorrichtung ein zusätzliches Gebläse auf, das insbesondere in einem an den ersten Raum angrenzenden zweiten Raum oder auch innerhalb der Leitung untergebracht ist.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird beim Lesen der Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen dargelegt werden, in Verbindung mit den Figuren der beigefügten Zeichnungen besser verständlich; darin zeigen:
- - 1 bis 4 Darstellungen eines Raumes, in dem ein Gebläse angeordnet ist, zur Kühlung von in einem weiteren Raum untergebrachten Batterien, in einer Draufsicht, einer Seitenansicht, einer perspektivischen Ansicht von vorn bzw. einer perspektivischen Ansicht von hinten,
- - 5 eine schematische Darstellung einer Lüftungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlage, die zur Kühlung der in einem Raum untergebrachten Batterien gedacht ist, gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
- - 6 eine schematische Darstellung einer Lüftungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlage, die zur Kühlung der in einem Raum untergebrachten Batterien gedacht ist, gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,
- - 7 eine schematische Schnittansicht eines Raumes, in dem Batterien untergebracht sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
- - 8, 9 und 10 schematische Schnittansichten eines in 7 dargestellten Batterieraumes, in denen die besonderen Modalitäten für die Luftzirkulation nach den jeweiligen Ausführungsvarianten veranschaulicht sind,
- - 11 und 12 Querschnittsansichten eines in 8 und 9 dargestellten Raumes mit Batterien, an deren vorderem bzw. hinterem Ende,
- - 13 eine schematische geschnittene Teilansicht eines die Batterien umhüllenden Mantels,
- - 14 ein geschnittenes Detail einer Rundscheibe, mit der eine Batteriesäule gemäß der in 10 dargestellten Ausführungsvariante versehen ist,
- - 15 eine schematische Ansicht einer Ausführungsvariante des Batterieraumes, bei dem der Lufteinlass axial zu den Säulen ausgebildet ist,
- - 16 eine schematische Perspektivdarstellung eines Batterieraumes gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung, wobei der Batterieraum transparent dargestellt ist,
- - 17 eine Vorderansicht einer Platte, mit der ein in 16 dargestellter Batterieraum versehen ist,
- - 18 und 19 Einzelheiten der in 17 dargestellten Platte in einer Vorderansicht bzw. einer Profilansicht.
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In den 1 bis 4 ist ein erster Raum 1, in dem Batterien untergebracht sind, schematisch mit gebrochenen Linien dargestellt. Dieser erste Raum 1 ist dazu vorgesehen, mit einem zweiten Raum 2 versehen zu werden, mit dem er in Verbindung steht. Im zweiten Raum 2, der in einem aus zwei aneinandergefügten Schalen gebildeten Gehäuse geschaffen ist, ist wenigstens ein Gebläse 54 angeordnet, mit dem eine Luftzirkulation um die und axial an den Batterien entlang bewirkt wird, damit diese gekühlt werden.
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Gemäß der in den 1 bis 4 abgebildeten Ausführungsvariante ist der zweite Raum 2 dafür vorgesehen, bezüglich der Richtung der Luftstromzirkulation hinter dem ersten Raum 1 angeordnet zu werden, und weist eine Einlassmündung 3, 3' auf, die zur Anordnung gegenüber einer Auslassmündung 4, 4' für die aus dem ersten Raum 1 kommende Luft vorgesehen ist. Der erste Raum 1 ist ferner mit einer Einlassöffnung 5 für Luft zu seinem Innenraum hin versehen, wobei die Luft insbesondere aus dem Fahrzeuginneren abgezogen wird, beispielsweise aus dem Luftvolumen im hinteren Kofferraum, in dem der erste Raum 1 untergebracht ist. Bei dieser Anordnung ist vorgesehen, dass der erste Raum 1 unter einem Unterdruck steht, weil das Gebläse 54 die Luft, die im ersten Raum 1 enthalten ist, ansaugt. Die Gefahr, dass die durch den Kontakt mit den Batterien möglicherweise verunreinigte Luft, die im ersten Raum 1 vorhanden ist, in den Innenraum des Fahrzeugs gelangt, wird dadurch minimiert.
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Gemäß einer nicht dargestellten Variante ist es denkbar, dass der zweite Raum 2 bezüglich der Zirkulationsrichtung des Luftstroms vor dem ersten Raum 1 angeordnet ist, um den Innenraum des ersten Raumes 1 aufgrund einer Zwangsbeaufschlagung mit der aus dem zweiten Raum 2 kommenden Luft unter einen Überdruck zu setzen.
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Das mit gebrochenen Linien schematisch dargestellte Gebläse 54 ist mit zwei Turbinen versehen, die Einlasskammern 6, 7 für Luft aus dem ersten Raum zugeordnet sind. Bei dieser Anordnung erhöht sich die Ansaugleistung des Gebläses 54 und wird die Homogenität der in den zweiten Raum 2 eingelassenen Luft gesteigert. Die Einlassmündung des zweiten Raumes 2 ist in zwei einzelne Einlassmündungen 3, 3' unterteilt, die mit zwei einzelnen Auslassmündungen 4 bzw. 4' des ersten Raumes 1 in Verbindung stehen. Der zweite Raum 2 ist darüber hinaus mit einer Auslassöffnung 8 für die zur Kühlung der Batterien verwendete Luft zur Außenseite des Fahrzeugs, genauer gesagt, zu dessen Heck hin, versehen. Vorzugsweise ist im Bereich der Auslassöffnung 8 des ersten Raumes 1 ein mit gebrochenen Linien schematisch dargestelltes Rückschlagventil 300 angeordnet, damit keine Abgase zuströmen können. Ebenso ist vorgesehen, die Lufteinlassöffnung 5 des ersten Raumes 1 mit einem Rückschlagventil zu versehen, um zu vermeiden, dass die Luft, die durch den Kontakt mit den Batterien möglicherweise verunreinigt ist, in den Insassenraum des Fahrzeugs eintritt.
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Vorzugsweise sind zwischen den Wänden des ersten und des zweiten Raumes 1, 2 in der Nähe ihrer Auslassmündungen 4, 4' bzw. Einlassmündungen 3, 3' Schaumgummidichtungen 9 eingefügt. Ebenso ist die Auslassöffnung 8 des zweiten Raumes 2 vorzugsweise mit einer solchen Schaumgummidichtung 10 versehen.
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Der zweite Raum 2 trägt seitlich elektronische Steuermittel 11 zur Steuerung des Gebläses 54. Diese elektronischen Steuermittel 11 arbeiten zum Beispiel in einer Ein-Aus-Betriebsart. In diesem Fall sind die Mittel 11 einfach und benötigen vor allem keinen aufwändigen Batterietemperatursensor. Die elektronischen Steuermittel 11 können beispielsweise aber auch variabel arbeiten. Ein Vorteil bei dieser Variante besteht in einem angemessenen Stromverbrauch des Gebläses 54, wodurch sich die Nutzungsdauer der Batterien steigern lässt.
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In den 5 und 6 ist der erste Raum 1, in dem die Batterien aufgenommen sind, über eine Leitung 13 so mit einer Lüftungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlage 12 verbunden, dass das Gebläse 14 der Anlage zur Zuführung gekühlter Luft zum ersten Raum 1 hin verwendet wird. Daraus ist ersichtlich, dass der zweite Raum, in dem das Gebläse 14 angeordnet ist, vom Gehäuse 15 der Anlage 12 begrenzt ist und dass die Lufteinlassöffnung 53 der Anlage 12 die Lufteinlassöffnung der Kühlvorrichtung bildet.
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Falls diese Anlage 12 speziell zur Kühlung der Batterien bestimmt ist, ist sie beliebig stromaufwärts oder stromabwärts des ersten Raumes 1 angeordnet.
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Im dargestellten Fall, in dem diese Anlage 12 eine hauptsächlich zur Steuerung des Komforts in der Fahrgastzelle bestimmte Anlage des Fahrzeugs ist, ist diese Anlage 12 stromaufwärts des ersten Raumes 1 angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird vorgeschlagen, dass mit der Herstellung der Verbindung zwischen dem ersten Raum 1 und der stromaufwärts angeordneten Anlage 12 eine Herstellung einer komplementären Verbindung zwischen dem ersten Raum 1 und einem Gehäuse 2 von der Art einhergeht, wie es in den 1 bis 4 gezeigt ist, in dem in diesem Fall ein zusätzliches Gebläse 54 angeordnet ist.
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Gemäß der in 5 gezeigten Ausführungsvariante kann ein solches zusätzliches Gebläse 16 in geeigneter Weise innerhalb der Leitung 13, die die Anlage 12 mit dem ersten Raum 1 verbindet, untergebracht sein, wie schematisch dargestellt ist.
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Die Leitung 13 ist mit einer zusätzlichen Lufteinlassmündung 200 versehen, die mit einem zusätzlichen Lufteinlasskanal 201 verbunden ist, der mit der Umgebung des Fahrzeugs in Verbindung steht. Die zusätzliche Lufteinlassmündung 200 ist mit einer zusätzlichen Luftverteileinrichtung 202 versehen. In der geschlossenen Position verschließt die Einrichtung 202 die zusätzliche Lufteinlassmündung 200 und lässt Luft von der Leitung 13 her eintreten; in der offenen Position ermöglicht die Einrichtung 202 einen Lufteintritt durch die zusätzliche Lufteinlassmündung 200 und verschließt die Leitung 13. Daraus ergibt sich eine gezielte Kühlung der Batterien entweder mit der Luft von der Anlage her oder mit Luft, die unmittelbar von der Außenseite des Fahrzeugs her zugeführt wird. Wenn Außenluft zugeführt wird, so bietet dies den Vorteil, dass die Batterien ohne einen bestimmten Energieverbraucher und ohne eine Beeinträchtigung des Komforts der Fahrzeuginsassen gekühlt werden. Die Lage der Einrichtung 202 wird zum Beispiel in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und/oder nach Wahl der Insassen festgelegt.
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Die Anlage 12 ist mit einer Luftauslassmündung 17 versehen, die mit der Leitung 13 in Verbindung steht und stromabwärts eines Verdampfers 18 sowie stromaufwärts eines Kühlers 19 angebracht ist. Die Auslassmündung 17 kann in einer der Seitenwände oder in der Bodenwand des Gehäuses 15 der Anlage 12 vorgesehen sein. Die Auslassmündung 17 ist mit einer Luftverteileinrichtung versehen, die aus einem Satz von zwei Klappen oder Schiebern 20, 21 besteht. Eine erste Klappe bzw. ein erster Schieber 20 ist zum Verschließen der zur Kühlung der Batterien bestimmten Auslassmündung 17 vorgesehen, während eine zweite Klappe bzw. ein zweiter Schieber 21 zum Verschließen einer Hauptmündung der Anlage zur Luftverteilung zum Kühler 19 hin vorgesehen ist.
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Bei der in der 5 gezeigten Variante können die Klappen oder Schieber 20, 21 unabhängig voneinander betätigt werden. Die erste Klappe 20 ist ein Drehschieber, während die zweite Klappe 21 ein progressiv zu öffnender Schieber ist. Bei der in der 6 dargestellten Variante sind die erste Klappe 20 und die zweite Klappe 21 an einem ihrer Enden 22 nach Art eines Blasebalgs gelenkig miteinander verbunden. Die erste Klappe 20 ist an ihrem anderen Ende 23 an das Gehäuse 15 der Anlage 12 angelenkt, während die zweite Klappe 21 an ihrem anderen Ende 24 längs einer Führungsschiene 25 verschiebbar angebracht ist.
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Nochmals mit Bezug auf 5 ist die Leitung 13, die die Anlage 12 mit dem ersten Raum 1 verbindet, mit einem Auffangbehälter 26 für an den Wänden der Leitung 13 vorhandene Kondensate aus dem Verdampfer 18 versehen, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit in die Umgebung der Batterien gelangt. Der Auffangbehälter 26 ist mittels einer Ablaufrinne 27 zum Ableiten der aufgefangenen Kondensate verlängert. Wenn die Auslassmündung 17 in der Bodenwand des Gehäuses 15 angeordnet ist, kann der an der Leitung 13 vorgesehene Auffangbehälter 26 für die Kondensate auch weggelassen werden.
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Gemäß 7 ist eine Vielzahl von Batterien vorgesehen, in der Größenordnung von 50 bis 400, die im Inneren des ersten Raumes 1 auf mehrere aneinander angrenzende Säulen 28 aufgeteilt sind. Die Lufteinlassöffnung 5 und die Luftauslassöffnung 4 ins Innere des ersten Raumes 1 sind seitlich der Säulen 28 angeordnet und mittels eines jeweiligen Ellenbogenrohres 29 bzw. 30 verlängert. Die Ellenbogenrohre 29, 30 stellen eine Verbindung zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung 5 bzw. 4 und einem stromaufwärtigen Belüftungsraum 31 bzw. einem stromabwärtigen Belüftungsraum 32 auf beiden Seiten der Enden der Batteriesäulen 28 her, wobei die Belüftungsräume insgesamt senkrecht zur Längsachse der Säulen 28 ausgerichtet angeordnet sind. Mit dieser Anordnung soll eine Luftzirkulation von einem seitlichen Einlass 5 zum stromaufwärtigen Belüftungsraum 31 hin, dann axial an den Säulen 28 entlang zum stromabwärtigen Belüftungsraum 32 und schließlich seitlich zur Auslassöffnung 4 hin bewirkt werden. Durch den abgewinkelten Verlauf der Rohre 29, 30 entsteht ein gleichmäßigerer Luftstrom sowie Wirbel zwischen Lufteintritt und Luftaustritt im Bereich der Belüftungsräume 31, 32. Insbesondere zirkuliert dabei die Luft zwischen den Batteriesäulen 28 mit einer relativ gleichmäßigen Geschwindigkeit; dies trifft auch auf die Luftgeschwindigkeiten im stromaufwärtigen Belüftungsraum 31 und im stromabwärtigen Belüftungsraum 32 zu, die zwischen 6 und 10 Meter pro Sekunde betragen.
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Am Auslass des stromaufwärtigen Ellenbogenrohres 29, stromaufwärts des stromaufwärtigen Belüftungsraums 31, ist vorzugsweise eine Luftströmungsdrosseldüse 33 angeordnet. Die Düse 33 ruft eine Beschleunigung der sie durchströmenden Luft hervor, woraus sich eine Vergleichmäßigung des Luftstroms innerhalb des stromaufwärtigen Belüftungsraums 31 ergibt. Mit der Luftbeschleunigung kann ferner das Druckgefälle im stromaufwärtigen und im stromabwärtigen Belüftungsraum 31 bzw. 32 ausgeglichen werden. Aufgrund dessen ist die Druckverteilung der zwischen den Batteriesäulen 28 zirkulierenden Luft relativ gleichmäßig. Die Düse 33 ist vorzugsweise unter einem Winkel von weniger als 7° zur Wand des stromaufwärtigen Belüftungsraums 31 hin ausgerichtet. Daraus ergibt sich, dass die in der Nähe dieser Wand strömende Luft im Verhältnis zur Luft, die in der Nähe der Batteriesäulen 28 im stromaufwärtigen Belüftungsraum 31 strömt, mit einer größeren Geschwindigkeit zirkuliert.
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Gemäß den 8 bis 10 ist jede Batteriesäule 28 von einem Mantel 39 zum Halten und Fixieren der Batterien umhüllt. Unter Bezug auf die 13 ist der Mantel 39 zum Beispiel aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet und weist vorzugsweise Rippen 391 auf, mit denen die Wärmeaustauschfläche variiert werden kann. Die Rippen 391 haben eine Höhe in der Größenordnung von 0,3 bis 2 mm und eine Länge in der Größenordnung von 0,5 bis 3 mm.
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In den 8 bis 12 ist gezeigt, dass die Batteriesäulen 28 durch Einsatzteile voneinander getrennt sind, die so angeordnet sind, dass sie Hülsen 34 bilden, die durch Streben 35 in radialer Richtung ausgesteift sind, durch die Durchgänge 36 zur axialen Luftzirkulation an den Batteriesäulen 28 entlang entstehen. Die Streben 35 können eine raue Oberfläche und sogar Führungen aufweisen, um die in den Durchgängen 36 zirkulierende Luft zu den Batteriesäulen 28 hin zu leiten. Die Dicke der Hülsen 34 ändert sich in axialer Richtung, wobei sie vom stromabwärtigen Ende der Hülsen 34 zu ihrem stromaufwärtigen Ende hin abnimmt. Ferner sind die Hülsen 34 mit radialen Stegen 37 versehen, mit denen zwischen diesen und den Batterien Kammern 38 zur axialen Luftzirkulation gebildet sind.
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Gemäß einer Ausführungsvariante können der Mantel 39 und die Hülsen 34 zusammenfallen.
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In den 9 und 10 ist zu sehen, dass an jeder der Anoden 40 der am stromabwärtigen Ende der Säulen 28 befindlichen Batterien ein Wärmeübertragungselement angebracht ist. Da die Batterien über ihre Anode in axialer Richtung miteinander in Kontakt stehen, wird die Wärme zwischen den Batterien vom stromaufwärtigen Ende der Säulen 28 an bis zu ihrem mit dem Wärmeübertragungselement versehenen stromabwärtigen Ende übertragen. Das Wärmeübertragungselement ist aus Rohren 41 gebildet, die an den Anoden 40 der Batterien angebracht sind und gemeinsam das Wärmetauschelement tragen.
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Bei der in der 9 dargestellten Variante ist das Wärmetauschelement aus einer Platte 42 mit Lamellen 43 gebildet, die aus einem beispielsweise mittels Schweißen an den Rohren 41 befestigten Gitter ausgebildet ist. Die Batteriesäulen 28 sind jeweils mit Einrichtungen zur elektrischen Isolierung versehen, um einen Kurzschluss zwischen zwei Säulen 28 zu vermeiden. Die Lamellen 43 sind bezogen auf die Längsachse der Batteriesäulen 28 geneigt und über die Dicke der Platte 42 hinaus verlängert.
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Bei der in 10 dargestellten Variante und überdies mit Bezug auf die 14 ist das Wärmetauschelement aus einem Satz Rundscheiben 44 mit radialen Flügeln 45 gebildet, die zwischen zwei benachbarten Rohren 41 eingefügt sind. Die Hülsen 34 sind an ihrem stromabwärtigen Ende mit einem Element 46 zur Halterung der Rundscheiben 44 mit den Flügeln 45 in axialer Richtung versehen.
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In der 15 ist der Lufteinlass ins Innere des ersten Raumes 1 axial zu den Säulen 28 ausgeführt. In der Nähe der Säulen 28, die der Lufteinlassöffnung 5 am nächsten liegen, sind im Luftströmungsweg Einsatzteile 47 angeordnet. Mit den Einsatzteilen 47 wird die Luftströmung zu diesen Säulen 28 teilweise verhindert, um die Luftverteilung ins Innere des ersten Raumes 1 zu fördern und die Säulen 28 insgesamt gleichmäßiger zu kühlen. Die Einsatzteile 47 stehen zum Beispiel aus den Hülsen 34 vor, die die Batteriesäulen 28 umgeben. Der Mantel 39 wird dazu genutzt, Isolierelemente um die der Lufteinlassöffnung 5 am nächsten gelegenen Batterien zu tragen. Diese Isolierelemente sind beispielsweise aus Ringen oder dergleichen gebildet, die die Batterien verkleiden.
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In der 16 sind die Batteriesäulen 28 umgebende Zellen aus gestapelten Platten 48 gebildet. In den 17 und 18 ist gezeigt, dass die Platten 48 Durchgangsfenster 49 für die Batterien sowie Durchbrüche für die sie durchströmende Luft aufweisen, die Mittel 50 bilden, um Grenzschichtablösungen der durch sie hindurch zirkulierenden Luft zu bewirken. In den 17 und 18 umranden radiale Schlitze 51 die Fenster 49, wobei die radialen Schlitze Ausschnitte bilden, mit denen umgebogene Abschnitte 52 ausgebildet werden, die Klemmschellen für die Batterien bilden. Die umgebogenen Abschnitte 52 bilden darüber hinaus Abstandshalter zwischen den Platten 48, damit diese übereinander und voneinander beabstandet gehalten werden und der Thermokontakt zwischen den Platten 48 und den Batteriesäulen 28 verbessert wird.
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Die Batteriesäulen 28 sind vorzugsweise mit einem Lack oder dergleichen überzogen, oder auch mit einem Isoliermaterial aus Kunststoff, damit sie voneinander elektrisch isoliert sind. Der Lack hat zum Beispiel eine Dicke zwischen 0,02 mm und 0,4 mm, vorzugsweise von etwa 0,1 mm, und eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 W/(m·K).
