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Die
Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie
für ein
Fahrzeug, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb
oder ein Brennstoffzellenfahrzeug, nach den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
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Nach
dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, in denen eine Mehrzahl
von in Serie und/oder parallel geschalteten Einzelzellen angeordnet
sind und einen Zellblock bilden. Dieser Zellblock muss gekühlt werden,
um die entstehende Verlustwärme
der Einzelzellen abzuführen.
Dies erfolgt durch Flüssigkeitskühlung oder
durch Kühlung
mittels vorgekühlter
Luft, die direkt zwischen die Einzelzellen geleitet wird. Aus Bauraumgründen findet
vorzugsweise die Flüssigkeitskühlung Anwendung.
Bei dieser Lösung
ist am Zellblock eine von Kältemittel durchströmte Kühlplatte
angeordnet. In Längsrichtung
der Einzelzelle wird die Wärme
entweder durch separate Kühlstäbe oder
durch die gleichmäßig oder bauraumsparend
am Umfang partiell aufgedickte Zellwand der Einzelzellen zur Kühlplatte
geleitet. Die wärmetechnische
Anbindung der Einzelzellen an die Kühlstäbe erfolgt stoff- und formschlüssig durch
Vergussmasse. Die Vergussmasse übernimmt
gleichzeitig die elektrische Isolation und fixiert die Einzelzellen im
Zellverbund.
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Aus
dieser Konstruktion ergeben sich Nachteile durch auftretende mechanische
Spannungen im Zellblock, die durch unterschiedliche Wärmedehnungen
von Einzelzellen und Vergussmasse sowie unterschiedliche Temperaturniveaus
entstehen. Durch diese auftretenden Kräfte lösen sich die Einzelzellen nach
einiger Zeit aus der Vergussmasse, so dass der Zusammenhalt des
Zellblocks nicht mehr sichergestellt ist.
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Ein
weiterer Nachteil besteht in der Positionierung der Einzelzellen
gegenüber
der Kühlplatte. Diese
wird durch die Genauigkeit der Vergussvorrichtung vor der endgültigen Montage
beeinflusst. Zwischen den Einzelzellen und der Kühlplatte entsteht ein fertigungsbedingter
Spalt, dessen Ausdehnung abhängig
von den Herstellungstoleranzen der Vergussvorrichtung variabel ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit einer verbesserten
Befestigung der Einzelzellen anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine
Mehrzahl von in Serie und/oder parallel miteinander verschalteten
Einzelzellen sind in einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, angeordnet.
Erfindungsgemäß sind die
Einzelzellen an einem der Enden in Aussparungen einer Halteplatte
frei angeordnet und am gegenüberliegenden Ende
fixiert.
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Aufgrund
der Fixierung der Einzelzellen an einem Ende und der freien Anordnung
der anderen Enden der Einzelzellen in Aussparungen einer Halteplatte
sind die Einzelzellen sicher im Batteriegehäuse befestigt. Gleichzeitig
wird aber eine Wärmedehnung der
Einzelzellen in axialer Richtung in den Aussparungen der Halteplatte
ermöglicht.
Da die Fixierung der Einzelzellen am Polende vorzugsweise an einer Kühlplatte
erfolgt, wird auf diese Weise auch eine gegenüber dem Stand der Technik optimierte
Wärmeableitung
von Einzelzellen auf die Kühlplatte
erreicht, da kein in Abhängigkeit
von Toleranzen variabler fertigungsbedingter Spalt zwischen Einzelzellen
und Kühlplatte
entsteht. Auch der Einsatz von höhentoleranzausgleichenden
Zellverbindern ist nicht mehr nötig,
da die Wärmedehnung
der Zellen in axialer Richtung vollständig in Richtung Gehäuseboden
der Batterie erfolgt.
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Auch
die aus dem Stand der Technik bekannten Beschädigungen an Batterieteilen,
insbesondere Vergussmasse, die nach einiger Betriebszeit infolge
von mechanischen Spannungen zwischen den Einzelzellen und anderen
Batterieteilen, insbesondere Vergussmasse, aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungen
und Temperaturniveaus auftreten, werden durch eine erfindungsgemäße Anordnung vermieden.
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Durch
die Anordnung der Einzelzellen in den Aussparungen der Halteplatte
bereits vor der Batteriemontage können die Einzelzellen während der Montage
problemlos mit dem anderen Ende an die Kühlplatte geschoben und dort
danach befestigt werden, da eine axiale Verschiebung der Einzelzellen
in der Halteplatte möglich
ist. Dies erleichtert die Montage der Batterie.
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Die
Halteplatte ist derart ausgeformt, dass mehrere Aussparungen in
Reihe und mehrere Reihen von Aussparungen parallel in jeweils um
eine halbe Aussparung versetzter Reihenfolge angeordnet sind und
so eine Wabenstruktur der Halteplatte gebildet wird. Diese Anordnung
der Aussparungen erhöht
die Packungsdichte der darin angeordneten Einzelzellen, was zu einer
Reduktion des Bauraumbedarfs der Batterie führt, was insbesondere beim Einsatz
der Batterie in Fahrzeugen erwünscht
ist.
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Werden
Einzelzellen verwendet, bei denen Zelldeckel oder Ummantelung einen
Polkontakt bilden, dient die Halteplatte auch als elektrisch isolierender
Abstandshalter zwischen den Einzelzellen.
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In
jeweils eine dieser Aussparungen in der Halteplatte ist jeweils
eine Einzelzelle in vertikaler Richtung so angeordnet, dass die
Einzelzellen mit ihrer Längsachse
parallel zueinander in dieser Halteplatte angeordnet sind. Dadurch
ist während
der Montage eine vertikale Verschiebung der Einzelzellen in Richtung
Kühlplatte
möglich,
was die Fertigung der Batterie vereinfacht und die spaltfreie Anbindung und
Fixierung eines Endes der Einzelzellen an die Kühlplatte ermöglicht.
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Die
Ausformungen der Aussparungen der Halteplatte korrespondieren vorzugsweise
mit Ausformungen einer Ummantelung der Einzelzellen. Ist die Ummantelung
der Einzelzellen zylinderförmig,
so enthält
die Halteplatte runde Aussparungen, deren Durchmesser dem Querschnitt
der Ummantelung der Einzelzellen entsprechen.
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Sind
die Einzelzellen vieleckig, zum Beispiel achteckig oder prismenförmig, so
korrespondieren die Aussparungen der Halteplatte in Ausformung und Abmessung
ebenfalls mit diesen den Außenabmessungen
und Formen der Einzelzellen.
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In
einer möglichen
weiteren Ausführungsform,
in der die Ummantelung der Einzelzellen zur besseren Ableitung der
Verlustwärme
partiell aufgedickt ist, sind die Aussparungen in der Halteplatte derart
ausgeformt, dass sie mit den Konturen der Ummantelung der Einzelzellen
korrespondieren. Auf diese Weise sind die Einzelzellen stabil gegen
radiale Lageveränderungen
und Drehbewegungen gelagert.
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Auf
der Polseite der Einzelzellen ist vorzugsweise die Kühlplatte
angeordnet. Diese Kühlplatte
ist mit Ausnehmungen für
eine Durchführung
der Zellpole der Einzelzellen versehen.
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Die
Einzelzellen liegen auf der Polseite an der Kühlplatte fest fixiert an. Auf
diese Weise ist eine gute wärmetechnische
Anbindung der Einzelzellen an die Kühlplatte sichergestellt, so
dass die Verlustwärme
der Einzelzellen optimal abgeführt
werden kann. In einer weiteren Ausführungsform kann zwischen der
Polseite der Einzelzellen und der Kühlplatte zur weiteren Verbesserung
der wärmetechnischen Anbindung
eine Wärmeleitfolie
angeordnet sein.
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Die
Ausnehmungen der Kühlplatte
korrespondieren vorzugsweise mit den Abmessungen der Zellpole der
Einzelzellen. An der Oberseite der Kühlplatte sind darüber hinaus
Zellverbinder angeordnet. Durch diese Zellverbinder, die auf die
durch die Ausnehmungen der Kühlplatte
hindurchgeführten
Zellpole der Einzelzellen aufgesetzt sind, sind die Einzelzellen
seriell und/oder parallel miteinander verbunden und an der Kühlplatte
befestigt.
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Durch
die mit den Abmessungen der Zellpole korrespondierenden Ausnehmungen
in der Kühlplatte
sowie die mit den Ausformungen der Ummantelung der Einzelzellen
korrespondierenden Aussparungen in der Halteplatte sind die Einzelzellen
mit Kühlplatte
und Halteplatte formschlüssig
verbunden und gegenüber
radialen Bewegungen sowie Drehbewegungen fixiert.
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Mit
anderen Worten: Halteplatte und Kühlplatte stützen die eingeschobenen Einzelzellen
gegen seitliche Bewegungen. Gegen Drehbewegungen sind die Einzelzellen
zumindest dadurch gesichert, dass die Konturen der Ausnehmungen
für die
Polkontakte in der Kühlplatte
nicht rund sind, sondern mit den Außenkonturen der Polkontakte
korrespondieren und entsprechend formschlüssig an diesen anliegen. Dadurch
ist eine Drehbewegung der Polkontakte und damit der Einzelzellen
nicht mehr möglich.
Sind die Einzelzellen nicht in runder Ausführungsform, sondern zum Beispiel
vieleckig, oder ist die Ummantelung der Einzelzellen partiell aufgedickt, wird
auch durch die Halteplatte eine Drehbewegung der Einzelzellen verhindert,
da die Innenkonturen der Aussparungen in der Halteplatte mit den
Außenkonturen
der Einzelzellen korrespondieren und formschlüssig an den Einzelzellen anliegen.
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Die
Halteplatte, die darin angeordneten Einzelzellen, die an der Polseite
der Einzelzellen angeordnete Kühlplatte
sowie die Zellverbinder sind als eine integrierte Baueinheit in
einem Batteriegehäuse angeordnet.
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Das
Batteriegehäuse
ist zweckmäßigerweise
mit einem Gehäusedeckel
von oben und mit einem Gehäuseboden
von unten verschlossen. Dabei ist zwischen Gehäuseboden und Bodenteil der
Einzelzellen ein Freiraum gebildet. In diesen Freiraum hinein können sich
die Einzelzellen in axialer Richtung wärmebedingt ausdehnen, ohne
dabei beschädigt
zu werden oder andere Teile der Batterie zu beschädigen.
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Die
Batterie eignet sich insbesondere als Fahrzeugbatterie, insbesondere
als Batterie für
ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass die sichere Befestigung der Einzelzellen auf Dauer sichergestellt
werden kann, da sie sicher im Bereich der Zellpole an der Kühlplatte
befestigt sind und durch die Halteplatte radiale Bewegungen der
Einzelzellen verhindert werden. Durch den Freiraum zwischen Bodenbereich der
Einzelzellen und Gehäuseboden
wird eine Wärmedehnung
der Einzelzellen ermöglicht,
ohne dass dabei mechanische Spannungen zwischen Einzelzellen und
anderen Batterieteilen aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungen
und Temperaturniveaus verschiedener Teile (z. B. Vergussmasse) auftreten
oder die Einzelzellen oder andere Teile der Batterie beschädigt werden.
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Durch
die Befestigung der Einzelzellen an der Kühlplatte wird ein guter Kontakt
der Einzelzellen mit der Kühlplatte
hergestellt und so die Wärmeübertragung
in die Kühlplatte
verbessert. Die lose oder freie Halterung der Einzelzellen in den
Aussparungen der Halteplatte, die zwar eine radiale Bewegung der Einzelzellen
verhindert, aber eine axiale Bewegung der Einzelzellen zulässt, bietet
als weiteren Vorteil, die Einzelzellen während der Batteriemontage axial auf
die Kühlplatte
zu verschieben, so dass die Einzelzellen mit ihrer Polseite auf
der Kühlplatte
trotz hoher Fertigungstoleranzen spaltfrei zum Anliegen kommen.
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Durch
die sichere Befestigung der Einzelzellen an der Polseite entfällt auch
der Einsatz von höhentoleranzausgleichenden
Zellverbindern, da die Wärmedehnung
der Einzelzellen nun ausschließlich in
Richtung des Bodens der Einzelzelle bzw. in Richtung des Gehäusebodens
der Batterie erfolgt.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer Batterie von unten,
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2 eine
Explosionsdarstellung einer Batterie,
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3 eine
perspektivische Darstellung einer Batterie von oben,
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4 eine
Darstellung einer Batterie von unten,
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5 eine
Schnittdarstellung einer Batterie entsprechend der in 4 dargestellten
Schnittlinie V-V,
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6 eine
Explosionsdarstellung einer Batterie mit Gehäusedeckel und Gehäuseboden.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine perspektivische Darstellung einer Batterie 1 von unten.
Eine Mehrzahl von Einzelzellen 2 sind in einer Halteplatte 3 angeordnet
und mit dieser in einem Batteriegehäuse 4 befestigt, vorzugsweise
ist die Halteplatte 3 mit diesem verschraubt. Die Halteplatte 3 verhindert
radiale Bewegungen der Einzelzellen 2.
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2 zeigt
eine Explosionsdarstellung einer Batterie 1. In der Halteplatte 3 sind
Aussparungen 5 für
die Aufnahme der Einzelzellen 2 angeordnet.
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Die
Halteplatte 3 ist derart ausgeformt, dass mehrere Aussparungen 5 in
Reihe und mehrere Reihen von Aussparungen 5 parallel in
jeweils um eine halbe Aussparung 5 versetzter Reihenfolge
angeordnet sind und so eine Wabenstruktur der Halteplatte 3 gebildet
wird. Diese Anordnung der Aussparungen 5 erhöht die Packungsdichte
der darin angeordneten Einzelzellen 2, was zu einer Reduktion
des Bauraumbedarfs der Batterie 1 führt, was insbesondere beim Einsatz
der Batterie 1 in Fahrzeugen erwünscht ist.
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Werden
Einzelzellen 2 verwendet, bei denen Zelldeckel 14 oder
Ummantelung einen Polkontakt bilden, dient die Halteplatte 3 auch
als elektrisch isolierender Abstandshalter zwischen den Einzelzellen 2.
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Eine
Kühlplatte 6,
die oberhalb des Polendes der Einzelzellen 2 angeordnet
ist, ist mit Ausnehmungen 7 versehen, deren Innenkonturen
mit den Außenkonturen
von Zellpolen 8 der Einzelzellen 2 korrespondieren.
Die Zellpole 8 werden durch diese Ausnehmungen 7 hindurchgeführt. An
der Oberseite der Kühlplatte 6 sind
Zellverbinder 9 auf die Zellpole 8 aufgesetzt,
um die Einzelzellen 2 seriell und/oder parallel miteinander
zu verbinden
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3 zeigt
eine perspektivische Darstellung einer Batterie 1 von oben.
Die Zellpole 8 der Einzelzellen 2 sind durch die
Ausnehmungen 7 der Kühlplatte 6 hindurchgeführt und
fest an dieser fixiert.
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Auf
der Oberseite der Kühlplatte 6 sind
auf die Zellpole 8 der Einzelzellen 2 die Zellverbinder 9 aufgesetzt.
Diese Zellverbinder 9 müssen
aufgrund der festen Fixierung der Einzelzellen 2 auf der
Polseite an der Kühlplatte 6 nicht
mehr in höhentoleranzausgleichender
Bauform eingesetzt werden, da die Wärmeausdehnung der Einzelzellen 2 in
axialer Richtung nur noch in Richtung Unterseite der Batterie 1 erfolgt.
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Die
Baueinheit, bestehend aus Einzelzellen 2, Halteplatte 3,
Kühlplatte 6 und
Zellverbindern 9, ist in ein Batteriegehäuse 4 eingesetzt
und beispielsweise durch Verschraubung von Kühlplatte 6 und Halteplatte 3 fest
mit dem Batteriegehäuse 4 verbunden.
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4 zeigt
eine Darstellung einer Batterie 1 von unten. Eingezeichnet
ist eine Schnittlinie V-V für die
Schnittdarstellung in 5. Die Einzelzellen 2 sind
in der Halteplatte 3 angeordnet und zusammen mit dieser
in das Batteriegehäuse 4 eingefügt. Die Halteplatte 3 wird
dabei beispielsweise durch Verschraubung am Batteriegehäuse 4 befestigt.
Durch diese Lagerung der Einzelzellen 2 in der Halteplatte 3 sowie
deren Fixierung am Polende an der Kühlplatte 6 sind die
Einzelzellen 2 stabil gegenüber Lageveränderungen insbesondere in radialer
Richtung und Drehung im Batteriegehäuse 4 verbaut.
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5 zeigt
eine Schnittdarstellung einer Batterie 1 entsprechend der
in 4 dargestellten Schnittlinie V-V.
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Dargestellt
ist eine integrierte Baueinheit bestehend aus der Halteplatte 3,
den Einzelzellen 2, der Kühlplatte 6 sowie den
Zellverbindern 9. Die Einzelzellen 2 sind in der
Halteplatte 3 angeordnet, an der Kühlplatte 6 fixiert
und mit den Zellverbindern 9 elektrisch seriell und/oder
parallel verbunden. Diese integrierte Baueinheit ist im Batteriegehäuse 4 angeordnet,
wobei die Halteplatte 3 sowie die Kühlplatte 6 an diesem
beispielsweise durch Verschraubung befestigt sind.
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Im
Zelldeckel 14 der Einzelzelle 2 ist ein Verschlusselement 13 angeordnet,
das eine Öffnung
im Zelldeckel 14 verschließt, welche in einer Ausführungsform
vorzugsweise zum Befüllen
der Einzelzelle 2 mit Elektrolytflüssigkeit verwendet wird.
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In
die Kühlplatte 6 sind
Kühlkanäle 10 integriert,
durch die ein Kühlmittel
geleitet wird, um die auf die Kühlplatte 6 übertragene
Verlustwärme
der Einzelzellen 2 aus der Batterie 1 abzuleiten.
Anhand der Pfeildarstellung P an den Einzelzellen 2 ist
die axiale Wärmedehnung
der Einzelzellen 2 ersichtlich.
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Die
Einzelzellen 2 werden an der Kühlplatte 6 fest fixiert.
Durch die formschlüssige
Halterung der Einzelzellen 2 in der Kühlplatte 6 und der
Halteplatte 3 ist eine sichere Lagerung gegenüber auftretenden Kräften in
radialer Richtung sowie Drehrichtung sichergestellt.
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In
axialer Richtung ist nach fester Fixierung der Einzelzellen 2 an
der Kühlplatte 6 ebenfalls
keine Bewegung mehr möglich,
mit Ausnahme der Wärmedehnung
der Einzelzellen 2, dies jedoch nur in Richtung Batterieunterseite.
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Des
Weiteren ist durch die Fixierung der Einzelzellen 2 an
der Kühlplatte 6 auch
eine optimale Wärmeübertragung
der Verlustwärme
der Einzelzellen 2 auf die Kühlplatte 6 bzw. über dazwischen
angebrachte Wärmeleitfolie
auf die Kühlplatte 6 gegeben.
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Vor
der Fixierung der Einzelzellen 2 an die Kühlplatte 6 sind
diese in den Aussparungen 5 der Halteplatte 3 noch
axial verschiebbar, so dass dadurch die Montage der Batterie 1 erleichtert
und die spaltfreie Anbindung der Einzelzellen 2 an die
Kühlplatte 6 erleichtert
wird, da sie durch die Aussparungen 5 in der Halteplatte 3 in
Richtung Kühlplatte 6 geschoben
werden können,
bis die Zellpole 8 der Einzelzellen 2 durch die
Ausnehmungen 7 in der Kühlplatte 6 hindurchgeführt sind
und die Einzelzellen 2 an der Kühlplatte 6 anliegen.
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6 zeigt
eine Explosionsdarstellung einer Batterie 1 mit Gehäusedeckel 11 und
Gehäuseboden 12.
Die Einzelzellen 2 sind in den Aussparungen 5 der
Halteplatte 3 axial frei beweglich angeordnet. Die Zellpole 8 der
Einzelzellen 2 werden durch die dafür vorgesehenen Ausnehmungen 7 in
der Kühlplatte 6 hindurchgeführt. Auf
der Oberseite der Kühlplatte 6 werden
auf die hindurchragenden Zellpole 8 die Zellverbinder 9 aufgesetzt
und die Einzelzellen 2 auf diese Weise seriell und/oder
parallel miteinander verbunden und an der Kühlplatte 6 fixiert.
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Diese
gesamte Baueinheit aus Einzelzellen 2, Halteplatte 3,
Kühlplatte 6 und
Zellverbindern 9 wird in das Batteriegehäuse 4 eingesetzt
und beispielsweise verschraubt. Auf das Batteriegehäuse 4 wird
von oben der Gehäusedeckel 11 aufgesetzt.
Von unten wird der Gehäuseboden 12 auf
das Batteriegehäuse 4 aufgesetzt.
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Der
Gehäuseboden 12 des
Batteriegehäuses 4 ist
derart ausgeformt, dass nach kompletter Montage der Batterie 1 ein
Freiraum zwischen dem Boden der Einzelzellen 2 und dem
Gehäuseboden 12 gebildet
ist. Auf diese Weise ist Platz geschaffen für die Wärmedehnung der Einzelzellen 2 in
axialer Richtung, die ausschließlich
in Richtung Gehäuseboden 12,
also in diesen Freiraum hinein erfolgt, da das Polende der Einzelzellen 2 fest
an der Kühlplatte 6 fixiert
und der Zellenboden in den Aussparungen 5 der Halteplatte 3 axial
frei beweglich angeordnet ist.
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- 1
- Batterie
- 2
- Einzelzellen
- 3
- Halteplatte
- 4
- Batteriegehäuse
- 5
- Aussparungen
in der Halteplatte
- 6
- Kühlplatte
- 7
- Ausnehmungen
in der Kühlplatte
- 8
- Zellpole
- 9
- Zellverbinder
- 10
- Kühlkanäle
- 11
- Gehäusedeckel
- 12
- Gehäuseboden
- 13
- Verschlusselement
- 14
- Zelldeckel
- P
- Pfeildarstellung