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Die Erfindung betrifft einen gekühlten Energiespeicher mit zumindest einer plattenförmigen Energiespeicherzelle sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen gekühlten Energiespeichers.
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Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug bezeichnet man Fahrzeuge, die prinzipbedingt ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine oder mehrere elektrische Maschinen und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen weisen allgemein eine Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einen Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einen elektrochemischen Energiespeicher und eine elektrischen Maschine für den Antrieb auf.
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Die elektrische Maschine des Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie und Bordnetzversorgung. Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug, ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen.
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Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine Elektronik, allgemein Hybrid-Controller genannt. Er regelt unter anderem, ob und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll.
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Die Energieentnahme aus der Brennstoffzelle oder dem Energiespeicher dient allgemein zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Speichers bzw. der Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie, d. h. dem regenerativen Bremsen.
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Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt der Verbrennungsmotor bereit.
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Als Energielieferanten und Speicher für Fahrzeuganwendungen lassen sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Cadmium-, Zink-Luft-, Lithium-Luft-, Nickel-Zink- oder Lithium-Ionen-Zellen nutzen.
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Je nach Anwendung als Energiespeicher für Hybridfahrzeuge, Plug-in-Hybride oder als Elektrofahrzeug werden Spitzenleistungen von 10 kW bis zu über 100 kW gefordert. Obwohl die Anforderungen an kontinuierliche Leistungen deutlich darunter liegen können, stellen insbesondere periodisch auftretende Spitzenleistungen hohe Anforderungen an die Kühlung, zumal die Bauräume für Energiespeicher in der Regel begrenzt sind.
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Dabei ist es für die Lebensdauer der Zelle nicht nur von entscheidender Bedeutung, dass diese (absolut) gekühlt wird, sondern auch, was noch einen höheren Stellenwert besitzt, dass diese Kühlung gleichmäßig (relativ), d. h., mit möglichst geringem Temperaturgradienten über die Zelle und im Falle der Verschaltung von mehreren Zellen zu einem Zellenblock auch über diesen, d. h., über alle Zellen, erfolgt. Das Ziel ist dabei, möglichst eine Temperaturdifferenz von ΔT < 5K zu erreichen.
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Eine wesentliche Rolle für das Kühlkonzept spielt der Kühler im Energiespeicher auch hinsichtlich der zahlreichen Verrohrungen und dem dazu notwendigen Platzbedarf. Dazu kommt das Risiko der Dichtungsstellen, die über die Lebensdauer kein Fluid in den Energiespeicher gelangen lassen dürfen.
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Im Bereich des Kühlers stoßen zwei gegensätzliche Anforderungen aufeinander. Zum einen müssen die Zellen thermisch gut an den Kühler angebunden sein, damit eine gute Wärmeübertragung zwischen Zelle und Kühler erreicht wird. Zum anderen ist eine Spannungsisolation zwischen Kühler und den Zellen notwendig. Da alle Zellen eines Energiespeichers mit dem Kühler verbunden sind, muss hier die Isolation mindestens auf die Nennspannung des Systems ausgelegt werden.
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Da eine gute elektrische Isolation und gute thermische Leitfähigkeit prinzipbedingt gegenläufig sind, entsteht hier ein Zielkonflikt. Dieser führt meist zu einem Flaschenhals beim Wärmetransport und damit zur einer unnötig hohen Batterietemperatur, wodurch zuletzt die Lebensdauer des Batteriesystems herabgesetzt wird.
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Nach dem Stand der Technik werden Energiezellen normalerweise dadurch gekühlt, dass in Fräsprofilen in den Energiezellen selbst Kupferschlangen eingepresst werden, die mit einem Kühlmittel durchflossen werden. Auch ist es möglich, Fräsprofile selbst mit Kühlmittel zu durchfließen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gekühlten Energiespeicher anzugeben, der die Probleme des Standes der Technik überwindet und insbesondere eine gute Wärmeabfuhr bei gleichzeitiger sicherer elektrischer Isolierung ermöglicht. Der Energiespeicher sollte vorteilhaft in einer kompakten Bauform realisierbar sein und auch mit vielen Energiezellen und großen Abmessungen günstig herstellbar sein.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch den gekühlten Energiespeicher nach Anspruch 1 sowie das Verfahren zur Herstellung eines solchen gekühlten Energiespeichers nach Anspruch 16. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Energiespeichers und des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens an.
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Erfindungsgemäß wird ein gekühlter Energiespeicher angegeben, der zumindest eine plattenförmige Energiespeicherzelle aufweist. Eine plattenförmige Energiespeicherzelle kann hierbei durch zwei parallele Plattenflächen gebildet werden, wobei zwischen den parallel zueinander verlaufenden Rändern der Plattenflächen ein Plattenrand um die Energiespeicherzelle umläuft.
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Die Energiespeicherzellen sind vorzugsweise elektrische Energiespeicherzellen, speichern also elektrische Energie. Derartige Speicherzellen können u. a. Bleibatterien, Nickel-Metallhydrid-Zellen, Nickel-Cadmium-Zellen, Zink-Luft-Zellen, Lithium-Luft-Zellen, Nickel-Zink-Zellen, Lithium-Ionen-Zellen, Brennstoffzellen sowie Doppelschichtkondensatoren sein.
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Im erfindungsgemäßen Energiespeicher ist nun auf zumindest einer der Plattenflächen der zumindest einen Energiespeicherzelle zumindest eine Kühlplatte mit zur Plattenfläche der Energiespeicherzelle paralleler Plattenfläche so angeordnet, dass sie mit der Energiespeicherzelle in thermischem Kontakt steht. Die Energiespeicherzelle ist also mit paralleler Fläche auf der Kühlplatte angeordnet. Vorzugsweise bedeckt die Kühlplatte die entsprechende Plattenfläche der Energiespeicherzelle vollständig.
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Hierbei steht nun die Kühlplatte über einen Teil des Plattenrandes der Energiespeicherzelle über, so dass der überstehende Teil der Kühlplatte eine Kühlfinne bildet. Die Kühlfinne ist also ein gegenüber der Energiespeicherzelle frei stehender Plattenabschnitt.
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Erfindungsgemäß weist der gekühlte Energiespeicher außerdem zumindest eine Kühlvorrichtung auf, mit welcher Wärme ableitbar ist. Die zumindest eine Kühlvorrichtung steht in thermischem Kontakt mit der zumindest einen Kühlfinne der zumindest einen Energiespeicherzelle, so dass durch die Kühlvorrichtung Wärme aus der Kühlfinne ableitbar ist.
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Bevorzugterweise weist der gekühlte Energiespeicher zumindest zwei oder eine Mehrzahl von plattenförmigen Energiespeicherzellen auf. Diese können dann mit parallelen Plattenflächen nebeneinander angeordnet sein. Die zu den Energiespeicherzellen gehörenden Kühlplatten sind dann ebenfalls parallel zueinander angeordnet. Vorzugsweise stehen hierbei die Kühlfinnen mehrerer oder aller Kühlplatten mit zumindest einer gemeinsamen Kühlvorrichtung in thermischem Kontakt. Die Energiespeicherzellen und Kühlplatten sind dann also mit ihren jeweiligen Kühlfinnen nebeneinander an der gemeinsamen Kühlvorrichtung angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, dass zu jeder plattenförmigen Energiespeicherzelle eine gesonderte Kühlplatte vorgesehen ist. Es können aber auch an einer Kühlplatte mehrere Energiespeicherzellen angeordnet sein. Insbesondere können auf je einer Seite der Kühlplatte je eine Energiespeicherzelle mit paralleler Plattenfläche verbunden sein. Es ist außerdem auch möglich, dass Energiespeicherzellen an beiden ihrer Plattenflächen mit je zumindest einer Kühlfläche in Kontakt stehen, so dass also die Energiespeicherzelle zwischen zwei Kühlplatten angeordnet ist.
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Bevorzugterweise weist die Kühlvorrichtung für jede mit ihr in thermischem Kontakt stehende Kühlfinne eine Ausnehmung auf, in welcher die entsprechende Kühlfinne sitzt oder steckt. Auf diese Weise wird die Kontaktfläche zwischen Kühlfinne und Kühlvorrichtung vergrößert, so dass eine verbesserte Wärmeableitung aus der Kühlfinne möglich ist. Sofern die Kühlfinne gegenüber der Kühlvorrichtung elektrisch isoliert sein soll, ist es möglich, die Kühlfinne in der entsprechenden Ausnehmung in einem, zwei oder mehreren elektrisch nicht leitenden Abstandshaltern einzusetzen, so dass die Finne eine Wand der Ausnehmung in der Kühlvorrichtung nicht berührt.
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Um eine Isolierung der Energiespeicherzellen gegeneinander und gegenüber der Kühlvorrichtung zu bewirken, ist es möglich, dass zwischen der Energiespeicherzelle und der oder den mit ihr in Kontakt stehenden Kühlplatten zumindest eine
elektrisch isolierende, vorzugsweise hochspannungsfestisolierende, Schicht so angeordnet ist, dass die Energiespeicherzelle gegenüber der auf ihr angeordneten Kühlplatte
elektrisch isoliert ist, wobei jedoch idealerweise die elektrische Isolierung den thermischen Kontakt zwischen Energiezelle und Kühlplatte nicht beeinträchtigt. Die elektrisch
isolierende Schicht kann als zwischen Energiezelle und Kühlplatte angeordnete Folie, beispielsweise HV-Isolationsfolie, ausgestaltet sein oder auch als Beschichtung der entsprechenden Plattenfläche der Energiespeicherzelle und/oder der Kühlplatte. Mögliche Isolationsmaterialien sind u. a. Glimmerplatten, isolierende Kleber, Kunststoffscheiben, isolierender Lack, Kunststoffbeschichtungen und/oder isolierende anorganische Beschichtungen. Insbesondere ist es auch möglich, isolierende Folien mit isolierenden Beschichtungen zu kombinieren. Die genannten Isolierungen sind erfindungsgemäß an allen Stellen einsetzbar, wo in dem erfindungsgemäßen Energiespeicher eine elektrische Isolierung bewirkt werden soll.
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Eine elektrische Isolierung kann auch dadurch erfolgen, dass ein Gehäuse der Energiespeicherzelle isolierendes und spannungsfestes Material aufweist oder daraus besteht. Auch ist es möglich, eine Spannungs-Isolation durch eine Umspritzung der Außenseite jener Seite zu erreichen, in welchen die Ausnehmungen angeordnet sind, also beispielsweise der Aufnahmeplatte oder jener die Ausnehmung aufweisenden Wand eines Hohlraumes. Um hierbei eine gute thermische Kopplung zu erhalten, kann die Tiefe der Ausnehmung und eine Eindringtiefe der Finne in die Ausnehmung vergrößert werden.
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Die Energiespeicherzellen und/oder die Kühlplatten weisen vorzugsweise rechteckige Plattenflächen auf. Sie haben dann also vier Kanten, die ihren Rand bilden. Bevorzugterweise ist die zumindest eine Kühlvorrichtung an zumindest einem Rand, der auch Rand der Kühlfinne ist, angeordnet, so dass ein thermischer Kontakt zwischen Kühlplatte und Kühlvorrichtung hergestellt wird. Es können an weiteren Kanten der Kühlplatte, an welchen ebenfalls Kühlfinnen durch Überstehen über die Energiespeicherzelle gebildet sein können, weitere Kühlvorrichtungen angeordnet sein. Bei einer rechteckigen Plattenform können an den vier Kanten bis zu vier Kühlvorrichtungen entsprechend der ersten Kühlvorrichtung angeordnet sein, wobei für mehrere Platten an je einem Rand eine gemeinsame Kühlvorrichtung vorgesehen sein kann.
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Vorzugsweise steht die Kühlvorrichtung mit der entsprechenden Kante der Kühlplatte bzw. Kühlfinne auf der gesamten Länge der Kante in Kontakt, so dass die thermische Kontaktfläche möglichst groß ist.
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Kühlvorrichtungen im Sinne der Erfindung können grundsätzlich alle Vorrichtungen sein, mit welchen Wärme ableitbar ist und welche wie beschrieben in thermischem Kontakt mit der oder den Kühlfinnen anordenbar sind. Bevorzugterweise weist die Kühlvorrichtung jedoch zumindest einen Hohlraum auf, durch welchen ein Kühlfluid so leitbar ist, dass aus der Kühlfinne abgeleitete Wärme durch das Kühlfluid ableitbar ist. Hierzu kann der Hohlraum mit einem Zufluss und einem Abfluss versehen sein, durch welche das Kühlfluid zu- bzw. abgeleitet wird.
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Bevorzugterweise ist das Kühlfluid elektrisch isolierend, so dass es die Isolierung der Energiespeicherzellen gegeneinander unterstützt. Das Kühlfluid kann flüssig oder gasförmig sein. Besonders bevorzugt sind isolierende Flüssigkeiten, wie Transformatoröle, Silikonöle, Fluorkohlenwasserstoffe und/oder Fluorchlorkohlenwasserstoffe. Gasförmige Fluide können beispielsweise Luft, Stickstoff, Edelgase und/oder Schwefelhexafluorid (SF6) sein. Um die Isolationsfestigkeit zu erhöhen, können die Gase vorgetrocknet werden.
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Eine Kühlvorrichtung mit Hohlraum kann vorteilhaft als Wanne mit zumindest einem Deckel ausgestaltet sein, wobei die Kühlfinnen vorteilhaft mit dem Deckel in thermischem Kontakt stehen können. Die Wanne wird hierbei durch den Deckel verschlossen, indem sie mit dem Deckel zusammengelötet, geschweißt und/oder verschraubt wird. Für eine optimale Positionierung vor dem Zusammenbau können Positionierungspins zur Zentrierung an Deckel und/oder Wanne vorgesehen sein.
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Der Hohlraum kann, um eine Strömung und Kühlung im Inneren des Kühlers optimal zu gestalten, in seinem Inneren Kühlkammern zur dosierten Steuerung des Kühlmittelflusses, insbesondere durch unterschiedlich große Durchtrittsöffnungen für das Kühlmittel, aufweisen. In dem Kühler können außerdem Vorratskammern für eine Anströmung und Entleerung der Kühlkammern integriert sein, die über Kühlmitteldurchtrittsöffnungen miteinander verbunden sind.
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Die Konzeptionierung der Kühlvorrichtung als von Kühlfluid durchflossenem Hohlraum ermöglicht es, durch Zu- und Ableitungen in den Hohlraum einzelne Energiespeicher wie oben beschrieben zu Blöcken zusammenzuschalten und Kühlmittel über mehrere Blöcke zu verteilen.
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Kühler von mehreren Zellenblöcken können durch im Kühler integrierte Verteilerkammern parallel angeströmt werden. Vorteilhafterweise wird das Innere der Hohlräume so ausgestaltet, dass das Kühlmittel möglichst wenige Richtungswechsel im Kühler durchführt. Idealerweise wird die Oberfläche zwischen Kühlmedium und Kühler maximiert.
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Der Kühler kann ohne Hinterschnitte aufgebaut sein und als Guss-, Stanz- oder Fräßteil ausgeführt sein. Eine Dichtigkeit zwischen den Kammern kann durch Dichtmasse gewährleistet werden.
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Die Komponenten der Kühlvorrichtung können u. a. durch Löten, Schweißen, Kleben, Klemmen und/oder Zusammenschrauben, vorteilhafterweise mit einer Dichtung, verbunden werden. Als Werkstoffe werden hierbei bevorzugt gut wärmeleitfähige Materialien, wie Kupfer und/oder Aluminium verwendet.
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Zur Verbesserung der Wärmeableitung aus der Energiespeicherzelle in die Kühlvorrichtung kann ein Bereich zwischen der Energiespeicherzelle und der Kühlvorrichtung mit einem wärmeleitenden Material zumindest teilweise gefüllt sein, welches vorzugsweise elektrisch isolierend ist. Ein solches Material kann beispielsweise Wärmeleitpaste, Gapfiller und/oder Vergussmaterial sein. Durch dieses Material wird neben dem Wärmetransportpfad durch die Kühlfinne ein weiterer Wärmetransportpfad von der Energiespeicherzelle zum Kühler bereitgestellt, wodurch der Wärmewiderstand zwischen der Zelle und der Kühlvorrichtung verringert wird.
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Es ist bevorzugt, wenn die Kühlvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie zumindest eine Kühleinheit sowie zumindest eine Aufnahmeplatte aufweist, wobei die Ausnehmung, in welcher wie oben beschrieben die Kühlfinne sitzt, als Rinne in der Aufnahmeplatte ausgestaltet ist. Die Kühleinheit und die Aufnahmeplatte sind dann bevorzugt in thermischem Kontakt miteinander und besonders bevorzugt elektrisch gegeneinander isoliert, vorzugsweise hochspannungs-isoliert. Die Kühleinheit kann hier den oben beschriebenen Hohlraum und dessen Ausgestaltungen aufweisen.
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Vorzugsweise ist die Kühleinheit flach mit einer flachen bzw. ebenen Oberseite ausgestattet, so dass eine ebene Aufnahmeplatte mit paralleler Ebene auf der Kühleinheit angeordnet sein kann. Die elektrische Isolation zwischen der Aufnahmeplatte und der Kühleinheit kann durch Hochspannungs-Isolationsfolie hergestellt werden, die auf der Oberfläche der Kühleinheit aufgebracht ist. Die Aufnahmeplatte wird vorzugsweise aus einem gut wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer und/oder Aluminium, hergestellt. Da die Aufnahmeplatte gegenüber der Kühleinheit isoliert ist, kann auf eine Isolierung zwischen der Kühlfinne und der Aufnahmeplatte verzichtet werden, es kann jedoch auch eine solche Isolierung vorgesehen werden. Weitere Möglichkeiten, die Aufnahmeplatte gegenüber der Kühleinheit elektrisch zu isolieren, werden durch Glimmerplatten, isolierende Kleber, Kunststoffscheiben, isolierende Lacke, Kunststoffbeschichtungen und/oder isolierende anorganische Beschichtungen gegeben. Durch diese können auch die Kühlfinnen mit einer Isolationsschicht versehen werden, so dass sie gegenüber der Aufnahmeplatte elektrisch isoliert sind.
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Die Kühlfinnen können mit der Aufnahmeplatte auf verschiedenste Weise verbunden werden. So kommen z. B. Kleben, Schweißen, Klemmen, Nieten und andere Verfahren in Frage, die eine gute Wärmeübertragung gewährleisten. Ein direkter metallischer Kontakt ist an dieser Stelle möglich.
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Sofern die Kühlfinnen mit der Aufnahmeplatte in elektrischem Kontakt stehen, ist es bevorzugt, wenn nur eine geringe Zahl von Kühlfinnen, bevorzugt weniger als 10, besonders bevorzugt weniger als 5, gemeinsam auf einer Aufnahmeplatte montiert sind.
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In diesem Fall können einzelne Aufnahmeplatten dann spannungs-isoliert voneinander montiert werden. Die einzelnen Aufnahmeplatten können mit einer gemeinsamen Kühleinheit oder mit einzelnen Kühleinheiten ausgestattet sein.
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Wird die Schutzkleinspannung eingehalten, so kann für die Zellen auf eine Basisisolierung verzichtet werden. Die Zellen können dann mit nur noch einer Funktionsisolierung voneinander getrennt werden. Eine solche kann neben den oben zur Isolierung beschriebenen Materialien auch durch eine Klebefolie zur Befestigung der Kühlfinnen auf der Aufnahmeplatte erfolgen. Alternativ können auch der Kühler und/oder die Aufnahmeplatte mit einer isolierenden Beschichtung versehen werden. Als Isolierungsmaterialien kommen die oben genannten in Frage.
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Um ausreichende Luft- und Kriechstellen am Rand der Kühlvorrichtung sicherzustellen, ist es vorteilhaft, die Aufnahmeplatte mit einem seitlichen Isolationsrahmen, beispielsweise aus Kunststoff, zu umgeben. Die Aufnahmeplatte, der Isolationsrahmen und die Kühleinheit werden vorzugsweise so ausgeführt, dass eine eventuell vorhandene Isolationsfolie im Betrieb nicht durchgescheuert werden kann. Dies wird durch eine Ausführung dieser Bauteile ohne Grate und mit abgerundeten Kanten erreicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Ausnehmungen, in welchen die Kühlfinnen sitzen oder stecken, als Einbuchtung in einer Wand der Kühlvorrichtung ausgestaltet sein. Ist die Kühlvorrichtung wie oben beschrieben mit einem Hohlraum ausgestaltet, so liegen hierbei die Einbuchtungen vorteilhafterweise in einer Wand des Hohlraums so vor, dass die Einbuchtungen sich in das Innere des Hohlraums erstrecken. Die Einbuchtungen sind also außerhalb des Hohlraums konkav und innerhalb des Hohlraums konvex.
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Sitzt oder steckt nun die Kühlfinne in der entsprechenden Einbuchtung, so sitzt die Kühlfinne zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums und wird durch die Wand des Hohlraums im Bereich der Einbuchtung vom Inneren des Hohlraums und einem dort gegebenenfalls vorhandenen Kühlfluid getrennt. Bevorzugterweise ist jene die Einbuchtungen aufweisende Wand des Hohlraumes elektrisch isolierend, besonders bevorzugt hochspannungs-isolierend.
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Um die thermische Anbindung der Kühlfinnen an die Kühlvorrichtung, insbesondere jene Seite, welche die Ausnehmungen aufweist, zu verbessern, kann mit Wärmeleitvergussmasse, Gapfiller, wärmeleitfähigem Kleber o. ä. verbessert werden. Hierdurch wird auch die Toleranzproblematik aneinander gereihter Zellblöcke mit Finnen gelöst. Eine thermische Anbindung ist also auch gewährleistet, wenn die Kühlfinnen nicht exakt in oder an der Kühlvorrichtung sitzen. Das wärmeleitfähige Verbindungsmaterial erleichtert auch den Wärmetransport von der Kühlfinne zur Kühlvorrichtung. Es ist auch möglich, die Kühlfinnen fest ohne Toleranzausgleich an der Kühlvorrichtung anzubringen, wobei es insbesondere möglich ist, die Zellen elektrisch isoliert auf den Kühlfinnen anzubringen, wie oben beschrieben.
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Um eine hohe Modularität zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, jene die Ausnehmungen aufweisende Seite der Kühlvorrichtung so zu gestalten, dass sie mit Hilfe eines modularen Werkzeugsystems, wie beispielsweise einer Strangpressvorrichtung, in beliebiger Länge herstellbar ist.
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Sofern die Kühlvorrichtung mit einem Hohlraum wie oben beschrieben ausgebildet ist, kann vorteilhafterweise die zumindest eine Ausnehmung als Schlitz in einer Wand des Hohlraums ausgestaltet sein, wobei die Kühlfinne, welche in der Ausnehmung sitzt, so in dem Schlitz sitzt, dass sie zumindest z. T. im Inneren des Hohlraums vorliegt, so dass sie von dem Kühlfluid umspülbar ist und gegebenenfalls mit dem Kühlfluid in direktem Kontakt ist. Hierbei ist das Kühlfluid vorzugsweise elektrisch nicht leitend, so dass die Kühlfinnen durch das Kühlmedium nicht elektrisch miteinander verbunden werden. Jene die Ausnehmungen aufweisende Seite des Hohlraumes ist vorzugsweise elektrisch isolierend, weist also ein elektrisch isolierendes Material auf. Hierdurch werden die Kühlfinnen nicht über diese Seite bzw. Platte elektrisch miteinander verbunden. Jene die Ausnehmungen aufweisende Seite der Kühlvorrichtung kann eine Steckplatte sein, in welcher die Kühlfinnen sitzen. Es ist aber auch möglich, die Kühlfinnen gegenüber jener Platte zu isolieren, während die Platte selbst in diesem Fall elektrisch leitend sein kann. Auch die vorstehend beschriebenen Isolationsmaßnahmen sind hier anwendbar. Insbesondere können auch hier die Kühlplatten gegenüber den Energiespeicherzellen elektrisch isoliert sein.
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Vorzugsweise ist der Hohlraum mit eingesetzten Kühlfinnen dicht für das Kühlfluid. Eine Abdichtung zwischen jener die Ausnehmungen aufweisenden Seite oder Platte und der bzw. den Kühlfinnen kann u. a. mittels Verguss, Dichtmassen, Klebstoffen oder Gummidichtungen ausgeführt sein.
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Da die Kühlfinnen direkt mit dem Kühlmedium in Kontakt stehen und von diesem umspült werden, erfolgt ein sehr hoher Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmedium und der Kühlfinne. Um den Wärmeübergang noch weiter zu verbessern, kann jener Teil der Oberfläche der Kühlfinne, der in den Kühler hineinragt, vergrößert werden. Dies kann beispielsweise durch Sicken, Fächchen, Plättchen, Kämme und/oder Gitter geschehen, die in oder an der Kühlfinne ausgebildet sein können oder mittels der Kühlfinne durch Schweißen, Klemmen, Nieten und/oder Kleben befestigt sein können. Die Kühlmedien können die oben beschriebenen sein.
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Auch in dieser Ausführungsform kann jene die Ausnehmungen bzw. Schlitze aufweisende Seite oder Platte der Kühlvorrichtung so ausgestaltet sein, dass sie mit Hilfe eines modularen Werkzeugsystems, wie beispielsweise einer Strangpressvorrichtung, in beliebiger Länge ausgeführt werden kann.
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Der erfindungsgemäße Energiespeicher kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Es kann besonders vorteilhaft eine Oberseite des Kühlers, welches jene Seite ist, die die Ausnehmungen, Steckrillen bzw. Schlitze für die Kühlfinnen aufweist, als Guss-, Stanz- und/oder Fräßteil mit integrierten Aussparungen für Zu- und Abläufe hergestellt werden, insbesondere wenn keine Hinterschnitte vorhanden sind. Das hierzu verwendete Werkzeug kann modular ausgeführt sein, so dass jederzeit eine beliebige Kühlerlänge hergestellt werden kann. Die besagte Oberseite des Kühlers kann an dem restlichen Körper des Kühlers z. B. mittels Kleben, Schweißen, Löten und/oder Klemmen befestigt werden. Die Ausnehmung für die Kühlfinnen kann mit wärmeleitfähigem Kleber ausgegossen werden und anschließend der Kühler mit dem vor-montierten Zellenblock verbunden werden. Das Herstellungsverfahren erlaubt eine beliebige Skalierbarkeit des Kühlers und damit des Energiespeichers. Hierdurch ergeben sich erhebliche Kosteneinsparpotentiale für neue Druckguss- bzw. Stanzwerkzeuge.
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Der erfindungsgemäße gekühlte Energiespeicher weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf. Zum einen wird zwischen den Energiezellen und dem Kühler ein optimaler Wärmeübergang erreicht. Sofern die Kühlfinne direkt in den Kühler ohne eine gebogene oder abgewinkelte Fläche übergeht, ist der Wärmeübergangswiderstand nochmals reduziert.
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Durch die Entkopplung der Funktionen des Haltens bzw. der Befestigung des Kühlers und des Kühlers der Zellen wird eine sehr hohe Vibrationsfestigkeit und mechanische Stabilität an den Kühlfinnen gewährleistet, da die Verbindung zwischen dem Kühler und den Kühlfinnen keine Kräfte aufnehmen muss.
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Bei geeigneter Ausgestaltung der Kühlvorrichtung mit über Verteilerkammern und/oder Vorratskammern parallel angeströmte Kühlrippen ergibt sich im Inneren des Kühlers ein minimaler Druckverlust, da keine Änderung der Strömungsrichtung des Kühlmediums erfolgen muss. Auf die Weise lässt sich die Vorrichtung auch bei tiefen Temperaturen mit zähflüssigem Kühlmedium mit einer ausreichenden Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmediums durch die Kühlvorrichtung betreiben, so dass eine homogene Kühlung des Speichers erfolgt. Darüber hinaus kann die Pumpe für das Kühlmedium weniger aufwändig ausgestaltet werden und ist damit kostengünstiger.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Kühlung mittels Kühlfinnen, die an einen Kühler angeordnet sind, eine besonders homogene Kühlung der Kühlzelle innerhalb der Kühlzelle wie auch unter verschiedenen Kühlzellen ermöglicht.
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Es können erfindungsgemäß auch andere Mechanismen für die Kühlvorrichtung in Frage kommen. So sind auch Luftkühler oder eine Klimaanlagenkühlung denkbar.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmale können auch einzeln unabhängig vom konkreten Ausführungsbeispiel in beliebiger Kombination erfindungsgemäß realisiert sein.
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Es zeigt
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichers;
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2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichers;
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3 eine Weiterbildung der in 2 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichers;
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4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichers,
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5 eine Oberseite einer Kühlvorrichtung des erfindungsgemäßen Energiespeichers, die modular herstellbar ist,
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6 eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Energiespeicher, in welchem die Kühlfinnen in Abstandshaltern in Ausnehmungen in der Kühlvorrichtung sitzen; und
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7 einen Abstandshalter, in welchem Kühlfinnen in Ausnehmungen angeordnet werden können.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gekühlten Energiespeichers. Der Energiespeicher weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 1 auf, welche plattenförmig sind mit zwei Plattenflächen 2a, 2b, wobei die Plattenflächen 2a, 2b senkrecht zur Zeichnungsebene stehen. Die Energiespeicherzellen 1 sind nun mit einer Plattenfläche 2a an einer Kühlplatte 3 mit zur Kühlplatte paralleler Plattenfläche 2a so angeordnet, dass die Energiespeicherzelle 1 mit der Kühlplatte 3 in thermischem Kontakt steht. Es ist hierbei jeder Energiespeicherzelle 1 eine Kühlplatte 3 zugeordnet. Es können aber auch mehrere Energiespeicherzellen 1 an einer Kühlplatte 3 angeordnet sein oder mehrere Kühlplatten 3 an einer Energiespeicherzelle 1.
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Die Kühlplatten 3 sind mit parallelen Plattenebenen nebeneinander angeordnet und stehen über einen Teil des Plattenrandes der Energiespeicherzellen 1 über, so dass der überstehende Teil Kühlfinnen 4 bildet.
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Die Kühlfinnen 4 sind nun in thermischem Kontakt mit einer Kühlvorrichtung 5 angeordnet. Dabei weist die Kühlvorrichtung 5 eine Kühleinheit 6 sowie eine Aufnahmeplatte 7 auf. Die Kühleinheit 6 und die Aufnahmeplatte 7 sind hierbei im Wesentlichen plattenförmig und mit parallelen Plattenflächen aufeinander angeordnet. Zwischen der Kühleinheit 6 und der Aufnahmeplatte 7 ist eine Isolationsfolie 8 untergebracht, welche die Kühleinheit gegenüber der Aufnahmeplatte 7 hochspannungsfest isoliert.
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Die Aufnahmeplatte 7 weist nun für jede Kühlfinne 4 eine Ausnehmung 9 auf, in welcher die entsprechende Kühlfinne 4 sitzt. Die Ausnehmungen 9 sind hierbei als Rinnen ausgeführt, die auf einer Oberseite der Aufnahmeplatte 7 parallel zueinander verlaufen. In den Ausnehmungen 9 stehen die Kühlfinnen 4 mit der Aufnahmeplatte 7 in thermischem Kontakt.
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Um den thermischen Widerstand zwischen den Energiespeicherzellen 1 und der Kühleinheit 6 weiter zu reduzieren, kann zwischen der Aufnahmeplatte 7, den Kühlfinnen 4 und den Energiespeicherzellen 1 zumindest bereichsweise ein wärmeleitfähiger Stoff 17, wie beispielsweise Wärmeleitpaste, Gapfiller oder Vergussmaterial, untergebracht sein.
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Um ausreichende Luft- und Kriechstrecken am Rand des Kühlers 5 sicherzustellen, ist die Aufnahmeplatte 7 mit einem seitlichen Isolationsrahmen 10, beispielsweise aus Kunststoff, umgeben. Zur weiteren Erhöhung der elektrischen Isolation kann auch zwischen den Energiespeicherzellen 2 und den entsprechenden Kühlplatten 3 jeweils eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet sein, welche die Energiespeicherzelle 1 gegenüber der Kühlplatte elektrisch isoliert. Die Energiespeicherzellen 1 sind im Normalfall elektrische Energiespeicherzellen 1.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen gekühlten Energiespeichers. Es sind hier wiederum um eine Vielzahl von plattenförmigen elektrischen Energiespeicherzellen 1 mit parallelen Plattenflächen nebeneinander angeordnet. Wiederum sind die Energiespeicherzellen 1 mit paralleler Plattenfläche an je einer Kühlplatte 3 so angeordnet, dass sie mit der Kühlplatte 3 in thermischem Kontakt stehen. Im gezeigten Beispiel sind an einer Kühlplatte 3 jeweils zwei elektrische Energiespeicherzellen 1 auf gegenüber liegenden Seiten der Kühlplatte 3 angeordnet. Die Kühlplatte 3 steht im gezeigten Beispiel nach unten über die Flächen der Energiespeicherzellen 1 über, so dass sich unterhalb der Energiespeicherzellen 1 Kühlfinnen 4 ausbilden.
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Die Kühlvorrichtung 5 weist im gezeigten Beispiel einen Hohlraum 11 auf, welcher von einem Kühlmittel durchströmbar ist, welches in den Hohlraum durch einen Eingangsstutzen 12 eintritt und einen Ausgangsstutzen 13 austritt. Jene die Ausnehmungen 9 aufweisende Oberseite der Kühlvorrichtung 5 ist hier als Platte 14 ausgestaltet, in welcher die Ausnehmungen 9 als Einbuchtungen 9 ausgebildet sind, die in das Innere des Hohlraums 11 hineinragen. Die Ausnehmungen sind im gezeigten Beispiel wiederum länglich ausgebildet und verlaufen für die verschiedenen Kühlplatten 3 parallel zueinander. Die Kühlplatten 3 stecken nun mit je einer Kühlfinne 4 in einer Ausnehmung 9. Dadurch, dass die Ausnehmung 9 bis in das Innere des Hohlraums 11 hineinreicht, ragen auch die Kühlfinnen 4 bis in das Innere des Hohlraums 11 hinein und werden vom Hohlraum 11 durch die Wand 14 im Bereich der Ausnehmung 9 getrennt.
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Die Kühlvorrichtung 5 ist im gezeigten Beispiel aus zwei Teilen gebildet, nämlich einer Wanne 15 und der Oberplatte 14. Die Wanne 15 und die Oberplatte 14 sind fluiddicht miteinander verbunden, wobei verschiedene Verbindungstechniken zur Anwendung kommen können.
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Im gezeigten Beispiel sind die Energiespeicherzellen 1 gegenüber den entsprechenden Kühlplatten 3 elektrisch hochspannungsisoliert durch jeweils eine Isolationsfolie 16 oder Isolationsschicht 16, welche beidseitig der Kühlplatte 3 zwischen der Kühlplatte 3 und der entsprechenden Energiespeicherzelle 1 über die vollständige Kontaktfläche angeordnet ist. Auf diese Weise müssen die Kühlfinnen 4 nicht notwendigerweise weiter elektrisch gegeneinander isoliert werden.
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3 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen gekühlten Energiespeichers, der eine Weiterbildung des in 2 gezeigten Energiespeichers ist. Soweit die Beispiele übereinstimmen, wird auf die Beschreibung zu 2 verwiesen.
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Der in 3 gezeigte Energiespeicher unterscheidet sich von jenem in 2 gezeigten dadurch, dass zwischen die Energiezellen 1 und die die Ausnehmungen 9 aufweisende Oberplatte 14 des Energiespeichers 5 Wärmeleitvergussmasse 17 eingebracht ist. Die Wärmeleitvergussmasse ist hierbei jeweils zwischen der Energiespeicherzelle 1 und der Platte 14 angeordnet, um den thermischen Kontakt zwischen der Energiespeicherzelle 1 und der Platte 14 zu vergrößern. Im gezeigten Beispiel umgibt die Wärmeleitvergussmasse 17 außerdem die Kühlfinnen 4 im Inneren der Einbuchtung 9, so dass auch ein guter Kontakt zwischen der Kühlfinne 4 und dem Inneren des Hohlraums 5 erzielt wird.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist wiederum die Kühlvorrichtung 5 als Hohlraum 11 ausgestaltet, der von einem Wärmeleitmedium durchfließbar ist, welches durch eine Eingangsöffnung 12 zu, und eine Ausgangsöffnung 13 abgeleitet wird. Im hier gezeigten Beispiel sind nun die Ausnehmungen 9 in jener die Ausnehmungen aufweisenden Oberseite 14 der Kühlvorrichtung 5 als Schlitze 9 in der Oberseite 14 ausgestaltet, durch welche hindurch die Kühlfinnen 4 in das Innere 11 der Kühlvorrichtung 5 hineinragen, so dass sie von dem Kühlmedium umflossen werden. Die Schlitze 9 sind hierbei wieder länglich und zueinander parallel ausgeführt.
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Wie in den vorangegangenen Beispielen sind an jeder Kühlplatte 3 einer Kühlfinne 4 je zwei elektrische Energiespeicherzellen 1 über je eine Isolationsschicht 16 angeordnet. Die Oberseite 14 der Kühlvorrichtung 5 ist im gezeigten Beispiel als elektrischer Isolator ausgeführt, so dass die Kühlfinnen 4 auch durch die Oberseite 14 gegeneinander elektrisch isoliert sind. Vorzugsweise ist auch das im Hohlraum 11 der Kühlvorrichtung 5 vorliegende Kühlmedium elektrisch isolierend.
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5 zeigt eine Aufsicht auf eine Oberseite 14 der Kühlvorrichtung 5. Zu erkennen sind hier eine Vielzahl von graden länglichen Ausnehmungen 9, die äquidistant und parallel zueinander nebeneinander angeordnet sind. Die gezeigte Oberfläche 14 lässt sich besonders günstig mit einem modularen Werkzeugsystem herstellen, wie beispielsweise einer Strangpressvorrichtung. Es ist zu erkennen, dass die Oberseite 14 aus drei gleichartigen Abschnitten 18a, 18b, 18c besteht, die mittels des modularen Werkzeugsystems auf einfache Weise um weitere Abschnitte erweitert werden können, wenn ein Energiespeicher mit weiteren Energiespeicherzellen 1 hergestellt werden soll.
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6 zeigt einen Abschnitt einer Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Energiespeicher. Hierbei sind jeweils zwei Energiespeicherzellen 1 auf zwei Seiten je einer Kühlplatte 3 angeordnet, wie oben beschrieben. Die Kühlplatten 3 sitzen wie oben beschrieben in Ausnehmungen 9 in einer Oberseite 14 der Kühlvorrichtung 5. Die Kühlfinnen 4 sind hierbei jedoch nicht in direktem Kontakt mit einer Wandung der Ausnehmung 9, sondern sitzen in zwei Abstandshaltern 19a, 19b, die aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet sind. Hierdurch besteht ein freier oder mit einem Medium gefüllter Bereich zwischen der Kühlfinne 4 und der Wandung der Ausnehmung 9. Die Ausnehmung 9 ist hierbei etwas größer gestaltet als die Abmessungen der Kühlfinne 4.
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7 zeigt einen Abstandshalter 19, wie er in 6 verwendet wird. Er weist hierbei ein winkelförmiges Profil auf, in welchem eine Öffnung 20 vorliegt, in welchen die Kühlfinne 4 sitzen kann.
