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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Vielzahl
von Batteriezellen, die rechteckige Batterien sind, verbunden zu
einem horizontalen Stapel bzw. einer horizontalen Schichtung und
gekühlt durch Zwangsbelüftung über Kanäle
zwischen den Batteriezellen.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Batteriesysteme
mit einer Vielzahl gestapelter rechteckiger Batterien sind bereits
entwickelt worden (siehe die
japanischen
offengelegten Patentveröffentlichungen 2001-23702 und
H8-32129 (1996) ).
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In
dem in
JP 2001-23702
A offenbarten Batteriesystem wird durch Stapeln vieler
rechteckiger Batterien ein Batterieblock gebildet mit dazwischen angeordneten
Abstandshaltern, um Kühlspalte zu erzielen. Durch die Kühlspalte,
die mittels den Abstandshaltern erzielt werden, wird ein Kühlmedium wie
etwa Luft geleitet. In diesem Batteriesystem werden die vielen gestapelten
rechteckigen Batterien mittels des Stroms von Kühlmedium,
wie beispielsweise Luft, durch die Kühlspalte gekühlt.
In dem in
JP H8-32129
A offenbarten Batteriesystem wird ein Batterieblock gebildet
durch Stapeln rechteckiger Batterien mit dazwischen angeordneten
wärmeableitenden Platten. In diesem Batteriesystem werden
die vielen gestapelten rechteckigen Batterien über die wärmeableitenden
Platten gekühlt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
in den oben beschriebenen Veröffentlichungen offenbarten
Batteriesysteme weisen den Nachteil auf, dass es, wenn die Anzahl
der gestapelten rechteckigen Batterien zunimmt, schwierig wird, über
alle Batterien eine gleichmäßige Temperatur aufrechtzuerhalten.
Insbesondere wird es, wenn die Anzahl der gestapelten rechteckigen
Batterien zunimmt, schwierig, die Batterien zu kühlen und
gleichzeitig den Temperaturunterschied zwischen den Batterien zu
verringern. In einem Batteriesystem mit vielen rechteckigen Batterien,
die zusammengestapelt sind, ist es wichtig, die Temperaturunterschiede
zwischen den Batterien so weit wie möglich zu verringern.
Dies ist so, weil Temperaturunterschiede zu ungleichmäßiger
Batterierestkapazität führen, was wiederum zu
verkürzter Batterielebensdauer führt. Lade- und
Entladeeffizienz ist eine Funktion der Batterietemperatur. Bestehen
Temperaturunterschiede, entwickeln sich selbst dann Unterschiede
in der Batterierestkapazität, wenn jede Batterie mit dem
gleichen Strom geladen und entladen wird. Wenn sich Unterschiede
in der Restkapazität entwickeln, werden Batterien mit hoher
Restkapazität leicht überladen und Batterien mit
geringer Restkapazität leicht überentladen. Dies
ist ein Grund für eine verringerte Gesamtlebensdauer des
Batteriesystems. In einem typischen Batteriesystem wird die Menge
des Batterie-Lade- und Entladestroms durch einen Mikrocomputer gesteuert,
um Überladung und Überentladung zu vermeiden.
In einem Batteriesystem, das Batterien mit unterschiedlichen Restkapazitäten
aufweist, steuert der Mikrocomputer den Umfang der Entladung, um
die Batterien mit hoher Restkapazität der Entladungsmenge
anzupassen, die für die Batterien mit geringer Restkapa zität
festgelegt ist. Umgekehrt steuert der Mikrocomputer den Umfang der
Ladung, um Batterien mit geringer Restkapazität der Ladungsmenge
anzupassen, die für die Batterien mit hoher Restkapazität
festgelegt ist. Wenn folglich hohe Temperaturunterschiede und Restkapazitätsunterschiede
zwischen den Batterien vorliegen, ist die Energiemenge, die während
des Batterie-Ladens und Entladens übertragen werden kann,
limitiert im Vergleich zu einem Batteriesystem mit geringen Temperaturunterschieden.
Dies ist der Grund, warum die Batterieleistung bzw. Batterieperformance
nicht ausreichend ausgeschöpft werden kann und der Grund, warum
die Leistung des Batteriesystems abnimmt.
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Des
Weiteren ist die Temperatur der Batterie ein Parameter, der die
Lebensdauer der Batterie bestimmen kann. Je mehr die Batterietemperatur
die Referenztemperatur übersteigt, desto schneller nimmt
die Leistung der Batterie ab, wenn die Temperatur, bei der die Batterieleistung
ausreichend ausgeschöpft werden kann, als Referenztemperatur
verwendet wird. Infolge des Betriebes, wie beispielsweise des Fahrens
des Elektrofahrzeugs, erzeugen im Batteriesystem zusammengestapelte
Batterien Wärme, und die Lebensdauer des Systems wird angenähert
durch die Verschlechterung bzw. Leistungsabnahme einer spezifischen
Batterie. Dies ist so, weil die Batterie, die eine hohe Temperatur
erreicht, in gewissem Maß bekannt ist basierend auf der
Batterieposition und der lokalen Kühlumgebung. Insbesondere
ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass die erste Batterie im Batteriesystem,
die ihre Lebensdauer bzw. das Ende davon erreicht, die Batterie
ist, die kontinuierlich auf eine hohe Temperatur ansteigt. Ein Batteriesystem
mit Batterien in Reihe geschaltet, fällt selbst dann als
System aus, wenn nur eine einzige Batterie unbrauchbar wird. Folglich
kann die Wichtigkeit des Absenkens der Temperatur der Batterie,
die am heißesten wird, um die Batterieverschlechterung zu
verzögern und die Lebensdauer zu verlängern, nicht
hoch genug bewertet werden. Des Weiteren entwickeln sich bei großen
Temperaturunterschieden zwischen den Batterien Unterschiede in der
Geschwindigkeit der Verschlechterung der im Batteriesystem gestapelten
Batterien, und jede Batterie erreicht ihre Lebensdauer bzw. das
Ende davon zu einem anderen Zeitpunkt. Infolgedessen wird das Batteriesystem
funktionsunfähig, während es Batterien enthält,
die ihre Lebensdauer bzw. das Ende davon noch nicht erreicht haben
und noch nicht im vollen Ausmaß ihrer Leistungsfähigkeit
verwendet wurden. Folglich ist das Absenken der Temperatur von schnell verschlechternden
Batterien und das Verringern der Temperaturunterschiede zwischen
den Batterien entscheidend für die Verlängerung
der Lebensdauer des Batteriesystems.
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Diese
Art von Batteriesystem weist viele zusammengestapelte Batterien
zur Verwendung in Anwendungen auf, bei denen mit hohen Strömen
geladen und entladen wird, wie beispielsweise bei Hybridfahrzeugen.
Da die Herstellungskosten außerordentlich hoch sind, ist
es deshalb wichtig, die Lebensdauer des Batteriesystems so weit
wie möglich zu verlängern. Insbesondere ist für
Systeme mit einer großen Anzahl von Batterien eine längere
Lebensdauer erforderlich, da die Kosten des Batteriesystems mit
der Anzahl der verwendeten Batterien steigen. Es ist jedoch ein
Merkmal dieser Batteriesysteme, dass je mehr zusammengestapelte
Batterien, desto größer die Temperaturunterschiede
und umso kürzer die Lebensdauer.
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Die
vorliegende Erfindung wurde mit der Aufgabe entwickelt, die oben
beschriebenen Nachteile der Batteriesysteme nach dem Stand der Technik
mit gestapelten rechteckigen Batterien zu korrigieren. Deshalb ist
es eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriesystem
bereitzustellen, das die Batterie zellentemperaturunterschiede reduzieren
und die Temperatur der am heißesten werdenden Batteriezelle
verringern kann, um die Lebensdauer des Systems zu verlängern,
während eine außerordentlich einfache Struktur
beibehalten wird.
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Das
Batteriesystem der vorliegenden Erfindung ist mit Batterieblöcken 3 mit
einer Vielzahl von Batteriezellen 1 versehen, die rechteckige
Batterien sind, gestapelt mit Kühlspalten 4, ausgebildet
zwischen den Batteriezellen 1, um Kühlgas hindurchzuführen;
mit Ventilations- bzw. Belüftungskanälen 5, 55, 75,
angeordnet an beiden Seiten der Batterieblöcke 3,
die Zufuhrkanäle 6, 56, 76 zum
zwangsweisen Einführen von Kühlgas in die Kühlspalte 4 und
Auslasskanäle 7, 57, 77 umfassen;
und einer Ventilations- bzw. Belüftungsvorrichtung 9,
um zwangsweise Kühlgas durch die Ventilationskanäle 5, 55, 75 strömen
zu lassen. Von der Ventilationsvorrichtung 9 zwangsweise
eingeführtes Kühlgas strömt von den Zufuhrkanälen 6, 56, 76 durch
die Kühlspalte 4 und in die Auslasskanäle 7, 57, 77,
um die Batteriezellen 1 zu kühlen. Des Weiteren
weist das Batteriesystem lange schmale Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 auf,
deren Länge in Strömungsrichtung größer als
die Breite ist, und jede Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 wird
zur Einlassseite hin graduell bzw. allmählich bzw. schrittweise
schmaler.
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Das
oben beschriebene Batteriesystem weist das Merkmal auf, dass die
Batteriezellentemperaturunterschiede verringert und die Lebensdauer verlängert
werden können, während eine außerordentlich
einfache Struktur beibehalten wird. Dies ist so, da die Batteriezellentemperaturunterschiede durch
Bereitstellen von Temperaturausgleichswandungen mit einer einfachen
Konfiguration verringert werden können. Wenn zum Beispiel
zwei Batterieblöcke mit achtzehn rechteckigen Lithium-Ionen-Batteriezellen
in jedem Block nebeneinander angeordnet sind mit einem dazwischen
ausgebildeten Zufuhrkanal und die Batteriezellen gekühlt
werden mittels zwangsweisem Hindurchführen von Kühlgas
von dem Zufuhrkanal durch die Kühlspalte zwischen den Batteriezellen,
beträgt die minimale Temperatur einer Batteriezelle 23°C,
die maximale Temperatur einer Batteriezelle 33°C und der
Temperaturunterschied beträgt 10°C. Wenn im Gegensatz
dazu das Batteriesystem der vorliegenden Erfindung mit Temperaturausgleichswandungen,
die im Zufuhrkanal angeordnet sind, mit dem ansonsten gleichen Ventilationssystem
wie oben beschrieben gekühlt wird, beträgt die
minimale Temperatur einer Batteriezelle 23°C, die maximale
Temperatur einer Batteriezelle 28°C und der Temperaturunterschied
wird reduziert auf 5°C. Folglich kann die vorliegende Erfindung
durch Anordnen von Temperaturausgleichswandungen im Zufuhrkanal
eines Batteriesystems, ansonsten aufweisend die gleiche Batterieblockstruktur
und Anordnung, den Batteriezellentemperaturunterschied von 10°C
auf 5°C halbieren. Wenn der Temperaturunterschied zwischen
den Batteriezellen verringert ist, wird die Restkapazität
der Batteriezellen gesamtheitlich gleichmäßiger
und die Unterschiede in der Lade- und Entladeeffizienz werden verringert.
Durch Ausgleichen der Restkapazität jeder Batteriezelle
werden die vom Mikrocomputer auferlegten Beschränkungen
bezüglich der Lade- und Entlademenge abgeschwächt
und die Menge der während des Ladens und Entladens übertragenen
Energie steigt im Vergleich zu dem Fall, bei dem Restkapazitätsunterschiede
zwischen den Batteriezellen vorhanden sind. Dementsprechend kann
die Leistung jeder Batteriezelle ausreichend ausgeschöpft
werden und infolgedessen die Systemleistung angemessen realisiert werden.
Ferner wird durch Verringern der Temperaturunterschiede zwischen
den im Batteriesystem gestapelten Batteriezellen der Unterschied
in der Lade- und Entladeeffizienz verringert, um die Geschwindigkeit
der Leistungsabnahme bzw. Verschlechterung aller Batteriezellen
im Wesentlichen auszugleichen. Da alle Batteriezellen ihre Lebensdauer
bzw. das Ende davon im Wesentlichen zeitgleich erreichen, wurde
somit die Leistungsfähigkeit aller Batteriezellen ausreichend
ausgeschöpft, wenn das Batteriesystem das Ende seiner Lebensdauer
erreicht.
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Das
Batteriesystem der vorliegenden Erfindung kann Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 aufweisen,
die an der Oberseite und am Boden bzw. der Unterseite eines Zufuhrkanals 6, 56, 76 an symmetrischen
Positionen angeordnet sind. Durch Anordnen der Temperaturausgleichswandungen
an der Oberseite und am Boden jedes Zufuhrkanals weist dieses Batteriesystem
das Merkmal auf, dass die Temperaturunterschiede zwischen den Batteriezellen
verringert werden können, während lokale Temperaturunterschiede
in jeder einzelnen Batteriezelle verringert werden.
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Im
Batteriesystem der vorliegenden Erfindung kann jede Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 zum
Stromabwärtsende hin graduell schmaler werden. Da jede
Temperaturausgleichswandung sowohl am Stromaufwärts- als
auch am Stromabwärtsende graduell schmaler wird, kann dieses
Batteriesystem die Erzeugung von Turbulenzen im Strom des Kühl gases über
die Temperaturausgleichswandungen verhindern. Folglich weist dieses
Batteriesystem das Merkmal auf, dass Druckverluste im Zufuhrkanalkühlgasstrom
verringert werden können.
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Im
Batteriesystem der vorliegenden Erfindung kann jede Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 eine
geneigte Fläche aufweisen, um die vertikale Breite der
Wandung zum Stromaufwärtsende hin schmaler zu machen. Bei
diesem Batteriesystem kann das Kühlgas problemlos bzw.
gleichmäßig auf der Stromaufwärtsseite
der Temperaturausgleichswandungen strömen, um die Erzeugung
von Turbulenzen zu verhindern. Folglich können die Batteriezellen
effizient gekühlt werden, während Druckverluste
im Kühlgasstrom verringert werden.
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Im
Batteriesystem der vorliegenden Erfindung kann jede Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 eine
geneigte Fläche aufweisen, um die vertikale Breite der
Wandung zum Stromabwärtsende hin schmaler zu machen. In
diesem Batteriesystem kann das Kühlgas problemlos bzw.
gleichmäßig auf der Stromabwärtsseite
der Temperaturausgleichswandungen strömen, um die Erzeugung
von Turbulenzen zu verhindern. Folglich können die Batteriezellen
effizient gekühlt werden, während Druckverluste
im Kühlgasstrom verringert werden.
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Im
Batteriesystem der vorliegenden Erfindung kann die Lateral- bzw.
Querbreite jeder Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 zur
Scheitelkante hin schmaler werden. Da die Scheitelkante jeder Temperaturausgleichswandung
neben den Batteriezellen angeordnet sein kann, die die höchste
Temperatur ausbilden, kann in diesem Batteriesystem der Temperaturanstieg
in diesen Batteriezellen verringert wer den und der Temperaturunterschied
zwischen den Batteriezellen verringert werden.
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Im
Batteriesystem der vorliegenden Erfindung kann ein Batterieblock 3 mit
einem Paar Endplatten 10 versehen sein, die an den Enden
des Stapels aus Batteriezellen 1 angeordnet sind, und Befestigungskomponenten 11,
die das Paar Endplatten 10 verbinden. Die Befestigungskomponenten 11 können Verbindungsbänder 11X mit
einer vordefinierten Breite sein und diese Verbindungsbänder 11X können
an der Oberseite und am Boden beider Seiten der Batteriezellen 1 angeordnet
sein. Öffnungen 14 an den Kühlspalten 4 an
beiden Seiten der Batteriezellen 1 werden durch diese Verbindungsband- 11X Befestigungskomponenten 11 lokal
gesperrt bzw. blockiert. Die Kühlspalt- 4 Öffnungen 14 können
unterteilt sein in gesperrte bzw. blockierte Bereiche 14A an
der Oberseite und am Boden der Batteriezellen 1 und in freiliegende
Bereiche 14B zwischen den gesperrten Bereichen 14A,
wo die Kühlspalte 4 mit den Ventilationskanälen 5, 55, 75 verbunden
sind. Die Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 können
in einem Zufuhrkanal 6, 56, 76 außenseitig
der gesperrten Bereiche 14A und des freiliegenden Bereichs 14B angeordnet
sein.
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Da
die Temperaturausgleichswandungen an den gesperrten Bereichen und
an einem freiliegenden Bereich angeordnet sind, ermöglichen
an den gesperrten Bereichen angeordnete Temperaturausgleichswandungen,
dass zwangsweise in den Zufuhrkanal eingeführtes Kühlgas
wirksam zum Kühlen der Batteriezellen verwendet wird und
effizient die Hochtemperaturbatteriezellen kühlen. Dies
ist so, da zwangsweise in den Zufuhrkanal eingeführtes
Kühlgas effizient in die Kühlspalte im freiliegenden
Bereich strömt, um die Batteriezel len zu kühlen,
aufgrund der an den gesperrten Bereichen angeordneten Temperaturausgleichswandungen.
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Im
Batteriesystem der vorliegenden Erfindung ist jede Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 mit
einem breiten Bereich 8B, 58B, 78B versehen, der
neben einem Verbindungsband 11X angeordnet ist, und einem
sich verjüngenden bzw. keilförmigen Bereich 8A, 58A, 78A.
Der sich verjüngende Bereich 8A, 58A, 78A ist
außenseitig des freiliegenden Bereichs 14B angeordnet
und sich verjüngend, um den Abstand zwischen der Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 und
den Seiten der Batteriezellen 1 zu vergrößern,
wenn sich der Scheitelkante der Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 angenähert
wird.
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Durch
Anordnen des sich verjüngenden Bereichs der Temperaturausgleichswandung
in der Nähe der Batteriezellen, die eine hohe Temperatur erreichen,
können die Hochtemperaturbatteriezellen dieses Batteriesystems
effizient gekühlt werden. Dies ist so, da der sich verjüngende
Bereich bewirkt, dass die Strömungsgeschwindigkeit des
Kühlgases neben den Hochtemperaturbatteriezellen zunimmt
und der wirksame Umfang der Kühlgasventilation in den Kühlspalten
erhöht wird. Infolgedessen kann die Temperatur der Batteriezellen,
die am heißesten werden, gesenkt werden, die Geschwindigkeit
der Leistungsabnahme bzw. Verschlechterung der Batteriezellen kann
verringert werden und die Leistungsfähigkeit der Batterie
kann angemessen ausgeschöpft werden. Ferner können
durch Absenken der Temperatur und Verlängern der Lebensdauer
der Batterie, die die höchste Wahrscheinlichkeit aufweist,
ihre Lebensdauer bzw. das Ende davon zuerst zu erreichen, andere
Batterien bis zu ihrer maximalen Leistungsfähigkeit verwendet
werden und die Le bensdauer des Systems verlängert werden.
Insbesondere wird die Lebensdauer des Batteriesystems verlängert,
weil die Leistungsabnahme bzw. Verschlechterung einer einzigen spezifischen
Batterie nicht bewirkt, dass das Batteriesystem seine Funktionsfähigkeit
verliert.
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Im
Batteriesystem der vorliegenden Erfindung können die Batterieblöcke 3 in
zwei Reihen angeordnet sein, Zufuhrkanäle 6 können
zwischen benachbarten Batterieblöcken 3 ausgebildet
sein und Temperaturausgleichswandungen 8 können
symmetrisch angeordnet sein an der Oberseite und dem Boden jedes
Zufuhrkanals 6, entlang der Oberseite jedes Zufuhrkanals 6 oder
entlang des Bodens jedes Zufuhrkanals 6. Durch Anordnen
von Temperaturausgleichswandungen in den Zufuhrkanälen
zwischen zwei Reihen von Batterieblöcken können
Temperaturunterschiede zwischen Batteriezellen, die jeden Batterieblock
an beiden Seiten der Zufuhrkanäle ausbilden, verringert
werden.
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Im
Batteriesystem der vorliegenden Erfindung können die Batterieblöcke 3 in
zwei Reihen angeordnet sein, Zufuhrkanäle 6 können
zwischen benachbarten Batterieblöcken 3 ausgebildet
sein und Temperaturausgleichswandungen 8 können
symmetrisch angeordnet sein an der Oberseite und am Boden jedes
Zufuhrkanals 6. Die breiten Bereiche 8B der Temperaturausgleichswandungen 8 können
zwischen den Verbindungsbändern 11X der Batterieblöcke 3 in
den zwei benachbarten Reihen angeordnet sein, und die sich verjüngenden
Bereiche 8A können zwischen den freiliegenden
Bereichen 14B angeordnet sein. Dieses Batteriesystem weist
das Merkmal auf, dass zwangsweise in den Zufuhrkanal eingeführtes
Kühlgas zwei Reihen Batterieblöcke effizient kühlen
kann, um die Temperaturunterschiede zwischen den Batteriezellen
zu verringern, die diese Batterieblöcke ausbilden.
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Im
Batteriesystem der vorliegenden Erfindung können die breiten
Bereiche 8B der Temperaturausgleichswandungen 8,
die an der Oberseite und am Boden des Zufuhrkanals 6 an
symmetrischen Positionen angeordnet sind, zwischen den Verbindungsbändern 11X der
Batterieblöcke 3 in zwei benachbarten Reihen angeordnet
sein, die sich verjüngenden Bereiche 8A können
zwischen den freiliegenden Bereichen 14B angeordnet sein
und die sich gegenüberliegenden Scheitelbereiche können
zu den Scheitelkanten hin graduell schmaler werden. Durch Anordnen
der sich verjüngenden Bereiche in der Nähe der
Hochtemperaturbatteriezellen von Batterieblöcken in zwei
Reihen können die Hochtemperaturbatteriezellen effizient
gekühlt werden, um die Temperaturunterschiede zu verringern.
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Die
obigen und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sowie Merkmale
davon werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung, die
in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erstellt
wurde, ersichtlicher.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schrägansicht eines Batteriesystems für eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Schrägansicht, die die innere Struktur des in 1 dargestellten
Batteriesystems darstellt;
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3 ist
eine schematische Schrägansicht eines Batteriesystems für
eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine schematische horizontale Querschnittsansicht des in 3 dargestellten
Batteriesystems;
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5 ist
ein Querschnitt durch Linie V-V des in 4 dargestellten
Batteriesystems mit einer vergrößerten Einfügung;
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6 ist
ein Querschnitt durch Linie VI-VI des in 4 dargestellten
Batteriesystems;
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7 ist
eine schematische Schrägansicht mit einer vergrößerten
Einfügung, die die innere Struktur des in 3 dargestellten
Batteriesystems darstellt;
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8 ist
eine schräge Explosionsdarstellung eines Batterieblocks
des in 2 gezeigten Batteriesystems;
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9 ist
eine schräge Explosionsdarstellung, die die Stapel- bzw.
Schichtungskonfiguration für Batteriezellen und Abstandshalter
darstellt;
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10 ist
eine schematische Schrägansicht eines Batteriesystems für
eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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11 ist
eine schematische horizontale Querschnittsansicht des in 10 dargestellten
Batteriesystems;
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12 ist
ein Querschnitt durch Linie XII-XII des in 11 dargestellten
Batteriesystems mit vergrößerter Einfügung;
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13 ist
eine schematische Schrägansicht mit einer vergrößerten
Einfügung, die die innere Struktur des in 10 dargestellten
Batteriesystems darstellt;
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14 ist
eine schematische Schrägansicht eines Batteriesystems für
eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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15 ist
eine schematische horizontale Querschnittsansicht des in 14 dargestellten
Batteriesystems;
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16 ist
ein Querschnitt durch Linie XVI-XVI des in 15 dargestellten
Batteriesystems;
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17 ist
eine schematische Schrägansicht mit einer vergrößerten
Einfügung, die die innere Struktur des in 14 dargestellten
Batteriesystems darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
anhand der Figuren beschrieben. Jedoch sind die folgenden Ausführungsformen
lediglich spezifische Beispiele für Batteriesysteme, die
die mit der vorliegenden Erfindung verbundene Technologie darstellen,
und das Batteriesystem der vorliegenden Erfindung ist nicht auf
die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
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Die 1 bis 9 zeigen
das Batteriesystem für die erste Ausführungsform,
die 10 bis 13 zeigen
das Batteriesystem für die zweite Ausführungsform
und die 14 bis 17 zeigen
das Batteriesystem für die dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die in diesen Ausführungsformen
beschriebenen Batteriesysteme sind in erster Linie zur Verwendung
als Energie- bzw. Stromquelle in elektrisch betriebenen Fahrzeugen
geeignet, wie beispielsweise in einem Hybridfahrzeug, das sowohl mit
einem Verbrennungsmotor als auch mit einem Elektromotor betrieben
wird, und in einem Elektroautomobil (Elektrofahrzeug; englisch „electric
vehicle” [EV]), das nur mit einem Elektromotor betrieben
wird. Die vorliegende Erfindung kann jedoch außer in Hybrid-
oder Elektrofahrzeugen auch bei anderen Automotiv-Anwendungen verwendet
werden und in Nicht- Automotiv-Anwendungen, bei denen eine hohe Ausgangsleistung
ein Erfordernis ist.
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In
den folgenden Ausführungsformen ist das Batteriesystem
mit Batterieblöcken 3 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 1 versehen,
bei denen es sich um rechteckige Batterien handelt, zusammengestapelt
mit Kühlspalten 4, ausgebildet zwischen den Batteriezellen 1,
und einer Ventilationsvorrichtung 9, die die Batteriezellen 1 der
Batterieblöcke 3 durch Zwangsbelüftung
bzw. Zwangsventilation mit Kühlgas kühlt. Ein
Batterieblock 3 weist Abstandshalter 2 auf, die
zwischen den gestapelten Batteriezellen 1 sandwichartig
angeordnet sind. Wie in 9 dargestellt, ist ein Abstandshalter 2 in
einer Weise geformt, die zwischen den Batteriezellen 1 Kühlspalte 4 bildet. Des
Weiteren ist der Abstandshalter 2 dieser Figur konfiguriert,
um Batteriezellen 1 aufzunehmen, die in beide Seiten passen.
Die Batteriezellen 1 sind zusammengestapelt mit benachbarten
Batteriezellen 1 in dazwischen angeordnete Abstandshalter 2 eingesetzt,
um eine Positionsverschiebung zu verhindern.
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Die
rechteckigen Batteriezellen 1 sind wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien.
Es können jedoch auch wiederaufladbare Batterien wie etwa
Nickel-Hydrid-Batterien und Nickel-Cadmium-Batterien als Batteriezellen
verwendet werden. Eine Batteriezelle 1, wie in den Figuren
dargestellt, weist eine rechteckige Form mit gegebener Dicke auf,
hat positive und negative Elektrodenanschlüsse 13,
die von den Enden der oberen Fläche vorstehen, und eine
Sicherheitsventilöffnung 1A, die im mittleren
Bereich der oberen Fläche ausgebildet ist. Benachbarte
Elektrodenanschlüsse 13 der gestapelten Batteriezellen 1 sind
mittels Verbindungsfertigteilen bzw. Verbindungshardware (nicht
dargestellt) verbunden, um die Batterien in Reihe zu schalten. Positive
und negative Elektrodenanschlüsse 13 benachbarter
gestapelter Batteriezellen 1 sind miteinander verbunden
zur Reihenschaltung. Um die positiven und negativen Elektrodenanschlüsse 13 zu
verbinden und die Batteriezellen 1 in Reihe zu schalten,
können Sammelschienen (nicht dargestellt) verwendet werden.
Ein Batteriesystem mit benachbarten Batteriezellen 1 in
Reihe geschaltet kann eine hohe Spannung für eine hohe Ausgangsleistung
erzeugen. Das Batteriesystem kann jedoch auch benachbarte Batteriezellen
aufweisen, die parallel geschaltet sind. Eine Batteriezelle 1 ist
mit einem metallischen Außengehäuse hergestellt.
Um Kurzschlüsse zwischen benachbarten Batteriezellen 1 zu
verhindern, sind zwischen den Batteriezellen 1 isolierende
Abstandshalter 2 angeordnet. Eine Batteriezelle kann auch
mit einem Außengehäuse hergestellt sein, das ein
isolierendes Material ist, wie etwa Kunststoff. In diesem Fall besteht
keine Notwendigkeit, die Außengehäuse gestapelter
Batteriezellen zu isolieren, und die Abstandshalter können aus
Metall hergestellt sein.
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Ein
Abstandshalter 2 ist aus einem isolierenden Material wie
etwa Kunststoff hergestellt, um benachbarte Batteriezellen 1 zu
isolieren. Wie in 6 dargestellt, sind Abstandshalter 2 mit
Kühlspalten 4 zwischen jeder Batteriezelle 1 und
einem Abstandshalter 2 versehen, um ein Kühlgas
wie etwa Luft hindurchzuleiten, um die Batteriezellen 1 zu
kühlen. Der in 9 dargestellte Abstandshalter 2 ist
mit Rillen bzw. Nuten 2A versehen zwischen dem Abstandshalter 2 und
gegenüberliegenden Batteriezelle- 1 Oberflächen,
die sich zu beiden Seitenkanten erstrecken und Kühlspalte 4 zwischen
dem Abstandshalter 2 und den Batteriezellen 1 ausbilden.
Der Abstandshalter 2 der Figur ist mit einer Vielzahl paralleler
Rillen versehen, die in festgelegten Intervallen beabstandet sind.
Der Abstandshalter 2 der 9 weist
Rillen 2A an beiden Seiten auf, und zwischen dem Abstandshalter 2 und
benachbarten Batteriezellen 1 sind Kühlspalte 4 ausgebildet.
Diese Konfiguration weist das Merkmal auf, dass Batteriezellen 1 an
beiden Seiten des Abstandshalters 2 durch die Kühlspalte
an beiden Seiten des Abstandshalters 2 wirksam gekühlt werden
können. Die Rillen können jedoch auch nur an einer
Seite des Abstandshalters bereitgestellt sein, um Kühlspalte
zwischen den Abstandshaltern und Batteriezellen auszubilden. Die
Kühlspalte 4 der Figuren sind in horizontaler
Richtung ausgebildet, um sich an beiden Seiten des Batterieblocks 3 zu öffnen. Ferner
ist der Abstandshalter 2 der 9 an beiden Seiten
mit ausgesparten Zonen 2B versehen. Hierbei wird der Spalt
zwischen benachbarten Batteriezellen- 1 Oberflächen
an den ausgesparten Zonen 2B an beiden Seiten verbreitert,
was die Verringerung des Strömungswiderstandes des Kühlgases
ermöglicht. Infolgedessen strömt Kühlgas
problemlos bzw. gleichmäßig von den ausgesparten
Zonen 2B zu den Kühlspalten 4 zwischen
dem Abstandshalter 2 und der Batteriezelle- 1 Oberfläche
zur wirksamen Batteriezellen- 1 Kühlung. Auf diese
Weise kühlt die Kühlgaszwangsbelüftung
durch die Kühlspalte 4 direkt und effizient die
Batteriezellen- 1 Außengehäuse. Diese
Struktur weist das Merkmal auf, dass Batteriezellen 1 effizient
gekühlt werden können, um ein thermisches Durchgehen
der Batteriezellen 1 wirksam zu verhindern.
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Ein
Batterieblock 3 ist mit Endplatten 10 versehen,
die an den Enden des Stapels von Batteriezellen 1 angeordnet
sind, und das Paar Endplatten 10 ist durch Befestigungskomponenten 11 verbunden,
um den Stapel Batteriezellen 1 und Abstandshaltern 2 zwischen
den Endplatten 10 fest zu halten. Die Endplatten 10 weisen
im Wesentlichen die gleiche rechteckige Kontur auf wie die Batteriezellen 1. Wie
in 8 dargestellt, weisen die Befestigungskomponenten 11 gebogene
Zonen 11A auf, die sich an beiden Enden einwärts
biegen und mittels Feststellschrauben 12 an den Endplatten 10 angebracht sind.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, können die Befestigungskomponenten
auch mittels Feststellschrauben an der linken und der rechten Seite
der Endplatten angebracht sein. In diesem Fall können Schraublöcher
in den Seiten der Endplatten bereitgestellt sein und die Feststellschrauben
können durch die Befestigungskomponenten geführt
und in die Seiten der Endplatten geschraubt sein. Befestigungskomponenten,
die an den Seiten der Endplatten angebracht sind, benötigen
keine gebogenen Zonen und können in gerader Linie an den
Endplatten angebracht sein.
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Jede
Endplatte 10 der 8 ist ausgebildet aus
Kunststoff oder Metall als eine einzelne Einheit mit verstärkenden
Rippen 10A an der Außenseite. Ferner ist jede
Endplatte 10 mit Verbindungslöchern 10a in
der äußeren Fläche versehen, um die gebogenen
Zonen 11A der Befestigungskomponenten 11 anzubringen.
Jede Endplatte 10 der 8 weist
in den vier Ecken der äußeren Fläche
vier Verbindungslöcher 10a auf. Die Verbindungslöcher 10a sind
weibli che Schraubenlöcher. Die Feststellschrauben 12 können
durch die Befestigungskomponenten 11 geführt und
in die Verbindungslöcher 10a geschraubt sein,
um die Befestigungskomponenten 11 an den Endplatten 10 anzubringen.
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Die
Befestigungskomponenten 11 sind Verbindungsbänder 11X mit
einer festgelegten vertikalen Breite. Die Verbindungsband- 11X Befestigungskomponenten 11 sind
Blechstreifen mit einer festgelegten Breite. Verbindungsband- 11X Befestigungskomponenten 11,
angebracht an beiden Enden an den vier Ecken jeder Endplatte 10,
sind an der Oberseite und am Boden von beiden Seiten der Batteriezellen 1 angeordnet.
Ein Batterieblock 3 mit Verbindungsbändern 11X,
die an der Oberseite und am Boden beider Seiten angeordnet sind,
hat einen Teil der Kühlspalte 4 zwischen den Batteriezellen 1 gesperrt
bzw. blockiert durch die Verbindungsbänder 11X.
Insbesondere kann Kühlgas nicht in die Öffnungen 14 der Kühlspalte 4 gelangen,
die durch die Verbindungsbänder 11X gesperrt sind.
Infolgedessen können die Öffnungen 14 der
Kühlspalte 4 an beiden Seiten der Batteriezellen 1 in
gesperrte Bereiche 14A, die an der Oberseite und am Boden
durch die Verbindungsbänder 11X gesperrt sind,
und freiliegende Bereiche 14B, die nicht durch die Verbindungsbänder 11X gesperrt
sind, unterteilt werden. Die freiliegenden Bereiche 14B befinden
sich zwischen den oberen und unteren gesperrten Bereichen 14A und
sind mit den Ventilationskanälen 5 verbunden.
Freiliegende Bereiche 14B sind mit einem Zufuhrkanal 6 verbunden, und
Kühlgas wird zwangsweise eingeführt in den freiliegenden
Bereich 14B der Kühlspalte 4 aus dem
Zufuhrkanal 6 eingeführt. Da die Verbindungsband- 11X Befestigungskomponenten 11 an
der Oberseite und am Boden beider Seiten eines Batterieblocks 3 an geordnet
sind, sind die Kühlspalte 4 an beiden Seiten des
Batterieblocks 3 unterteilt in diejenigen in den gesperrten
Bereichen 14A an den oberen und unteren Verbindungsbändern 11X und
in diejenigen in den freiliegenden Bereichen 14B. Freiliegende
Bereiche 14B an einer Seite des Batterieblocks 3 sind
mit einem Zufuhrkanal 6 verbunden, freiliegende Bereiche 14B an
der anderen Seite sind mit einem Auslasskanal 7 verbunden,
und die Batteriezellen 1 werden mittels Zwangsbelüftung
mit Kühlgas durch die Kühlspalte 4 von
diesen freiliegenden Bereichen 14B gekühlt.
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Wie
in den 2, 4, 5 und 7 dargestellt,
sind die Batterieblöcke 3 in zwei getrennten Reihen
angeordnet, und zwischen den zwei Reihen und an den Außenseiten
sind Ventilationskanäle 5 ausgebildet. Das Batteriesystem
der Figuren ist mit Zufuhrkanälen 6 versehen,
angeordnet zwischen den beiden Reihen von Batterieblöcken 3 und
verbindend mit jedem Kühlspalt 4. Ferner sind
an den Außenseiten der zwei getrennten Reihen von Batterieblöcken 3 Auslasskanäle 7 bereitgestellt,
und eine Vielzahl paralleler Kühlspalte 4 verbindet
die Auslasskanäle 7 mit den Zufuhrkanälen 6.
Wie in den 1 und 4 durch
die Pfeile dargestellt, wird Kühlgas mittels der Ventilationsvorrichtung 9 gezwungen
bzw. beaufschlagt, von den Zufuhrkanälen 6 zu
den Auslasskanälen 7 zu strömen, um die
Batteriezellen 1 dieses Batteriesystems zu kühlen.
Der Kühlgasstrom von den Zufuhrkanälen 6 zu
den Auslasskanälen 7 teilt sich an den Zufuhrkanälen 6,
um durch jeden Kühlspalt 4 zu strömen,
um die Batteriezellen 1 zu kühlen. Kühlgas,
das durch einen Kühlspalt 4 geströmt
ist, um eine Batteriezelle 1 zu kühlen, wird in
den Auslasskanälen 7 gesammelt und aus dem System
ausgestoßen.
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Das
Batteriesystem der 1 bis 9 ist zwischen
den zwei Reihen von Batterieblöcken 3 mit Zufuhrkanälen 6 und
an den Außenseiten mit Auslasskanälen 7 versehen.
Das Batteriesystem der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch mit
Zufuhrkanälen und Auslasskanälen an umgekehrten
Positionen versehen sein. Das in den 10 bis 13 dargestellte
Batteriesystem ist an den Außenseiten der zwei Reihen von
Batterieblöcken 3 mit Zufuhrkanälen 56 und
zwischen den zwei Reihen von Batterieblöcken 3 mit
Auslasskanälen 57 versehen. Wie in den 10 und 11 durch
Pfeile dargestellt, werden die Batteriezellen 1 dieses
Batteriesystems durch Kühlgas gekühlt, das durch
die Ventilationsvorrichtung 9 gezwungen wird, von den Zufuhrkanälen 56 an
den Außenseiten durch die Kühlspalte 4 zu
den Auslasskanälen 57 in der Mitte zu strömen.
Kühlgas, das zwangsweise von den äußeren
Zufuhrkanälen 56 eingeführt wird, strömt
durch jeden Kühlspalt 4, um die Batteriezellen 1 zu
kühlen. Kühlgas, das durch die Kühlspalte 4 geströmt
ist, um die Batteriezellen 1 zu kühlen, wird in
den mittigen Auslasskanälen 57 gesammelt und aus
dem System ausgestoßen.
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Die
Batteriesysteme der 1 bis 5 und der 10 bis 13 sind
aus vier Batterieblöcken 3 ausgebildet, die in
zwei Reihen und zwei Spalten angeordnet sind. Die zwei Batterieblöcke 3 in
jeder Spalte sind parallel ausgerichtet, und in der Mitte und an
den Außenseiten dieser Batterieblöcke 3 sind Ventilationskanäle 5, 55 ausgebildet.
Ferner weisen die Batteriesysteme der Figuren zwei Spalten von zwei
Batterieblöcken 3 auf, die getrennt voneinander angeordnet
sind. Insbesondere ist zwischen den zwei benachbarten Spalten von
Batterieblöcken 3 eine mittige Sperr- bzw. Blockierwandung 19 angeordnet,
und die Ven tilationskanäle 5, 55 in der
Mitte und an den Außenseiten jeder Spalte von Batterieblöcken 3 sind
durch diese mittige Sperrwandung 19 gesperrt bzw. blockiert.
Folglich wird, wie in den 4 und 11 dargestellt,
Kühlgas für die Batterieblöcke 3 in
jeder Spalte durch separate Zufuhrkanäle 6, 56 zugeführt,
und Kühlgas, gezwungen durch die Kühlspalte 4,
wird durch separate Auslasskanäle 7, 57 ausgestoßen.
In den Batteriesystemen der Figuren werden die Batteriezellen 1 durch
Kühlgas gekühlt, das gezwungen wird, durch die
Zufuhrkanäle 6, 56 und die Auslasskanäle 7, 57 in
entgegengesetzten Richtungen zu strömen.
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Die
oben beschriebenen Batteriesysteme weisen zwei parallele Reihen
von Batterieblöcken 3 in zwei separaten Spalten
für eine 2-reihige/1-spaltige Gesamtanordnung auf. Das
Batteriesystem kann jedoch auch nur aus zwei parallelen Reihen von
zwei Batterieblöcken für eine 2-reihige/1-spaltige
Anordnung ausgebildet sein. Während in diesem Batteriesystem
Kühlgas gezwungen wird, durch die Zufuhrkanäle
und die Auslasskanäle in entgegengesetzten Richtungen zu
strömen, kann es auch gezwungen werden, durch die Zufuhrkanäle
und die Auslasskanäle in der gleichen Richtung zu strömen,
um die Batteriezellen zu kühlen. Ferner kann in einer 2-reihigen/2-spaltigen
Anordnung von vier Batterieblöcken die mittige Sperrwandung
zwischen den Batterieblockspalten und zwischen den Ventilationskanälen weggelassen
werden, um die zwei Batterieblöcke in jeder Reihe in gerader
Linie zu verbinden und durchgängige Ventilationskanäle
in der Mitte und an den Außenseiten jeder Reihe auszubilden.
In diesem Batteriesystem kann der Ventilationskanal in der Mitte der
Batterieblöcke, angeordnet in zwei Reihen und zwei Spalten,
und die Ventilationskanäle an den Außen seiten
verwendet werden entweder als Zufuhrkanäle oder als Auslasskanäle.
Kühlgas, das zwangsweise aus dem/den Zufuhrkanal/-kanälen
eingeführt wird, wird durch die Kühlspalte geleitet
und von dem/den Auslasskanal/-kanälen ausgestoßen.
Auch in diesem Batteriesystem können die Batteriezellen durch
Kühlgas gekühlt werden, gezwungen, in entgegengesetzten
Richtungen durch die Zufuhrkanäle und die Auslasskanäle
zu strömen, oder durch Kühlgas, gezwungen, in
gleicher Richtung durch die Zufuhrkanäle und die Auslasskanäle
zu strömen.
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Die
Querschnittsfläche eines Ventilationskanals 5,
der zwischen zwei parallelen Reihen von Batterieblöcken 3 ausgebildet
ist, beträgt das Doppelte der Querschnittsfläche
der Ventilationskanäle 5, die an den Außenseiten
dieser Batterieblöcke 3 ausgebildet sind. Dies
ist so, weil sich Kühlgas, das zwangsweise in einen Zufuhrkanal 6 zwischen
zwei Batterieblöcken 3 des in den 1 bis 5 dargestellten
Batteriesystems eingeführt wird, aufteilt und zum Ausstoß zu
den Auslasskanälen 7 an beiden Seiten strömt.
Ferner strömt Kühlgas, das zwangsweise in zwei
Zufuhrkanäle 56 an beiden Außenseiten
des in den 10 bis 13 dargestellten
Batteriesystems eingeführt wird, zum Ausstoß zu
dem mittigen Auslasskanal 57. Insbesondere ist in dem in den 1 bis 5 dargestellten
Batteriesystem, da der mittige Zufuhrkanal 6 das Doppelte
des Stroms aufnimmt, der durch jeden Auslasskanal 7 an
der Außenseite aufgenommen wird, die Querschnittsfläche des
Zufuhrkanals 6 doppelt so groß, um Druckverluste
zu verringern. Im Batteriesystem der 5 ist die Querbreite
des mittigen Zufuhrkanals 6 doppelt so groß wie
die Breite jedes Auslasskanals 7, um die Querschnittsfläche
des mittigen Ventilationskanals 5 zu vergrößern.
In ähnlicher Weise ist in dem in den 10 bis 13 dargestellten
Batteriesystem, da der mittige Auslasskanal 57 das Doppelte
des Stroms aufnimmt, der durch jeden Zufuhrkanal 56 an
der Außenseite aufgenommen wird, die Querschnittsfläche des
Auslasskanals 57 doppelt so groß, um Druckverluste
zu verringern. Im Batteriesystem der 12 ist die
Querbreite des mittigen Auslasskanals 57 doppelt so groß wie
die Breite jedes Zufuhrkanals 56, um die Querschnittsfläche
des mittigen Ventilationskanals 55 zu vergrößern.
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Bei
den oben beschriebenen Batteriesystemen sind die Batterieblöcke 3 in
zwei parallelen Reihen angeordnet, und in der Mitte und an den Außenseiten
der zwei Reihen von Batterieblöcken 3 sind Ventilationskanäle 5, 55 ausgebildet.
Das Batteriesystem kann jedoch auch aus einer einzelnen Reihe von
Batterieblöcken konfiguriert sein. Das Batteriesystem der 14 bis 17 weist
Ventilationskanäle 75 auf, die an beiden Seiten
einer einzigen Batterieblock- 3 Reihe angeordnet sind.
Der Ventilationskanal 75 an einer Seite ist der Zufuhrkanal 76 und der
Ventilationskanal 75 an der anderen Seite ist der Auslasskanal 77.
Wie in den 14 und 15 durch
die Pfeile dargestellt, wird Kühlgas durch die Ventilationsvorrichtung 9 gezwungen,
von dem Zufuhrkanal 76 zu dem Auslasskanal 77 zu
strömen, um die Batteriezellen 1 dieses Batteriesystems
zu kühlen. Kühlgas, das zwangsweise aus dem Zufuhrkanal 76 eingeführt
wird, strömt durch jeden Kühlspalt 4, um
die Batteriezellen 1 zu kühlen. Nach dem Kühlen der
Batteriezellen 1 wird das Kühlgas im Auslasskanal 77 gesammelt
und ausgestoßen. Da der Umfang des Kühlgasstroms
im Zufuhrkanal 76 und im Auslasskanal 77 gleich
ist, sind die Querschnittsflächen des Zufuhrkanals 76 und
des Auslasskanals 77 an beiden Seiten des Batterieblocks 3 gleich
groß ausgebildet. Insbesondere ist die Querbreite des Zufuhrkanals 76 gleich
der Querbreite des Auslasskanals 77.
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In
den Zufuhrkanälen 6, 56, 76 sind
Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 angeordnet,
um Temperaturunterschiede zwischen den Batteriezellen 1 zu
verringern. Wenn der Temperaturunterschied zwischen den Batteriezellen
verringert ist, wird Restkapazität in allen Batteriezellen
gleichmäßiger und der Unterschied in der Lade-
und Entladeeffizienz wird verringert. Durch Ausgleichen der Restkapazität jeder
Batteriezelle werden die vom Mikrocomputer auferlegten Beschränkungen
der Lade- und Entlademenge abgeschwächt und die Menge an
Energie, transferiert während des Ladens und Entladens, steigt
im Vergleich zu dem Fall, bei dem Restkapazitätsunterschiede
zwischen den Batteriezellen vorhanden sind. Dementsprechend kann
die Leistungsfähigkeit jeder Batteriezelle ausreichend
ausgeschöpft werden und infolgedessen die Systemleistung
angemessen realisiert werden. Ferner wird durch Verringern der Temperaturunterschiede
zwischen den im Batteriesystem gestapelten Batteriezellen der Unterschied
in der Lade- und Entladeeffizienz verringert, um die Geschwindigkeit
des Leistungsabfalls bzw. der Verschlechterung aller Batteriezellen
im Wesentlichen auszugleichen. Da alle Batteriezellen ihre Lebensdauer
bzw. das Ende davon im Wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt erreichen,
wurden somit die Leistungsfähigkeiten aller Batteriezellen
ausreichend ausgeschöpft, wenn das Batteriesystem das Ende
seiner Lebensdauer erreicht. Jede Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 weist
eine lange schmale Form auf, die in Richtung des Kühlgasstromes
länger als die Breite ist, und jede Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 wird
zum Stromaufwärtsende hin graduell schmaler. Die Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 der 7, 13 und 17 weisen
Stromabwärtsenden auf, die graduell schmaler werden und
das problemlose bzw. gleichmäßige Strömen
des Kühlgases ermöglichen, um die Erzeugung von
Turbulenzen an der Stromabwärtseite zu verringern. Die
Erzeugung von Turbulenzen in einem Zufuhrkanal 6, 56, 76 ist
ein Grund für einen erhöhten Druckverlust. Folglich
können Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78,
die sowohl zum Stromaufwärtsende hin als auch zum Stromabwärtsende
hin graduell schmaler werden, Druckverluste aufgrund von Turbulenzen
verringern.
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Die
Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 der
Figuren weisen geneigte Flächen auf, die die vertikale
Breite der Wandungen schmaler machen, wenn sich den Stromaufwärts-
und Stromabwärtsenden genähert wird. Dies verleiht
den Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 eine
mittelscheitelige, gestumpfte Delta-(Δ)-Form. Das Batteriesystem
der 7, 13 und 17 weist
Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 auf,
die symmetrisch an der Oberseite und am Boden der Zufuhrkanäle 6, 56, 76 angeordnet
sind. Folglich ist eine Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78,
die am Boden eines Zufuhrkanals 6, 56, 76 angeordnet
ist, zu den Enden der Wandung hin abwärts geneigt und eine
Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78,
die an der Oberseite eines Zufuhrkanals 6, 56, 76 angeordnet
ist, ist zu den Enden der Wandung hin aufwärts geneigt.
Eine Konfiguration mit Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78,
die an der Oberseite und am Boden der Zufuhrkanäle 6, 56, 76 angeordnet
sind, kann mit Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78,
die in vertikaler Richtung schmal sind, die Batteriezellen- 1 Temperaturunterschiede
verringern. Dies kann Batteriezellen- 1 Temperaturunterschiede
verringern und sogar ferner die Druckverluste verringern. Das Batteriesystem
der vorliegenden Erfindung benötigt jedoch nicht unbedingt
in allen Fällen Temperaturausgleichswandungen an der Oberseite
und am Boden der Zufuhrkanäle. Zum Beispiel können,
obwohl dies nicht dargestellt ist, die Temperaturausgleichswandungen
auch nur an der Oberseite oder nur am Boden der Zufuhrkanäle
angeordnet sein.
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Die
Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 der 5, 12 und 16 sind
mit sich verjüngenden Bereichen 8A, 58A, 78A versehen,
die seitlich bzw. lateral schmaler werden, wenn sich der Scheitelkante
genähert wird, und der Spalt zwischen jeder Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 und dem
Batterieblock 3 wird graduell breiter, wenn sich der Scheitelkante
genähert wird. Ein sich verjüngender Bereich 8A, 58A, 78A der
Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 am
Boden eines Zufuhrkanals 6, 56, 76 wird
nach oben hin graduell schmaler, um den Spalt zwischen dem Batterieblock 3 und
der Wandung graduell zu verbreitern. Ein sich verjüngender Bereich 8A, 58A, 78A der
Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 an
der Oberseite eines Zufuhrkanals 6, 56, 76 wird
nach unten hin graduell schmaler, um den Spalt zwischen dem Batterieblock 3 und
der Wandung graduell zu verbreitern. Die Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 der 5, 7, 12, 13, 16 und 17 sind
nicht mit einer insgesamt sich verjüngenden Form gebildet,
sondern sind vielmehr vertikal untereilt in sich verjüngende
Bereiche 8A, 58A, 78A und breite Bereiche 8B, 58B, 78B.
Bei einer Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 am
Boden eines Zufuhrkanals 6, 56, 76 ist der
sich verjüngende Bereich 8A, 58A, 78A über
dem breiten Bereich 8B, 58B, 78B angeordnet.
Umgekehrt ist bei einer Temperaturausgleichswandung 8, 58, 78 an
der Oberseite eines Zufuhrkanals 6, 56, 76 der
sich verjüngende Bereich 8A, 58A, 78A unter dem
breiten Bereich 8B, 58B, 78B angeordnet.
Jeder breite Bereich 8B, 58B, 78B ist
mit konstanter Querbreite gebildet oder mit einer Querbreite, die
sich in vertikaler Richtung weniger ändert als die des
sich verjüngenden Bereichs 8A, 58A, 78A,
um Seiten auszubilden, die nahezu vertikal sind.
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Das
Batteriesystem der 5 und 7 hat Zufuhrkanäle 6,
ausgebildet zwischen zwei Reihen von Batterieblöcken 3,
und Temperaturausgleichswandungen 8, angeordnet in diesen
Zufuhrkanälen 6. Ein sich verjüngender
Bereich 8A der Temperaturausgleichswandung 8 hat
beide Seiten verjüngt mit der gleichen Neigung (α)
und der Spalt zwischen gegenüberliegenden Batterieblock- 3 Oberflächen
ist auf beiden Seiten der sich verjüngenden Oberflächen gleich.
Dies dient zur gleichmäßigen Kühlung
der Batteriezellen 1 in den Batterieblöcken 3 auf
beiden Seiten des sich verjüngenden Bereichs 8A.
Im Gegensatz dazu hat das Batteriesystem der 12 und 13 Zufuhrkanäle 56,
ausgebildet an den Außenseiten der zwei Reihen von Batterieblöcken 3,
und hat Temperaturausgleichswandungen 58, angeordnet in
diesen Zufuhrkanälen 56. Hier hat ein sich verjüngender
Bereich 58A der Temperaturausgleichswandungen 58 an
der Seite, die dem Batterieblock 3 zugewandt ist, eine
sich verjüngende Oberfläche und an der Außenseite
eine vertikale Oberfläche. Jede Temperaturausgleichswandung 58,
die in den Zufuhrkanälen 56 an beiden Außenseiten
der zwei Reihen von Batterieblöcken 3 angeordnet
ist, weist den gleichen Verjüngungswinkel (α)
auf und der Spalt zwischen den Batterieblöcken 3 und
den sich verjüngenden Oberflächen ist auf beiden
Seiten der Batterieblöcke 3 symmetrisch. Dies
dient zur gleichmäßigen Kühlung der Batteriezellen 1 in
den Batterieblöcken 3 in beiden Reihen. Ferner
hat das Batteriesystem der 16 und 17 einen
Zufuhrkanal 76, ausgebildet an einer Seite, und einen Auslasskanal 77,
ausgebildet an der anderen Seite einer einzigen Batterieblock- 3 Reihe.
Im Ventilationskanal 75, der der Zufuhrkanal 76 ist,
sind an einer Seite Temperaturausgleichswandungen 78 angeordnet.
Jeder sich verjüngende Bereich 78A der Temperaturausgleichswandungen 78 weist
an der Seite, die dem Batterieblock 3 zugewandt ist, was
die Innenseite ist, eine sich verjüngende Oberfläche
auf und an der Außenseite eine vertikale Oberfläche.
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Der
Winkel der Verjüngungsneigung (α) des sich verjüngenden
Bereichs 8A, 58A, 78A wird durch die
Querbreite des breiten Bereichs 8B, 58B, 78B und
die Höhe des sich verjüngenden Bereichs 8A, 58A, 78A festgelegt.
Die Höhe des sich verjüngenden Bereichs wird durch
Vergrößern des Verjüngungswinkels (α)
und durch Quer- bzw. Lateralverbreitern des breiten Bereichs vergrößert.
Die Höhe des sich verjüngenden Bereichs wird durch
Verringern des Verjüngungswinkels (α) und Quer-
bzw. Lateralverschmälern des breiten Bereichs verringert.
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Für
die oben beschriebenen sich verjüngenden Bereiche 8A, 58A, 78A der
Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 sind
Höhe und Länge in Strömungsrichtung derart
festgelegt, dass die Batteriezellen- 1 Temperaturunter schiede
minimiert werden. In den in den 4, 11 und 15 dargestellten
Batteriesystemen wird die Temperatur von Batteriezellen 1,
angeordnet stromabwärts im Kühlgasstrom, höher
als die Temperatur von Batteriezellen 1, angeordnet stromaufwärts.
Um die Temperatur der stromabwärts angeordneten Batteriezellen 1 zu senken
und die Batteriezellen- 1 Temperaturunterschiede in den
in den 4, 11 und 15 dargestellten
Batteriesystemen zu verringern, sind an dem Stromabwärtsende
der Zufuhrkanäle 6, 56, 76 Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 angeordnet.
Die Höhe der sich verjüngenden Bereiche 8A, 58A, 78A und
die Länge der Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 in
Strömungsrichtung sind derart festgelegt, dass die Temperaturunterschiede
der Batteriezellen 1, die in der stromabwärtsseitigen Hälfte
des Batterieblocks 3 angeordnet sind, weiter verringert
werden. Demzufolge kann können die Batteriesystembatteriezellen,
die am heißesten werden, temperaturmäßig
verringert werden, die Geschwindigkeit der Leistungsabnahme bzw.
Verschlechterung der Batteriezellen kann verringert werden und die
Leistungsfähigkeit der Batterie kann angemessen ausgeschöpft
werden. Ferner können durch Absenken der Temperatur und
Verlängern der Lebensdauer der Batterie, die die höchste
Wahrscheinlichkeit aufweist, ihre Lebensdauer bzw. das Ende davon
zuerst zu erreichen, andere Batterien bis zu ihrer maximalen Leistungsfähigkeit
verwendet werden und die Lebensdauer des Systems verlängert
werden. Insbesondere wird die Lebensdauer des Batteriesystems verlängert,
weil die Leistungsabnahme bzw. Verschlechterung einer einzigen spezifischen
Batterie nicht bewirkt, dass das Batteriesystem seine Funktionsfähigkeit
verliert.
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In
einem Batteriesystem ohne Temperaturausgleichswandungen entwickeln
sich zwischen den neun Batteriezellen in der stromaufwärtsseitigen Hälfte
eines Batterieblocks und den neun Batteriezellen in der stromabwärtsseitigen
Hälfte des Batterieblocks Temperaturunterschiede. Insbesondere
erhöht sich die Temperatur der neun stromabwärtsseitigen Batteriezellen,
und ihre Temperaturunterschiede werden ebenfalls groß.
Die Batteriezellen 1 an den äußersten
Stromaufwärts- und Stromabwärtsenden eines Zufuhrkanals 6, 56, 76 werden
durch die Endplatten 10 gekühlt und ihre Temperatur
bleibt niedrig. Da Kühlgas, das die Stromaufwärtsseite
eines Zufuhrkanals durchströmt hat, in die Stromabwärtsseite
eingeführt wird, erreichen die Batteriezellen, die auf
der Stromabwärtsseite angeordnet sind, die höchste Temperatur.
Von den neun Batteriezellen auf der Stromabwärtsseite (in
einem Batterieblock mit achtzehn Batteriezellen) wird die Temperatur
der stromabwärtsseitenmittigen, vierzehnten Batteriezelle
am heißesten. Die Batteriezellen, die stromaufwärts
und stromabwärts von dieser stromabwärtsseitenmittigen Batteriezelle
angeordnet sind, weisen mit Abstand von der mittigen Batteriezelle
graduell geringere Temperaturen auf. Wenn zum Beispiel die Temperatur
der Batteriezelle in der Mitte der Stromabwärtsseite auf
34°C ansteigt, erreicht die Temperatur der Batteriezellen
an beiden Enden der stromabwärtsseitigen Hälfte
des Batterieblocks, nämlich die zehnte und achtzehnte Batteriezelle,
30°C oder weniger. Hier erreicht die Temperatur der kühlsten
Batteriezelle auf der stromaufwärtsseitigen Hälfte
des Batterieblocks etwa 23°C.
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Um
die Batteriezellen 1 effizient zu kühlen, die
auf der Stromabwärtsseite eines Zufuhrkanals 6, 56, 76 des Batteriesystems
der Figuren angeordnet sind, sind auf der Stromabwärtsseite
des Zufuhrkanals 6, 56, 76 Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 angeordnet.
Diese Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 verringern
die Temperatur jeder Batteriezelle 1, die auf der Stromabwärtsseite
angeordnet ist, und verringern außerdem die Temperaturunterschiede
zwischen den Batteriezellen 1. Um dies zu erreichen, sind
die Länge der Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 in
Strömungsrichtung und die Höhe der sich verjüngenden
Bereiche 8A, 58A, 78A auf spezielle Abmessungen
festgelegt. Die in einem Zufuhrkanal 6, 56, 76 angeordneten
Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 bewirken,
dass Kühlgas effizient in die Kühlspalte 4 strömt,
um die Hochtemperaturbatteriezellen 1 zu belüften
bzw. zu ventilieren und die Temperatur dieser Batteriezellen 1 zu
senken.
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In
den Batteriesystemen der 7, 12, 13, 16 und 17 sind
die breiten Bereiche 8B, 58B, 78B der
Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 gegenüber
den Verbindungsbändern 11X des Batterieblocks 3 angeordnet,
und die sich verjüngenden Bereiche 8A, 58A, 78A sind
gegenüber den freiliegenden Bereichen 14B des
Batterieblocks 3 angeordnet. Insbesondere sind die breiten
Bereiche 8B, 58B, 78B außenseitig
der gesperrten Bereiche 14A der Kühlspalte 4 angeordnet
und die sich verjüngenden Bereiche 8A, 58A, 78A sind
außenseitig der freiliegenden Bereiche 14B der
Kühlspalte 4 angeordnet. Zum Beispiel sind im
Batteriesystem von 5 die breiten Bereiche 8B der
Temperaturausgleichswandung 8 zwischen den Verbindungsbändern 11X der
zwei Reihen von Batterieblöcken 3 angeordnet,
und die sich verjüngenden Bereiche 8A sind zwischen
den freiliegenden Bereichen 14B der zwei Reihen von Batterieblöcken 3 angeordnet.
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Da
die Öffnungen 14 der Kühlspalte 4 in
den gesperrten Bereichen 14A durch die Verbindungsbänder 11X gesperrt
sind, selbst wenn Kühlgas außerhalb eines gesperrten
Bereichs 14A strömt, tritt hier kein Kühlgas
in die Kühlspalte 4 in diesem Bereich ein. In
den in den Querschnittsansichten der 5, 11 und 16 dargestellten
Batteriesystemen sind die breiten Bereiche 8B, 58B, 78B der Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 auf
den Stromabwärtsseiten der Zufuhrkanäle 6, 56, 76 in
unmittelbarer Nähe zu den Befestigungskomponenten- 11 Verbindungsbändern 11X oder
ohne Spalte zwischen den breiten Bereichen 8B, 58B, 78B und
den Verbindungsbändern 11X angeordnet. In einem
Batteriesystem dieser Konfiguration strömt kein Kühlgas neben
den gesperrten Bereichen 14A, die verschlossen sind durch
die Verbindungsbänder 11X des Batterieblocks 3 auf
der Stromabwärtsseite, wo Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 angeordnet sind.
Deshalb wird das gesamte Kühlgas der Zwangsbelüftung
zu den freiliegenden Bereichen 14B des Batterieblocks 3 befördert,
um problemlos bzw. gleichmäßig in die Kühlspalte 4 in
den freiliegenden Bereichen 14B zu strömen und
die Batteriezellen 1 effizient zu kühlen.
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Die
sich verjüngenden Bereiche 8A, 58A, 78A der
Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 stehen über
die freiliegenden Bereiche 14B hinaus und werden gegenüber
den freiliegenden Bereichen 14B, wo die Batteriezellen- 1 Temperatur
hoch wird, vertikal breiter. Deshalb strömt Kühlgas,
das zwangsweise in einen Zufuhrkanal 6, 56, 76 eingeführt
wird, zwischen den sich verjüngenden Bereichen 8A, 58A, 78A und
den freiliegenden Bereichen 14B. Aufgrund der sich verjüngenden
Bereiche 8A, 58A, 78A erhöht sich
die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases, und
die sich verjüngenden Bereiche 8A, 58A, 78A ermöglichen
einen problemlosen bzw. gleichmäßigen Eintritt
des Kühlgases in die Kühlspalte 4 zur
effizienten Batteriezellen- 1 Kühlung. Da die
vertikal breitesten Teile der sich verjüngenden Bereiche 8A, 58A, 78A angeordnet
sind, wo die Temperaturen der Batteriezellen 1 am höchsten
werden, werden die Hochtemperaturbatteriezellen effizienter gekühlt
als andere Batteriezellen, und die Batterietemperatur wird gesenkt.
Folglich kann die Kühleffizienz für die Hochtemperaturbatteriezellen
durch die vertikale Breite (Höhe) der sich verjüngenden
Bereiche 8A, 58A, 78A festgelegt werden,
und die Batteriezellen, deren Temperatur gesenkt wird, werden durch
die Länge der sich verjüngenden Bereiche 8A, 58A, 78A in Strömungsrichtung
bestimmt. In den Batteriesystemen der 4 bis 7, 11 bis 13 und 15 bis 17 sind
auf der Stromabwärtsseite der Zufuhrkanäle 6, 56, 76 Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 angeordnet,
um die stromabwärtsseitigen Batteriezellen effizienter
zu kühlen. Ferner sind die sich verjüngenden Bereiche 8A, 58A, 78A im
Hochtemperaturbatteriezellenbereich der Stromabwärtsseite
eines Zufuhrkanals 6, 56, 76 höher
ausgebildet. Folglich kann die Anzahl der Batteriezellen, die durch
die Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 gekühlt
werden, durch die Länge der Wandungen in Strömungsrichtung
gesteuert werden, und die Kühleffizienz betreffend die
Batteriezellen, die die höchste Temperatur erreichen, kann durch
die vertikale Breite bestimmt werden. Deshalb sind die Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 in
den Bereichen angeordnet, wo Batteriezellen in Abwesenheit jeglicher
Temperaturausgleichswandungen 8, 58, 78 die höchsten
Temperaturen erreichen. Ferner ist die Höhe der sich verjüngenden
Bereiche 8A, 58A, 78A derart festgelegt,
dass die maximale Temperatur der Batteriezellen, die die heißesten
werden, verringert wird und die Temperaturunterschiede im Batteriesystem
minimiert werden.
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Die
Batterieblöcke 3 jedes der oben beschriebenen
Batteriesysteme sind in einem Außengehäuse 20 montiert
und an festen Positionen angeordnet. Das Außengehäuse 20 des
Batteriesystems in den 1 und 2 ist ausgebildet
aus einem oberen Gehäuse 20B und einem unteren
Gehäuse 20A. Das obere Gehäuse 20B und
das untere Gehäuse 20A weisen Flansche 21 auf,
die nach außen ragen, und diese Flansche 21 werden
durch Schrauben bzw. Bolzen 24 und Muttern 25 verbunden.
Das Außengehäuse 20 der Figuren weist
Flansche 21 auf, angeordnet außenseitig der Seitenflächen
der Batterieblöcke 3. Die Flansche können
jedoch auch an der Oberseite, am Boden oder an mittiger Position in
Bezug zu den Batterieblöcken angeordnet werden. Die Batterieblöcke 3 sind
durch Anbringen der Endplatten 10 am unteren Gehäuse 20A mit
Festlegschrauben (nicht dargestellt) am Außengehäuse 20 angebracht.
Durch Löcher im unteren Gehäuse 20A werden
Festlegschrauben geführt und in Schraublöcher
(nicht dargestellt) in den Endplatten 10 geschraubt, um
die Batterieblöcke 3 am Außengehäuse 20 anzubringen.
Die Köpfe der Festlegschrauben ragen von dem Boden des
unteren Gehäuses 20A hervor. Ferner sind bei dem
Außengehäuse 20 der 1 und 2 die
Batterieblöcke 3 innenseitig montiert, und zwischen
den Außenseiten der Batterieblöcke 3 und
den Innenflächen der Seitenwandungen 22 des Außengehäuses 20 sind
Ventilationskanäle 5 ausgebildet. Des Weiteren
hat das Außengehäuse 20 Endflächenwandungen 30,
angebracht an bei den Enden. Die Endflächenwandungen 30 sind mit
den Batterieblöcken 3 verbunden und mit Verbindungskanälen 31 versehen,
die einstückig ausgebildet sind mit den Endflächenwandungen 30 aus
einem Material wie beispielsweise Kunststoff sind und eine Verbindung
mit den Ventilationskanälen 5 herstellen, bei
denen es sich um die Zufuhrkanäle 6 und die Auslasskanäle 7 handelt.
Diese Verbindungskanäle 31 sind mit der Ventilationsvorrichtung 9 und äußeren
Ausstoßkanälen (nicht dargestellt) verbunden, die
das Kühlgas aus dem Batteriesystem ausstoßen. Obwohl
dies nicht dargestellt ist, sind diese Endflächenwandungen 30 durch
eine Verriegelungsstruktur mit den Batterieblockendplatten verbunden.
Die Endflächenwandungen können jedoch auch durch
eine andere Konfiguration als eine Verriegelungsstruktur mit den
Batterieblöcken verbunden sein, oder sie können
auch am Außengehäuse befestigt sein.
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Obgleich
verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
gezeigt und beschrieben worden sind, ist für den Durchschnittsfachmann
auf dem Gebiet klar, dass die Erfindung nicht auf die besonderen
offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist,
die lediglich als veranschaulichend für die erfinderischen
Konzepte angesehen werden und nicht als Beschränkung des
Umfangs der Erfindung interpretiert werden sollen und die für
alle Änderungen und Abwandlungen, die in dem Erfindungsgedanken
und Umfang der wie in den beigefügten Ansprüchen
definierten Erfindung liegen, geeignet sind.
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Die
vorliegende Anmeldung basiert auf der Anmeldung Nr. 2009-114,011,
eingereicht in Japan am 8. Mai 2009, deren Inhalt hier durch Bezugnahme eingefügt
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2001-23702 [0002]
- - JP 8-32129 [0002]
- - JP 2001-23702 A [0003]
- - JP 8-32129 A [0003]