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Die Erfindung betrifft ein modular aufgebautes Batteriegehäuse mit einem darin fixierten Energiespeicher (Batterie, Akku, Kondensator), das auf einem vordefiniertem Raster basiert und einem zugehörigen Lade/Kontroll/Management Gerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und bezieht sich hauptsächlich aber keinesfalls ausschließend auf sogenannte Hybrid- oder Elektroautos.
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Stand der Technik
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Die Frage, ob Elektroautos in naher oder mittlerer Zukunft das Straßenbild dominieren werden, hängt neben der technischen Leistungsfähigkeit zum großen Teil von den Kosten der Batterien ab. Ohne größeren Technologiesprung werden die Kostendegressionen kaum ausreichen, um eine weite Verbreitung der Elektroautos zu ermöglichen.
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Ein solcher Technologiesprung ist aber nicht herbeizuzwingen zumal ausgiebige Tests zur Sicherheit von Nöten ist sind.
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Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug bezeichnet man Fahrzeuge, die prinzipbedingt ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden.
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Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen bestehen allgemein aus einer Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einem Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einem elektrochemischen Energiespeicher und einer elektrischen Maschine für den Antrieb.
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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.
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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 im weiteren aber von der Funktion her teilweise oder ganz Lade und Management-Kontroller benannt.
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Er regelt unter anderem, ob, wo, wann und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder auch eventuell wiederzugeführt werden soll z. B. durch einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle oder eine ladung von außen (Steckdose)
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Auch zusätzliche Aufgaben wären denkbar z. B. die Formatierung u. Regenerierung von Zellen.
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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. zur 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 entweder ausschließlich oder zusätzlich, wenn der Verbrennungsmotor primär das Fahrzeug antreibt.
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Als Energielieferanten und Speicher für Elektrofahrzeuganwendungen lassen sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen Zellen nutzen.
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Entscheidende Voraussetzung für alle Elektroantriebssysteme ist ein leistungsfähiger, sicherer und zuverlässiger Energiespeicher. Die „Performance” des gesamten elektrischen Systems hängt von der Batterie ab, angefangen bei ihrer Speicherkapazität. Aus diesem Grund legt z. B. die Firma Daimler das Augenmerk auf die Entwicklung einer leistungsstarken Traktionsbatterie. Neben den genannten Leistungsmerkmalen muss sie eine lange Lebensdauer sowie hohe Crash-Sicherheit aufweisen und recycling-fähig sein. Alle diese Voraussetzungen bietet die neue Lithium-Ionen-Batterie, die sich inzwischen bereits bei Hybridanwendungen bewährt hat. Ihre Vorteile liegen insbesondere in ihren kompakten Abmessungen in Kombination mit einer deutlich höheren Leistungsfähigkeit im Vergleich zu bisherigen Nickel-Metallhydrid-Batterien. Deutlich muß aber gesagt werden, dass die intensive Forschung und Entwicklung und anlaufende Produktion zum Thema Lithium Ionenbatterie sowohl Kapital und Ingenieure von anderen Speicherkonzepten abzieht obwohl sogar eine mittelfristige Lösung durch eine andere Technologie herbeigeführt werden könnte.
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Deshalb sind sich viele Hersteller in ihren Konzepten langfristig uneins und verhalten sich mit der breiten Einführung von elektrischen Antrieben für Automobile eher zurück. Nicht ohne Grund.
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Die Kosten für solche Hochleistungszellen (typischerweise > 5 Ah) liegen konstruktionsbedingt deutlich höher als jene von einfachen Konsumerzellen mit zudem in der Regel geringeren Kapazitäten. Zusätzlich werden in der Automobilindustrie Lebensdaueranforderungen von mehr als 10 Jahren gefordert.
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Zudem wirkt der Vergleich zwischen der Speicherfähigkeit von fossilen Brennstoffen und Batterien/Akkus geradezu demotivierend
1 kg Benzin enthält ca 10 kWh, 1 kg Lithium Ionenakku nur 0,12 kWh und 1 kg Bleiakku lediglich 0,03 kWh oder anschaulicher formuliert: Für einen Liter Benzin muß man ca. 100 Kg an Gewicht an modernen Batterien (Lithiumakkus) veranschlagen, um etwa gleich weit zu kommen. Lediglich der bessere Wirkungsgrad von E-Motoren glättet dieses Dilemma.
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Nachteile des Standes der Technik
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Besorgniserregend ist auch der Umstand, dass zur Zeit alle Automobilhersteller unterschiedliche Konzepte bzgl. der Konstruktion und Dimensionierung der Batterien haben. Das erinnert in fataler Weise an die Fabrikation und das Ersatzteilmamagement von tragbaren Kleincomputern, wo jeder Hersteller obwohl es sich um ähnliche Geräte handelt unterschiedliche Akkupacks auf den Markt brachte bzw. bringt, die nicht untereinander kompatibel waren/sind.
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Der Verbraucher ist daher gezwungen stets den Hersteller des speziellen Gerätes zu kontaktieren bzw. dessen Repräsentanten und hat eigentlich keine Auswahl auf dem freien Markt. Natürlich kann er auch die Batterien selbst nicht weiter mitnehmen, wenn er sich für ein neues Gerät entscheiden möchte oder jemandem aushelfen möchte. Es ist kaum vorstellbar wie groß die Ansammlung von Batterien/Akkus aus dem Laptopbereich ist und auch das Problem der Entsorgung die übrig bleiben weil das zugehörige Gerät seinen Geist aufgegeben hat. Utopisch wäre der Gedanke, man könnte diese Batterie für einen anderen tragbaren Computer benutzen oder z. B. für eine andere Geräteklasse z. B. ein tragbares Kofferradio.
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Umgelegt auf den Markt der Hybrid und E-Autos ergibt sich ein weit größeres Schreckensszenario für den Verbraucher. Natürlich werden verschiedene Entwicklungsabteilungen auf ähnlichen Niveaus ähnliche Batterien/Akkus mit ähnlichen Lade und Managementmodulen in ihre Fahrzeuge einbauen, die aber nicht untereinander kompatibel bzw austauschbar sind.. Bisher gibt es lediglich eine verbraucherfreundliche Lösung für den Außenanschluß von E-Autos indem man sich auf einen standartisierten Stecker für das externe Aufladen geeinigt hat.
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Schon garnicht ist es möglich handelsübliche Batterien/Akkus von Hybrid oder E-Autos teilweise auszubauen, um diese für andere E-Autos oder Geräte zu nutzen oder extern zu laden.
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Das hätte den Vorteil, dass z. B. ein Modul dem Batteriegehäuse entnommen werden könnte, um z. B. den Antrieb eines elektrischen Fahrades oder eines Rollstuhls zu bewerkstelligen oder den Betrieb eines zusätzlichen Stromversorgung, um z. B. einen Desktop Computer gegen Stromausfall zu schützen.
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Ansatzweise legt die US Anmeldung 2009/0252994 A1 eine modulare Anordnung von gleichen Akkupacks offen, die nebeneinander in ein Rack gesteckt werden (2). Definiert werden die packs lediglich durch die Angabe, dass sie weniger als 30 pounds wiegen. Dass unterschiedliche Akkupacks unterschiedlicher Bauart (Typ)/Größe von einem entsprechend ausgerüsteten Lade und Managementmodul bedient werden können wird nicht aufgezeigt wie auch nicht die Idee einer übergreifenden Kompatibilität.
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Die Idee einer Hersteller und Typ übergreifender Kompatibilität stellt sich aber auch aus der Prognose zukünftiger Automobilkonzepte, die hauptsächlich eine Nachfrage nach kleinen und sparsamen Automobilen aufzeigen. Dieses Marktsegment könnte durchaus größer als 50% eingeschätzt werden. Verläßlich und ein guter Kompromis wäre dabei ein sparsamer Verbrennungsmotor und eine zusätzliche Unterstützung durch einen oder mehrere Elektromotoren, die ihre Energie aus einem Akku/Batterie/Kondensatorpack beziehen, das nicht schwerer als 80 kg ist. Es wäre allenfalls sinnvoll, wenn Gründe dafür gegeben wären, das Akkupack z. B. auf 160 Kg zu erweitern.
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Aufgabe der Erfindung
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Gefordert ist daher ein Batterie und Akku Konzept, dass gerade durch die Standadisierung erst den breiten Einsatz einer neuen Technologie ermöglicht ohne gleichzeitig weitere Entwicklungsmöglichkeiten in der Batterie und Akkutechnik auszuschließen. Ein solches Konzept eines Passepartout Akkus/Batterie würde auch die Hersteller davon entlasten, erst dann Investitionen zu tätigen, wenn man glaubt, den idealen Akku/Batterie gefunden zu haben. Man könnte dieses Thema sogar soweit ausklammern, dass Automobile mit einem Verbrennungsmotor als Antrieb oder Generator als hybrid ready hergestellt werden könnten, dass heißt man überläßt es dem Kunden, ob und in wieweit er das Automobil auf bzw. nachrüstet. Auch bei einem reinen E-Auto wäre es von Vorteil, wenn der Kunde entscheiden könnte, in welchem Umfang er das Auto mit Akkus/Batterien/Kondensatoren bestückt. Umgekehrt wäre ein leicht entnehmbares Modul (Akku, Batterie, Kondensator) von Vorteil, um etwa bei längerem Stillstand des Automobils veräußert zu werden. Statt eines immobilen, unkompatiblen und vom Hersteller abhängigen Konzeptes wird hier ein mobiles, weit kompatibel und für Verbraucher vorteilhaftes Konzept gesucht. In diesem Zusammenhang wird darauf aufmerksam gemacht, dass im Englisch auch bei einem aufladbaren Akku von battery gesprochen wird. Deshalb werden beide Begriffe hier angeführt.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgaben wird durch die Merkmale des Ansprüche 1 gelöst bzw. durch die weiteren Unteransprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und Ausführungsbeispielen zu entnehmen
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Die Lösung besteht darin, dass es heute möglich ist, Lade bzw Managementmodule, die Batterien bzw. Akkus laden, entladen, kontrollieren, warten etc. so zu entwerfen und herzustellen, dass bestehende unterschiedliche Akkus sowohl nach der Bauart als auch der Größe/Kapazität/Spannung erkannt und geladen werden können. Ein solches Konzept gibt es als Kleingerätelader für Rundbatterien/Akkus verschiedener Art und Bauweise. Dieses Konzept läßt sich durchaus in den Automobilbereich übersetzen und erweiternd anpassen.
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Selbstverständlich sollte die Leistungselektronik eines solchen Lade und Managementmoduls in der Lage sein, die eingesetzten Akkus nicht nur zu erkennen sondern komplett zu managen, dass heißt, alle nötigen Anpassungen und Bereitstellungen durchzuführen, die zwischen Elektromotor(en) und zusätzlich/Anlasser/Generator/Sensoren/Hilfsaggregaten etc. von Nöten sind und Stand der Technik ist. Das Lade und Managementmodul könnte selber auf dem Raster Platz finden, jedoch auch als selbstständiges Modul vozugsweise leicht entnehmbar im Automobil verbaut werden. Ein upgrade der Funktionsweise sollte durch Nachrüsten der Software und/oder Hardware möglich sein.
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Dadurch wird es möglich, dass Batterien/Akkus/Kondensatoren gleicher aber auch unterschiedlicher Größe und/oder Art/Typ her kontrolliert/geladen und gemanaged werden können.
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Als wesentliche Unterstützung der Lösung wird dem Entwurf bzw. der Konstruktion des zugehörigem Batteriegehäuses ein vordefiniertes Raster zugewiesen, auf dem die gleichen oder unterschiedlichen Energiespeicher physisch exakt fixiert bzw angepaßt fixiert werden, um sicher arretiert zu werden. Das betrifft auch die elektrischen Kontakte.
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Zum Verständnis dazu in Analogie:
Allgemein sind sichere Verbindungen in der Massenfertigung nur durch Normierungen zu erreichen, ein zu Grunde gelegtes Raster garantiert wie z. B. wie bei dem Steckspiel Lego, dass unterschiedlich große Systemsteine z. B. paßgenau (zusammen) gesteckt werden können und auf einer Systemplatine exakt fixiert werden können.
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Die Idee eines vordefinierten Rasters auf dessen Maße sich z. B. einige Automobilhersteller einigen, ist daher ein wesentlicher Bestandteil der Lösung. Sind diese Maße erst einmal fixiert können sich auch Hersteller anderer Geräte und Geräteklassen daran orientieren.
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Vorteil der Erfindung:
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Die Erfindung versteht sich von der Verbesserung eher so, dass es statt nach einer ”best of” Lösung zu suchen es besser ist, ein evolutionäres Konzept einer Energiespeicherung bereitzuhalten, das sich technischen Verbesserungen fließend anpassen kann und durch eine hohe Standardisierung und leichte Austauschbarkeit/Servicefreundlichkeit des Energiespeichers den Kunden nicht an einen Hersteller fesselt und preislich interessant ist, da durch ein solches Konzept erheblich Wettbewerb zwischen den Herstellern bzw. Anbietern von Energiespeichern gefördert wird. Zudem ist eine Mehrverwendung für andere Hybrid und E-Autos und diverse elektrische Geräte möglich.
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Im Gegenzug kann der Hersteller das Problem der Herstellung und Wartung der elektrischen Energiespeicher teilweise oder ganz nach außen delegieren, was ihn wesentlich entlastet.
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Sollten mehrere Hersteller an diesem Konzept partizipieren, ergäbe sich schnell eine breite Akzeptanz einer neuen Technologie. Zudem ist das Konzept umweltfreundlich.
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Ausführungsbeispiel
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Vordefiniert heißt hier, dass z. B. als Ausführungsbeispiel auf einem Grundraster von der Größe:
400 × 100 × 100 mm
eine Batterie/Akku/Kondensator mit der Größe von
400 × 100 × 100 mm Platz findet
aber auch auf 2! nebeneinanderliegenden Grundraster der Größe
400 × 200 × 100 mm
eine Batterie/Akku/Kondensator mit der Größe von
400 × 200 × 100 mm
Platz findet. (Selbstverständlich wäre auch ein anderes Grundraster dienlich)
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Dem vordefiniertem Grundraster entspricht ein Gehäuse/-Wannen/oder -Schalenteil, das z. B. bereits aus der Karosserie geformt ist, in diese eingesetzt wird oder auch/entnehmbar/ausziehbar/ausstoßbar gehalten wird und durch seine Dimesionierung und Ausgestaltung der Kontakte und Vorrichtungen eine Energieübertragung und Kommunikation ermöglicht.
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Durchaus wäre auch eine höhere Bauart tolerierbar als auch z. B eine Zwillingsausführung von 2 × 400 × 100 × 50 mm um auf das Grundraster von 400 × 100 × 100 mm zu kommen. Der Fachmann erkennt rasch, dass das Zugrundelegen eines Rasters Vorteile mit sich bringt um die einzelnen Module sicher zu plazieren.
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Weiterbildungen und Ausgestaltungen
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Selbstverständlich wäre auch denkbar das Raster in einer zweiten oder in mehreren Ebenen in der Höhe oder der Tiefe zu erweitern, um die Kapazität zu steigern. Vorzugsweise wäre ein solches System z. B. mit 2 großen Batterie/Akkus/Kondensatoren ausgestattet und mit 2 kleineren. Vorgesehen sind z. B. auch Separatoren zwischen den Batterien/Akkus um diese gegeneinander abzutrennen und teilweise oder ganz Wärme ab oder zuzuführen. Oder es wären auch Adapter und verschiebbare Kontakte und/oder Halterungen/Spanner vorzusehen, um die Akkus zu fixieren auch solche, die nicht über die exakte Rasterkompatibilität verfügen.
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Prinzipiell sind beliebige Rastermaße möglich auch solche die gekrümmt sind oder verspringen. Das Beispiel oben dient nur der Erläuterung. Selbstverständlich können auch alle Module gleich groß sein.
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Ein Informationsaustausch zwischen Lade bzw Managementmodul kann durch elektrische, optische oder drahtlose Vorichtungen getätigt werden, die auf beiden Seiten (Lade und Management Kontroller und Batterie/Akku/Kondensator) entsprechende Einrichtungen einer Sende und Empfangseinrichtung bedingen. Selbstverständlich ist es von Vorteil, dass das Lade bzw. Managementmodul über dieselbe Schnittstellentechnologie mit der übrigen Bordelektronik kommuniziert.
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Selbstverständlich kann das Lade bzw. Managementmodul auch bereits in einem einzigen Kontroller integriert sein, das das ganze Automobil kontrolliert. Es wäre aber von Vorteil jedem Antrieb in einem Automobil einen eigenen Kontroller zu gewähren, und dann zwischen beiden und eventuell einem weiteren, der beide bedient eine Verbindung herzustellen.
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Bei elektrischen Anschlüssen ist eine Paßgenauigkeit unabdingbar, auf optischen und drahtlosem Wege ergibt sich ein größerer Spielraum. Alle drei Systeme können auch so eingesetzt werden, dass sie redundant zusammenwirken. Die Batterien/Akkus/Kondensatoren können vorzugsweise selbst über eigene elektronische Managementmodule verfügen, die zur lokalen Selbstkontrolle, Protokollierung von Abläufen und zur Kommunikation mit dem Lade bzw Managementmodul befähigen und dazu ein vordefiniertes Protokoll benutzen wie es z. B. von der USB Schnittstelle im Computerbereich bekannt ist.
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Aber auch andere Schnittstellen (Bus) und Protokolle sind prinzipiell verwendbar. Auch sollten die Batterien/Akkus/Kondensatoren die Möglichkeit haben durch leichtes Umstecken von Bügeln oder Kontakten die Spannung (V) z. B. zu lasten der Leistung (A) und umgekehrt zu ändern, um z. B. für Motoren anderer Fahrzeuge kompatibel zu werden bzw. eine Anpassung zu erleichtern. Dies könnte direkt an den einzelnen Batterien/Akkus/Kondensatoren vorgenommen werden aber auch mit denselben Mechanismen innerhalb des Batteriegehäuses.
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Selbstverständlich sollten die Kommunikationsmöglichkeiten der Batterie/Akkus/Kondensators auch offen zugänglich gehalten werden, so dass ein Testgerät direkt angeschlossen werden kann oder Anzeigen abgelesen werden können.
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Auch das thermale Management der Akkus/Batterien/Kondensatoren sollte für eine Standadisierung keine Probleme bereiten, wenn man zunächst für einen Massenmarkt einen Kleinwagen anvisiert, der mit der bisher favourisierten Lithium Innentechnik operiert. Dafür sollte das Batteriegehäuse über Kühleinrichtungen bzw Temperierungen (Temperierung im Sinne von Erhöhung der Kerntemperatur eines Energiespeichers) Direktkontakt zwischen Akku/Batterie/Kondensator und Batteriewanne/Trennwände/Halterungen verfügen. Alternativ oder zusätzlich könnten auch aktiv kühlende oder wärmende Flüssigkeit und/oder Luftkühlung/Wärmung das thermale management übernehmen oder unterstützen.
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Alternativ könnte das thermale Management in die allgemeine Klimatisierung des Automobils miteinbezogen werden so dass nicht ein 2. Kühlaggregat bereitzustellen ist und so auch eine Flexibilität bzgl. der Kühlleistung besteht. Allgemein sollte bzgl. des thermalen Management der Akkus/Batterien/Kondensatoren konstruktionsbedingt Erweiterungen oder Optimierungen möglich sein z. B. durch den Einsatz von Solarzellen.
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Von Vorteil wäre auch eine Vorrichtung z. B. eine Schubladenkonstruktion im Bereich der hinteren Stoßstange, die sich öffnen kann, um kritische Batterien/Akkus/Kondensatoren auszuwerfen, nachdem der Fahrer z. B. das Fahrzeug an den Straßenrand gefahren hat.
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Die Batterien/Akkus/Kondensatoren sind in ihrer Umverpackung (Gehäuse) farbig (Farbcode) und/oder einer Musterung zuversehen, um leicht z. B. den Hersteller, die Type oder die Kapazität anzuzeigen. Eine teilweise Transparenz (z. B. auch als Sichtfenster) ist von Vorteil um die Füllung (einzelne Zellen) zu kontrollieren. Eine Kontrolle eines einzelnen Moduls könnte auch durch eine Kamera (Endoskop) ermöglich werden, wozu z. B. Führungsgänge innerhalb der Batterien/Akkus/Kondensatoren vorgesehen werden müßten.
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Ein reliefgeschmücktes Gehäuse und Hologramme sichern die Originalität der Umverpackung des einzelnen Akkus/Batterie/Kondensators.