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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit zumindest einer elektrochemischen Energiespeichereinheit, wobei die elektrochemische Energiespeichereinheit in einem Mitteltunnel einer Unterbodenstruktur angeordnet und mit einer Wärmeleitvorrichtung zum Wärmeaustausch gekoppelt ist.
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Aus der
DE 10 2009 007 422 A1 ist eine Batterieaufnahmevorrichtung bekannt. Die Batterieaufnahmevorrichtung umfasst einen Batterieaufnahmeraum, eine Wandung, welche den Batterieaufnahmeraum wenigstens teilweise umgibt, eine verschließbare erste Öffnung, welche der Wandung zugeordnet ist, und eine Batteriehalteeinrichtung, welche zum Halten wenigstens einer Batterie vorgesehen ist. Die Batteriehalteeinrichtung ist derart gestaltet, dass die wenigstens eine Batterie bei vorbestimmten Bedingungen freigegeben wird. Weiterhin ist die Batteriehalteeinrichtung zum Austausch von Wärmeenergie mit der Batterie vorgesehen. Weiterhin wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batterieaufnahmevorrichtung beschrieben, wobei die Batterieaufnahmevorrichtung der Bodengruppe des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist. Dabei ist die Batterieaufnahmevorrichtung im Bereich eines in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs verlaufenden Kardantunnels, im Folgenden als Mitteltunnel bezeichnet, angeordnet.
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Weiterhin ist aus der
US 2010/0320012 A1 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb bekannt, welches zumindest eine mit dem elektrischen Antrieb gekoppelte Energiespeichereinheit zur Speicherung elektrischer Energie umfasst. Weiterhin umfasst das Kraftfahrzeug ein Führungselement, welches die Energiespeichereinheit in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs verschiebbar hält. Das Führungselement ist im Bereich eines in Längsrichtung des Fahrzeugs verlaufenden Mitteltunnels angeordnet.
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Die
US 2010/0213741 A1 offenbart eine Bodenstruktur einer Fahrzeugkarosserie mit einem sich in Längsrichtung der Fahrzeugkarosserie erstreckenden Mitteltunnel, wobei in dem Mitteltunnel eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung angeordnet ist.
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Ferner offenbart die
JP 10138956 A eine Haltevorrichtung für eine elektrochemische Batterie, welche an einer Unterseite einer Bodenstruktur einer Fahrzeugkarosserie angeordnet ist. Die elektrochemische Batterie ist in einem in der Bodenstruktur ausgebildeten Mitteltunnel, welcher sich in Längsrichtung der Fahrzeugkarosserie erstreckt, angeordnet. Die Haltevorrichtung umfasst vordere und hintere Schutzwände, in welche Belüftungsöffnungen zur Kühlung der Batterie eingebracht sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Fahrzeug mit zumindest einer elektrochemischen Energiespeichereinheit anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Fahrzeug gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Fahrzeug umfasst zumindest eine elektrochemische Energiespeichereinheit, wobei die elektrochemische Energiespeichereinheit in einem Mitteltunnel einer Unterbodenstruktur des Fahrzeugs angeordnet und mit einer Wärmeleitvorrichtung zum Wärmeaustausch gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist die Energiespeichereinheit aus mehreren übereinander und/oder hintereinander gestapelten elektrochemischen Einzelzellen gebildet ist. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Wärmeleitvorrichtung mehrere Wärmeleitplatten umfasst, wobei jeweils zumindest eine Wärmeleitplatte Wärme leitend mit wenigstens einer Einzelzelle (6) und/oder einem Stapel von Einzelzellen gekoppelt ist und dass die Wärmeleitvorrichtung zumindest ein Wärmeleitelement mit einer Hohlraumkonstruktion umfasst, wobei jede der Wärmeleitplatten mit dem zumindest einen Wärmeleitelement Wärme leitend gekoppelt ist und das Wärmeleitelement zumindest einen Teil eines Gehäuses der elektrochemischen Energiespeichereinheit bildet.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Fahrzeugs ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, bei platzsparender Anordnung der elektrochemischen Energiespeichereinheit außerhalb eines Fahrzeuginnenraums an einer Unterseite im Mitteltunnel der Unterbodenstruktur gleichzeitig eine effiziente Kühlung der Energiespeichereinheit ohne Schnittstellen derselben und der diese bildenden Stapel und Einzelzellen mit einem Wärmeleitmedium zu realisieren. Das heißt, es ist eine Versorgung der Wärmeleitplatte und des Wärmeleitelements mit den jeweiligen Wärmeleitmedien möglich, ohne dass im Inneren der Energiespeichereinheit Kanäle, beispielsweise Schläuche oder Rohre, verlaufen bzw. Koppelstellen zwischen den Kanälen und der Wärmeleitplatte sowie des Wärmeleitelements innerhalb der Energiespeichereinheit vorhanden sind. Somit werden mögliche Leckagen der Wärmeleitmedien innerhalb der Energiespeichereinheit vermieden. Weiterhin resultiert aus den nicht erforderlichen Schnittstellen der Vorteil, dass eine Anzahl zu verlegender und anzuschließender Leitungen zur Führung des Wärmeleitmediums sowie eine Anzahl von Anschlusselementen und daraus folgend ein Aufwand und Kosten verringert werden. Aus der Verringerung der Anzahl der Leitungen und der Anschlusselemente ergeben sich wiederum eine Verminderung eines Leckagerisikos und eine Erhöhung einer Langlebigkeit des Fahrzeugs und der Energiespeichereinheit.
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Die Energiespeichereinheit ist dabei als Starterbatterie für eine Verbrennungskraftmaschine und/oder als Speicherbatterie für elektrische Energie zum Antrieb eines Elektromotors vorgesehen. Das Fahrzeug ist ein herkömmliches Fahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine, ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder ein Hybridfahrzeug.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs weisen die Wärmeleitplatten jeweils zumindest einen Hohlraum auf, wobei innerhalb des Hohlraums zumindest ein als so genanntes Heatpipe ausgebildetes Wärmerohr angeordnet ist. Das Wärmerohr ermöglicht bei geringem Gewicht und kleinen Abmessungen stets eine hohe Wärmeübertragung von den Einzelzellen in die Wärmeleitplatte. Auch ist eine gesteuerte Wärmeübertragung mit geringem Aufwand realisierbar.
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Das Wärmerohr ist gemäß einer Ausgestaltung mit einem ersten Wärmeleitmedium, insbesondere Ammoniak, beaufschlagbar. Aufgrund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften eignet sich Ammoniak dabei besonders gut sowohl zur Kühlung als auch zur Erwärmung, so dass stets eine optimal an einen jeweiligen Betriebszustand und eine jeweilige Temperatur der Energiespeichereinheit angepasste Temperierung der möglich ist.
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Auch ist die Hohlraumkonstruktion des Wärmeleitelements gemäß einer weiteren Ausgestaltung mit einem zweiten Wärmeleitmedium beaufschlagbar, um eine besonders gute Wärmeübertragung zu realisieren.
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Bevorzugt ist das Wärmeleitelement wannenförmig oder plattenförmig ausgebildet und somit zur Erzeugung einer möglichst großen wirksamen Wärmeübertragungsfläche ausgebildet.
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Um eine effiziente und eine an die Verwendung der elektrochemischen Energiespeichereinheit angepasste Wärmeübertragung zu schaffen, ist das Wärmeleitelement in einer Ausgestaltung an einer Unterseite, einer Oberseite und/oder an zumindest einer Seitenwand mit den Stapeln von Einzelzellen Wärme leitend gekoppelt.
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Alternativ oder zusätzlich bildet das Wärmeleitelement zumindest eine Wand des Mitteltunnels aus. Mit anderen Worten: Eine Wand oder Wände des Mitteltunnels weisen eine Hohlraumkonstruktion auf und dienen zur Wärmeableitung oder -zufuhr zu oder von der Energiespeichereinheit. Dabei ist eine große wirksame Wärmeübertragungsfläche erzeugbar und es sind keine zusätzlichen Elemente zur Realisierung des Wärmeleitelements erforderlich, woraus neben einer weiteren Verringerung des Bauraumbedarfs auch eine weitere Verringerung des Gesamtgewichts des Fahrzeugs und eine Verringerung der Kosten resultieren.
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Ferner bildet der Mitteltunnel insbesondere zumindest einen Teil des Gehäuses der elektrochemischen Energiespeichereinheit, so dass keine separaten Teile zur Bildung des Gehäuses erforderlich sind, woraus eine weitere Verringerung des Gewichts und der Kosten resultiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sind Einlassöffnungen und/oder Auslassöffnungen zur Zuführung und/oder Abführung des ersten Wärmeleitmediums in und/oder aus dem Wärmerohr und/oder zur Zuführung und/oder Abführung des zweiten Wärmeleitmediums in und/oder aus der Hohlraumkonstruktion an einer Außenseite des Gehäuses angeordnet. Somit sind keine Schnittstellen des Wärmeleitmediums im Inneren der Energiespeichereinheit vorhanden, so dass bei auftretenden Leckagen eine Funktion der Energiespeichereinheit durch austretendes Wärmeleitmedium nicht beeinträchtigt wird.
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Ferner ist die elektrochemische Energiespeichereinheit in einer Ausgestaltung von einer Fahrzeugunterseite aus montierbar und demontierbar. Dadurch ist die Montage und Demontage aufgrund einer einfachen Zugänglichkeit erleichtert und eine Wartung ist in einfacher Weise möglich.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer in einem Mitteltunnel angeordneten elektrochemischen Energiespeichereinheit,
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2 schematisch eine perspektivische Ansicht eines aus mehreren Einzelzellen gebildeten Stapels der Energiespeichereinheit gemäß 1 und
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3 schematisch den Stapel gemäß 2 in einer Draufsicht.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1 mit einer elektrochemischen Energiespeichereinheit 2 dargestellt, wobei die Energiespeichereinheit 2 in einem Mitteltunnel 3 einer Unterbodenstruktur 4 des Fahrzeugs 1 angeordnet ist. Die 2 und 3 zeigen die Energiespeichereinheit 2 in verschiedenen Ansichten. Die Erfindung wird im Folgenden anhand aller 1 bis 3 gemeinsam erläutert.
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Die Energiespeichereinheit 2 ist dabei insbesondere in einem Bereich des Mitteltunnels 3 angeordnet, welcher sich in Fahrzeuglängsrichtung vor einer nicht dargestellten Spritzwand, welche einen Motorraum von einem Innenraum des Fahrzeugs 1 trennt, befindet. Alternativ oder zusätzlich ist die Energiespeichereinheit 2 in einem Bereich des Mitteltunnels 3 angeordnet, welcher sich in Fahrzeuglängsrichtung hinter einer nicht dargestellten Trennwand, welche einen Kofferraum von einem Innenraum des Fahrzeugs 1 trennt, befindet. Weiterhin können auch mehrere Energiespeichereinheiten 2 im Mitteltunnel 3 des Fahrzeugs 1 angeordnet sein.
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Die Energiespeichereinheit 2, bei welcher es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Lithium-Polymer-Batterie oder einen anderen elektrochemischen Energiespeicher handelt, ist in nicht näher dargestellter Weise aus mehreren Stapeln 5 gebildet, wobei jeder Stapel 5 jeweils aus mehreren übereinander gestapelten elektrochemischen Einzelzellen 6 gebildet ist. In nicht gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Einzelzellen 6 zusätzlich oder alternativ hintereinander gestapelt. Die Einzelzellen 6 sind elektrisch in Reihe und/oder parallel verschaltet.
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Derartige Energiespeichereinheiten 2 weisen ihren optimalen Betriebsbereich in einem bestimmten Temperaturbereich auf. Hierzu ist eine Temperierung der Energiespeichereinheit 2 erforderlich. Zu dieser Temperierung ist die Energiespeichereinheit 2 mit einer Wärmeleitvorrichtung 7 zum Wärmeaustausch gekoppelt.
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Die Energiespeichereinheit 2 und die Wärmeleitvorrichtung 7 sind von einer Fahrzeugunterseite aus montierbar und demontierbar, so dass eine einfache Wartung möglich ist.
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Die Wärmeleitvorrichtung 7 umfasst in nicht dargestellter Weise mehrere Wärmeleitplatten 8, wobei jeweils eine Wärmeleitplatte 8 mit einem Stapel 5 von Einzelzellen 6 gekoppelt ist. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Wärmeleitplatten 8 mit einem Stapel 5 Wärme leitend gekoppelt sein und/oder eine Wärmeleitplatte 8 ist mit mehreren Stapeln 5 von Einzelzellen 6 Wärme leitend gekoppelt.
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Die Wärmeleitplatte 8 ist aus einem gut Wärme leitenden Material, beispielweise Metall oder Kunststoff, gebildet und ist an einer zu den Einzelzellen 6 gerichteten Seite korrespondierend zur Ausformung der Einzelzellen 6 ausgebildet, so dass eine möglichst große Wärmeübertragungsfläche realisierbar ist. Ich nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist zwischen der Wärmeleitplatte 8 und dem Stapel 5 aus den Einzelzellen 6 eine Wärmeleitschicht eingebracht. Die Wärmeleitschicht ist beispielsweise eine Wärmeleitmatte, Wärmeleitfolie oder wird als Wärmeleitmittel flüssig oder pastös vor dem Fügen der Wärmeleitplatte 8 mit dem Stapel 5 eingebracht und dient einer Erhöhung der Wärmeübertragung zwischen dem Stapel 5 und der Wärmeleitplatte 8.
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Auf einer der Wärmeleitplatte 8 gegenüber liegenden Seite des Stapels 5 und an den an die Wärmeleitplatte 8 angrenzenden Seiten ist jeweils ein plattenförmiges Rahmenelement 9, 10 angeordnet, wobei die Wärmeleitplatte 8 und die Rahmenelemente 9, 10 mittels zweier Spannbänder 11 miteinander verspannt sind und somit die Einzelzellen 6 zu dem Stapel 5 fixiert sind. Somit bilden die Wärmeleitplatte 8 sowie die Rahmenelemente 9, 10 einen Teil eines Gehäuses 12 der Energiespeichereinheit 2.
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Zur elektrischen Verbindung mehrerer Stapel 5 von Einzelzellen 6 ist eine Stromschiene 14 vorgesehen, wobei die Wärmeleitplatte 8 eine zu der Stromschiene 14 korrespondierend ausgebildete Aussparung aufweist. Insbesondere schließt die Stromschiene 14 bündig mit einer Oberfläche der Wärmeleitplatte 8 ab, so dass eine platzsparende Anordnung der Stapel 5 und eine einfache Fixierung der Einzelzellen 6, der Wärmeleitplatte 8 und der Rahmenelemente 9, 10 mit der Spannbänder 11 möglich ist.
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Zur Abführung der Wärme von den Einzelzellen 6 und/oder zur Zuführung von Wärme zu den Einzelzellen 6, d. h. zur Kühlung und/oder Beheizung der Einzelzellen 6, ist die Wärmeleitplatte 8 mit einem Wärmeleitelement 13 Wärme leitend gekoppelt.
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Das Wärmeleitelement 13 ist schalenförmig ausgebildet und ist Wärme leitend im Bodenbereich des Stapels 5 und in Teilbereichen der Wärmeleitplatte 8 und des Rahmenelements 9 mit dem Stapel 5 gekoppelt. Alternativ können im Wesentlichen senkrecht von einem Bodenteil des Wärmeleitelements 13 ragende Seitenteile, welche in Wärme leitendem Kontakt mit der Wärmeleitplatte 8 stehen, kürzer oder länger ausgebildet sein. Beispielsweise erstrecken sich die Seitenteile über die gesamte Länge des Rahmenelements 9 und der Wärmeleitplatte 8. Auch das Wärmeleitelement 13 bildet einen Teil des Gehäuses 12 der Energiespeichereinheit 2.
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Das Wärmeleitelement 13 ist derart ausgebildet, dass dieses in Wärme leitendem Kontakt mit allen Stapeln 5 der Energiespeichereinheit 2 steht. Alternativ können auch mehrere Wärmeleitelemente 13 vorgesehen sein, welche jeweils in Wärme leitendem Kontakt mit einer vorgegebenen Anzahl von Stapeln 5 stehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung können mehrere Wärmeleitelemente 13 vorgesehen sein, die gleichzeitig mit allen Stapeln 5 in Wärme leitender Verbindung stehen und oberseitig, unterseitig und/oder an den Seitenwänden mit den Stapeln 5 gekoppelt sind.
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In einer nicht dargestellten alternativen oder zusätzlichen Ausbildung weisen das eine Wärmeleitelement 13 oder die mehreren Wärmeleitelemente 13 eine abweichende Form, beispielweise eine plattenförmige Form auf oder sind bei abweichenden Formen des Stapels 5 und der Einzelzellen 6 in ihrer Form an diese angepasst und korrespondierend zu diesen ausgebildet.
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Das Wärmeleitelement 13 umfasst eine Hohlraumkonstruktion 13.1, welche in nicht dargestellter Weise mit einem zweiten Wärmeleitmedium beaufschlagbar ist. Die Hohlraumkonstruktion 13.1 ist aus mehreren Kanälen zur Führung des zweiten Wärmeleitmediums gebildet, wobei die Kanäle unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
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Bei dem zweiten Wärmeleitmedium handelt es sich um eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Mischung daraus. Das zweite Wärmeleitmedium ist beispielsweise ein Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage oder ein Kühlmittel einer Antriebseinheit des Fahrzeugs 1. Um die Energiespeichereinheit 2 in Abhängigkeit aktueller Umgebungsbedingungen sowohl erwärmen als auch kühlen zu können, ist aufgrund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften besonders Ammoniak als zweites Wärmeleitmedium geeignet.
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Zur Zuführung und Abführung des zweiten Wärmeleitmediums in die bzw. aus der Hohlraumkonstruktion 13.1 ist an einer Außenseite des Wärmeleitelements 13 eine kombinierte Einlass- und Auslassöffnung 15 angeordnet.
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Auch die Wärmeleitplatte 8 weist einen Hohlraum 8.1 auf, welcher zur Führung eines dritten Wärmeleitmediums vorgesehen ist. Das dritte Wärmeleitmedium ist ebenfalls eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Mischung daraus. Das dritte Wärmeleitmedium ist beispielsweise ein Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage oder ein Kühlmittel einer Antriebseinheit des Fahrzeugs 1. Um die Energiespeichereinheit 2 in Abhängigkeit aktueller Umgebungsbedingungen sowohl erwärmen als auch kühlen zu können, ist aufgrund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften besonders Ammoniak als drittes Wärmeleitmedium geeignet. Dabei können das zweite und das dritte Wärmeleitmedium gleich ausgebildet sein.
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Innerhalb des Hohlraums 8.1 ist ein Wärmerohr 16 angeordnet. Das Wärmerohr 16 als so genannte Heatpipe ausgebildet und alternativ oder zusätzlich zur Beaufschlagung des Hohlraums 8.1 mit dem dritten Wärmeleitmedium mit einem ersten Wärmeleitmedium beaufschlagbar, wobei das erste Wärmeleitmedium eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Mischung daraus ist. Das erste Wärmeleitmedium ist beispielsweise ein Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage oder ein Kühlmittel einer Antriebseinheit des Fahrzeugs 1. Auch das erste Wärmeleitmedium kann Ammoniak sein. In einer Ausgestaltung sind das erste, zweite und dritte Wärmeleitmedium gleich.
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Mittels des Wärmeleitrohrs 16 ist eine effektive Wärmeübertragung möglich. Weiterhin ist die Wärmeübertragung in einfacher Weise steuerbar, so dass stets eine Anpassung der Wärmeübertragung an aktuelle Parameter der Energiespeichereinheit 2 und Umgebungsparameter derselben möglich ist.
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Zur Zuführung und/oder Abführung des ersten Wärmeleitmediums in das und/oder aus dem Wärmerohr 16 ist die Einlass- und Auslassöffnung 15 vorgesehen. Alternativ ist eine separate Einlass- und Auslassöffnung vorgesehen.
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In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen bilden Wände des Mitteltunnels 3 ein Wärmeleitelement 13 oder mehrere Wärmeleitelemente 13 aus. Hierzu ist die Hohlraumkonstruktion 13.1 zumindest in Abschnitten des Mitteltunnels 3 in die Wände eingebracht.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist in alle Wände des Mitteltunnels 3 eine Hohlraumkonstruktion 13.1 eingebracht und das dargestellte wannenförmige Wärmeleitelement 13 ist unterseitig an der Energiespeichereinheit 2 angeordnet. Somit ist die Energiespeichereinheit 2 vollständig von Wärmeleitelementen 13 umgeben, welche gleichzeitig das Gehäuse 12 für die Energiespeichereinheit 2 bilden. Somit bildet auch der Mitteltunnel 3 zumindest einen Teil des Gehäuses 12 der elektrochemischen Energiespeichereinheit 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Energiespeichereinheit
- 3
- Mitteltunnel
- 4
- Unterbodenstruktur
- 5
- Stapel
- 6
- Einzelzelle
- 7
- Wärmeleitvorrichtung
- 8
- Wärmeleitplatte
- 8.1
- Hohlraum
- 9
- Rahmenelement
- 10
- Rahmenelement
- 11
- Spannband
- 12
- Gehäuse
- 13
- Wärmeleitelement
- 13.1
- Hohlraumkonstruktion
- 14
- Stromschiene
- 15
- Einlass- und Auslassöffnung
- 16
- Wärmerohr
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009007422 A1 [0002]
- US 2010/0320012 A1 [0003]
- US 2010/0213741 A1 [0004]
- JP 10138956 A [0005]
