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Angaben zu Bezugspatenten
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Diese Anmeldung bezieht sich auf die US-Serien-Nr. 12/853 462 mit dem Titel „Integrated Stackable Battery” (Aktenzeichen des Anwalts P009089-BAT-CHE), eingereicht am 10. August 2010, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein Batteriesätze und im Spezielleren eine/n integrierie/n Kühlrippe und Rahmen für Batteriesätze.
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Heutzutage sind die Batteriezellen in einigen Batteriesätzen in Rahmen positioniert, die verwendet werden, um die Zellen, Kühlrippen(-platten) und Dehnungsmaterial wie z. B. Schaumstofffolien zu beherbergen. In einigen Anordnungen können sich diese einzelnen Komponenten jedoch in Bezug aufeinander verschieben, was die Maßabweichung des Batteriesatzes erhöht. Außerdem setzt die Bewegung möglicherweise die Kanten der Zelle den Kühlrippen aus, was einen Lichtbogenüberschlag zur Folge haben kann.
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Es besteht daher Bedarf an einem Batteriesatz, der die Wahrscheinlichkeit eines Lichtbogenüberschlag verringert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung erfüllt dieses Bedürfnis. Ein Aspekt der Erfindung ist ein/e integrierie/r Kühlrippe und Rahmen. Die/der integrierte Kühlrippe und Rahmen umfasst eine Kühlrippe mit einem Kühlkanal benachbart zu zumindest einer Kante, wobei der Kühlkanal einen Einlass und einen Auslass umfasst; und einen Rahmen um die Kühlrippe herum, der die Kanten der Kühlrippe abdeckt, wobei der Rahmen eine Öffnung für den Einlass und den Auslass des Kühlkanals aufweist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Batteriesatz. Der Batteriesatz umfasst ein Paar Endrahmen, wobei ein Endrahmen einen positiven Pol aufweist und der andere Endrahmen einen negativen Pol aufweist; zumindest eine/n integrierte/r Kühlrippe und Rahmen, umfassend: eine Kühlrippe mit einem Kühlkanal benachbart zu zumindest einer Kante, wobei der Kühlkanal einen Einlass und einen Auslass umfasst; und einen Rahmen um die Kühlrippe herum, der die Kanten der Kühlrippe abdeckt, wobei der Rahmen eine Öffnung für den Einlass und den Auslass des Kühlkanals aufweist; eine Vielzahl von Batteriezellen, wobei jede der Vielzahl von Batteriezellen eine positive Kontaktlasche und eine negative Kontaktlasche aufweist, wobei die positive Kontaktlasche einer der Vielzahl von Batteriezellen elektrisch mit dem positiven Pol verbunden ist und die negative Kontaktlasche einer der Vielzahl von Batteriezellen elektrisch mit dem negativen Pol verbunden ist, wobei der Rahmen die positiven und negativen Kontaktlaschen der Batteriezellen von der Kühlrippe isoliert; zumindest einen Leistungsverbinder, der die negative Kontaktlasche einer der Batteriezellen mit der positiven Kontaktlasche einer benachbarten der Vielzahl von Batteriezellen elektrisch verbindet; und einen Fluidsammler/-verteiler, der mit dem Kühlkanaleinlass und -auslass verbunden ist, um ein Fluid zu dem Kühlkanal zu zirkulieren.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer/s integrierten Kühlrippe und Rahmens. Das Verfahren umfasst, dass eine Kühlrippe mit einem Kühlkanal auf zumindest einer Kante vorgesehen wird, wobei der Kühlkanal einen Einlass und einen Auslass aufweist; und ein Rahmen um die Kühlrippe herum geformt wird, sodass der Rahmen den Kühlkanal und die Kanten der Kühlrippe abdeckt, die Kühlrippe zu dem Rahmen hin abdichtet und eine Öffnung für den Einlass und Auslass des Kühlkanals aufweist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Veranschaulichung einer Ausführungsform des/der integrierten Kühlrippe und Rahmens.
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2 ist eine Veranschaulichung einer Ausführungsform der Kühlrippe.
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3A–C sind Veranschaulichungen einer Ausführungsform des/der Kühlrippe und Rahmens.
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4A–C sind Veranschaulichungen von verschiedenen Ausführungsformen von integrierten Kühlrippen und Rahmen.
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5 ist eine Veranschaulichung einer Seitenansicht einer Ausführungsform des/der integrierten Kühlrippe und Rahmens.
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6 ist eine Veranschaulichung einer Ausführungsform einer Batteriezelle und von integrierten Kühlrippen und Rahmen.
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7 ist eine Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform von Batteriezellen und integrierten Kühlrippen und Rahmen.
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8A–B sind Veranschaulichungen einer weiteren Ausführungsform des/der integrierten Kühlrippe und Rahmens.
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9 ist eine Veranschaulichung der Verbindung einer Reihe von integrierten Kühlrippen und Rahmen mit einem Sammler/Verteiler.
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10 ist eine Draufsicht einer Ausführungsform eines zusammengebauten Batteriesatzes.
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11 ist eine Explosionsdarstellung der Ausführungsform von 10.
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12 ist eine Veranschaulichung einer Ausführungsform eines internen Leistungsverbinders.
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13 ist eine Veranschaulichung einer Ausführungsform einer federbelasteten Metallklammer, die verwendet wird, um Batteriezellen zu verbinden.
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14 ist eine Veranschaulichung eines Bandeliers von federbelasteten Metallklammern.
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15 ist ein Abschnitt einer Draufsicht einer Ausführungsform eines zusammengebauten Batteriesatzes.
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16 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines zusammengebauten Batteriesatzes.
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17 ist eine Explosionsdarstellung der Ausführungsform von 16.
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18A–D sind Veranschaulichungen von zwei Ausführungsformen der integrierten Rahmen.
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19A–C sind Veranschaulichungen einer weiteren Ausführungsform eines integrierten Rahmens.
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20A–C sind Veranschaulichungen einer weiteren Ausführungsform eines integrierten Rahmens.
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Detaillierte Beschreibung
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Die/der integrierte Kühlrippe und Rahmen stellt eine elektrische Isolierung bereit und bewerkstelligt effektiv die Wärmeübertragung von der Batteriezelle. Die/der integrierte Kühlrippe und Rahmen isoliert die Zellenkante von der Kühlrippe, indem er/sie die Kante der Kühlrippe mit denn Rahmen abdeckt. Die/der integrierte Kühlrippe und Rahmen beseitigt die Notwendigkeit, die Kanten der Batteriezelle mit einem Band abzudecken, um einen Lichtbogenüberschlag zu verhindern. Das thermisch leitfähige Material der Kühlrippe regelt die Wärmeübertragung von der eingekapselten Zelle. Die/der integrierte Kühlrippe und Rahmen reduziert die Anzahl separater Teile und vereinfacht den Montageprozess. Er/sie gestattet die Verwendung von entweder geschweißten oder mechanischen Verbindungen bei der Herstellung des Batteriezellenstapels. Die integrierten Kühlrippen und Rahmen verbessern auch die Druckverteilung in dem Batteriezellenstapel.
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Wie in den 1–5 gezeigt, umfasst die/der integrierte Kühlrippe und Rahmen 605 einen Rahmen 610 und eine Kühlrippe 615. Es sind ein Fluideinlass 620 und ein Fluidauslass 625 für die Kühlrippe 615 vorhanden. Der Rahmen 610 deckt die Kanten der Kühlrippe, bevorzugt auf beiden Seiten, ab. Der Rahmen sollte alle Bereiche abdecken, wo die Zellenkante mit der Kühlrippe in Kontakt gelangen kann.
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Es ist ein Kühlkanal 635 benachbart zu der Kante der Kühlrippe zwischen dem Fluideinlass 620 und dem Fluidauslass 625 vorhanden. Die Kühlkanäle sollten sich so nah wie möglich an der Kante der Kühlrippe befinden. Falls gewünscht, können sie sich z. B. etwa 3 mm von der Kante befinden. Allerdings kann der Abstand von der Kante in Abhängigkeit von dem Zellenaufbau und den gewünschten thermischen Eigenschaften variieren. Indem sich der Kühlkanal so nahe wie möglich an der Kante der Kühlrippe und somit auch an der Kante der Zelle befindet, eliminiert er die Abdrücke, die die Kanäle auf der Oberfläche der Zelle zurücklassen könnten. In dieser Ausführungsform deckt der Rahmen 610 den Kühlkanal 635 ab. Es ist wünschenswert, dass der Rahmen den Kühlkanal abdeckt, falls die Geometrie dies zulässt.
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Der Kühlkanal kann sich je nach Notwendigkeit um eine, zwei, drei oder alle vier Kanten der Kühlrippe herum erstrecken. Die Position des Kühlkanals kann angepasst werden, um eine Kühlung um den Umfang vorzusehen und/oder verschiedene Anordnungen der Fluideinlass- und -auslass- und Batteriezellenkontaktlaschenpositionierung zu unterstützen. 4A zeigt z. B. Batteriezellenkontaktlaschen 660, 665 auf derselben Seite der Kühlrippe wie der Fluideinlass 620 und der Fluidauslass 625. In dieser Anordnung kann sich der Kühlkanal 635 über eine Kante der Kühlrippe hinweg erstrecken. 4B zeigt Batteriezellenkontaktlaschen 660, 665 auf der gegenüberliegenden Seite der Kühlrippe von dem Fluideinlass 620 und dem Fluidauslass 625. Der Kühlkanal 635 kann sich in diesem Fall über drei Kanten der Kühlrippe hinweg erstrecken. 4C zeigt Zellenkontaktlaschen 660, 665 auf der gegenüberliegenden Seite der Kühlrippe. Der Kühlkanal 635 kann sich in dieser Anordnung über alle vier Kanten der Kühlrippe hinweg erstrecken.
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6 zeigt eine Batteriezelle 630, die zwischen zwei integrierten Kühlrippe und Rahmen 605 positioniert ist. Es sind Dichtungen 622 zwischen dem Fluideinlass 620 benachbarter Rahmen vorhanden. In dieser Ausführungsform umfasst die Kühlrippe ein Paar thermisch leitfähige Platten 617, die durch eine Schicht aus einem komprimierbaren Schaum 640 getrennt sind. Der komprimierbare Schaum (oder der Expansionskompensator) gestattet das durch den Ladungszustand, die Erwärmung und das Abkühlen der Zelle verursachte Ausdehnen und Zusammenziehen der Batteriezellen auf jeder Seite der Kühlrippe. Das Vorhandensein der Kühlrippen auf beiden Seiten der Batteriezelle stellt eine doppelseitige Kühlung für ein besseres Wärmemanagement bereit.
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Eine Reihe von Batteriezellen 630, die durch integrierte Kühlrippen und Rahmen 605 getrennt sind, kann wie in 7 gezeigt zusammengebaut werden. Die Batteriezellen 630 können entweder durch Verschweißen der Zellenkontaktlaschen oder mithilfe einer umkehrbaren mechanischen Verbindung verbunden werden. Eine Ausführungsform einer umkehrbaren mechanischen Verbindung ist in 8 gezeigt. Der Rahmen 610 kann Löcher 645 für Zugstangen oder Bolzen umfassen. Der Rahmen 610 kann eine oder mehrere Kontaktlaschen 650 mit Löchern 645 in diesen (8A) aufweisen, oder die Löcher 645 können sich durch den Rahmen 610 selbst hindurch erstrecken (8B). Wenn sich die Löcher durch den Rahmen hindurch erstrecken, können sich die Löcher 645 durch die Kühlrippe 615 hindurch erstrecken, sofern sie nicht die Kühlkanäle 635 beeinträchtigen. Dies wäre jedoch weniger wünschenswert, als wenn sich die Löcher nur durch den Rahmen hindurch erstrecken.
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9 zeigt eine Reihe von Batterien, die durch integrierte Kühlrippen und Rahmen 605 getrennt sind. Es sind Fluidsammler/-verteiler 650 an den Fluideinlässen 620 und -auslässen (nicht gezeigt) angebracht, um das Kühlfluid durch die Kühlkanäle hindurch zu verteilen. Falls gewünscht, können die Sammler/Verteiler auf die Fluideinlässe 620 und -auslässe gelötet sein. Alternativ können die Sammler/Verteiler mithilfe einer entfernbaren Verbindung wie z. B. mit Dichtungen verbunden sein. Die Verwendung entfernbarer Verbindungen verbessert die Wartungsfähigkeit.
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Die Kühlrippen können je nach Kühlbedarf der speziellen Anwendung einzelne Platten oder mehrschichtige Strukturen sein. Die Kühlrippen können aus einem beliebigen herkömmlichen Kühlmaterial bestehen. Geeignete Materialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf leichtgewichtige Wärmeleiter wie z. B. Aluminium, Aluminiumoxid, Kupfer, Aluminium-Silizium-Carbid, Berylliumoxid und dergleichen oder Sandwichstrukturen aus leichtgewichtigen Wärmeleitern und einem komprimierbaren Schaum oder Expansionskompensator.
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Der Rahmen besteht typischerweise aus einem leichtgewichtigen, nicht leitfähigen Material. Geeignete Materialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Kunststoffe wie z. B. Polypropylen, Nylon 6-6 und andere kostengünstige Materialien. Falls gewünscht können die Rahmen zur strukturellen Festigkeit faserverstärkt sein.
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Die/der integrierte Kühlrippe und Rahmen kann durch Formen des Rahmens um die Kühlrippe herum gebildet sein. Die Kanten der Kühlrippe sind durch den Rahmen abgedeckt, der die Kanten der Kühlrippe von den Batteriezellenkontaktlaschen und -kanten isoliert. Die Kühlkanäle werden ebenfalls allgemein durch den Rahmen abgedeckt sein, wenngleich dies nicht notwendig ist. Geeignete Formverfahren umfassen Spritzgießen, Formpressen oder Transferformen und dergleichen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Es sind Spritzgießverfahren wünschenswert, die Umspritzen und Mehrfachspritzgießen umfassen. Der geformte Aufbau eliminiert die Notwendigkeit einer zusätzlichen Dichtung zwischen der Kühlrippe und dem Rahmen, da die Dichtung durch Formen gebildet wird. Alternativ kann die Kühlrippe in den Rahmen eingesetzt werden und es kann eine zusätzliche Dichtung umfasst sein, um die Kühlrippe zu dem Rahmen hin abzudichten.
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Die/der integrierte Kühlrippe und Rahmen kann in Verbindung mit den Endrahmen und integrierten Rahmen verwendet werden, die in der US-Serien-Nr. 12/853 462 mit dem Titel „Integrated Stackable Battery” (Aktenzeichen des Anwalts P009 089-BAT-CHE), eingereicht am 10. August 2010, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschrieben sind. Wie in der 12/853 462 beschrieben, kann der Rahmen eines oder mehrere der folgenden Konstruktionsmerkmale beinhalten: optimale Kontaktlaschenpositionierung und -größe, einen eingebetteten Leistungsverbinder mit Federwirkungskontaktmechanismus oder einen Schlitz für einen externen Leistungsverbinder; eingebettete thermische Überwachungseinrichtung; eingebettete/r Spannungsüberwachungseinrichtung/Zellenladedraht; eingebettete lokale Zellenkomponenten des Batteriemanagementsystems; eingebaute Heiz/Kühlrippe mit Beutelkontaktmechanismus; eingebetteter Wärmetauscher; eingebettete Flächen zum Isolieren der Kontaktlaschenkanten zum Minimieren von Austritten/Kurzschlüssen; und fehlersichere Montagemerkmale.
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Die 10–11 zeigen eine Ausführungsform eines Batteriesatzes 10. Der Batteriesatz 10 weist ein Paar Endrahmen 15, 20 und integrierte Rahmen 25 auf, die zwischen den Endrahmen 15, 20 positioniert sind. Die Endrahmen 15, 20 weisen erhöhte Kantenabschnitte 30 auf, die einen inneren Abschnitt 35 umgeben. Der innere Abschnitt 30 ist typischerweise offen, wie gezeigt (z. B. wie ein Bilderrahmen). Es könnte jedoch eine dünne Schicht vorhanden sein, die sich, falls erwünscht, über den gesamten oder einen Teil des inneren Abschnitts hinweg erstreckt. Es sind ein negativer Pol 40 in dem Endrahmen 15 und ein positiver Pol 45 in dem Endrahmen 20 vorhanden. Die Pole können ein geeigneter Typ von Pol einschließlich Gewindebuchsen oder Gewindebolzen sein, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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Die Endrahmen 15, 20 können eine Kühlrippe 50 umfassen, die sich, falls erwünscht, über den gesamten oder einen Abschnitt des inneren Abschnitts 35 hinweg erstreckt.
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Die integrierten Rahmen 25 weisen erhöhte äußere Abschnitte 55 auf, die innere Abschnitte 60 umgeben. Der innere Abschnitt 60 ist typischerweise offen, wie gezeigt (z. B. wie ein Bilderrahmen), wenngleich eine dünne Schicht vorhanden sein könnte, die sich über den gesamten oder einen Teil des inneren Abschnitts hinweg erstreckt. Die integrierten Rahmen 25 können eine Kühlrippe 65 umfassen, die sich, falls erwünscht, vollständig oder teilweise über den inneren Abschnitt 60 hinweg erstreckt, wie oben beschrieben.
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Es ist typischerweise zumindest ein integrierter Rahmen 25 zusätzlich zur den zwei Endrahmen in denn Batteriesatz 10 vorhanden und typischerweise sind viele vorhanden. In den meisten Fällen wird ein integrierter Rahmen weniger vorhanden sein als die Anzahl der in Reihe verbundenen Batteriezellen. Wenn z. B. 18 Batteriezellen in Serie verbunden sind, könnten 17 integrierte Rahmen vorhanden sein. In einigen Fällen können gleich viele integrierte Rahmen und Zellen vorhanden sein.
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Die Batteriezellen 70 sind in dem inneren Abschnitt 60 der integrierten Rahmen 25 und des Endrahmens 20 positioniert. Die Batteriezellen 70 weisen positive Kontaktlaschen 75 und negative Kontaktlaschen 80 auf. Die Batteriezellen 70 und die positiven Kontaktlaschen 75 und die negativen Kontaktlaschen 80 sind abhängig von ihrer Position in dem Satz durch die erhöhten Kantenabschnitte 55 der integrierten Rahmen 25 oder die erhöhten Kantenabschnitte 30 des Endrahmens 20 gestützt. Die erhöhten Kantenabschnitte der integrierten Rahmen und Endrahmen sind konstruiert, um die Batteriezellen und Kontaktlaschen zu stützen (oder zu versteifen). Die Konstruktion der erhöhten Abschnitte ist von den speziellen Batteriezellen abhängig, die gerade verwendet werden. Die Kühlrippen 50 und 65, falls vorhanden, könnten auch teilweise die Batteriezellen stutzen.
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Wie gezeigt, befindet sich die positive Batteriekontaktlasche 75 auf der Seite der Batteriezelle, die der negativen Kontaktlasche 80 gegenüberliegt. Dadurch, dass sich die Zellenkontaktlaschen auf gegenüberliegenden Seiten der Zellen befinden, wird eine gleichmäßigere Wärmeentwicklung erzeugt. Wenn sich die Zellenkontaktlaschen eng nebeneinander oder auf einer Seite befinden, neigen sie dazu, dass sie eine höhere Wärmekonzentration und höhere Differenzen in der Temperatur über das Volumen der Zelle aufweisen, was örtlich begrenzte heiße Stellen zur Folge haben kann.
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Diese Anordnungen von Zellenkontaktlaschen können jedoch mit einer geeigneten Kühlung verwendet werden. Überdies haben Zellenhersteller auch Zellenkontaktlaschen mit verschiedenen anderen Konfigurationen. Die spezielle Anordnung der Zellenkontaktlaschen ist nicht von Bedeutung und es können integrierte Rahmenanordnungen hergestellt werden, die mit Zellenkontaktlaschen mit einer beliebigen Konfiguration zusammenpassen.
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Die integrierten Rahmen und/oder Endrahmen können optional Spannungssensorlöcher 90 und Temperatursensorlöcher 95 umfassen. Eine wünschenswerte Anordnung weist die Spannungssensorlöcher und die Temperatursensorlöcher auf gegenüberliegenden Seiten des integrierten Rahmens auf, wenngleich dies nicht notwendig ist. Außerdem könnten einige Rahmen nur Spannungssensorlöcher aufweisen, andere könnten nur Temperatursensorlöcher aufweisen und einige Rahmen könnten überhaupt keine aufweisen; allerdings würde die Nutzung dieser Optionen die Anzahl der benötigten Teile erhöhen. Falls gewünscht, können die Spannungssensoren und die Temperatursensoren mit einem Batteriemanagementsystem (nachfolgend beschrieben) verbunden sein. Falls gewünscht, können auch andere Typen von Sensoren verwendet werden. Die Sensorlöcher können konstruiert sein, um einen bestimmten Sensortyp unterzubringen, oder ein Sensorloch könnte konstruiert sein, um verschiedenartige Sensoren unterzubringen.
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Die positiven und die negativen Kontaktlaschen benachbarter Batteriezellen sind über Leistungsverbinder 97 elektrisch verbunden. Die Leistungsverbinder sind aus leitfähigen Materialien hergestellt. Die Leistungsverbinder können intern oder extern sein.
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Die 10–12 zeigen eine Ausführungsform eines internen Leistungsverbinders 97, der in dem integrierten Rahmen eingebettet ist. Der interne Leistungsverbinder 97 ist allgemein U-förmig und erstreckt sich durch den integrierten Rahmen hindurch, wobei jeder Schenkel des U eine Kontaktfläche auf gegenüberliegenden Seiten des integrierten Rahmens bildet. Falls gewünscht, kann der interne Leistungsverbinder federbelastet sein, um beim Schaffen eines guten Kontakts mit der Zellenkontaktlasche zu unterstützen. Es wird z. B. durch Bolzen, welche sich durch den Stapel von Rahmen hindurch erstrecken, Druck auf die Leistungsverbinder angewendet, um den erforderlichen Kontakt zwischen den Zellenkontaktlaschen und den Leistungsverbindern bereitzustellen, um eine Verbindung mit kleinem Widerstand zu schaffen.
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Eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Leistungsverbinder und den Kontaktlaschen steht mit der Größe der Kontaktoberfläche zwischen diesen in Beziehung. Eine große Oberfläche kann Schwierigkeiten haben, einen vollständigen Kontakt mit der Zellenkontaktlasche herzustellen, wenn die zwei Flächen nicht parallel sind. Ein hoher Punkt an einem Ende kann z. B. nicht zulassen, dass sich das gegenüberliegende Ende weit genug bewegt, um einen festen Kontakt herzustellen. Die Fläche des Leistungsverbinders kann segmentiert sein, indem Schlitze oder Schnitte hinzugefügt sind, die mehrere kleine Flächen bereitstellen, von denen jede eine vergrößerte unabhängige Bewegung aufweist. Demzufolge wird ein hoher Punkt an einem Ende das nächste Segment nicht daran hindern, einen guten Kontakt herzustellen.
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Außerdem kann die Oberflächenrauigkeit des Verbinders durch chemische oder mechanische Schleifmittel oder durch Abscheiden einer Beschichtung auf der Oberfläche verändert werden.
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Eine Ausführungsform eines externen Leistungsverbinders ist eine federbelastete leitfähige Klammer 100, die in 13 gezeigt ist. Die Federkraft der Klammern liegt typischerweise im Bereich von etwa 500 bis etwa 1500 N. Die Klammer kann aus einem leitfähigen Material einschließlich Metalle, jedoch nicht beschränkt, hergestellt sein. Ein Beispiel eines geeigneten Materials für eine Klammer ist Federstahl, beschichtet oder umhüllt (oder ein anderes Verfahren) mit Kupfer und Nickel.
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Es kann eine Reihe von Klammern 100 an einem nicht leitfähigen, flexiblen Band oder Bandelier 105, wie in 14 gezeigt, angebracht sein. Die Klammern sind auf dem Bandelier derart beabstandet, dass sie in die geformten Schlitze auf abwechselnden Rahmen eingesetzt werden können, die den Stapel einer prismenförmigen Batteriezelle umschließen. In einer Ausführungsform, bei der sich die positiven und die negativen Kontaktlaschen auf gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle befinden, würde sich ein Bandelier auf jeder Seite des Batteriesatzes befinden, um die erforderlichen Verbindungen zu bilden. Dies gestattet eine Maßabweichung in dem Stapel. Der Rahmen und die Klammern können konstruiert sein, um den Montage- und Zerlegungsprozess zu erleichtern, den Verschleiß auf der Zellenkontaktlaschenoberfläche zu minimieren, und nach der Montage eine elektrische Leitung mit geringem Widerstand aufrechtzuerhalten.
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Das Bandelier kann aus einem nicht leitfähigen, flexiblen Material wie z. B. Kunststoff hergestellt sein. Beispiele für geeignete Kunststoffe umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polypropylen oder Nylon. Es könnte ein geformtes Teil mit einem Streifen aus Kunststoff zwischen der Halterung sein, um eine gewisse Bewegung entlang seiner Länge zuzulassen. Anstelle der Verwendung von Spannungssensorlöcher zum Überwachen der Spannung können die Bandeliere elektrische Überwachungsdrähte an jeder Klammer vorsehen, die in dem Bandelier zur Verbindung mit einem herkömmlichen Batteriemanagementsystem gebündelt sind.
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Falls erwünscht, kann das Batteriemanagementsystem eine oder mehrere Bedingungen innerhalb des Batteriesatzes, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf die Spannung, den Strom und die Temperatur an ausgewählten Punkten in dem Batteriesatz überwachen. Die resultierenden Ablesungen können für vielerlei Zwecke wie zur Diagnose oder das Fahren des Fahrzeuges in einem anderen Modus verwendet werden. Während eines Ladezyklus kann das Batteriemanagementsystem eine Überladung einzelner Zellen verhindern, indem es Energie je nach Konstruktion des Batteriemanagementsystems mithilfe einfacher Widerstände oder möglicherweise zu benachbarten Zellen überträgt, die in der Lage sind die Energie zu absorbieren.
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Wenn externe Leistungsverbinder verwendet werden, bleibt der Batteriestapel ein Niederspannungssystem (z. B. 3 V) bis die Bandeliere vollständig eingesetzt sind, und kehrt in dem Augenblick, in dem ein Bandelier teilweise abgekuppelt wird, zu einem Niederspannungssystem zurück. Dies sorgt für eine Möglichkeit einer deutlichen Verbesserung der elektrischen Sicherheit bei der Herstellung, Wartung bei den Händlern und beim Überholen. Die Herstellungskosten können auf Grund der deutlichen Reduktion der Hochspannungsbereiche der Anlage verringert werden, indem das Bandelier an der Endmontage unmittelbar vor dem Schließen des Deckels installiert wird. Darüber hinaus kann die Zellenaufladung bequem und wirtschaftlicher an einzelnen Zellen nach der Montage, aber vor dem Installieren des Bandeliers, durchgeführt werden.
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Die Fähigkeit, die Hochspannung durch Ziehen des Bandeliers unmittelbar nach dem Entfernen des Batteriedeckels abzukuppeln, ermöglicht mehr Reparaturoptionen einschließlich des Austausches einzelner Zellen, was die Bedeutung der Rolle der Händler beim Reparaturprozess bedeutender machen kann.
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Durch die elastischen Eigenschaften der Klammer wird direkt Druck angewendet, um den elektrischen Kontakt mit geringem Widerstand aufrechtzuerhalten. Dies verringert oder reduziert das Angewiesensein auf Druck, der durch den Rahmenstapel (z. B. durch Verwendung einer oder mehrerer Bolzen durch die integrierten Rahmen und Endrahmen hindurch) angewendet wird, welcher einer Maßabweichung in dem Stapel unterworfen sein kann.
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In einer Ausführungsform können die integrierten Rahmen und Klammern eine Abschrägung 102 bzw. Kerbenmerkmale umfassen, um die Klammer offen zu halten und mechanisch zu verhindern, dass die Klammer während des Einsetzvorganges über die Zellenkontaktlaschen hinweg gleitet. Eine Abschrägung 102 in dem Schlitz zwingt die Zacken der Klammer dazu, sich zu öffnen, bis die Kerbe die Abschrägung freigibt, wobei zu diesem Zeitpunkt die Klammer vertikal auf die Zellenkontaktlaschenflächen schnappt. Dies hat keine oder eine minimale Verschiebung der Klammer auf der Zellenkontaktlaschenfläche während des Einsetzens zur Folge.
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Bei der Montage oder Zerlegung kann ein Einsetzwerkzeug verwendet werden. Das Werkzeug wird vorübergehend an dem Bandelier angebracht und zwingt die Klammern dazu, sich weiter zu öffnen als erforderlich ist, um ohne Berührung über die Abschrägung zu gelangen. Das Werkzeug eliminiert die Notwendigkeit, eine übermäßige Kraft anzuwenden oder den Batterierahmen während der Montage anzubohren. Das Werkzeug kann auch verwendet werden, um das Bandelier durch Öffnen der Klammern weit genug, um den Sperrmechanismus in dem Abschrägung/Kerbenmerkmal freizugeben, auszukuppeln. Die Stifte auf dem Werkzeug öffnen und schließen die Klammeröffnung in der Richtung vertikal zu dem Kontaktlaschenkontakt, sodass kein Verschleiß auf der Elektrodenoberfläche auftritt.
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15 zeigt einen Abschnitt einer Ausführungsform des Batteriesatzes 10, der Kühlkanäle 115 in den Endrahmen 15, 20 und integrierte Rahmen 25 umfasst. Die Kühlkanäle sind offene Räume für einen Strömungspfad, um zuzulassen, dass das Kühlmittel über die exponierte Kühlrippe gelangt.
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Die 16-17 zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der Batteriezellen parallel verbunden sind. Der Batteriesatz 210 weist ein Paar Endrahmen 215, 220 und integrierte Rahmen 225 auf, die zwischen den Endrahmen 215, 220 positioniert sind. Die Endrahmen 215, 220 weisen erhöhte Kantenabschnitte 230 auf, die einen inneren Abschnitt 235 umgeben. Es sind ein negativer Pol 240 in dem Endrahmen 215 und ein positiver Pol 245 in dem Endrahmen 220 vorhanden. Falls erwünscht, können die Endrahmen 215, 220 eine Kühlrippe 250 umfassen, die sich über den inneren Abschnitt 235 hinweg erstreckt.
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Die integrierten Rahmen 225 weisen erhöhte äußere Abschnitte 255 auf, welche die inneren Abschnitte 260 umgeben. Falls erwünscht, können die integrierten Rahmen 225 eine Kühlrippe 265 umfassen, die sich über den inneren Abschnitt 260 hinweg erstreckt.
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In dem inneren Abschnitt 260 der integrierten Rahmen 225 und des Endrahmens 220 sind Paare von Batteriezellen 270 positioniert. Die Paare von Batteriezellen 270 weisen positive Kontaktlaschen 275 und negative Kontaktlaschen 280 auf. Falls erwünscht, können die Paare von Batteriezellen 270 durch lose Kühlrippen 253 getrennt sein.
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Die Batteriezellen 270 und die positiven Kontaktlaschen 275 und die negativen Kontaktlaschen 280 können durch die erhöhten Kantenabschnitte 255 der integrierten Rahmen 225 oder die erhöhten Kantenabschnitte 230 des Endrahmens 220 gestützt sein. Die Batteriezellen 270 könnten auch durch die Kühlrippen 250 und 265 gestützt sein.
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Die erhöhten Abschnitte der Endrahmen und der integrierten Rahmen unterscheiden sich in dieser Ausführungsform von denen in der Einzelbatterieausführungsform. Die Rahmen werden breiter sein, um beide Zellen und die losen Kühlrippen, falls vorhanden, unterzubringen.
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Die integrierten Rahmen und/oder die Endrahmen können optional Spannungssensorlöcher 290 und/oder Temperatursensorlöcher 295 umfassen.
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Die positiven Kontaktlaschen 275 und die negativen Kontaktlaschen 280 von benachbarten Batteriezellen sind z. B. durch Leistungsverbinder wie oben beschrieben elektrisch verbunden. Der Leistungsverbinder kann ein interner Leistungsverbinder oder ein externer Leistungsverbinder wie z. B. eine federbelastete Metallklammer 300 sein.
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Falls erwünscht, können die integrierten Rahmen Fehlerschutzmerkmale umfassen. Fehlerschutzmerkmale sind hilfreich, um Fehler zu vermeiden, indem sie zulassen, dass die Montage nur in der richtigen Weise stattfinden kann. Fehlerschutzmerkmale sind auf dem technischen Gebiet gut bekannt.
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Die 18A–D zeigen ein Beispiel von integrierten Rahmen mit Fehlerschutzmerkmalen. Es gibt einen rechten und einen linken integrierten Rahmen 425A und 425B. Die integrierten Rahmen weisen erhöhte Kantenabschnitte 455 und innere Abschnitte 460 auf. Es sind Kühlkanäle 515 vorhanden. Es sind Verblockungslöcher 520A und 520B und -stifte 525A und 525B vorhanden. Die Verblockungsstifte und -löcher verblocken die integrierten Rahmen. Die Verblockungslöcher 520 und -stifte 525 können auf dem rechten und dem linken Rahmen versetzt sein. Der rechte Rahmen könnte zwei Sätze von Löchern und zwei Sätze von Stiften, die von den Löchern versetzt sind, aufweisen, während der linke Rahmen zwei Sätze von Stiften, die den Löchern in dem rechten Rahmen entsprechen, und zwei Sätze von Löchern, die den Stiften in dem rechten Rahmen entsprechen, aufweist. Die Löcher 520A auf dem rechten Rahmen 425A passen mit den Stiften 525B auf dem linken Rahmen zusammen und die Stifte 525A auf dem rechten Rahmen 425A passen mit den Löchern 520B zusammen. Der rechte Rahmen 425A und der linke Rahmen 425B können problemlos gestapelt und getrennt werden, wie in den 18C–D gezeigt.
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Rechte und linke Rahmen 425A und 425B würden sich abwechseln, um den Batteriesatz zu bilden. Diese Anordnung macht die Montage des Batteriesatzes fehlersicher, da die Versetzung der Stifte und Löcher abwechselnde rechte und linke Rahmen erfordert.
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Es könnte ein Einzelrahmen verwendet werden, wie in den 19A–C und 20A–C gezeigt. In der Ausführungsform, die in den 19A–C gezeigt ist, weist der Rahmen 425 erhöhte Kantenabschnitte 455 und einen inneren Abschnitt 460 auf. Es sind Kühlkanäle 515 vorhanden. Es sind symmetrische Verblockungslöcher 520 und -stifte 525 vorhanden. In dieser Anordnung befinden sich die Stifte immer auf einer Seite und die Löcher befinden sich immer auf der anderen, was das Stapeln und Abstapeln etwas schwieriger macht. Wenn der Batteriesatz hergestellt wird, werden die Rahmen umgedreht, wie in 19C gezeigt, was für eine fehlersichere Herstellung sorgt.
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In den 20A–C ist eine weitere Einzelrahmenausführungsform gezeigt. In dieser Ausführungsform ist eine diagonal symmetrische Konstruktion von Stiften 525 und Löchern 520 vorhanden. Die Rahmen können problemlos gestapelt und abgestapelt werden, da sie Stift an Stift liegen, wie in 20B gezeigt. Jeder weitere Rahmen ist um 180° gedreht, was für eine fehlersichere Herstellung sorgt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und Einzelkomponenten unabhängig davon zu repräsentieren, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert sind. Eine „Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, in dem eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist, etc. umfassen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „im Wesentlichen” hierin verwendet wird, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen”, wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
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Nach der Beschreibung der Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
