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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Batteriesatz und insbesondere eine Batteriesatzbaugruppe zum Aufnehmen von Batteriezellen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Batteriezelle wurde als saubere, effiziente und umweltverantwortliche Energiequelle für eine elektrische Vorrichtung, wie etwa zum Beispiel ein Elektrofahrzeug, vorgeschlagen. Typischerweise werden mehrere einzelne Batteriezellen vorgesehen, um einen Betrag elektrischer Energie zu liefern, der zum Betreiben der elektrischen Vorrichtung ausreicht. Die mehreren einzelnen Batteriezellen müssen körperlich gelagert und geschützt werden sowie miteinander und mit der elektrischen Vorrichtung in elektrischer Verbindung stehen. Ferner ist es häufig erwünscht, ein Kühlen der Batteriezellen während eines Ladens und Entladens derselben und ein Entgasen der Batteriezellen vorzusehen.
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Typischerweise wird eine Batteriesatzbaugruppe vorgesehen, um die mehreren Batteriezellen zu lagern und zu schützen und das Setzen einzelner Batteriezellen in elektrische Verbindung miteinander und mit der zugeordneten elektrischen Vorrichtung zu erleichtern. Ferner sieht die Batteriesatzbaugruppe häufig ein Kühlsystem, um einem unerwünschten Überhitzen der Batteriezellen entgegenzuwirken, und ein Entgasungssystem vor. Zum Vorsehen von solchem erwünschten elektrischen Verbinden, Kühlen und Entgasen werden die Komplexität und Kosten der Batteriesatzbaugruppe zur Verwendung in einem Hybridkraftfahrzeug unerwünschterweise erhöht.
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Ferner ist es wünschenswert, benachbarte einzelne Batteriezellen mit einer Verbindung niedrigen elektrischen Widerstands in der Größenordnung von 30 Mikroohm mechanisch und elektrisch miteinander zu verbinden. Es ist auch wünschenswert, eine Spannungserfassungsleitung von jedem Anschluss der einzelnen Batterie vorzusehen, so dass elektrische Hardware die elektrische Spannung jeder Zelle messen und anpassen kann (mittels Zellenausgleich). Ferner ist es wünschenswert, dass jede Batteriezelle in dem Batteriesatz mit einer isolierten Kammer oder einem isolierten Raum versehen wird, der Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe, die die Zelle ausstoßen könnte, auffangen und zu einem vorbestimmten Entgasungsbereich ablassen kann. Desweiteren ist es wünschenswert, Kühlmittelströmungspfade oder -kanäle in der Batteriesatzbaugruppe vorzusehen, durch die gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel strömen kann, um die Batteriezellen zu kühlen, wobei die Kühlmittelströmungspfade von der isolierten Kammer, dem isolierten Raum oder dem vorbestimmten Entgasungsbereich isoliert sind. Letztlich ist es wünschenswert, alle die vorstehend erwähnten Merkmale in einer Batteriesatzbaugruppe vorzusehen, die bei niedrigen Kosten einfach herzustellen ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang und in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise eine Wiederholungsrahmen-Batteriesatzbaugruppe zum Aufnehmen von mehreren Batteriezellen entdeckt, die zwischen benachbarten Batteriezellen und zwischen der Batteriesatzbaugruppe und einer zugeordneten elektrischen Vorrichtung elektrische Anschlüsse und Kühlung sowie Entgasen der mehreren Batteriezellen vorsieht, wobei die Mühelosigkeit der Herstellung der Batteriesatzbaugruppe maximiert wird und Kosten derselben minimiert werden.
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Eine Wiederholungsrahmenbaugruppe für einen Batteriesatz, der mehrere Batteriezellen aufweist, umfasst ein erstes Kühlrahmenelement mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche und einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei mindestens eine von erster Oberfläche und zweiter Oberfläche ausgelegt ist, um Wärme auf ein Kühlfluid zu übertragen. Ein erster elektrisch leitender Verbindungsanschluss benachbart zu dem ersten Ende des ersten Kühlrahmenelements weist einen oberen Schenkel auf, der mit einem unteren Schenkel elektrisch verbunden ist, wobei der obere Schenkel mindestens einen Abschnitt der ersten Oberfläche des ersten Kühlrahmenelements bildet und der untere Schenkel mindestens einen Abschnitt der zweiten Oberfläche des ersten Kühlrahmenelements bildet. Eine erste Batteriezelle liegt an mindestens einem Abschnitt der ersten Oberfläche an und weist eine erste elektrisch leitenden Lasche in zugewandtem Kontakt mit dem oberen Schenkel des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses und eine zweite elektrisch leitende Lasche benachbart zu dem zweiten Ende des ersten Kühlrahmenelements auf. Die erste elektrisch leitende Lasche der ersten Batteriezelle ist mit dem oberen Schenkel des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses durch eines von Widerstandschweißen, Laserschweißen, chemisches Schweißen, Ultraschallschweißen, Hartlöten und Löten verbunden.
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In einer Ausführungsform umfasst die Wiederholungsrahmenbaugruppe weiterhin ein zweites Kühlrahmenelement, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche sowie ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei mindestens eine von erster Oberfläche und zweiter Oberfläche ausgelegt ist, um Wärme auf ein Kühlfluid zu übertragen, wobei die zweite Oberfläche mindestens an einem Abschnitt der ersten Batteriezelle anliegt und das erste Ende des zweiten Kühlrahmenelements benachbart zu dem zweiten Ende des ersten Kühlrahmenelements ausgerichtet ist. Ein zweiter elektrisch leitender Verbindungsanschluss benachbart zu dem ersten Ende des zweiten Kühlrahmenelements weist einen oberen Schenkel auf, der mit einem unteren Schenkel elektrisch verbunden ist, wobei der obere Schenkel des zweiten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses mindestens einen Abschnitt der ersten Oberfläche des zweiten Kühlrahmenelements bildet und der untere Schenkel des zweiten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses mindestens einen Abschnitt der zweiten Oberfläche des zweiten Kühlrahmenelements bildet. Eine zweite Batteriezelle liegt an mindestens einem Abschnitt der ersten Oberfläche des zweiten Kühlrahmenelements an und weist eine erste elektrisch leitende Lasche in zugewandtem Kontakt mit dem oberen Schenkel des zweiten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses und eine zweite elektrisch leitenden Lasche benachbart zum zweiten Ende des zweiten Kühlrahmenelements auf. Die erste elektrisch leitende Lasche der zweiten Batteriezelle ist mit dem oberen Schenkel des zweiten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses durch eines von Widerstandschweißen, Laserschweißen, chemisches Schweißen, Ultraschallschweißen, Hartlöten und Löten verbunden. Die zweite elektrisch leitende Lasche der ersten Batteriezelle ist durch eine Pressverbindung mit dem unteren Schenkel des zweiten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses elektrisch verbunden.
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In einer anderen Ausführungsform ist das zweite Kühlrahmenelement durch ein erstes Abstandshalterrahmenelement ersetzt, um für jeweils zwei Batteriezellen ein Kühlelement vorzusehen.
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In einer anderen Ausführungsform sind die zweite elektrisch leitende Lasche der ersten Batteriezelle und eine untere Oberfläche des unteren Schenkels des zweiten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses aus Materialien ausgebildet und mit diesen beschichtet, die einen elektrischen Kontakt niedrigen Widerstands vorsehen, wenn dazwischen eine Pressverbindung gebildet wird.
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In einer anderen Ausführungsform ist ein zweites Abstandshalterrahmenelement hinzugefügt, um für jeweils drei Batteriezellen ein Kühlelement vorzusehen.
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In einer anderen Ausführungsform umfassen die Verbindungsanschlüsse weiterhin eine Spannungserfassungsleitung in elektrischer Verbindung damit.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann ohne Weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Hinblick auf die hierin beschriebenen Zeichnungen, hervor.
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1 ist eine Seitenansicht einer Wiederholungsrahmenbaugruppe mit einem Kühlrahmenelement für zwei Batteriezellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist eine Seitenansicht einer Wiederholungsrahmenbaugruppe mit einem Kühlrahmenelement für jede Batteriezelle gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
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3 ist eine Seitenansicht einer Wiederholungsrahmenbaugruppe mit einem Kühlrahmenelement für drei Batteriezellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, welche weiterhin Spannungserfassungsleitungen umfasst, die mit den Verbindungsanschlüssen elektrisch verbunden sind.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende eingehende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken.
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In 1 ist eine Wiederholungsrahmenbaugruppe 10 zum Ermöglichen von elektrischer Verbindung von mehreren Batteriezellen miteinander gezeigt. In 1 ist auch eine zweite Wiederholungsrahmenbaugruppe 10' gezeigt, um die Kombination der Wiederholungsrahmenbaugruppen 10, 10' zum Bilden eines Abschnitts eines Batteriesatzes zu veranschaulichen. Unter Bezug auf die Wiederholungsrahmenbaugruppe 10' umfasst eine aus der Beschreibung der Wiederholungsrahmenbaugruppe 10 wiederholte Struktur das gleiche Bezugszeichen und ein Einstreichungssymbol (').
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Die Wiederholungsrahmenbaugruppe 10 ist aus einem Kühlrahmenelement 12, einer ersten Batteriezelle 14, einem Abstandshalterrahmenelement 16 und einer zweiten Batteriezelle 18 gebildet. Es versteht sich, dass das Kühlrahmenelement 12 und das Abstandshalterrahmenelement 16 nach Bedarf eine beliebige Querschnittform aufweisen können, um einer Form einer Batteriezelle und einer Passung mit einer zugeordneten elektrischen Vorrichtung zu entsprechen. Ferner versteht sich, dass ein Außenumfang 20 des Kühlrahmenelements 12 im Wesentlichen mit einem Außenumfang 22 des Abstandshalterrahmenelements 16 fluchtet, um dazwischen eine saubere Montage vorzusehen. Das Kühlrahmenelement 12 und das Abstandshalterrahmenelement 16 können durch bekannte Verfahren aus einem elektrisch nicht leitenden Material als einstückige Elemente gebildet sein. Als nicht einschränkendes Beispiel können das Kühlrahmenelement 12 und das Abstandshalterrahmenelement 16 durch Spritzgießen eines Materials wie etwa Nylon, Polypropylen, Metall oder eines anderen Materials mit geeigneten physikalischen und chemischen Eigenschaften gebildet werden. Als weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann das Kühlrahmenelement 12 von der Art sein, wie sie in der U. S.-Patentanmeldung Ser. Nr. 12/789,888 der gleichen Anmelderin, mit dem Titel ”Corrugated Fin And Frame Assembly For Battery Cooling” beschrieben wird, die hierin durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist. Das Kühlrahmenelement 12 kann eine Kühlplatte 100 umfassen, die in zugewandtem Kontakt mit der ersten Batteriezelle 14 angeordnet ist, um dieser Kühlung und Halt zu bieten. Die Kühlplatte 100 kann weiterhin einen Innenkanal 102 umfassen, um ein Strömen eines (nicht gezeigten) Kühlmittels durch diesen zu ermöglichen, um eine aktive Kühlung der ersten Batteriezelle 14 vorzusehen.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die erste Batteriezelle 14 und die zweite Batteriezelle 18 prismatische Lithium-Ionen-Batteriezellen. Es versteht sich aber, dass jede Art von Batteriezelle, die eine andere Struktur und Elektrochemie nutzt, gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann. Die erste Batteriezelle 14 umfasst eine erste elektrisch leitende Lasche 24 und eine zweite elektrisch leitende Lasche 26, die sich von einem Umfang 28 der Batteriezelle 14 nach außen erstrecken. Die zweite Batteriezelle 18 umfasst eine erste elektrisch leitende Lasche 30 und eine zweite elektrisch leitende Lasche 32, die sich von einem Umfang 34 der zweiten Batteriezelle 18 nach außen erstrecken. Es versteht sich, dass sich die erste und zweite elektrisch leitende Lasche 24, 26 der ersten Batteriezelle 14 von der ersten Batteriezelle 14 an einer beliebigen erwünschten Stelle entlang des Umfangs 28 der ersten Batteriezelle 24 nach außen erstrecken können und aus einem beliebigen elektrisch leitenden Material und in einer beliebigen erwünschten Form gebildet werden können, um das Herstellen von elektrischer Verbindung mit der benachbarten Batteriezelle 18 (und mit dem Kühlrahmenelement 12) und dem Abstandshalterrahmenelement 16 zu erleichtern. Es versteht sich analog, dass sich die erste und zweite elektrisch leitende Lasche 30, 32 der zweiten Batteriezelle 18 von der zweiten Batteriezelle 18 an einer beliebigen erwünschten Stelle entlang des Umfangs 34 der zweiten Batteriezelle 18 nach außen erstrecken können und aus einem beliebigen elektrisch leitenden Material und in einer beliebigen erwünschten Form gebildet werden können, um das Herstellen von elektrischer Verbindung mit der benachbarten Batteriezelle 14' und dem Abstandshalterrahmenelement 16 (und dem Kühlrahmenelement 12') zu erleichtern. Es versteht sich, dass die erste elektrisch leitende Lasche und die zweite elektrisch leitende Lasche jeder Batteriezelle nach Bedarf weiterhin aus den gleichen oder ähnlichen leitenden Materialien gebildet sein können.
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Wenn mehrere Batteriezellen in einer in Reihe geschalteten Konfiguration angeordnet sind, soll eine zweite elektrisch leitende Lasche einer ersten Batteriezelle mit einer ersten elektrisch leitenden Lasche einer zweiten Batteriezelle elektrisch verbunden sein. Um die erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen benachbarten Batteriezellen 14, 18 in der Wiederholungsrahmenbaugruppe 10 vorzusehen, umfasst das Kühlrahmenelement 12 einen ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschluss 36. Der erste elektrisch leitende Verbindungsanschluss 36 ist in den Figuren mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt dargestellt, der einen oberen Schenkel 38, einen unteren Schenkel 40 und einen Basisschenkel 42 aufweist, der den oberen Schenkel 38 und den unteren Schenkel 40 elektrisch miteinander verbindet. Vorteilhafte Ergebnisse werden erzielt, wenn der erste elektrisch leitende Verbindungsanschluss 36 an einer vorbestimmten Stelle, an der der obere Schenkel 38 einen Abschnitt einer oberen Fläche 60 des Kühlrahmenelements 12 bildet und an der der untere Schenkel 40 einen Abschnitt einer unteren Fläche 62 des Kühlrahmenelements 12 bildet, in das Kühlrahmenelement 12 geformt ist. Ferner ist der erste elektrisch leitende Verbindungsanschluss 36 so positioniert, dass er ein Platzieren der ersten elektrisch leitenden Lasche 24 der ersten Batteriezelle 14 benachbart zu und in zugewandtem Kontakt mit einer Außenfläche 44 des oberen Schenkels 38 des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 36 ermöglicht. Die erste Batteriezelle 14 kann mit dem oberen Schenkel 38 des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 36 durch eines von Widerstandsschweißen, Laserschweißen, chemisches Schweißen, Ultraschallschweißen, Hartlöten und Löten zum ortsfesten Sichern der ersten Batteriezelle 14 relativ zu dem Kühlrahmenelement 12 vor und während der Montage des Kühlrahmenelements 12 an ein benachbartes Abstandshalterrahmenelement 16 und zum Vorsehen einer Verbindung niedrigen elektrischen Widerstands in der Größenordnung von 30 Mikroohm elektrisch und mechanisch verbunden werden.
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Das Abstandshalterrahmenelement 16 umfasst einen zweiten elektrisch leitenden Verbindungsanschluss 46, der in den Figuren mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt dargestellt ist, der einen oberen Schenkel 48, einen unteren Schenkel 50 und einen Basisschenkel 52 aufweist, der den oberen Schenkel 48 und den unteren Schenkel 50 elektrisch miteinander verbindet. Vorteilhafte Ergebnisse werden erzielt, wenn der zweite Verbindungsanschluss 46 an einer vorbestimmten Stelle, an der der obere Schenkel 48 einen Abschnitt einer oberen Fläche 64 des Abstandshalterrahmenelements 16 bildet und an der der untere Schenkel 50 einen Abschnitt einer unteren Fläche 66 des Abstandshalterrahmenelements 16 bildet, in das Abstandshalterrahmenelement 16 geformt ist. Der zweite Verbindungsanschluss 46 wird so positioniert, dass er ein Platzieren der ersten elektrisch leitenden Lasche 30 der zweiten Batteriezelle 18 benachbart zu und in zugewandtem Kontakt mit einer Außenfläche 54 des oberen Schenkels 48 des zweiten Verbindungsanschlusses 46 ermöglicht. Der zweite Verbindungsanschluss 46 ist weiterhin so positioniert, dass er ein Platzieren der zweiten elektrisch leitenden Lasche 26 der ersten Batteriezelle 14 benachbart zu und in zugewandtem Kontakt mit einer Außenfläche 56 des unteren Schenkels 50 des zweiten Verbindungsanschlusses 46 ermöglicht, wodurch die erste Batteriezelle 14 mit der zweiten Batteriezelle 18 miteinander elektrisch verbunden wird. Die zweite Batteriezelle 18 kann mit dem oberen Schenkel 48 des zweiten Verbindungsanschlusses 46 durch eines von Widerstandsschweißen, Laserschweißen, chemisches Schweißen, Ultraschallschweißen, Hartlöten und Löten zum ortsfesten Sichern der zweiten Batteriezelle 18 relativ zu dem Abstandshalterrahmenelement 16 vor und während der Montage des Abstandshalterrahmenelements 16 an ein benachbartes Kühlrahmenelement 12' elektrisch und mechanisch verbunden werden. Das Kühlrahmenelement 12, das die erste Batteriezelle 14 umfasst, wird an das Abstandshalterrahmenelement 16, das die zweite Batteriezelle 18 umfasst, montiert, um die zweite Batteriezelle 18 auf mindestens einen Abschnitt der ersten Batteriezelle 14 zu stapeln, um die Wiederholungsrahmenbaugruppe 10 zu bilden. Die erste Batteriezelle wird von der Kühlplatte 100 gelagert und gekühlt. Sobald sie in Kontakt mit der ersten Batteriezelle 14 gepresst wird (nicht gezeigt), wird die zweite Batteriezelle 18 ebenfalls von der Kühlplatte 100 gelagert, und ein Teil der in der zweiten Batteriezelle 18 erzeugten Wärme kann durch die erste Batteriezelle 14 zu der Kühlplatte 100 geleitet werden. Somit werden zwei Batteriezellen, zum Beispiel Batteriezellen 14, 18, für jede Kühlplatte, zum Beispiel Kühlplatte 100, in der in 1 gezeigten Ausführungsform, vorgesehen. Da ferner der erste elektrisch leitenden Verbindungsanschluss 36 direkt in das Kühlrahmenelement 12 geformt ist und da der zweite elektrisch leitende Verbindungsanschluss 46 direkt in das Abstandshalterrahmenelement 16 geformt ist, wird eine Leichtigkeit des Stapelns eines Abstandshalterrahmenelements 16 auf ein Kühlrahmenelement 12 maximiert, währen deine elektrische Verbindung niedrigen Widerstands zwischen benachbarten Batteriezellen vorgesehen wird. Die Querschnittform jedes Kühlrahmenelements 12 und jedes Abstandshalterahmenelements 16 kann so gewählt werden, dass eine Grenzfläche 104 zwischen benachbarten Rahmenelementen im Wesentlichen eben sein kann, was den Einbau einer Umfangsdichtung 106 in der Grenzfläche 104 ermöglicht, um ein Abdichten der Batteriezellen in einem umschlossenen Raum zu ermöglichen.
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Ein oder mehrere Kühlrahmenelemente 12' können mit einer gleichen Anzahl an Abstandshalterrahmenelementen 16' kombiniert werden, um ein oder mehrere Wiederholungsrahmenbaugruppen 10' zu bilden, die nacheinander gestapelt und mit der Wiederholungsrahmenbaugruppe 10 zusammengebaut werden können, um einen Batteriesatz zu bilden. Wenn wie in 1 gezeigt eine Wiederholungsrahmenbaugruppe 10' auf die Wiederholungsbaugruppe 10 gestapelt wird, wird der erste elektrisch leitende Verbindungsanschluss 36' des Kühlrahmenelements 12' so positioniert, dass er ein Platzieren der zweiten elektrisch leitenden Lasche 26 der ersten Batteriezelle 14 benachbart zu und in zugewandtem Kontakt mit einer Außenfläche 56 des unteren Schenkels 50 des zweiten Verbindungsanschlusses 46 ermöglicht, wodurch die erste Batteriezelle 14 mit der zweiten Batteriezelle 18 elektrisch verbunden wird. Das Abwechseln der Kühlrahmenelemente 12, 12' und der Abstandshalterrahmenelemente 16, 16' ermöglicht eine einfache Reihenverbindung von mehreren Batteriezellen 14, 18, 14', 18', während den Batteriezellen 14, 18, 14', 18' ein erwünschter Betrag an Halt und Kühlung geboten wird.
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In einer Ausführungsform sind die erste elektrisch leitende Lasche 24 der ersten Batteriezelle 14 und die erste elektrisch leitende Lasche 30 der zweiten Batteriezelle 18 aus einem Aluminiummaterial oder einem mit Aluminium kaschierten Material gebildet. Wie gezeigt, erstrecken sich die ersten elektrisch leitenden Laschen 24, 30 im Wesentlichen parallel zu einer Ebene, die durch eine Innenfläche 70 einer Basisplatte 72 festgelegt ist, die ein Ende der Batteriesatzbaugruppe von 1 bildet, oder sind im Wesentlichen parallel dazu gebogen. Analog sind die zweite elektrisch leitende Lasche 26 der ersten Batteriezelle 14 und die zweite elektrisch leitende Lasche 32 der zweiten Batteriezelle 18 aus einem Kupfermaterial, einem mit Kupfer kaschierten Material, einem beschichteten Kupfermaterial oder einer Kupferlegierung gebildet und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu einer Ebene, die durch die Innenfläche 70 der Basisplatte 72 gebildet ist, oder sind im Wesentlichen parallel dazu gebogen. Die ersten elektrisch leitenden Laschen 24, 30 der jeweiligen ersten Batteriezelle 14 und zweiten Batteriezelle 18 sind mit den jeweiligen oberen Schenkeln 38, 48 des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 36 und des zweiten Verbindungsanschlusses 46 durch eines von Widerstandsschweißen, Laserschweißen, chemisches Schweißen, Ultraschallschweißen, Hartlöten und Löten elektrisch und mechanisch verbunden. Die mechanische und elektrische Verbindung hält vor und während der Montage des Abstandshalterrahmenelements 16 an das Kühlrahmenelement 12 die erste Batteriezelle 14 relativ zu dem Kühlrahmenelement 12 ortsfest und hält analog die zweite Batteriezelle 18 relativ zu dem Abstandshalterrahmenelement 16 ortsfest und sieht eine elektrische Verbindung niedrigen Widerstands in der Größenordnung von 30 Mikroohm vor.
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In einer anderen Ausführungsform können die zweite elektrisch leitende Lasche 26 der ersten Batteriezelle 14 und die Außenfläche 56 des unteren Schenkels 50 des zweiten Verbindungsanschlusses 46 beide aus Materialien gebildet und mit diesen beschichtet sein, die dazwischen einen elektrischen Kontakt niedrigen Widerstands vorsehen, wenn zwischen der zweiten elektrisch leitenden Lasche 26 der ersten Batteriezelle 14 und dem unteren Schenkel 50 des zweiten Verbindungsanschlusses 46 eine Pressverbindung ausgebildet wird, wenn das Abstandshalterrahmenelement 16 an das Kühlrahmenelement 12 montiert wird. Wenn als nicht einschränkendes Beispiel die zweite elektrisch leitende Lasche 26 der ersten Batteriezelle 14 aus nickelbeschichteten Kupfer gebildet ist und der untere Schenkel 50 des zweiten Verbindungsanschlusses aus einem nickelsulfamatbeschichtetem Aluminium oder einem mit sulfamatnickelbeschichtetem Aluminium kaschierten Materialgebildet ist, kann während der Montage und des Zusammenpressens des Batteriesatzes eine Pressverbindung niedrigen Widerstands in der Größenordnung von 30 Mikroohm dazwischen erreicht werden. Die Pressverbindung minimiert die Schwierigkeit sowohl der Montage als auch der Demontage des Batteriesatzes, da kein Schweißen erforderlich ist, um die elektrische Verbindung niedrigen Widerstands zu bilden.
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Wenn analog ein Wiederholungsrahmenelement 10 an ein Wiederholungsrahmenelement 10' montiert wird, können sowohl die zweite elektrisch leitende Lasche 32 der zweiten Batteriezelle 18 als auch die Außenfläche 58' des unteren Schenkels 40' des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 36' des Kühlrahmenelements 12' aus einem Material gebildet sein, das dazwischen einen elektrischen Kontakt niedrigen Widerstands vorsieht, wenn zwischen der zweiten elektrisch leitenden Lasche 32 der zweiten Batteriezelle 18 und dem unteren Schenkel 40' des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 36' eine Pressverbindung ausgebildet wird. Die Außenfläche 58' des unteren Schenkels 40' des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 36' ist zum Beispiel aus einem sulfamatnickelbeschichteten Aluminium oder einem mit sulfamatnickelbeschichtetem Aluminium kaschierten Material gebildet und die zweite elektrisch leitende Lasche 32 der zweiten Batteriezelle 18 kann aus einem nickelbeschichteten Kupfermaterial, einem mit nickelbeschichteten Kupfer kaschierten Material oder einer nickelbeschichteten Kupferlegierung gebildet sein. Die Pressverbindung minimiert die Schwierigkeit sowohl der Montage als auch der Demontage des Batteriesatzes, da kein Schweißen erforderlich ist, um die elektrische Verbindung niedrigen Widerstands zu bilden.
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In einer anderen Ausführungsform sind der erste elektrisch leitende Verbindungsanschluss 36 und der zweite elektrisch leitende Verbindungsanschluss 46 aus einem sulfamatnickelbeschichten Aluminium oder einem mit sulfamatnickelbeschichtetem Aluminium kaschierten Material gebildet. Die ersten elektrisch leitenden Laschen 24, 30 der jeweiligen ersten Batteriezelle 14 und zweiten Batteriezelle 18 sind mit den jeweiligen oberen Schenkeln 38, 48 des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 36 und des zweiten Verbindungsanschlusses 46 durch eines von Widerstandsschweißen, Laserschweißen, chemisches Schweißen, Ultraschallschweißen, Hartlöten und Löten elektrisch und mechanisch verbunden. Die mechanische Verbindung wird nicht durch die Sulfamatnickelbeschichtung beeinflusst, und die mechanische Verbindung sieht auch eine elektrische Verbindung niedrigen Widerstands in der Größenordnung von 30 Mikroohm vor. Die zweite elektrisch leitende Lasche 26 der ersten Batteriezelle 14 kann aus einem Material gebildet und mit diesem beschichtet sein, das einen elektrischen Kontakt niedrigen Widerstands vorsieht, wenn zwischen der zweiten elektrisch leitenden Lasche 26 der ersten Batteriezelle 14 und dem beschichteten zweiten Verbindungsanschlusses 46 eine Pressverbindung ausgebildet wird, wenn das Abstandshalterrahmenelement 16 an das Kühlrahmenelement 12 montiert wird. Wenn als nicht einschränkendes Beispiel die zweite elektrisch lei tende Lasche 26 der ersten Batteriezelle 14 aus nickelbeschichteten Kupfer gebildet ist und der zweite Verbindungsanschluss 46 aus einem nickelsulfamatbeschichteten Aluminium oder einem mit sulfamatnickelbeschichtetem Aluminium kaschierten Material gebildet ist, kann während der Montage und des Zusammenpressens des Batteriesatzes eine Pressverbindung niedrigen Widerstands in der Größenordnung von 30 Mikroohm dazwischen erreicht werden. Die Pressverbindung minimiert die Schwierigkeit sowohl der Montage als auch der Demontage des Batteriesatzes, da kein Schweißen erforderlich ist, um die elektrische Verbindung niedrigen Widerstands zu bilden.
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In 2 ist eine Wiederholungsrahmenbaugruppe 110 gezeigt, die jeder einzelnen Batteriezelle Kühlung liefert. Die Wiederholungsrahmenbaugruppe 110 umfasst ein erstes Kühlrahmenelement 112 und ein zweites Kühlrahmenelement 112'. Vorteilhafte Ergebnisse werden erhalten, wenn das erste Kühlrahmenelement 112 und das zweite Kühlrahmenelement 112' im Wesentlichen identisch sind und relativ zueinander ausgerichtet sind, um zwischen einer ersten Batteriezelle 114 und einer zweiten Batteriezelle 114' geeignete elektrische Verbindungen herzustellen.
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Es versteht sich aber, dass das erste Kühlrahmenelement 112 nach Bedarf nicht im Wesentlichen identisch mit dem zweiten Kühlrahmenelement 112' sein muss. Die Kühlrahmenelemente 112, 112' können durch bekannte Verfahren aus einem elektrisch nicht leitenden Material als einstückige Elemente gebildet sein. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Kühlrahmenelemente 112, 112' durch Spritzgießen eines Materials wie etwa Nylon, Polypropylen, Metall oder eines anderen Materials mit geeigneten physikalischen und chemischen Eigenschaften gebildet werden. Als weiteres nicht einschränkendes Beispiel können die Kühlrahmenelemente 112, 112' von der Art sein, wie sie in der U. S.-Patentanmeldung Ser. Nr. 12/789,888 der gleichen Anmelderin, mit dem Titel ”Corrugated Fin And Frame Assembly For Battery Cooling” beschrieben wird, die hierin durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist. Die Kühlrahmenelemente 112, 112' können jeweilige Kühlplatten 116, 116' umfassen, die in zugewandtem Kontakt mit den jeweiligen Batteriezellen 114, 114' angeordnet sind, um diesen Kühlung und Halt zu bieten. Die Kühlplatten 116, 116' können weiterhin Innenkanäle 118, 118' umfassen, um ein Strömen eines (nicht gezeigten) Kühlmittels durch diese zu ermöglichen, um eine aktive Kühlung der jeweiligen Batteriezellen 114, 114' vorzusehen.
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Die erste Batteriezelle 114 umfasst eine erste elektrisch leitende Lasche 120 und eine zweite elektrisch leitende Lasche 122, die sich von einem Umfang 124 erstrecken. Die zweite Batteriezelle 114' umfasst eine erste elektrisch leitende Lasche 120' und eine zweite elektrisch leitende Lasche 122', die sich von einem Umfang 124' erstrecken. In der gezeigten Ausführungsform sind die Batteriezellen 114, 114' im Wesentlichen identische prismatische Lithium-Ionen-Batteriezellen. Es versteht sich aber, dass jede Art von Batteriezelle, die eine andere Struktur und Elektrochemie nutzt, gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann. Es versteht sich auch, dass sich die ersten elektrisch leitenden Laschen 120, 120' und die zweiten elektrisch leitenden Laschen 122, 122' der jeweiligen Batteriezellen 114, 114' von einer beliebigen erwünschten Stelle entlang der Umfange 124, 124' der Batteriezellen 114, 114' nach außen erstrecken können und aus einem beliebigen elektrisch leitenden Material und in einer beliebigen erwünschten Formgebildet werden können, um das Herstellen von elektrischer Verbindung mit einer benachbarten Batteriezelle und mit den Kühlrahmenelementen 112, 112' zu erleichtern. Es versteht sich, dass die ersten elektrisch leitenden Laschen 120, 120' und die zweiten elektrisch leitenden Laschen 122, 122' nach Bedarf weiterhin aus den gleichen oder ähnlichen leitenden Materialien gebildet sein können.
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Wenn die Batteriezellen 114, 114' in einer in Reihe geschalteten Konfiguration angeordnet sind, soll die zweite elektrisch leitende Lasche 122 der ersten Batteriezelle 114 mit der ersten elektrisch leitenden Lasche 120' der zweiten Batteriezelle 114' elektrisch verbunden sein. Um die erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen benachbarten Batteriezellen 114, 114' vorzusehen, umfasst das Kühlrahmenelement 112 einen ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschluss 126. Der erste elektrisch leitende Verbindungsanschluss 126 ist in den Figuren mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt dargestellt, der einen oberen Schenkel 128, einen unteren Schenkel 130 und einen Basisschenkel 132 aufweist, der den oberen Schenkel 128 und den unteren Schenkel 130 elektrisch miteinander verbindet. Vorteilhafte Ergebnisse werden erzielt, wenn der erste elektrisch leitende Verbindungsanschluss 126 an einer vorbestimmten Stelle, an der der obere Schenkel 128 einen Abschnitt einer oberen Fläche 150 des Kühlrahmenelements 112 bildet und an der der untere Schenkel 130 einen Abschnitt einer unteren Fläche 152 des Kühlrahmenelements 112 bildet, in das Kühlrahmenelement 112 geformt ist. Ferner ist der erste elektrisch leitende Verbindungsanschluss 126 so positioniert, dass er ein Platzieren der ersten elektrisch leitenden Lasche 120 der ersten Batteriezelle 114 benachbart zu und in zugewandtem Kontakt mit einer Außenfläche 134 des oberen Schenkels 128 des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 126 ermöglicht. Die erste elektrisch leitende Lasche 120 der Batteriezelle 114 kann mit dem oberen Schenkel 128 des Verbin dungsanschlusses 126 durch eines von Widerstandsschweißen, Laserschweißen, chemisches Schweißen, Ultraschallschweißen, Hartlöten und Löten zum ortsfesten Sichern der ersten Batteriezelle 114 relativ zu dem Kühlrahmenelement 112 vor und während der Montage des Kühlrahmenelements 112 an dem benachbarten Kühlrahmenelement 112' und zum Vorsehen von Verbindungen niedrigen elektrischen Widerstands in der Größenordnung von 30 Mikroohm elektrisch und mechanisch verbunden werden.
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Analog umfasst das Kühlrahmenelement 112' einen zweiten elektrisch leitenden Verbindungsanschluss 126'. Der zweite elektrisch leitende Verbindungsanschluss 126' ist in den Figuren mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt dargestellt, der einen oberen Schenkel 128', einen unteren Schenkel 130' und einen Basisschenkel 132' aufweist, der den oberen Schenkel 128' und den unteren Schenkel 130' elektrisch miteinander verbindet. Vorteilhafte Ergebnisse werden erzielt, wenn der zweite Verbindungsanschluss 126' an einer vorbestimmten Stelle, an der der obere Schenkel 128' einen Abschnitt einer oberen Fläche 150 des Kühlrahmenelements 112' bildet und an der der untere Schenkel 130' einen Abschnitt einer unteren Fläche 152' des Kühlrahmenelements 112' bildet, in das Kühlrahmenelement 112' geformt ist. Der zweite Verbindungsanschluss 126' ist ferner so positioniert, dass er ein Platzieren der ersten elektrisch leitenden Lasche 120' der zweiten Batteriezelle 114' benachbart zu und in zugewandtem Kontakt mit einer Außenfläche 134' des oberen Schenkels 128' des zweiten Verbindungsanschlusses 126' ermöglicht. Die erste elektrisch leitende Lasche 120' der Batteriezelle 114' kann mit dem oberen Schenkel 128' des zweiten Verbindungsanschlusses 126' durch eines von Widerstandsschweißen, Laserschweißen, chemisches Schweißen, Ultraschallschweißen, Hartlöten und Löten zum ortsfesten Sichern der zweiten Batteriezelle 114' relativ zu dem Kühlrahmenelement 112' vor und während des Anbringens eines benachbarten Wiederholungsrahmenelements 110 an dem Kühlrahmenelement 112' und zum Vorsehen von Verbindungen niedrigen elektrischen Widerstands in der Größenordnung von 30 Mikroohm elektrisch und mechanisch verbunden werden.
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Nach dem einzelnen Zusammenbau werden die die Batterien 114, 114' umfassenden zwei Kühlrahmenelemente 112, 112' nacheinander gestapelt und zusammengebaut, um die Wiederholungsrahmenbaugruppe 110 zu bilden. Die Querschnittform jedes Kühlrahmenelements 112, 112' kann so gewählt werden, dass eine Grenzfläche 138 zwischen benachbarten Rahmenelementen im Wesentlichen eben sein kann, was den Einbau einer Umfangsdichtung 140 in der Grenzfläche 138 ermöglicht, um ein Abdichten der Batteriezellen in einem umschlossenen Raum zu ermöglichen.
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Wenn wie in 2 gezeigt das Kühlrahmenelement 112' auf das Kühlrahmenelement 112 gestapelt wird, wird der Verbindungsanschluss 126' des Kühlrahmenelements 112' so positioniert, dass er ein Platzieren der zweiten elektrisch leitenden Lasche 122 der ersten Batteriezelle 114 benachbart zu und in zugewandtem Kontakt mit einer Außenfläche 136' des unteren Schenkels 130' des Verbindungsanschlusses 126' ermöglicht. Vorteilhafte Ergebnisse werden erhalten, wenn die zweiten elektrisch leitenden Laschen 122, 122' der Batteriezellen 114, 114' und die Außenflächen 136, 136' der unteren Schenkel 130, 130' der Verbindungsanschlüsse 126, 126' aus Materialien gebildet und mit diesen beschichtet sind, die einen elektrischen Kontakt niedrigen Widerstands vorsehen, wenn dazwischen eine Pressverbindung ausgebildet wird. Wenn als nicht einschränkendes Beispiel die zweite elektrisch leitende Lasche 122, 122' der jeweiligen Batteriezellen 114, 114' aus nickelbeschichtetem Kupfer gebildet ist und die Außenflächen 136, 136' der unteren Schenkel 130, 130' der Verbindungsanschlüsse 126, 126' aus einem sulfamatnickelbeschichtetem Aluminium oder einem mit sulfamatnickelbeschichtetem Aluminium kaschierten Material gebildet sind, kann während der Montage und des Zusammenpressens des Batteriesatzes dazwischen eine Pressverbindung niedrigen Widerstands in der Größenordnung von 30 Mikroohm erreicht werden. Die Pressverbindung verbindet die erste Batteriezelle 114 elektrisch mit der zweiten Batteriezelle 114' und minimiert die Schwierigkeit sowohl der Montage als auch der Demontage des Batteriesatzes, da kein Schweißen erforderlich ist, um die elektrische Verbindung niedrigen Widerstands zu bilden.
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Zum Bauen eines Batteriesatzes können mehrere Wiederholungsrahmenbaugruppen 110 nacheinander gestapelt und montiert werden, so dass die zweite elektrisch leitende Lasche 122' der zweiten Batterie 114' benachbart zu und in zugewandtem Kontakt mit einer Außenfläche 136 des unteren Schenkels 130 des Verbindungsanschlusses 126 eines benachbarten Kühlrahmenelements 112 positioniert ist, um dazwischen eine Pressverbindung niedrigen Widerstands zu erreichen und die mehreren Wiederholungsrahmenbaugruppen 110 elektrisch miteinander zu verbinden. Das Stapeln von mehreren Wiederholungsrahmenbaugruppen 110 erleichtert eine einfache Reihenverbindung von mehreren Batteriezellen 114, 114', während jeder einzelnen Batteriezelle Halt und Kühlung geboten wird.
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Für Anwendungen niedrigerer Leistungsdichte kann es wünschenswert sein, einen Batteriesatz aus einer vorbestimmten Anzahl von Wiederholungsrahmenbaugruppen zu konstruieren, die jeweils einen Kühlrahmen für mehrere Batteriezellen aufweisen. Eine solche Wiederholungsrahmenbaugruppe 210 ist in 3 gezeigt, die ein Kühlrahmenelement 212, das eine erste Batteriezelle 214 umfasst, ein erstes Abstandshalterrahmenelement 216, das eine zweite Batteriezelle 218 umfasst, und ein zweites Abstandshalterrahmenelement 216, das eine dritte Batteriezelle 218' umfasst, vorsieht. Somit ist für drei Batteriezellen 214, 218, 218' ein Kühlrahmenelement 212 vorgesehen. Das zweite Abstandshalterrahmenelement 216' ist im Wesentlichen identisch zu dem ersten Abstandshalterrahmenelement 216. Eine aus der Beschreibung des ersten Abstandshalterrahmenelements 216 wiederholte Struktur umfasst demgemäß das gleiche Bezugszeichen und ein Einstreichungssymbol ('). Das Kühlrahmenelement 212, das erste Abstandshalterrahmenelement 216 und das zweite Abstandshalterrahmenelement 216' sind relativ zueinander ausgerichtet, um zwischen der ersten Batteriezelle 214, der zweiten Batteriezelle 218 und der dritten Batteriezelle 218' geeignete elektrische Verbindungen herzustellen.
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Das Kühlrahmenelement 212 kann durch bekannte Verfahren aus einem elektrisch nicht leitenden Material als einstückiges Element gebildet werden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Kühlrahmenelement 212 durch Spritzgießen eines Materials wie etwa Nylon, Polypropylen, Metall oder eines anderen Materials mit geeigneten physikalischen und chemischen Eigenschaften gebildet werden. Als weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann das Kühlrahmenelement 212 im Wesentlichen ähnlich zu den hierin vorstehend beschriebenen Kühlrahmen 12, 112 sein und kann von der Art sein, wie sie in der U. S.-Patentanmeldung Ser. Nr. 12/789,888 der gleichen Anmelderin, mit dem Titel ”Corrugated Fin And Frame Assembly For Battery Cooling” beschrieben wird, die hierin durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist. Das Kühlrahmenelement 212 kann eine Kühlplatte 220 umfassen, die in zugewandtem Kontakt mit der ersten Batteriezelle 214 angeordnet ist, um dieser Kühlung und Halt zu bieten. Die Kühlplatte 220 kann weiterhin einen Innenkanal 222 umfassen, um ein Strömen eines (nicht gezeigten) Kühlmittels durch diesen zu ermöglichen, um eine aktive Kühlung der Batteriezellen 214, 218, 218' vorzusehen.
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Die erste Batteriezelle 214 umfasst eine erste elektrisch leitende Lasche 224 und eine zweite elektrisch leitende Lasche 226, die sich von einem Umfang 228 der ersten Batteriezelle 214 erstrecken. Analog umfassen die zweiten und dritten Batteriezellen 218, 218' jeweilige erste elektrisch leitende Laschen 230, 230' und zweite elektrisch leitende Laschen 232, 232', die sich von jeweiligen Umfangen 234, 234' derselben erstrecken. In der gezeigten Ausführungsform sind die Batteriezellen 214, 218, 218' im Wesentlichen identische prismatische Lithium-Ionen-Batteriezellen. Es versteht sich aber, dass jede Art von Batteriezelle, die eine andere Struktur und Elektrochemie nutzt, gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann. Es versteht sich auch, dass sich die ersten elektrisch leitenden Laschen 224, 230, 230' und die zweiten elektrisch leitenden Laschen 226, 232, 232' der jeweiligen Batteriezellen 214, 218, 218' von einer beliebigen erwünschten Stelle entlang der Umfänge 228, 234, 234' der Batteriezellen 214, 218, 218' nach außen erstrecken können und aus einem beliebigen elektrisch leitenden Material und in einer beliebigen erwünschten Form gebildet werden können, um das Herstellen von elektrischer Verbindung von benachbarten Batteriezellen zu erleichtern. Es versteht sich, dass die ersten elektrisch leitenden Laschen 224, 230, 230' und die zweiten elektrisch leitenden Laschen 226, 232, 232' nach Bedarf weiterhin aus den gleichen oder ähnlichen leitenden Materialien gebildet sei können.
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Um die erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen der ersten Batterie 214, der zweiten Batterie 218 und der dritten Batterie 218' vorzusehen, umfasst das Kühlrahmenelement 212 einen ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschluss 236, das erste Abstandshalterrahmenelement 216 umfasst einen zweiten elektrisch leitenden Verbindungsanschluss 238 und das zweite Abstandshalterrahmenelement 216' umfasst einen dritten elektrisch leitenden Verbindungsanschluss 238'. Die elektrisch leitenden Verbindungsanschlüsse 236, 238, 238' sind in 3 mit im Wesentlichen U-förmigen Querschnitten dargestellt. Der erste elektrisch leitende Verbindungsanschluss 236 weist einen oberen Schenkel 240, einen unteren Schenkel 242 und einen Basisschenkel 244 auf, der den oberen Schenkel 240 und den unteren Schenkel 242 elektrisch miteinander verbindet. Vorteilhafte Ergebnisse werden erzielt, wenn der erste elektrisch leitende Verbindungsanschluss 236 an einer vorbestimmten Stellen, an der der obere Schenkel 240 einen Abschnitt einer oberen Fläche 270 des Kühlrahmenelements 212 bildet und an der der untere Schenkel 242 einen Abschnitt einer unteren Fläche 272 des Kühlrahmenelements 212 bildet, in das Kühlrahmenelement 212 geformt ist.
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Der zweite elektrisch leitende Verbindungsanschluss 238 des ersten Abstandshalterrahmenelements 216 weist einen oberen Schenkel 246, einen unteren Schenkel 248 und einen Basisschenkel 250 auf, der den oberen Schenkel 246 und den unteren Schenkel 248 des zweiten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 238 elektrisch miteinander verbindet. Vorteilhafte Ergebnisse werden erzielt, wenn der zweite elektrisch leitende Verbindungsanschluss 238 an vorbestimmten Stellen, an denen der obere Schenkel 246 einen Abschnitt einer oberen Fläche 280 des ersten Abstandshalterrahmenelements 216 bildet und an denen der untere Schenkel 248 einen Abschnitt einer unteren Fläche 282 des ersten Abstandshalterrahmenelements 216 bildet, in das erste Abstandshalterrahmenelement 216 geformt ist.
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Der dritte elektrisch leitende Verbindungsanschluss 238 des zweiten Abstandshalterrahmenelements 216' weist einen oberen Schenkel 246', einen unteren Schenkel 248' und einen Basisschenkel 250' auf, der den oberen Schenkel 246' und den unteren Schenkel 248' des dritten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 238' elektrisch miteinander verbindet. Vorteilhafte Ergebnisse werden erzielt, wenn der Verbindungsanschluss 238' an vorbestimmten Stellen, an denen der obere Schenkel 246' einen Abschnitt einer oberen Fläche 280' des zweiten Abstandshalterrahmenelements 216' bildet und an denen der der untere Schenkel 248' einen Abschnitt einer unteren Fläche 282' des zweiten Abstandshalterrahmenelements 216' bildet, in das zweite Abstandshalterrahmenelement 216' geformt ist.
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Der erste elektrisch leitende Verbindungsanschluss 236 ist so positioniert, dass er ein Platzieren der ersten elektrisch leitenden Lasche 224 der ersten Batteriezelle 214 benachbart zu und in zugewandtem Kontakt mit einer Außenfläche 252 des oberen Schenkels 240 des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 236 ermöglicht. Die erste Batteriezelle 214 kann mit denn oberen Schenkel 240 des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 236 durch eines von Widerstandsschweißen, Laserschweißen, chemisches Schweißen, Ultraschallschweißen, Hartlöten und Löten zum ortsfesten Sichern der ersten Batteriezelle 214 relativ zu dem Kühlrahmenelement 212 vor und während der Montage des Kühlrahmenelements 212 an das benachbarte erste Abstandshalterrahmenelement 216 elektrisch und mechanisch verbunden werden.
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Die zweite elektrisch leitende Batteriezelle 218 kann mit einer Außenfläche 254 des oberen Schenkels 246 des zweiten Verbindungsanschlusses 238 durch eines von Widerstandsschweißen, Laserschweißen, chemisches Schweißen, Ultraschallschweißen, Hartlöten und Löten zum ortsfesten Sichernder zweiten Batteriezelle 218 relativ zu dem ersten Abstandshalterrahmenelement 216' vor und während der Montage des ersten Abstandshalterrahmenelements 216 an dem benachbarten Kühlrahmenelement 212 und an dem zweiten Abstandshalterrahmenelement 216' oder an einer anderen Wiederholungsrahmenbaugruppe 210 und zum Vorsehen von Verbindungen niedrigen elektrischen Widerstands in der Größenordnung von 30 Mikroohm elektrisch und mechanisch verbunden werden.
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Nach dem einzelnen Zusammenbau werden das Kühlrahmenelement 212 und die erste Batteriezelle 214, das erste Abstandshalterrahmenelement 216 und die zweite Batteriezelle 218 und das zweite Abstandshalterrahmenelement 216' und die dritte Batteriezelle 218' nacheinander gestapelt und zusammengebaut, um die Wiederholungsrahmenbaugruppe 210 zu bilden. Die Querschnittformen des Kühlrahmenelements 212, des ersten Abstandshalterrahmenelements 216 und des zweiten Abstandshalterrahmenelements 216' können so gewählt werden, dass eine Grenzfläche 256 zwischen benachbarten Rahmenelementen im Wesentlichen eben sein kann, was den Einbau einer Umfangsdichtung 258 in jeder Grenzfläche 256 ermöglicht, um ein Abdichten der Batteriezellen 214, 218, 218' in einem umschlossenen Raum zu ermöglichen.
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Das erste Abstandshalterrahmenelement 216 wird auf das Kühlrahmenelement 212 gestapelt, um den zweiten Verbindungsanschluss 238 des ersten Abstandshalterrahmenelements 216 so zu positionieren, dass er ein Platzieren der zweiten elektrisch leitenden Lasche 226 der ersten Batteriezelle 214 benachbart zu und in zugewandtem Kontakt mit einer Außenfläche 260 des unteren Schenkels 248 des zweiten Verbindungsanschlusses 238 ermöglicht. Vorteilhafte Ergebnisse werden erhalten, wenn die zweite elektrisch leitende Lasche 226 der ersten Batteriezelle 214 und die Außenfläche 260 des unteren Schenkels 248 des zweiten Verbindungsanschlusses 238 mit Materialien ausgebildet und beschichtet werden, die einen elektrischen Kontakt niedrigen Widerstands vorsehen, wenn dazwischen eine Pressverbindung ausgebildet wird. Wenn als nicht einschränkendes Beispiel sowohl die zweite elektrisch leitende Lasche 226 der ersten Batteriezelle 214 und die Außenfläche 260 des unteren Schenkels 248 des zweiten Verbindungsanschlusses 238 aus Kupfermaterial, einem mit Kupfer kaschierten Material oder einer Kupferlegierung gebildet sind, kann während der Montage und des Zusammenpressens des Batteriesatzes eine Pressverbindung niedrigen Widerstands in der Größenordnung von 30 Mikroohm dazwischen erreicht werden. Die Pressverbindung verbindet die erste Batteriezelle 214 elektrisch mit der zweiten Batteriezelle 218 und minimiert die Schwierigkeit sowohl der Montage als auch der Demontage des Batteriesatzes, da kein Schweißen erforderlich ist, um die elektrische Verbindung niedrigen Widerstands zu bilden.
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Das zweite Abstandshalterrahmenelement 216' wird auf das erste Abstandshalterrahmenelement 216 gestapelt, um den dritten Verbindungsanschluss 238' des zweiten Abstandshalterrahmenelements 216' so zu positionieren, dass er ein Platzieren der zweiten elektrisch leitenden Lasche 232 der zweiten Batteriezelle 218 benachbart zu und in zugewandtem Kontakt mit einer Außenfläche 260' des unteren Schenkels 248' des dritten Verbindungsanschlusses 238' ermöglicht. Vorteilhafte Ergebnisse werden erhalten, wenn die zweite elektrisch leitende Lasche 232 der zwei ten Batteriezelle 218 und die Außenfläche 260' des unteren Schenkels 248' des dritten Verbindungsanschlusses 238' mit Materialien ausgebildet und beschichtet werden, die einen elektrischen Kontakt niedrigen Widerstands vorsehen, wenn dazwischen eine Pressverbindung ausgebildet wird.
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Zum Bauen eines Batteriesatzes können mehrere Wiederholungsrahmenbaugruppen 210 nacheinander gestapelt und montiert werden, so dass die zweite elektrisch leitende Lasche 232' der dritten Batterie 218' benachbart zu und in zugewandtem Kontakt mit einer Außenfläche 262 des unteren Schenkels 242 des ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschlusses 236 eines benachbarten Kühlrahmenelements 212 positioniert ist, um dazwischen eine Pressverbindung niedrigen Widerstands zu erreichen und die mehreren Wiederholungsrahmenbaugruppen 210 elektrisch miteinander zu verbinden. Das Stapeln von mehreren Wiederholungsrahmenbaugruppen 210 erleichtert eine einfache Reihenverbindung von mehreren Batteriezellen 214, 218, 218', während mit einem einzigen Kühlrahmenelement drei Batteriezellen Halt und Kühlung geboten wird. Es versteht sich, dass mehr Abstandshalterrahmenelemente 216, 216' genutzt werden können, solange die Kühlleistung des Kühlrahmenelements 212 ausreicht, um die sich ergebende Anzahl an Batteriezellen zu kühlen. Abhängig von der Geometrie jeder Wiederholungsrahmenbaugruppe versteht sich ferner, dass aufeinander folgende Wiederholungsrahmenbaugruppen 210 eine Drehung relativ zu einer benachbarten Wiederholungsrahmenbaugruppe erfordern können, um eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten Wiederholungsrahmenbaugruppen sicherzustellen. Es versteht sich auch, dass nach Stapeln der erwünschten Anzahl an Wiederholungsrahmenbaugruppen 210 ein externer Stromkreis durch Verbindungen fertiggestellt werden kann, die zu geeigneten Verbindungsanschlüssen hergestellt werden, um es Leistung von den Batteriezellen 214, 218, 218' zu ermöglichen, eine elektrische Last anzutreiben. Zugstangen (nicht gezeigt) können durch die mehreren Wiederholungsrahmenbaugruppen 210 eingeführt werden, um die sich ergebende Batteriesatzbaugruppe zusammengepresst zu halten, um die Pressverbindungen zu bilden. Es versteht sich, dass Zugriemen oder andere Presskraftmittel verwendet werden können, um die Wiederholungsrahmenbaugruppen 210 zusammenzupressen.
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Optional kann es wünschenswert sein, die elektrische Spannung der einzelnen Batteriezellen selektiv zu überwachen. Eine erste Spannungserfassungsleitung 262 steht mit dem ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschluss 236 in elektrischer Verbindung und erstreckt sich jenseits des Umfang des Kühlrahmenelements 212. Analog steht eine zweite Spannungserfassungsleitung 264 mit dem zweiten Verbindungsanschluss 238 in elektrischer Verbindung und erstreckt sich jenseits des Umfangs des ersten Abstandshalterrahmenelements 216, während eine dritte Spannungserfassungsleitung 264' mit dem dritten Verbindungsanschluss 238' in elektrischer Verbindung steht und sich jenseits des Umfangs des zweiten Abstandshalterrahmenelements 216' erstreckt. Die gezeigten Spannungserfassungsleitungen 262, 264, 264' sind in 3 als Leitungen mit Steckstift gezeigt, es versteht sich aber, dass die Spannungserfassungsleitungen 262, 264, 264' nach Bedarf jede Art von elektrischer Verbindung erleichtern können. Die Spannungserfassungsleitungen 262, 264, 264' können auch integral mit den jeweiligen Verbindungsanschlüssen 236, 238, 238' ausgebildet werden und können durch elektrische Hardware selektiv überwacht werden, um die elektrische Spannung jeder Zelle zu messen und anzupassen (mittels Zellenausgleich). Optional kann eine Strombegrenzungsvorrichtung (nicht gezeigt), wie etwa eine Sicherung oder eine ähnliche Vorrichtung, zwischen jeden der Verbindungsanschlüsse 236, 238, 238' und die jeweiligen Spannungserfassungsleitungen 262, 264, 264' elektrisch dazwischen gesetzt werden, um Spannungserfassungsgeräte oder -schaltkreise (nicht gezeigt) vor Stromstößen zu schützen. Bei Bedarf können die Spannungserfassungsleitungen 262, 264, 264' eingebettet oder überspritzt sein, um diesen Schutz zu bieten.
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Die Spannungserfassungsleitungen können sich auf der gleichen Seite der Wiederholungsrahmenbaugruppe 210 befinden, indem die Spannungserfassungsleitung 264 durch eine verlängerte Spannungserfassungsleitung 266 ersetzt wird. Die verlängerte Spannungserfassungsleitung 266 steht mit dem zweiten elektrisch leitenden Verbindungsanschluss 238 in elektrischer Verbindung und erstreckt sich von dem zweiten elektrisch leitenden Verbindungsanschluss 238 zu einem gegenüberliegenden Ende 268 des ersten Abstandshalterrahmenelements 216. Die verlängerte Spannungserfassungsleitung 266 kann mit dem zweiten Verbindungsanschluss 238 integral ausgebildet sein und kann in dem Umfang des ersten Abstandshalterrahmenelements 216 eingebettet oder überspritzt sein.
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Eine beliebige Anzahl von Wiederholungsrahmenbaugruppen 10, 110, 210 können kombiniert werden, um einen Batteriesatz mit einer erwünschten Größe und Leistungsdichte zu bilden. Es versteht sich, dass ein Batteriesatz nach Bedarf aus mehreren von nur einer Art von Wiederholungsrahmenelement zusammengebaut werden kann oder aus einer beliebigen Kombination von Rahmenbaugruppen 10, 110, 210 zusammengebaut werden kann.
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Die Wiederholungsrahmenbaugruppen 10, 110, 210 der vorliegenden Offenbarung sehen daher eine einfach zu fertigende Baugruppe vor, die sowohl jede einzelne Batterie lagert als auch Flexibilität beim Wählen eines geeigneten und erwünschten Kühlungsbetrags für jede Batteriezelle vorsieht. Die Wiederholungsrahmenbaugruppe 10 von 1 sieht zum Beispiel ein Kühlrahmenelement 12 pro Paar Batterien 14, 18 vor. Die Wiederholungsrahmenbaugruppe 110 von 2 sieht ein Kühlrahmenelement 112 für jeweils eine Batterie 114 vor. Und die Wiederholungsrahmenbaugruppe 210 von 3 sieht ein Kühlrahmenelement 212 für drei Batterien 214, 218, 218' vor.
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Ferner lässt sich jede Wiederholungsrahmenbaugruppe 10, 110, 210 leicht zerlegen und nach Bedarf neu konfigurieren, da nur eine der elektrisch leitenden Laschen jeder Batterie durch eines von Widerstandsschweißen, Laserschweißen, chemisches Schweißen, Ultraschallschweißen, Hartlöten und Löten ortsfest befestigt ist, um die Batteriezelle vor und während der Montage des Rahmenelements an ein benachbartes Rahmenelement relativ zu dem Rahmenelement ortsfest zu befestigen. In 1 ist zum Beispiel die erste elektrisch leitende Lasche 24 der ersten Batteriezelle 14 an dem ersten elektrisch leitenden Verbindungsanschluss 36 des Kühlrahmenelements 12 befestigt, während die zweite elektrisch leitende Lasche 26 der ersten Batteriezelle 14 mit dem zweiten Verbindungsanschluss 46 des ersten Abstandshalterrahmenelements 16 mit einer Pressverbindung elektrisch verbunden ist. Das Kühlrahmenelement 12 mit der ersten Batterie 14 kann mühelos von dem ersten Abstandshalterrahmenelement 16 mit der zweiten Batterie 18 getrennt werden, um die Wiederholungsrahmenbaugruppe 10 zu reparieren, auszutauschen oder neu zu konfigurieren.
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Während bestimmte stellvertretende Ausführungsformen und Einzelheiten zum Zweck des Veranschaulichens der Erfindung gezeigt wurden, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen, der in den folgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
