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Die Erfindung betrifft ein Batteriespeichersystem, ein Gehäuse für ein Batteriespeichersystem sowie ein Batteriemodul und die Verwendung eines Batteriemoduls.
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Als Batteriespeichersystem wird im Zusammenhang mit der Anmeldung ein System zur Speicherung von Energie umfassend mindestens ein Batteriemodul bezeichnet. Derartige Batteriespeichersysteme werden auch als Energiespeichersysteme bezeichnet. Als Batteriemodul wird eine Baugruppe umfassend mindestens eine wiederaufladbare Batteriezelle, auch Sekundärzelle genannt, zum Speichern elektrischer Energie auf elektrochemischer Basis bezeichnet. In vorteilhaften Gestaltungen umfasst das Batteriemodul auch eine Leistungs- und Steuerelektronik und einen Wechselrichter zum Laden der Zelle und/oder zur Abgabe der Energie im Bedarfsfall.
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Ein Batteriespeichersystem ist beispielsweise in einer Vorrichtung für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) eingesetzt, um bei Störungen in einem Stromnetz die Versorgung kritischer elektrischer Lasten sicherzustellen. Batteriespeichersysteme finden insbesondere auch in Stromversorgungssystemen mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energieträger Verwendung.
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Es ist bekannt, mehrere Batteriemodule eines Batteriespeichersystems in einem Gehäuse unterzubringen. Das Gehäuse wird auch als elektrischer Schrank oder Batterieschrank bezeichnet.
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Aus
EP 1 462 813 A2 ist beispielsweise ein Batterieschrank für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung bekannt, wobei der Schrank eine Vielzahl von Aufnahmefächern aufweist, die jeweils zum Aufnehmen eines Leistungsmoduls oder eines Batteriepacks mit mehreren Batteriezellen geeignet sind. Um ein Aufwärmen zu verhindern, sind gemäß
EP 1 462 813 A2 an den Seitenwänden und der Rückwand Lüftungsschlitze vorgesehen. Weiter weisen die Leistungsmodule jeweils einen in Richtung Rückwand weisenden Lüfter auf.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Batteriespeichersystem mit hoher Leistungsfähigkeit sowie ein Gehäuse und ein Batteriemodul für ein Batteriespeichersystem mit hoher Leistungsfähigkeit und eine Verwendung eines Batteriemoduls zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1, 10, 11 und 15.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gehäuse für ein Batteriespeichersystem mit einer Vielzahl an Aufnahmefächern, die jeweils zum Aufnehmen eines Batteriemoduls geeignet sind, geschaffen, wobei mindestens eine Trennwand in dem Gehäuse vorgesehen ist, mittels welcher das Gehäuse in Längsrichtung in mindestens eine erste Zone und eine von der ersten Zone thermisch getrennte zweite Zone aufgeteilt ist.
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Ein Batteriespeichersystem umfasst in der Regel Batteriezellen sowie eine Leistungs- und Steuerelektronik und einen Wechselrichter. Alle Komponenten des Batteriespeichersystems sind durch das Gehäuse aufnehmbar. Die Batteriemodule sind dabei austauschbar in die Aufnahmefächer einsetzbar.
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Gemäß der Arrhenius-Gleichung
hängt die Reaktionsgeschwindigkeit k in der chemischen Kinetik von der Temperatur T ab. Eine Alterungsgeschwindigkeit von Batteriezellen folgt der Arrhenius-Gleichung und ist somit temperaturanhängig. Daher ist eine Temperatur im Bereich zwischen 20–25°C in der Umgebung der Batteriezellen anzustreben. Im Betrieb erzeugen jedoch alle Komponenten des Batteriespeichersystems entsprechend ihrem Wirkungsgrad Verlustwärme, welche den Innenraum des Gehäuses aufheizen. Insbesondere eine Leistungselektronik erzeugt eine hohe Verlustwärme.
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Gemäß der Anmeldung ist das Gehäuse in Längsrichtung in mindestens eine erste Zone, auch Hochtemperaturzone genannt, und eine von der ersten Zone getrennte zweite Zone, auch Niedrigtemperaturzone genannt, aufgeteilt. Durch die Aufteilung des Gehäuses in zwei Zonen ist eine räumliche Trennung der Batteriezellen von der Leistungselektronik innerhalb des Gehäuses möglich. Dadurch ist ein Aufheizen der Batteriezellen durch die Abwärme der Leistungselektronik verhinderbar oder zumindest reduzierbar. Das Gehäuse ist in Längsrichtung in die erste und die zweite Zone geteilt, wobei die Trennwand in einer Ausgestaltung mit der Längsrichtung einen Winkel einschließt und/oder sich in mehreren Ebenen erstreckt, d.h. gestuft gestaltet ist.
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Die Aufnahmefächer erstrecken sich üblicherweise in Querrichtung des Gehäuses. Durch die Trennwand ist daher ein Aufnahmefach in einen ersten Teilbereich, der in der ersten Zone angeordnet ist, und einen zweiten Teilbereich, der in der zweiten Zone angeordnet ist, trennbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die mindestens eine Trennwand vertikal in einer Trennebene angeordnet. Unter Ausnutzung des Effekts, dass warme Luft nach oben steigt, ist durch die vertikale Trennwand und die so geschaffenen vertikal getrennten Zonen des Gehäuses eine effiziente klimatische Trennung der Zonen realisierbar.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die zwei Teilbereiche eines durch die Trennwand unterteilten Aufnahmefachs von verschiedenen Seiten des Gehäuses zugänglich sind, wobei Leistungselektronik und Batteriezellen über zugehörige Kopplungsanschlüsse in der Trennwand miteinander gekoppelt werden. In vorteilhaften Ausgestaltungen ist die Trennwand als Lochrasterplatte mit einer Vielzahl an Durchgangsöffnungen gestaltet, wobei den Aufnahmefächer jeweils eine Durchgangsöffnung zugeordnet ist. Ein Batteriemodul ist dabei von einer Seite des Gehäuses in ein Aufnahmefach einschiebbar, sodass es nach dem Einschieben beidseitig der Trennwand angeordnet ist. Insbesondere ein Batteriemodul umfassend Leistungselektronik und Batteriezellen ist so in das Aufnahmefach einsetzbar, dass es sich beiderseits der Trennwand erstreckt. Die Durchgangsöffnungen und die Batteriemodule weisen dabei in vorteilhaften Ausgestaltungen korrespondierende Durchmesser auf, sodass ein Einschieben des Batteriemoduls in die Durchgangsöffnung möglich ist, nach dem Einsetzen die Durchgangsöffnungen jedoch durch das eingesetzte Batteriemodul zur Reduzierung eines Wärmeaustauschs zwischen den zwei Zonen geschlossen sind. In einer anderen Ausgestaltung verbleibt zwischen einer Durchgangsöffnung und einem eingeschobenen Batteriemodul ein Spalt. In wieder anderen Ausgestaltungen ist ein Adapter vorgesehen, mittels welchem ein Außendurchmesser eines Batteriemoduls an die Größe der Durchgangsöffnung anpassbar ist. Das Gehäuse weist eine Vielzahl an Aufnahmefächern auf, welche in einer Ausgestaltung zueinander versetzt und auf Lücke angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Aufnahmefächer in dem Gehäuse in einem Raster mit mehreren Zeilen und Spalten angeordnet. Im Betrieb können einzelne Aufnahmefächer ungenutzt verbleiben. Ein Bestücken der in einem Raster mit mehreren Zeilen und Spalten angeordneten Aufnahmefächer erfolgt vorzugsweise von unten nach oben, wobei eine Zeile vorzugsweise vollständig bestückt wird oder vollständig unbestückt verbleibt. Dadurch ist sichergestellt, dass ein Wärmestrom der Hochtemperaturzone, der über die offenen Durchgangsöffnungen unbestückter Aufnahmefächer in die Niedrigtemperaturzone strömt, nicht über Batteriezellen geführt wird. In anderen Ausgestaltungen sind Deckel vorgesehen, mittels welchen Durchgangsöffnungen der Trennwand in ungenutzten Aufnahmefächern geschlossen werden.
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In einer Ausgestaltung sind die mindestens zwei Zonen so gestaltet, dass sie jeweils durch einen Kühlstrom vertikal durchströmbar sind. Die mindestens zwei Zonen sind in anderen Worten durch getrennte Kühlströme vertikal durchströmbar. In den einzelnen Zonen sind in einer Ausgestaltung Fachböden oder dergleichen zur Abtrennung einzelner Aufnahmefächer vorgesehen, wobei die Fachböden Öffnungen aufweisen, welche ein Durchströmen der Zonen ermöglichen. Die zwei Kühlströme der zwei Zonen sind je nach Anforderung für die jeweilige Zone auslegbar. Durch die vertikale Trennung der zwei Zonen wird dabei zuverlässig eine Wärmeübertragung aufgrund von Konvektion zwischen den zwei Zonen verhindert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Gehäuse eine Kühlvorrichtung, insbesondere eine Luftkühlvorrichtung mit mindestens einem Lüfter. Die Kühlvorrichtung ist in vorteilhaften Ausgestaltungen in einem Bodenbereich vorgesehen, sodass auf einfache Weise mindestens ein Luftkühlstrom erzeugt werden kann, welcher das Gehäuse von unten nach oben in vertikaler Richtung durchströmt. In anderen Worten wird in einem unteren Bereich des Gehäuses ein Luftsammler vorgesehen, wobei durch einen Lüfter, auch als Gebläse oder Ventilator bezeichnet, ein Überdruck erzeugt wird, welcher einen Kühlstrom durch das Gehäuse bewirkt.
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In einer Weiterbildung ist in einem Grenzbereich zwischen den Aufnahmefächern und der Kühlvorrichtung eine Strömungsteileinrichtung vorgesehen, mittels welcher ein von der Kühlvorrichtung erzeugter Kühlstrom in mindestens zwei unterschiedliche Teilströme für die erste Zone bzw. die zweite Zone unterteilbar ist. Dadurch ist es möglich, nur einen Lüfter oder mehrere gemeinsam genutzte Lüfter zur Erzeugung von zwei Kühlströmen zu verwenden.
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Die Strömungsteileinrichtung ist in einer Ausgestaltung als Lochgitter gestaltet, wobei die zwei Teilströme jeweils durch eine Größe und/oder eine Anzahl zugeordneter Löcher des Lochgitters bestimmt sind. In anderen Worten werden durch die Lochgröße und die Anordnung der Löcher zwei oder mehr unterschiedliche Strömungen in den Zonen erzeugt.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist in dem Gehäuse mindestens eine elektrische Leitungseinrichtung mit einer Vielzahl den Aufnahmefächer zugeordneten Kontaktanschlüssen für die Batteriemodule vorgesehen. Die elektrische Leitungseinrichtung ist vorzugsweise so gestaltet, dass die Batteriezellen der einzelnen Batteriemodule zur Erzielung einer gewünschten Kapazität miteinander koppelbar sind. Die Leitungseinrichtung ist dabei derart gestaltet, dass einzelne Aufnahmefächer im Betrieb ungenutzt verbleiben können.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eine zentrale Elektroniksteuerung vorgesehen. Die zentrale Elektroniksteuerung ist eingerichtet, um sicherzustellen, dass alle Batteriezellen einer Reihenschaltung innerhalb der zulässigen Grenzen betrieben werden, um ein Über- oder Tiefentladen einzelner Batteriezellen zu vermeiden und/oder um eine nutzbare Kapazität sowie eine Lebensdauer der Batteriezellen zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Batteriespeichersystem umfassend ein Gehäuse mit einer Vielzahl an Aufnahmefächern und mindestens ein in ein Aufnahmefach eingesetztes Batteriemodul.
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Weiter wird die Aufgabe gelöst durch ein Batteriemodul für ein Batteriespeichersystem und die Verwendung eines Batteriemoduls in einem Gehäuse.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Batteriemodul mindestens eine Trennwand aufweist, durch die das Batteriemodul quer zu seiner Längsachse in mindestens zwei Abschnitte aufgeteilt ist. Die Trennung ist dabei in vorteilhaften Ausgestaltungen so gewählt, dass im Gebrauch ein erster Abschnitt des Batteriemoduls in der ersten Zone des Gehäuses und ein zweiter Abschnitt des Batteriemoduls in der zweiten Zone des Gehäuses anordenbar ist. Die Trennwand weist in vorteilhaften Ausgestaltungen Durchgangsöffnungen auf, sodass ein Einschieben des Batteriemoduls in ein Aufnahmefach derart möglich ist, dass ein Abschnitt die Trennwand durchdringt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und eine Leistungselektronik, wobei die Leistungselektronik in dem ersten Abschnitt und die mindestens eine Batteriezelle in dem zweiten Abschnitt angeordnet sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Batteriemoduls sind die mindestens zwei Abschnitte zu einer gemeinsamen Einheit integriert. Als gemeinsame Einheit wird dabei eine Baueinheit bezeichnet, welche eine gemeinsame Handhabung erlaubt. Die Einheit ist dabei vorzugsweise durch ein Gehäuse eingehaust, sodass die Einheit durch unberechtigte Nutzer nur unter Zerstörung des Gehäuses aufhebbar ist. Das Batteriemodul ist dabei vorzugsweise so dimensioniert, dass es in Längsrichtung in ein Aufnahmefach einschiebbar ist, wobei das Batteriemodul durch eine in der Trennwand vorgesehene Durchgangsöffnung geschoben wird, sodass der erste Abschnitt des Batteriemoduls in der ersten Zone des Gehäuses und der zweite Abschnitt des Batteriemoduls in der zweiten Zone des Gehäuses angeordnet werden.
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Für die Verwendung des Batteriemoduls in dem Gehäuse ist vorgesehen, dass das Gehäuse und das Batteriemodul zueinander komplementäre Kontaktstellen aufweisen. Die Kontaktstellen ermöglichen eine mechanische und/oder eine elektrische Kopplung des Batteriemoduls mit dem Gehäuse.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist. Als Teil eines Ausführungsbeispiels beschriebene oder dargestellte Merkmale können ebenso in einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform der Erfindung zu erhalten.
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In den Zeichnungen zeigen schematisch:
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1: eine geschnittene Seitenansicht eines Batteriespeichersystems;
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2: eine Draufsicht auf eine Trennwand für ein Gehäuse des Batteriespeichersystems gemäß 1 und
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3: ein Detail III gemäß 1.
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1 zeigt schematisch eine geschnittene Seitenansicht eines Batteriespeichersystems 1 mit einem Gehäuse 2 und einer Vielzahl an Batteriemodulen 3, welche jeweils in ein Aufnahmefach 20 des Gehäuses 2 eingeschoben sind.
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In dem Gehäuse 2 ist eine Trennwand 4 angeordnet, mittels welcher das Gehäuse 2 in Längsrichtung L in eine erste Zone 21, auch Hochtemperaturzone genannt, und eine von der ersten Zone 21 getrennte zweite Zone 22, auch Niedrigtemperaturzone genannt, aufgeteilt ist. Die Trennwand 4 ist quer zu den Aufnahmefächern 20, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel senkrecht zu den Aufnahmefächern 20, angeordnet.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Trennwand 4 vertikal angeordnet. Durch die vertikal angeordnete Trennwand 4 sind mehrere Aufnahmefächer 20 mit horizontaler Einschubrichtung einheitlich in einen ersten, in der ersten Zone 21 angeordneten Teilbereich und einen zweiten, in der zweiten Zone 22 angeordneten Teilbereich unterteilbar. Die Aufnahmefächer 20 sind somit einheitlich gestaltet, sodass Batteriemodule 3 zwischen den Aufnahmefächern 20 beliebig austauschbar sind.
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Die zwei Zonen 21, 22 sind jeweils durch einen durch Pfeile dargestellten Kühlstrom vertikal durchströmbar. Zur Erzeugung der Kühlströme ist in einem Bodenbereich des Gehäuses 2 eine Luftkühlvorrichtung 5 mit mindestens einem Lüfter 50 vorgesehen. Mittels des Lüfters 50 wird unterhalb der Aufnahmefächer ein Überdruck erzeugt. In einem Grenzbereich zu den Aufnahmefächern 20 ist ein Lochgitter 6 angebracht. Durch die Größe der Löcher des Lochgitters 6 und deren Anordnung werden unterschiedliche Volumenströme für die zwei Zonen 21, 22 erzeugt.
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Zwischen zwei vertikal beabstandeten Aufnahmefächer 20 sind in der dargestellten Ausgestaltung Zwischenböden 23 vorgesehen, wobei die Zwischenböden 23 Öffnungen für die Kühlströme aufweisen.
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2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Trennwand 4 des Gehäuses 2 gemäß 1. Wie in 2 erkennbar ist, ist die Trennwand 4 als Lochrasterplatte mit einer Vielzahl an Durchgangsöffnungen 40 gestaltet. Die Batteriemodule 3 sind, wie in 1 erkennbar ist, durch die Durchgangsöffnungen 40 der Trennwand 4 geführt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Durchgangsöffnungen 40 in sieben Zeilen und vier Spalten angeordnet. Die Aufteilung ist jedoch lediglich beispielhaft. Die Trennwand 4 und das Gehäuse 2 gemäß 1 sind derart aneinander angepasst, dass jedem Aufnahmefach 20 gemäß 1 genau eine Durchgangsöffnung 40 zugeordnet ist.
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3 zeigt schematisch ein Detail III gemäß 1, wobei in 3 ein Batteriemodul 3 und ein Ausschnitt der Trennwand 4 dargestellt sind. Wie in 3 erkennbar ist, ist das Batteriemodul 3 ebenfalls mittels einer eine Trennwand 33 in zwei thermisch getrennte Abschnitte 31, 32 eingeteilt, wobei in einem ersten Abschnitt 31 eine Leistungselektronik und in einem zweiten Abschnitt 32 mehrere Batteriezellen vorgesehen sind. Die Leistungselektronik und die Batteriezellen sind somit innerhalb des Batteriemoduls 3 thermisch und räumlich getrennt. Das Batteriemodul 3 und das Gehäuse 2 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel derart aneinander angepasst, dass eine Trennebene des Batteriemoduls 3 sich nach dem Einschieben in derselben Ebene wie die Trennwand 4 des Gehäuses 2 (vgl. 1) befindet.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zwei Abschnitte 31, 32 des Batteriemoduls 3 zu einer gemeinsamen Einheit integriert. Das Batteriemodul 3 ist so dimensioniert, dass es in Längsrichtung in ein Aufnahmefach 20 gemäß 1 einschiebbar ist, wobei das Batteriemodul 3 durch eine in der Trennwand 4 vorgesehene Durchgangsöffnung 40 geschoben wird, sodass der erste Abschnitt 31 des Batteriemoduls 3 in der ersten Zone 21 des Gehäuses 2 und der zweite Abschnitt 32 des Batteriemoduls 3 in der zweiten Zone 22 des Gehäuses 2 angeordnet wird.
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Das Gehäuse 2 und die Batteriemodule 3 weisen komplementäre Kontaktstellen auf, die eine mechanische und/oder eine elektrische Kopplung des Batteriemoduls 3 mit dem Gehäuse 2 gewährleisten. Die Kontaktstellen sind so gestaltet, dass eine Kontaktierung des Batteriemoduls mit einer nicht dargestellten elektrischen Leitungseinrichtung des Gehäuses 2 sichergestellt ist. In einer Ausgestaltung erfolgt eine Lagerung der Batteriemodule 3 in dem Gehäuse 2 mittels der Zwischenböden. Weiter sind in den Aufnahmefächern 20 in einer Ausgestaltung geeignete Vorrichtungen zum Führen eines Batteriemoduls 3 bei einem Einsetzen vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich dient die Trennwand 4, genauer die Durchgangsöffnung, zum Lagern und/oder Führen der Batteriemodule 3.
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Durch die Trennwand 4 des Gehäuses 2 und die Gestaltung des Batteriemoduls 3 werden die Batteriezellen und die Leistungselektronik getrennt. Dadurch wird ein Erhitzen der Batteriezellen durch die Abwärme der Leistungselektronik verhindert oder zumindest reduziert. Da eine Alterung von Batteriezellen temperaturabhängig ist, kann so eine Alterungsgeschwindigkeit verringert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1462813 A2 [0005, 0005]
