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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der elektrischen Energieversorgung von elektromobilen Kraftfahrzeugen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Kühlung von einzelnen Zellen eines elektrischen Energiespeichers für ein elektromobiles Kraftfahrzeug. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Trägerelement für eine Energiespeicherzelle eines elektrischen Energiespeichers, einen elektrischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl derartiger Trägerelemente sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Trägerelements.
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Als elektromobile Kraftfahrzeuge bezeichnet man im Allgemeinen Kraftfahrzeuge, die ganz oder teilweise mittels elektrischer Energie angetrieben werden. Elektromobile Kraftfahrzeuge können beispielsweise Kraftfahrzeuge mit einem Hybridantrieb oder reine Elektrofahrzeuge sein.
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Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrische Energiespeicher auf. Die elektrische Maschine eines Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d.h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine verwendet werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie.
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Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt.
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Beide Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug, zeichnen sich dadurch aus, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen.
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Elektrische Energiespeicher für elektromobile Kraftfahrzeuge müssen daher in der Regel hohe Leistungsdichten und/oder hohe Energiedichten haben. Diese hohen Leistungsdichten und/oder hohen Energiedichten sollen innerhalb eines möglichst kleinen Bauraums erreicht werden. Nach dem derzeitigen Kenntnisstand werden diese Anforderungen mit elektrochemischen Energiespeicherzellen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, als mögliche elektrische Energiequellen realisiert. Auch der Einsatz von elektrostatischen Energiespeichern (Doppelschichtkondensatoren (DLC) oder Lithiumkondensatoren (LIC)) ist möglich.
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Beim Betrieb von elektrochemischen und/oder elektrostatischen Energiespeicherzellen entsteht durch hohe Lade- und Entladeströme in den Zellen durch den Innenwiderstand der Zellen und durch einen Stromfluss durch die Zellen Wärme. Für eine optimale Funktion und/oder eine hohe Lebensdauer und Betriebssicherheit des elektrischen Energiespeichers muss die entstehende Wärme an den einzelnen Zellen möglichst optimal abgeführt werden. Aufgrund der typischerweise sehr hohen Wärmemengen sollte die entstehende Wärme möglichst zielgerichtet abgeführt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine möglichst starke Wärmesenke geschaffen wird, welche mit der Wärmequelle, also mit der Energiespeicherzelle, über einen möglichst geringen thermischen Widerstand thermisch gekoppelt ist.
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Gleichzeitig muss die Energiespeicherzelle elektrisch isolierend gegenüber der Konstruktion eines Gehäuses eines elektrischen Energiespeichers oder eines elektrischen Energiespeichermoduls befestigt sein, um bei hohen Betriebsspannungen von beispielsweise 400 Volt Spannungsüberschläge zu verhindern. Bei der Konstruktion eines elektrischen Energiespeichers ist ferner darauf zu achten, dass neben den funktionellen Anforderungen mit einer möglichst optimalen thermischen Anbindung der jeweiligen Energiespeicherzelle an den Kühlkreislauf, möglichst geringe thermische Widerstände gegeben sind.
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Zur Kühlung von Energiespeicherzellen sind von einem Kühlmittel durchströmte Trägerelemente, sog. Kühlfinnen, bekannt. Dabei durchströmt das Kühlmittel entweder die gesamte Fläche der Kühlfinne oder es werden zusätzliche Elemente zum Verteilen eines Stromes von Kühlmittel auf verschiedene Kühlkanäle benötigt, die in einer oder in mehreren Kühlfinnen ausgebildet sind. Zur Verteilung eines Stromes von Kühlmittel werden sog. Kühlmittelverteiler verwendet, die mit einer Mehrzahl von Kühlfinnen gekoppelt werden. Kühlmittelverteiler können beispielsweise seitlich an einem Stapel von mehreren Kühlfinnen angebracht werden. Ein Kühlmittelverteiler kann ein plattenförmiges Element sein, in dem ein sich verzweigenden Kanalsystem ausgebildet ist. Ebenso kann ein Kühlmittelverteiler auch ein einfaches sich verzweigendes Rohrsystem sein. Anstelle eines sich verzweigenden Rohrsystems können auch mehrere gekrümmte Einzelrohre verwendet werden, mittels welchen die Kühlkanäle in den einzelnen Kühlfinnen in Reihe miteinander gekoppelt werden.
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Außerdem sind Kühllösungen bekannt, bei denen eine Mehrzahl von Kühlfinnen thermisch an eine gekühlte Bodenplatte angekoppelt werden (sog. einseitige Kühlung).
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Die bekannten Lösungen zur Kühlung von Energiespeicherzellen haben jedoch den Nachteil, dass bei der Realisierung eines elektrischen Energiespeichers eine relativ große Anzahl von Komponenten benötigt wird. Dies hat zur Folge, dass die Montage eines entsprechenden elektrischen Energiespeichers relativ kompliziert (und damit auch kostenintensiv) ist und dass mehrere Wärmübergänge entstehen, welche eine Übertragung von Wärme von einer Energiespeicherzelle hin zu einer Wärmesenke behindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung von Energiespeicherzellen eines elektrischen Energiespeichers zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Trägerelement für mindestens eine Energiespeicherzelle eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere für eine elektrochemische oder elektrostatische Energiespeicherzelle eines elektrischen Energiespeichers für ein elektromobiles Kraftfahrzeug beschrieben. Das beschriebene Trägerelement weist auf (a) einen flächigen Abschnitt mit einer zumindest annähernd planaren Oberfläche, an welcher die Energiespeicherzelle anbringbar ist, und (b) einen Randabschnitt, welcher mit dem flächigen Abschnitt entlang einer Kante des flächigen Abschnitts verbunden ist und welcher sich entlang einer z-Richtung erstreckt. Der flächige Abschnitt weist eine erste Dicke auf und der Randabschnitt weist eine zweite Dicke auf, welche größer ist als die erste Dicke. In dem Randabschnitt sind eine erste Verteileröffnung und eine zweite Verteileröffnung ausgebildet, welche sich entlang einer zu der z-Richtung senkrechten x-Richtung durch den Randabschnitt hindurch erstrecken. Auch die erste und zweite Dicke können sich entlang der x-Richtung erstrecken. In dem Randabschnitt ist ferner ein Kühlkanal ausgebildet, welcher sich entlang der z-Richtung zwischen der ersten Verteileröffnung und der zweiten Verteileröffnung erstreckt, wobei der Kühlkanal sowohl mit der ersten Verteileröffnung als auch mit der zweiten Verteileröffnung verbunden ist.
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Dem beschriebenen Trägerelement liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Aneinanderreihung von einer Mehrzahl von derartigen erfindungsgemäßen Trägerelementen ein Kühlmittelverteiler gebildet wird, welcher zwei Verteilerkanäle aufweist, wobei ein erster Verteilerkanal durch die Mehrzahl von hintereinander gesetzten ersten Verteileröffnungen gebildet wird und der zweite Verteilerkanal durch die Mehrzahl von hintereinander gesetzten zweiten Verteileröffnungen gebildet wird. Zwischen den beiden Verteilerkanälen erstreckt sich dann die entsprechende Mehrzahl von Kühlkanälen, wobei erfindungsgemäß jeweils ein Kühlkanal einem Trägerelement zugeordnet ist.
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Anschaulich ausgedrückt werden also durch die Aneinanderreihung der Mehrzahl von Trägerelementen entlang der x-Richtung innerhalb der Mehrzahl von Trägerelementen zwei interne Kühlmittelverteiler ausgebildet. Im Betrieb eines entsprechenden Energiespeichers, welche die Mehrzahl von Trägerelementen (mit jeweils zumindest einer daran angebrachten Energiespeicherzelle) aufweist, dient dann ein erster der beiden Kühlmittelverteiler dazu, ein zugeführtes kaltes Kühlmittel auf die Mehrzahl der Kühlkanäle zu verteilen. Der zweite der beiden Kühlmittelverteiler dient dazu, von der Mehrzahl der Kühlkanäle ausströmendes und zumindest teilweise erwärmtes Kühlmittel zu sammeln, um es an eine zentrale Kühleinheit insbesondere zum Zwecke einer Abkühlung und einer weiteren Verwendung als Kühlmittel abzugeben.
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Es wird darauf hingewiesen, dass das in diesem Dokument beschriebene Trägerelement neben der oben beschriebenen Funktion des (im Zusammenwirken mit anderen erfindungsgemäßen Trägerelementen) internen Verteilens von Kühlmittel auch noch weitere Funktionen erfüllt, welche für einen zuverlässigen Betrieb eines elektrischen Energiespeichers von Bedeutung sind. So kann der flächige Abschnitt des Trägerelements dazu dienen, dass mit einem möglichst guten thermischen Kontakt an einer Seite (flächig) eine elektrische Energiespeicherzelle fixiert werden kann. Ggf. kann auch an der der einen Seite gegenüberliegenden anderen Seite des flächigen Abschnitts eine weitere elektrische Energiespeicherzelle (flächig) angebracht werden. Außerdem dient das Trägerelement dazu, die von der Energiespeicherzelle oder die von den Energiespeicherzellen produzierte Wärme an das durch den Kühlkanal strömende Kühlmittel abzugeben.
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Die erste Verteileröffnung und/oder die zweite Verteileröffnung können insbesondere mittels einer Durchgangsbohrung realisiert sein. Allerdings können anstelle einer kreisförmigen Bohrung die Verteileröffnungen auch mittels nicht kreisförmigen Querschnitten realisiert werden. Die Formen dieser nicht kreisförmigen Querschnitte können so gewählt sein, dass die Strömungsverhältnisse und/oder die Wärmeübergänge zwischen dem Material des Randabschnitts und dem strömenden Kühlmittel weiter verbessert werden können.
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Das beschriebene Trägerelement hat den Vorteil, dass bei einer Aneinanderreihung einer Mehrzahl dieser Trägerelemente alle Kühlmittelströme der einzelnen Kühlkanäle parallelgeschaltet sind, wodurch ein sehr geringer Druckverlust über den gesamten Kühlaufbau erzielt werden kann und das Kühlmittel über sich herausbildende Kühlmittelverteiler mit geringstem thermischen Übergang den einzelnen Kühlfinnen zugeführt werden kann. Zudem wirken sich evtl. Verstopfungen beispielsweise durch Verunreinigungen nur auf die jeweiligen Kühlkanäle aus. Das betroffene Trägerelement wird dann von seinem benachbarten Trägerelement und/oder durch den sich bildenden Kühlmittelverteiler weiterhin gekühlt, da der thermische Widerstand sehr klein sein kann. Dies gilt insbesondere, wenn das Trägerelement aus einem thermisch gut leitenden Werkstoff wie beispielsweise Aluminium hergestellt ist.
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Die Dicke des flächigen Abschnitts und die im Vergleich dazu größere Dicke des Randabschnitts sind bevorzugt so gewählt, das eine Energiespeicherzelle (flächig) an dem flächigen Abschnitt angebracht werden kann, ohne dass die Energiespeicherzelle oberhalb oder unterhalb des Randbereichs hervorsteht. Dadurch kann gewährleistet werden, dass in einem elektrischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl von Trägerelementen die Randabschnitte von einander benachbarten Trägerelementen direkt aneinander anschließen können, so dass durch die Mehrzahl von ersten und zweiten Verteileröffnungen jeweils ein durchgehender erster bzw. zweiter Verteilerkanal gebildet wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Trägerelement einstückig und bevorzugt aus Aluminium ausgebildet. Dies hat im Vergleich zu einer mehrstückigen Lösung den Vorteil, dass die Herstellung des Trägerelements besonders einfach realisiert werden kann. Die Herstellung des Trägerelements kann beispielsweise mittels eines geeigneten Strangpressverfahrens erfolgen. Dabei kann die Strangrichtung parallel zu der z-Richtung orientiert sein. Durch eine Vereinzelung eines derartigen Strangs in Trennebenen, die senkrecht zu der z-Richtung orientiert sind, können dann die einzelnen Trägerelemente hergestellt werden.
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Die Verwendung von Aluminium als Grundmaterial für das Trägerelement hat insbesondere den Vorteil, dass das Trägerelement zum einen eine hohe thermische Leitfähigkeit und zum anderen ein geringes Gewicht aufweist. Beide Eigenschaften von Aluminium sind neben einem vergleichsweise geringen Preis von großem Vorteil, da damit zum einen (a) eine gute Wärmeabfuhr von einer an dem Trägerelement angebrachten Energiespeicherzelle hin zu einem durch den Kühlkanal strömenden Kühlmittel gewährleistet und zum anderen (b) ein eine Mehrzahl von Trägerelementen bzw. Energiespeicherzellen aufweisender elektrischen Energiespeicher bzw. ein elektrisches Energiespeichermodul mit einem geringen Eigengewicht realisiert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kühlkanal mittels einer Längskanals realisiert, der sich vollständig durch den Randabschnitt hindurch von einer ersten Oberfläche des Randabschnitts zu einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Randabschnitts erstreckt. Ferner weist das Trägerelement zwei Verschlusselemente auf, wobei ein erstes Verschlusselement eine erste Ausgangsöffnung des Längskanals an der ersten Oberfläche verschließt und wobei das zweite Verschlusselement eine zweite Ausgangsöffnung des Längskanals an der zweiten Oberfläche verschließt.
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Der Längskanal kann beispielsweise mittels einer Längsbohrung realisiert werden, welche entlang der z-Richtung in den Randabschnitt eingebracht wird.
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Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Längskanal anstelle eines Kreisquerschnitts auch einen beliebig anders geformten Querschnitt aufweisen kann. Ein solcher Querschnitt kann so gewählt sein, dass die Strömungsverhältnisse und/oder die Wärmeübergange zwischen dem Material des Randabschnitts und dem strömenden Kühlmittel weiter verbessert werden.
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Bei der Herstellung mittels eines Strangpressverfahrens kann der Längskanal durch eine geeignet geformte Matrize bereits bei der eigentlichen Strangpressung realisiert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Querschnitt des Längskanals von einem einfachen Kreisquerschnitt abweicht.
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Die Verschlusselemente können beispielsweise geeignete Verschlusskappen sein, welche in die entsprechenden Öffnungen eingebracht werden. Die Verschlusselemente können jedoch auch mittels geeigneten Umformungen an den Enden des Längskanals realisiert sein, so dass die Verschlusselemente und das Trägerelement einstückig ausgebildet sein können.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Trägerelement ferner auf (a) ein erstes Dichtelement, welches der ersten Verteileröffnung zugeordnet ist, und (b) ein zweites Dichtelement, welches der zweiten Verteileröffnung zugeordnet ist. Die beiden Dichtelemente weisen ein elastisches Material auf und sind derart ausgebildet, dass sie die entsprechende Verteileröffnung zu einer korrespondierenden Verteileröffnung eines zu dem Trägerelement benachbart angeordneten weiteren Trägerelements abdichten.
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Die Dichtelemente können beispielsweise jeweils mittels eines geeignet dimensionierten O-Rings realisiert werden. Um eine zuverlässige Positionierung der O-Ringe zu gewährleisten, kann um zumindest einen Ausgang der betreffenden Verteileröffnung herum eine entsprechend dimensionierte ringförmige Nut ausgebildet sein, in welche der betreffende O-Ring vor einem Zusammenfügen des Trägerelements mit einem weiteren Trägerelement eingebracht wird. Selbstverständlich können bei einer von einem Kreisquerschnitt abweichenden Querschnittsform auch anders geformte Dichtelemente und/oder Nuten verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Randabschnitt relativ zu dem flächigen Abschnitt derart angeordnet, dass der Randabschnitt den flächigen Abschnitt entlang einer zu der x-Richtung parallelen x-Achse in beide Richtungen überragt.
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Bei einer geeigneten Dimensionierung der Dicken des Randabschnittes und des flächigen Abschnittes kann somit auf vorteilhafte Weise erreicht werden, dass an beiden Seiten des flächigen Abschnitts jeweils eine Energiespeicherzelle angebracht werden kann, ohne dass eine der beiden Energiespeicherzellen entlang der x-Achse über den Randbereich hinausragt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass auch bei der Platzierung von jeweils zwei Energiespeicherzellen an einem Trägerelement in einem elektrischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl von Trägerelementen die Randabschnitte von einander benachbarten Trägerelementen direkt aneinander anschließen können, so dass durch die Mehrzahl von ersten und zweiten Verteileröffnungen jeweils ein durchgehender erster bzw. zweiter Verteilerkanal gebildet wird.
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Bevorzugt ist der Randabschnitt relativ zu dem flächigen Abschnitt derart angeordnet, dass das Trägerelement in Bezug zu einer Hauptebene, welche sich in der Mitte des flächigen Abschnitts befindet und welche parallel zu den beiden Hauptoberflächen des flächigen Abschnitt orientiert ist, symmetrisch ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass der Randabschnitt den flächigen Abschnitt entlang der x-Achse in beide Richtungen gleich weit überragt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Trägerelement ferner eine doppelseitig klebende Folie auf, welche flächig an dem flächigen Abschnitt angebracht ist.
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Mittels der beschriebenen doppelseitig klebenden Folie kann auf einfache und effiziente Weise die Energiespeicherzelle an dem flächigen Abschnitt angebracht werden. Die doppelseitig klebende Folie ist bevorzugt elektrisch isolierend und weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass eine an dem Trägerelement angebrachte Energiespeicherzelle (a) nicht in elektrischen Kontakt mit dem Trägerelement steht und (b) mit einem geringen thermischen Widerstand mit dem Trägerelement thermisch gekoppelt ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass im Falle der Anbringung von zwei Energiespeicherzellen an einem Trägerelement selbstverständlich zwei doppelseitig klebende Folien an verschiedenen Seiten des flächigen Abschnitts vorgesehen sein können, so dass, wie bereits oben beschrieben, in symmetrischer Weise jeweils eine Energiespeicherzelle an einer Seite des flächigen Abschnitts angebracht werden kann.
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Es wird ferner darauf hingewiesen, dass anstelle von einer oder von zwei doppelseitig klebende Folien alternativ auch ein Flüssigkleber zum Einsatz kommen kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Außenhülle der Energiespeicherzelle bereits eine ausreichende elektrische Durchschlagsfestigkeit und/oder elektrische Isolation aufweist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Trägerelement ferner einen Turbulator auf, welcher sich in dem Kühlkanal befindet.
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Der beschriebene Turbulator, welcher auch als Turbulenz- oder Vortexgenerator bezeichnet werden kann, kann dazu dienen, eine ursprünglich laminare Strömung von Kühlmittel in dem Kühlkanal in eine zumindest teilweise turbulente Strömung zu überführen. Damit kann ggf. erreicht werden, dass ein Wärmeübergang zwischen dem Randabschnitt, in welchem der Kühlkanal ausgebildet ist, und einem durch den Kühlkanal strömenden Kühlmittel verbessert wird.
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Der Turbulator kann jede beliebige Störung der Oberfläche der Innenwand des Kühlkanals sein. Der Turbulator kann auch ein separates längliches Bauteil sein, welche bei der Herstellung des Trägerelements einfach in den Kühlkanal eingeschoben wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Trägerelement ferner einen weiteren Randabschnitt auf, welcher mit dem flächigen Abschnitt entlang einer weiteren Kante des flächigen Abschnitts verbunden ist und welcher sich entlang der z-Richtung erstreckt, wobei die weitere Kante des flächigen Abschnitts und die Kante des flächigen Abschnitts einander gegenüberliegende Kanten des flächigen Abschnitts sind, zwischen welchen sich der flächige Abschnitt erstreckt. Dabei weist der weitere Randabschnitt eine weitere zweite Dicke auf, welche größer ist als die erste Dicke. In dem weiteren Randabschnitt sind eine weitere erste Verteileröffnung und eine weitere zweite Verteileröffnung ausgebildet, welche sich entlang der x-Richtung durch den weiteren Randabschnitt hindurch erstrecken. Auch die weitere zweite Dicke kann sich in x-Richtung erstrecken. Ferner ist in dem weiteren Randabschnitt ein weiterer Kühlkanal ausgebildet, welcher sich entlang der z-Richtung zwischen der weiteren ersten Verteileröffnung und der weiteren zweiten Verteileröffnung erstreckt, wobei der weitere Kühlkanal sowohl mit der weiteren ersten Verteileröffnung als auch mit der weiteren zweiten Verteileröffnung verbunden ist.
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Anschaulich ausgedrückt kann dies insbesondere bedeuten, dass das Trägerelement an zwei einander gegenüberliegenden und entlang der z-Richtung verlaufenden Kanten bzw. Seiten des flächigen Abschnitts jeweils einen Kühlkanal aufweist, durch den Kühlmittel zum Abtransport von Wärme strömt, die von zumindest einer an dem flächigen Abschnitt flächig angebrachten Energiespeicherzelle erzeugt wird. Damit verbessert sich auf vorteilhafte Weise der Wärmeabtransport.
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Bevorzugt ist die weitere zweite Dicke des weiteren Randabschnitts gleich wie die zweite Dicke des Randabschnitts. Dadurch kann das Trägerelement entlang einer zu der z-Richtung und zu der x-Richtung senkrechten y-Richtung in einer symmetrischen Bauform realisiert werden.
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Die Ausbildung des beschriebenen weiteren Randbereichs hat den Vorteil, dass ein Stapel von derartigen Trägerelementen, bei dem eine Mehrzahl von Trägerelementen mit jeweils zwei (im Vergleich zu dem flächigen Abschnitt verbreiterten) Randabschnitten entlang der x-Richtung aneinandergereiht sind, eine deutlich höhere mechanische Stabilität aufweist als ein Stapel von Trägerelementen, welche jeweils nur einen (im Vergleich zu dem flächigen Abschnitt verbreiterten) Randabschnitt aufweisen. Dies liegt daran, dass bei Trägerelementen mit jeweils zwei Randabschnitten die mechanische Verbindung zu einem benachbarten Trägerelement über beide Randabschnitte und nicht nur über lediglich einen Randabschnitt hergestellt werden kann.
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Es wird darauf hingewiesen, dass für den weiteren Randabschnitt, den darin ausgebildeten weiteren Kühlkanal und die darin ausgebildeten weiteren Verteileröffnungen die gleichen bevorzugten Ausgestaltungen und die daraus resultierenden Vorteile ergeben, die vorstehend für den (ersten) Randabschnitt, den darin ausgebildeten Kühlkanal und die darin ausgebildeten Verteileröffnungen erläutert sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektrischer Energiespeicher beschrieben, welcher insbesondere für ein elektromobiles Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Der elektrische Energiespeicher weist auf (a) eine Mehrzahl von Trägerelementen der vorstehend beschriebenen Art, welche entlang der x-Richtung in Form eines Stapels angeordnet sind, wobei jeweils zwei Randabschnitte, welchen unterschiedlichen einander direkt benachbarten Trägerelementen zugeordnet sind, derart aneinander anliegen, dass sich durch die Mehrzahl an ersten Verteileröffnungen ein erster Verteilerkanal bildet und dass sich durch die Mehrzahl an zweiten Verteileröffnungen ein zweiter Verteilerkanal bildet, und (b) eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen, wobei jeweils zumindest eine Energiespeicherzelle flächig an einer flächigen Seite des flächigen Abschnitts von einem der Trägerelemente angeordnet ist.
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Auch dem beschriebenen elektrischen Energiespeicher liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geeignete Stapelung von einer Mehrzahl von vorstehend beschriebenen Trägerelementen in dem elektrischen Energiespeicher ein Kühlmittelverteiler gebildet wird, welcher zwei Verteilerkanäle aufweist. Dabei wird der erste Verteilerkanal durch die Mehrzahl von hintereinander gesetzten ersten Verteileröffnungen gebildet und der zweite Verteilerkanal wird durch die Mehrzahl von hintereinander gesetzten zweiten Verteileröffnungen gebildet. Zwischen den beiden Verteilerkanälen erstreckt sich dann die entsprechende Mehrzahl von Kühlkanälen, wobei jeweils ein Kühlkanal einem Trägerelement bzw. einem Randabschnitt eines Trägerelements zugeordnet ist.
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Die einzelnen Trägerelemente können auf beliebige Weise aneinandergefügt sein. Beispielsweise können sog. Zuganker vorgesehen sein, welche die Mehrzahl von Trägerelementen zu einem mechanisch stabilen Verbund zusammenpresst. Dabei können auch sog. Abschlusselemente verwendet sein, zwischen denen die Mehrzahl von Trägerelementen eingeklemmt ist. Ein geeignetes Abschlusselement kann auch geeignete Verbindungskanäle aufweisen, so dass das Kühlmittel (a) durch das betreffende Abschlusselement einem ersten Trägerelement des Stapels von Trägerelementen zugeführt oder (b) von einem letzten Trägerelement des Stapels von Trägerelementen aufgenommen und weitergeleitet werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Querschnitte der Verteilerkanäle und die Querschnitte der Kühlkanäle derart dimensioniert, dass sich entlang des Stapels von Trägerelementen bei einem Betrieb des elektrischen Energiespeichers für alle Trägerelemente eine zumindest annähernd gleiche Strömungsstärke von Kühlmittel durch die entsprechenden Kühlkanäle ergibt. Dies hat den Vorteil, dass alle Energiespeicherzellen des elektrischen Energiespeichers auf einem zumindest annähernd gleichmäßigen Temperaturniveau gehalten werden können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Trägerelements der vorstehend beschriebenen Art dargestellt. Das beschriebene Verfahren weist die Schritte auf (a) Drücken eines Blocks aus einem Ausgangsmaterial durch eine Matrize, so dass entlang der z-Richtung ein geformter Materialstrang entsteht, und (b) Vereinzeln des geformten Materialstrangs entlang der z-Richtung in Schnittebenen, welche senkrecht zu der z-Richtung orientiert sind, wobei die Schnittebenen entlang der z-Richtung derart voneinander beabstandet sind, dass sich zwischen zwei benachbarten Schnittebenen genau ein Trägerelement der vorstehend beschrieben Art ergibt.
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Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mittels eines geeigneten Strangpressverfahrens die vorstehend beschriebenen Trägerelemente auf besonders einfache und effektive Weise hergestellt werden können. Insbesondere ist es möglich, dass bei der Strangpressprozedur das Trägerelement nicht nur in Bezug auf seine äußere Form gebildet wird. Vielmehr kann es auf vorteilhafte Weise auch möglich sein, die sich entlang der z-Richtung erstreckenden Kühlkanäle mittels der Strangpressprozedur auszubilden.
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Das Ausgangsmaterial und demzufolge auch das Material des Trägerelements kann insbesondere Aluminium sein, welches einen guten Kompromiss zwischen (a) der thermischen Leitfähigkeit, (b) dem Gewicht bei gleichzeitig guter mechanischer Festigkeit und (c) einer preiswert zu realisierenden Fertigung darstellt.
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Kühlkanäle können direkt beim Strangpressen ausgebildet werden. Eingebrachte Verschlüsse oder gezielte Umformungen an den Kanalenden verschließen diese Kanäle beidseitig nach dem Strangpressen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.
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1 zeigt in einer perspektivischen Explosionsdarstellung ein Trägerelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer daran angebrachten Energiespeicherzelle.
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2 zeigt das in 1 dargestellte Trägerelement in zwei Schnittdarstellungen.
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3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen elektrischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl von Trägerelementen, die mittels mehrerer Zuganker zu einem mechanisch festen Verbund eines Stapels von Trägerelementen zusammengefügt sind.
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4 zeigt den in 3 dargestellten elektrischen Energiespeicher in einer Schnittdarstellung.
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5 zeigt in einer schematischen Draufsicht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen elektrischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl von gestapelten Trägerelementen.
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6 zeigt gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen elektrischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl von gestapelten Trägerelementen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit anderen Bezugszeichen versehen sind, welche sich lediglich in ihrer ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheiden. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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1 zeigt in einer perspektivischen Explosionsdarstellung ein Trägerelement 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Trägerelement 100, welches auch als Kühlfinne bezeichnet wird, weist einen relativ dünnen flächigen Abschnitt 110 und zwei vergleichsweise dicke Randabschnitte 120 auf. An dem flächigen Abschnitt 110 ist mittels eines nicht dargestellten doppelseitigen Klebebandes eine elektrische Energiespeicherzelle 170 angebracht. Der Energiespeicherzelle 170 sind elektrische Zellenverbinder 171 zugeordnet, so dass die Energiespeicherzelle 170 in bekannter Weise mit einer nicht dargestellten anderen Energiespeicherzelle elektrisch verbunden werden kann.
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In jedem der beiden Randabschnitte 120 ist entlang einer z-Richtung ein Kühlkanal 124 ausgebildet, durch welchen ein Kühlmittel strömen kann, wenn das Trägerelement 100 zusammen mit anderen gleichartigen Trägerelementen, wie beispielsweise in 3 dargestellt, zu einem Stapelverbund zusammengefügt ist.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich in dem Kühlkanal 124 ein Turbulator 125. Der Turbulator 125, welcher in der Explosionsdarstellung von 1 außerhalb des Kühlkanals 124 dargestellt ist, kann dafür sorgen, dass durch eine zumindest teilweise turbulente Strömung von Kühlmittel in dem Kühlkanal 124 eine verbesserte thermische Kopplung zwischen dem Trägerelement 100 und dem Kühlmittel ergibt.
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Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Verwendung eines Turbulators optional ist. Für viele Anwendungen ist die thermische Kopplung zwischen dem Randabschnitt 120 des Trägerelements 100 und einem durch den Kühlkanal 124 strömenden Kühlmittel auch ohne einen Turbulator so stark, dass eine ausreichende Kühlung der Energiespeicherzelle 170 gewährleistet werden kann.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kühlkanal 124 mittels einer sich vollständig durch den jeweiligen Randbereich 120 entlang einer z-Richtung erstreckenden Längsbohrung realisiert. Um die beiden Enden von jeder Längsbohrung 124 zu verschließen, sind insgesamt vier Verschlusselemente 126 vorgesehen. In der perspektivischen Explosionsdarstellung von 1 sind lediglich zwei dieser insgesamt vier Verschlusselemente 126 zu erkennen.
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An jedem der beiden Randbereiche sind ferner zwei Verteileröffnungen, eine erste Verteileröffnung 121 und eine zweite Verteileröffnung 122 ausgebildet. Beide Verteileröffnungen 121 und 122 haben eine Verbindung zu dem entsprechenden (von zwei Verschlusselementen 126 abgedichteten) Kühlkanal 124.
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Bei einer Stapelung einer Mehrzahl von Trägerelementen 100 entlang der x-Richtung entstehen dann insgesamt vier Verteilerkanäle, die jeweils durch eine Aneinanderreihung von entsprechenden Verteileröffnungen gebildet sind. Mittels geeigneter Dichtungen 132, welche gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als O-Ringe ausgebildet und in entsprechenden Ringnuten 128 eingelegt sind, kann eine Dichtigkeit der Verteilerkanäle gegenüber einem Kühlmittelaustritt gewährleistet werden.
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Anschaulich ausgedrückt werden also in jedem Randabschnitt 120 durch eine Aneinanderreihung einer Mehrzahl von Randabschnitten 120 zwei interne Kühlmittelverteiler geschaffen, wobei einer der beiden Kühlmittelverteiler dazu dient, ein zugeführtes kaltes Kühlmittel auf die Mehrzahl der Kühlkanäle zu verteilen, und der andere der beiden Kühlmittelverteiler dazu dient, von der Mehrzahl der Kühlkanäle ausströmendes und zumindest teilweise erwärmtes Kühlmittel zu sammeln, um es an eine zentrale Kühleinheit abzugeben.
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Wie aus 1 ersichtlich, weist das Trägerelement 100 weitere Öffnungen 129 auf, wobei sich jeweils eine dieser Öffnungen 129 neben einer Verteileröffnung 121 oder 122 befindet. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen 129 sich entlang der x-Achse erstreckende Bohrungen, durch welche ein Zuganker geführt werden kann, welcher, wie beispielsweise in 3 dargestellt, einen Stapelverbund aus einer Mehrzahl von Trägerelementen 100 zusammen hält.
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2 zeigt das in 1 dargestellte Trägerelement 100 in zwei Schnittdarstellungen. Die linke Schnittdarstellung zeigt einen Schnitt in der z-y Ebene, die rechte Schnittdarstellung zeigt einen Schnitt in der z-x Ebene. Die Kühlkanäle 124 mit den darin eingebrachten optionalen Turbulatoren 125 verlaufen entlang der z-Richtung. Die Verteileröffnungen 121, 122, welche in einem Stapelverbund von einer Mehrzahl von Trägerelementen 100 einen Verteilerkanal bilden, verlaufen entlang der x-Richtung.
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3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen elektrischen Energiespeicher 380. Der elektrische Energiespeicher 380 wird häufig auch als Energiespeichermodul bezeichnet. Der elektrische Energiespeicher 380 weist eine Mehrzahl von Trägerelementen 100 auf, die auf einer Bodenplatte 386 angeordnet sind. Mittels zweier Abschlusselementen 382, welche von insgesamt vier Zuganker 384 gegeneinander gepresst werden, wird die Mehrzahl von Trägerelementen 100 zu einem festen Stapelverbund zusammengeklemmt.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die vordere der beiden Abschlusselemente 382 einen Zulaufstutzen 392 auf, über welchen dem Energiespeicher 380 Kühlmittel zugeführt werden kann. Mittels eines Ablaufstutzens 394 kann das Kühlmittel wieder abgeführt werden.
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Bei Berücksichtigung der Geometrie der in den 1 und 2 dargestellten Trägerelemente 100 ist zu verstehen, dass sich die insgesamt vier Verteilerkanäle (in 3 nicht zu erkennen) entlang der x-Richtung durch die Mehrzahl der Trägerelemente 100 erstrecken. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden oberen Verteilerkanäle mit dem Zulaufstutzen 392 verbunden. Zu diesem Zweck ist in dem vorderen Abschlusselement 382 ein sich entlang der y-Richtung erstreckender oberer Verbindungskanal ausgebildet, welcher seitlich von zwei Verschlusselementen (in 3 ist nur das rechte Verschlusselement 396 zu erkennen) verschlossen ist. In entsprechender Weise ist in dem vorderen Abschlusselement 382 ferner ein unterer Verbindungskanal ausgebildet, welcher sich ebenfalls entlang der y-Richtung erstreckt und welcher ebenfalls von zwei Verschlusselementen (in 3 ist nur das rechte Verschlusselement 396 zu erkennen) verschlossen ist. Der untere Verbindungskanal verbindet die beiden unteren Verteilerkanäle mit dem Ablaufstutzen 394.
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4 zeigt den in 3 dargestellten elektrischen Energiespeicher 380 in einer Schnittdarstellung. Die Schnittebene ist die z-x-Ebene. Es ist ersichtlich, dass sich die Verteilerkanäle, ein erster Verteilerkanal 421a zum Zuführen von Kühlmittel für die Mehrzahl von Kühlkanäle 124 und ein zweiter Verteilerkanal 422a zum Abführen von Kühlmittel von der Mehrzahl von Kühlkanälen 124, entlang der x-Richtung durch alle Trägerelemente 100 hindurch erstrecken. Die Kühlkanäle 124, von denen in der dargestellten Schnittdarstellung nur die durch die Verteileröffnungen 121, 122 bzw. durch die Verteilerkanäle 421a, 422a freigelegten oberen und unteren Enden zu sehen sind, erstrecken sich entlang der z-Richtung. Die bereits vorstehend erwähnten Verbindungskanäle 495, die in dem linken Abschlusselement 382 eine Verbindung zwischen den Verteilerkanälen 421a und 422a und dem Zulaufstutzen 392 bzw. dem Ablaufstutzen 394 herstellen, erstrecken sich senkrecht zu der Zeichenebene (z-x-Ebene) von 4.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich auch in dem rechten Abschlusselement 382 zwei Verbindungskanäle 495. Diese sind jedoch optional und sorgen hier lediglich für eine weitere Verbindung zwischen den beiden oberen Verteilerkanälen 421a (die unterschiedlichen Randabschnitten der Trägerelemente zugeordnet sind) und für eine zweite Verbindung zwischen den beiden unteren Verteilerkanälen 422a (die ebenfalls unterschiedlichen Randabschnitten der Trägerelemente zugeordnet sind).
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5 zeigt in einer schematischen Draufsicht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen elektrischen Energiespeicher 580 mit einer Mehrzahl von gestapelten Trägerelementen 100. an den flächigen Abschnitten 110 der Trägerelemente 100 ist jeweils eine Energiespeicherzelle 170 flächig angebracht. Durch die Mehrzahl von aneinander angrenzenden Randabschnitten erstreckten sich insgesamt vier Verteilerkanäle, wobei den rechten Randabschnitten 120 jeweils ein oberer Verteilerkanal 421a zum Zuführen von Kühlmittel und ein unterer Verteilerkanal 422a zum Abführen von Kühlmittel zugeordnet ist. Gleiches gilt für die linken Randabschnitte 120, denen ebenfalls jeweils ein oberer Verteilerkanal 421a zum Zuführen von Kühlmittel und ein unterer Verteilerkanal 422a zum Abführen von Kühlmittel zugeordnet ist.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verteilerkanäle 421a, 422a an ihrer hinteren Seite (in 5 oben) mittels jeweils eines Verschlusselements 523 verschlossen.
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Die Kühlmittelströme sind in 5 durch Pfeile dargestellt, Genauer ausgedrückt sind die Kühlmittelströme zum Zuführen von Kühlmittel durch die oberen Verteilerkanäle 421a mittels Pfeilen mit einer weißen Füllung dargestellt und die Kühlmittelströme zum Abführen von Kühlmittel durch die unteren Verteilerkanäle 422a sind mittels jeweils teilweise verdeckter Pfeile mit einer schraffierten weißen Füllung dargestellt.
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6 zeigt gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen elektrischen Energiespeicher 680 mit einer Mehrzahl von gestapelten Trägerelementen 100. Hier weist jeweils nur lediglich einer der beiden Randabschnitte 120 der Trägerelemente 100 einen Kühlkanal 124 auf. Dieser Kühlkanal 124 erstreckt sich in der Darstellung von 6, welche im Vergleich zu 5 um 90° gedreht ist, senkrecht zu der Zeichenebene. Entlang der x-Richtung betrachtet sind die Kühlkanäle jeweils abwechselnd in einem linken (in 6 oberen) Randabschnitt 120 und in einem rechten (in 6 unteren) Randabschnitt 120 ausgebildet. Die Verteilerkanäle 421a, 422b erstrecken sich entlang der x-Richtung.
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Die in diesem Dokument beschriebene Erfindung kann unter anderem die folgenden Vorteile aufweisen:
- – Ohne ein zusätzliches externes Element wird bei einer Aneinanderreihung einer Mehrzahl von Trägerelementen ein integrierter Kühlmittelverteiler realisiert.
- – Es kann auf einfache Weise eine besonders gute Kühlung mit einer maximierten Kühlleistung erreicht werden.
- – Durch die Parallelschaltung der einzelnen Kühlkanäle ist der Druckabfall des durchströmenden Kühlmittels auch bei maximaler Kühlleistung besonders gering.
- – Durch die Integration des Kühlmittelverteilers in die Mehrzahl der aneinander gestapelten Trägerelemente kann die Herstellung eines elektrischen Energiespeichers vereinfacht werden. Durch die reduzierte Anzahl von erforderlichen Komponenten können die Kosten der Herstellung von elektrischen Energiespeichern reduziert werden.
- – Durch eine Stapelbauweise kann die Montage der einzelnen Trägerelemente zu einem elektrischen Energiespeicher besonders einfach werden.
- – Es kann auf einfache Weise ein mechanisch stabiles Trägersystem für eine Mehrzahl von elektrischen Energiespeicherzellen bereitgestellt werden.
- – Ein elektrischer Energiespeicher bzw. ein elektrisches Energiespeichermodul kann insbesondere bei der Verwendung eines leichten Werkstoffes wie z.B. Aluminium für die Trägerelemente mit einem geringen Gewicht realisiert werden.
- – Durch geeignete Dichtelemente kann zwischen den Trägerelementen ein unerwünschtes Austreten von Kühlmittel verhindert werden.
- – Der elektrische Energiespeicher kann auf einfache Weise in Hinblick auf eine sehr gute Ausnutzung eines zur Verfügung stehenden Bauraumes optimiert werden.
- – Bei einer Integration der Kühlkanäle in ein Strangpressprofil können die Kühlkanäle automatisch ausgebildet werden. Dadurch wird die Herstellung der Trägerelemente weiter vereinfacht.
- – In dem resultierenden Kühlsystem kann auf einfache Weise eine Richtungsumkehrung des strömenden Kühlmittels vermieden werden. Dadurch wird automatisch eine unerwünschte Luftblasenbildung in dem Kühlmittel verhindert.
- – Der elektrische Energiespeicher kann so ausgebildet werden, dass während des Betriebs eine geringe Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Energiespeicherzellen auftritt.
- – Der elektrische Energiespeicher kann so ausgebildet werden, dass während des Betriebs über einer Oberfläche einer Energiespeicherzelle nur geringe Temperaturunterschiede auftreten.
- – Die Trägerelemente können entlang der z-Richtung beispielsweise durch eine Anpassung einer Profillänge eines Strangprofilabschnitts so dimensioniert werden, dass entsprechend dimensionierte Energiespeicherzellen mit einer für die jeweilige Anwendung geeigneten Speicherkapazität verwendet werden können.
- – Ein Energiespeicher mit einer Mehrzahl von Trägerelementen kann durch eine einfache Anpassung der Anzahl der (gestapelten) Trägerelemente hinsichtlich seiner Gesamtspannung an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
- – Zur Realisierung eines elektrischen Energiespeichers ist kein separates Gehäusebauteil erforderlich, da die einzelnen Trägerelemente zu einem selbsttragenden Aufbau zusammengefügt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Trägerelement/Kühlfinne
- 110
- flächiger Abschnitt
- 120
- Randabschnitt
- 121
- erste Verteileröffnung
- 122
- zweite Verteileröffnung
- 124
- Kühlkanal/Längskanal
- 125
- Turbulator
- 126
- Verschlusselement
- 128
- Ringnut
- 129
- Öffnung für Zuganker
- 132
- Dichtung
- 170
- Energiespeicherzelle
- 171
- elektrischer Zellenverbinder
- 380
- elektrischer Energiespeicher/elektrisches Energiespeichermodul
- 382
- Abschlusselement
- 384
- Zuganker
- 386
- Bodenplatte
- 392
- Zulaufstutzen
- 394
- Ablaufstutzen
- 396
- Verschlusselement
- 421a
- erster Verteilerkanal
- 422a
- zweiter Verteilerkanal
- 495
- Kühlmittelkanal (in Anschlusselement 382)
- 523
- Verschlusselement
- 580
- elektrischer Energiespeicher
- 680
- elektrischer Energiespeicher
