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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein Batterien und im Spezielleren ein Batteriemodul mit verbesserter thermischer Effizienz und reduzierter Packaging-Komplexität.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Hybrid- und Elektromotoren stellen eine Alternative zu herkömmlichen Mitteln für Kraftfahrzeugantriebsleistung bereit, indem sie eine traditionelle Brennkraftmaschine (ICE, vom engl. Internal Combustion Engine) entweder ergänzen (im Fall von Hybridfahrzeugen) oder vollständig ersetzen (im Fall von Elektrofahrzeugen). Eine Form solch eines alternativen Fahrzeuges ist als Fahrzeug mit verlängerter Reichweite (EREV, vom engl. Extended Range Electric Vehicle) bekannt. In einer Ausführungsform des EREV wird ein primärer Elektroantrieb mit einer Batterie erreicht, die als eine Gleichstrom(DC)-Spannungsquelle zu einem Motor, Generator oder Getriebe dient, welcher/s wiederum verwendet werden kann, um die Energie bereitzustellen, die benötigt wird, um eines oder mehrere Räder des Fahrzeuges zu drehen. Sobald die elektrische Ladung aus der Batterie erschöpft ist, kann eine Reserveleistung von einer ICE kommen, um eine zusätzliche eingebaute Erzeugung elektrischer Energie bereitzustellen. Der Chevrolet Volt ist ein EREV, der von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
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Es können verschiedenartige Batteriearchitekturen verwendet werden, um Antriebs- oder ähnliche Leistung an ein EREV bereitzustellen, welche Nickel-Metall-Hydrid-Batterien, Blei-Säure-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien umfassen. Von diesen scheint die Lithium-Ionen-Batterie für Fahrzeuganwendungen besonders vielversprechend. Eine Überlegung, unabhängig von der Batterieform, ist die Entfernung von Überschusswärme, die durch die elektrochemische Reaktion erzeugt wird, welche innerhalb der Batterie während des Betriebes stattfindet. Derzeitige innere Batteriewärmetauscher erfordern viele Komponenten und dichte Verbindungen wie auch komplizierte Fertigungsprozesse.
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Ein bekanntes Verfahren zum Kühlen von Batteriezellen besteht darin, zwei Zellen in Flächenkontakt mit einer Kühlrippe zu bringen, durch die ein Kühlmittel strömt. Die Kühlrippen sind durch Integrieren eines Einlass- und Auslasssammler/verteilerloches auf beiden Seiten der Rippe verbunden. Die Einlass- und Auslassverteiler werden dann gebildet, indem zwei oder mehr Rippen zusammengestapelt werden und die Einlass- und Auslasssammler/verteilerlöcher verbunden werden. Es kann eine O-Ringdichtung (oder eine ähnliche Dichtung) verwendet werden, um die Dichtung zwischen zwei Rippen zu bilden. Die Dichtungen für sowohl den Einlass als auch den Auslass werden typischerweise in einen Rahmen integriert, welcher die Zellen und die Rippen in Position in dem Stapel hält. Ein Beispiel dieses Systemtyps ist in 1 gezeigt, in der eine auseinandergezogene Darstellung eines Batterieblockes 10 gezeigt ist. Einzelne Batteriezellen 15 sind durch Kühlrippen 20 getrennt, sodass die durch die Batteriezellen 15 erzeugte Wärme in die Kühlrippen 20 geleitet wird. Die Kühlrippen 20 umfassen einen Kühleinlass 25 auf einer Seite und einen Kühlauslass 30 auf der anderen Seite mit Kanälen 35, um den Einlass 25 fluidtechnisch mit dem Auslass 30 zu koppeln. Zwei Batteriezellen 15 und eine Kühlrippe 20 können in einem Rahmen 40 enthalten sein. Auf beiden Seiten der Kühlrippe 20 befinden sich Dichtungen 45 für den Kühleinlass 25 und den Kühlauslass 30; diese Dichtungen 45 können in den Rahmen 40 integriert sein oder separat gebildet und anschließend angebracht werden. Zusätzlich zu den Dichtungen 45 erfordert diese Anordnung viele Komponenten sowie einen komplizierten Montageprozess.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Batteriemodul offenbart, welches zumindest zwei Batteriezellen und eine kontinuierliche Wellenrippe umfasst, welche um und zwischen Batteriezellen gebildet ist. Die Wellenrippe definiert eine allgemeine Serpentinenform, die aus einer sich wiederholenden Abfolge von geraden Rippenteilstücken, welche durch Kuppenteilstücke miteinander gekoppelt sind, besteht, wobei jedes der Wellenkuppenteilstücke zwei benachbarte gerade Wellenteilstücke verbindet.
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Optional, in einer speziellen Ausführungsform der Wellenrippe, definiert sie eine kontinuierliche Struktur über eine im Wesentlichen Gesamtheit des Batteriemoduls. In einer anderen Option kann eine nachgiebige Expansionseinheit zwischen einer der Batteriezellen und zumindest einer weiteren der Batteriezellen oder dem geraden Teilstück der Wellenrippe angeordnet sein. Die Expansionseinheit kann mithilfe eines beliebigen bekannten Verfahrens, z. B. mittels eines Klebers, an einem oder mehreren der benachbarten geraden Teilstücke befestigt sein. In einer speziellen Form steht/stehen eine oder beide Seiten der Expansionseinheit in Kontakt mit einem benachbarten der geraden Teilstücke. In einer weiteren Form steht (stehen) eine (oder beide) Seite(n) der Expansionseinheit in Kontakt mit einer benachbarten der anderen Batteriezellen. Eine Führungsnut kann als Teil eines der geraden Teilstücke gebildet sein. In einer weiteren Option kann/können eine oder mehrere Seiten jeder Batteriezelle derart hergestellt sein, dass sie in Kontakt mit einem benachbarten der geraden Teilstücke der Wellenrippe steht/stehen. In einer weiteren Option steht eine Seite jeder Batteriezelle in Kontakt mit einem benachbarten der geraden Teilstücke, während eine andere Seite in Kontakt mit einer Expansionseinheit steht. In einer noch weiteren optionalen Form steht eine Seite jeder Batteriezelle in Kontakt mit einem benachbarten der geraden Teilstücke, während eine andere Seite in Kontakt mit einer weiteren Batteriezelle steht. Eine Wärmesenke kann mit dem Batteriemodul gekoppelt sein. In einer bevorzugten Form ist sie an dem Modul entlang der Moduloberfläche angeordnet, welche mit dem Wellenkuppenabschnitt (auch als Rippenteilstück bezeichnet) der Wellenrippe übereinstimmt. In einer bevorzugten Form ist die Wärmesenke an dem Batteriemodul in einer solchen Weise angebracht, um die allgemein abgerundeten Enden, welche durch das Kuppenteilstück definiert sind, zusammenzudrücken; auf diese Weise wird das Kuppenteilstück verformt, sodass es eine allgemein ebene Kontaktfläche definiert, die ihren Kontaktbereich mit jenem der allgemein ebenen Fläche der benachbarten Wärmesenke verbessert. Es wird einzusehen sein, dass Abwandlungen an der Form des gerundeten Endes verwendet werden können, sodass das entsprechende Ausmaß an Oberflächenkontakt und Grenzflächendruck hergestellt wird. In einer speziellen Form kann die Wärmesenke Durchgänge für ein flüssiges Kühlmittel umfassen, sodass dieses als eine Möglichkeit hindurchströmt, die Fähigkeit der Wärmesenke zu erhöhen, Überschusswärme von dem Batteriemodul weg zu transportieren. Es kann auch eine zusätzliche Schicht von thermischem Grenzflächenmaterial zwischen den Kuppenteilstücken und der Wärmesenke angeordnet sein; solch ein Material kann auf spezielle Wärmeübertragungsnotwendigkeiten des Batteriemoduls maßgeschneidert sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Fahrzeugleistungsquelle ein oder mehrere Batteriemodul/e und einen Elektromotor, welcher mit diesem/n Modul oder Modulen zusammenwirkt. Elektrischer Strom, der von dem Batteriemodul erzeugt wird, stellt Antriebskraft an ein Fahrzeug über den Motor bereit. Das Modul umfasst mehrere Batteriezellen; und eine Wellenrippe, welche eine allgemeine Serpentinenform mit abwechselnden geraden Teilstücken und Kuppenteilstücken definiert, sodass zumindest eine der Vielzahl von Batteriezellen in einem Gebiet der Wellenrippe angeordnet ist, welches zwischen benachbarten geraden Teilstücken definiert ist. Im vorliegenden Kontext ist ein Fahrzeug jede Form eines Mittels zum Transportieren von Personen, welches mechanisierte (d. h. motorisierte) Leistung als Antriebsquelle verwenden kann. Als solches kann ein Fahrzeug einen Personenwagen, einen Lastwagen, ein Flugzeug, ein Raumfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Motorrad oder Varianten derselben umfassen. Ebenso kann ein Elektromotor jede Form umfassen, welche auf dem technischen Gebiet bekannt ist, beispielsweise einen elektrischen Induktionsmotor, der einen rotierenden Anker (Rotor) aufweist, welcher von einem gewickelten feststehenden Feld (Stator) umgeben ist, wobei Fachleute einsehen werden, dass, wenn elektrischer Strom durch die Wicklungen des Stators geleitet wird, ein Teil des Stators, welcher als Pol bekannt ist (der aus einem magnetisch durchlässigen Material wie Eisen hergestellt sein kann), um den herum die Wicklungen gewickelt sind, magnetisch erregt wird, was wiederum eine elektromagnetische Kraft an den Rotor weitergibt, die bewirkt, dass er rotiert. In bewegungstechnischen Anwendungen kann eine an dem Rotor angebrachte Welle verwendet werden, um Antriebskraft an das Fahrzeug durch das Drehen eines oder mehrerer verbundener Räder bereitzustellen.
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Optional ist eine Wärmesenke umfasst, die mit dem Batteriemodul gekoppelt ist, sodass der thermische Kontakt zwischen diesen verstärkt wird. Im Speziellen kann solch eine Verstärkung aus dem schwachen Festsitz zwischen den beiden resultieren, wobei die Wärmesenke gegen die Kuppenteilstücke drückt, um die Kontaktflächen der Kuppenteilstücke zusammenzudrücken; dieses Zusammendrücken hat eine allgemeine plateauförmige Abflachung des kontaktierten Kuppenteilstück-Abschnitts zur Folge. Solch eine Verflachung ist wirksam, um den Flächenbereichskontakt zwischen der Wärmesenke und der Wellenrippe zu vergrößern, um dadurch die Wärmeübertragung zwischen diesen zu verstärken. Wie an anderer Stelle angegeben, können die Kuppenteilstücke eine gekrümmte Form aufweisen, wenngleich auch andere Formen wünschenswert sind, welche das Verflachen der Kuppenteilstücke als eine Möglichkeit unterstützen, den Kontaktflächenbereich mit der Wärmesenke zu verstärken. Solch eine Wärmeübertragung kann mit einem optionalen Kühlfluidpfad verstärkt werden, welcher in der Wärmesenke gebildet ist. Es kann eine Expansion verwendet werden, welche, wie bei dem vorherigen Aspekt aus einem nachgiebigen Material hergestellt sein kann und auch an verschiedensten Stellen innerhalb des Serpentinenmusters der Wellenrippe angeordnet sein kann. Die Expansionseinheit kann z. B. zwischen einer der Batteriezellen und einer weiteren Batteriezelle angeordnet sein. In einer weiteren Form kann die Expansionseinheit zwischen einer der Batteriezellen und einem der geraden Teilstücke der Wellenrippe angeordnet sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls offenbart. Das Verfahren umfasst, dass eine thermisch leitfähige Platte so gewellt wird, dass eine kontinuierliche Wellenrippe gebildet wird. Jedes durch die Wellenrippe gebildete Gebiet definiert einen Raum oder ein Volumen zwischen zwei benachbarten geraden Teilstücken und den Kuppenteilstücken, welcher/s die zwei benachbarten geraden Teilstücke verbindet. Diese Gebiete gestatten die Anordnung einer oder mehrerer Batteriezellen und Expansionseinheiten. Das Verfahren umfasst weiter, dass eine oder mehrere Batteriezellen zwischen zumindest einigen Gebieten angeordnet werden, welche durch benachbarte gerade Teilstücke gebildet sind.
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Optional umfasst das Verfahren, dass eine komprimierbare Expansionseinheit zwischen zumindest einigen der geraden Teilstücke angeordnet wird. Das Verfahren kann zusätzlich umfassen, dass eine Wärmesenke in thermischer Verbindung mit zumindest einem Abschnitt des Kuppenteilstücks angeordnet wird; diese kann weiter verstärkt werden, indem eine Schicht aus einem thermischen Grenzflächenmaterial zwischen dem einen oder mehreren Kuppenteilstücken und der Wärmesenke angeordnet wird. In einer bevorzugten Form bewirkt das Anordnen der Wärmesenke in thermischer Verbindung mit dem Kuppenteilstück ein Verflachen zumindest des Abschnitts des Kuppenteilstücks, welcher in Kontakt mit der allgemein ebenen Fläche der Wärmesenke steht; solch eine Verflachung dient dazu, den Flächenbereichskontakt (und gleichzeitig den thermischen Kontakt) zwischen diesen zu verstärken. Wie bei den vorherigen Ausführungsformen können auch andere Merkmale wie z. B. Führungsnuten umfasst sein. Es kann ebenso ein kammförmiges Teil umfasst sein, um sicherzustellen, dass der thermische Kontakt zwischen den Kuppenteilstücken und der Wärmesenke aufrechterhalten bleibt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
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1 eine Veranschaulichung einer Anordnung gekühlter Batteriezellen nach dem Stand der Technik ist;
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2 eine Veranschaulichung einer Anordnung eines Batteriemoduls gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine Veranschaulichung eines Abschnitts des Batteriemoduls von 2 in größerem Detail ist;
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4 eine Veranschaulichung eines Abschnitts einer weiteren Anordnung des Batteriemoduls ist;
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5 eine Veranschaulichung eines Abschnitts einer weiteren Anordnung des Batteriemoduls ist;
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6 eine Veranschaulichung eines Abschnitts einer weiteren Anordnung des Batteriemoduls ist;
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7A bis 7F ein Verfahren zur Herstellung des Batteriemoduls von 2 illustrieren;
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8 eine Veranschaulichung eines Teils zum Befestigen der Kuppenteilstücke an den Wärmesenken ist; und
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9 eine Veranschaulichung einer Möglichkeit ist, wie das Teil von 8 verwendet werden kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezug nehmend auf die 2, 3 und 8 ist eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 100 der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem viele einzelne Batteriezellen 105 durch eine serpentinenförmige Wellenrippe 110 axial voneinander getrennt sind. Die Wellenrippe 110 und die angebrachten Batteriezelle (oder -zellen) 105 bilden gemeinsam eine Wellenrippenanordnung. Die Wellenrippe 110 umfasst gerade Teilstücke 115, welche sich benachbart der allgemein ebenen Flächen der verschiedenen Batteriezellen 105 erstrecken, wie auch Kuppenteilstücke 120, welche benachbarte gerade Teilstücke 115 verbinden; das Zusammenwirken eines Kuppenteilstücks 10 mit zwei benachbarten geraden Teilstücken 115 bildet ein voluminöses Gebiet, in das Batteriezellen 105 angeordnet werden können. In dieser Ausführungsform stehen die geraden Teilstücke 115 bevorzugt in Kontakt mit beiden Seiten jeder der Batteriezellen 105. Im vorliegenden Kontext umfasst der Ausdruck „Seite” soweit er die einzelnen Batteriezellen 105 betrifft, den großen Bereich allgemein ebener Flächen der Zelle und nicht deren kleinere Kantenbereiche. Die Anordnung der Zellen 105 zwischen einer einzigen durchgehenden Platte der Wellenrippe 110 stellt einen einfachen, robusten, inneren Batteriewärmetauscher bereit, welcher die thermische Effizienz verbessern wie auch zu einer beträchtlichen Reduktion der Teileanzahl führen kann, was wiederum ein kleineres Batteriemodul ermöglicht. Der Aufbau gestattet z. B. eine Vereinfachung des inneren Batteriewärmetauschers infolgedessen, dass weniger Komponenten in dem Modul 100 verwendet werden, da Plastikrahmen und einzelne Kühlrippen nicht erforderlich sind. Eine kontinuierliche Wellenrippe 110 kann viele Rahmen und Rippen ersetzen. In diesem Zusammenhang verbessert solch eine Ausgestaltung die Zuverlässigkeit und vereinfacht die Herstellung.
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Wie außerdem gezeigt, weist das Batteriemodul 100 obere und untere Wärmesenken 140 zusammen mit Endplatten 130 auf, welche sich an gegenüberliegenden Enden der gestapelten Zellen 105 befinden. Die Endplatten sind mithilfe von Spannankern/Verbindungselementen 135 aneinander befestigt. Wie speziell in 3 gezeigt, erzeugen die relativ steifen Wärmesenken 140, wenn sie an den Endplatten 130 (z. B. mittels Bolzen oder ähnlicher Verbindungselemente) befestigt werden, eine abflachende Form in den Kuppenteilstücken 120 der stärker verformbaren Wellenrippe 110. Der beträchtliche Kontaktbereich, gekoppelt mit der sicheren Verbindung, begünstigt eine robuste Grenzfläche zwischen der Wärmesenke 140 und der Wellenrippe 110. Während eine bevorzugte Form der Kuppenteilstücke 120 gekrümmt geformt ist, ist die vorliegende Ausführungsform nicht darauf beschränkt, da Fachleute einsehen werden, dass andere (z. B. in einer Spitze auslaufende, gespitzte oder ähnliche dreieckige geformte) Formen verwendet werden können, sofern sie sich bei einem Kontakt mit der benachbarten Fläche der Wärmesenke 140 in eine Gebiet mit großem Fächenbereichskontakt hinein verformen.
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Speziell Bezug nehmend auf die 8 und 9 kann das optionale Kammteil 160 (hierin auch als kammförmiges Teil bezeichnet) verwendet werden, um die Kuppenteilstücke 120, z. B. mittels Nieten, Schrauben oder ähnlicher Verbindungselemente, welche über Durchbrechungen 165 festgemacht werden können, sicher zu befestigen. Infolge der hohen thermischen Leitfähigkeit der Wellenrippe 110 (die, wie oben angeführt, aus Aluminium oder einem ähnlichen leitfähigen Material hergestellt ist), welche mit einem bevorzugt einteiligen Aufbau gekoppelt ist, wird die Wärme, die in jeder Batteriezelle 105 erzeugt wird, primär entlang der durch die geraden Teilstücke 115 und das Wellenkuppenteilstück 120 definierten Fläche und in die Wärmesenke 140 hinein geleitet. Dies gestattet auch eine Kühlung auf beiden Seiten der Batteriezelle 115, falls erwünscht. Ebenso begünstigt der verformbare Aufbau der Wellenrippe 110 auch die Maßtoleranz quer über das Modul während der Montage des Moduls 100; diese erhöhte Flexibilität gestattet geringere Toleranzen in Bezug darauf, wie flach die verschiedenen kontaktierenden Flächen sein müssen, um damit die Herstellung des Batteriemoduls 100 zu vereinfachen und deren Kosten zu reduzieren. In dem vorliegenden Kontext sind die den Aufbau der Wellenrippe 110 betreffenden Ausdrücke „einteilig” und „kontinuierlich” als untereinander austauschbar zu verstehen. Die Wellenrippe 110 kann z. B. aus einer einzigen länglichen Platte aus einem geeigneten Material (z. B. dem zuvor erwähnten Aluminium oder einer seiner Legierungen) gebildet sein, um dadurch die Anforderung der Einteiligkeit trivial zu erfüllen. Es können ebenso eigenständige Platten (z. B. durch Schweißen, Kleber, Verbindungselemente oder andere auf dem technischen Gebiet bekannte Techniken) miteinander befestigt werden, sodass der Aufbau und die Funktion der Wellenrippe 110 Attribute einer Einteiligkeit annimmt. In einer Form könnte das Kammteil 160 aus einem leitfähigen Material mit hinreichenden Steifigkeitseigenschaften konstruiert werden, um einen gleichmäßigen Kontakt und Druck über die gesamte Höhe der einzelnen Rippe 110 zu der Wärmesenke 140 zu ermöglichen. Das Kammteil 160 könnte eine Lippe oder ein ähnliches Verblockungsmerkmal 168 aufweisen, welche/s entweder an der Unterseite oder der Oberseite (die Unterseite ist gezeigt) gebildet ist, um eine Befestigung mit der Wärmesenke 140 herzustellen; solch ein Aufbau vereinfacht die Anbringung, indem eine Befestigung (z. B. mithilfe von Verbindungselementen 167, welche sich durch die Durchbrechungen 165 hindurch erstrecken) nur in der gegenüberliegenden Oberseite oder Unterseite erforderlich ist.
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Zwischen benachbarten geraden Teilstücken 115 können sich Expansionseinheiten 125 befinden, welche zwischen benachbarten Batteriezellen 105 angeordnet sind. Wie ersichtlich, ist die gesamte Form der Expansionseinheiten 125 allgemein ähnlich jener der Batteriezellen 105, wie oben erläutert; als solches umfasst der Ausdruck „Seite”, soweit er die einzelnen Expansionseinheiten 125 betrifft, den großen Bereich allgemein ebener Flächen der Zelle und nicht deren kleinere Kantenbereiche. Bei Betrachtung des Aufbaus von der Kante (wie in 2) ist die Stapelungsreihenfolge wie folgt: gerades Teilstück 115 – Batteriezelle 105 – gerades Teilstück 115 – Expansionseinheit 125 – gerades Teilstück 115 – Batteriezelle 105 – gerades Teilstück 115 – Expansionseinheit 125 und so weiter. In einer exemplarischen Form können die Expansionseinheiten 125 Platten oder Schichten aus einem Schaum oder einem ähnlichen leichten, nachgiebigen Material geringer thermischer Leitfähigkeit sein. In dem vorliegenden Kontext wird eine Platte oder Schicht aus einem Material als nachgiebig angesehen, wenn gegen sie angewendete Druck- oder ähnliche Kräfte dazu neigen werden, einen gewissen Grad an Verformbarkeit zu bewirken. Die Expansionseinheit 125 gleicht die Zellentoleranz und Expansionsschwankung in der Richtung durch die Dicke der Zellen 105 hindurch aus.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 4, 5 und 6 sind alternative Ausführungsformen der verflochtenen Natur der Wellenrippe 110 mit den Batteriezellen 105 gezeigt. In der Ausführungsform, welche in 4 abgebildet ist, sind die geraden Teilstücke 115 zwischen jede der Batteriezellen 105 eingestreut, wobei sich Paare von Zellen 105 nebeneinander befinden, im Gegensatz zu dem rein abwechselnden Zelle-Wellenrippe-Zelle-Format von 2. Je nach erforderlicher Kühlleistung und Ausgestaltung der Zelle 105 sind andere Anordnungen möglich. Es könnte z. B. Anordnungen geben (wie in 5 gezeigt), in denen gerade Teilstücke 115 zwischen jeweils zwei Batteriezellen 105 oder jeweils drei Batteriezellen angeordnet sind (nicht gezeigt). Es sind andere Anordnungen möglich, wie Fachleute einsehen werden. Es können z. B. Expansionseinheiten 125 zwischen benachbarten Batteriezellen 105 (wie z. B. in den 2 und 6 gezeigt) jeweils zwei Batteriezellen (siehe z. B. die 4 und 5) oder zwischen jeweils drei Batteriezellen (nicht gezeigt) angeordnet sein.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 7A bis 7F sind die Schritte veranschaulicht, welche einem Verfahren zum Herstellen des Batteriemoduls 100 zugehörig sind. Als Erstes wird die Metallplatte (welche in einem nicht einschränkenden Beispiel eine Flache Platte 109 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung umfasst) von 7A zu der Wellenrippe 110 von 7B gewellt, um gerade Teilstücke 115 mit Kuppenteilstücken 120 zu definieren, welche zwei benachbarte gerade Teilstücke 115 zusammenfügen. Da die Kühlmittelströmung nur an den Seiten des Moduls 100 und nicht zwischen jeder Batteriezelle oder jeder anderen Batteriezelle vorhanden ist, gibt es mit der Wellenrippe 110 der vorliegenden Erfindung weniger Dichtungen als bei anderen Bauarten. Diese Reduktion bei den Dichtungseinrichtungsmitteln sorgt für niedrigere Material- und Herstellungskosten. Ebenso sind, da keine Dichtungen (welche sehr empfindlich gegenüber der Oberflächenreinheit sind) notwendig sind, sind für die Metallplatte nur normale Reinheitsstandards erforderlich. Wie allgemein in 7C und in größerem Detail in 7D gezeigt, können die Expansionseinheiten 125 auf einer Seite der geraden Wellenrippenteilstücke 115 angeordnet werden, während Positionierungsnuten 145 in die Wellenrippe 110 eingebaut werden können, um Sitzpositionierungen für die Expansionseinheiten 125 bereitzustellen. Die Expansionseinheiten 125 können mithilfe eines Klebers an den geraden Wellenrippenteilstücken 115 angebracht werden, falls erwünscht. 7E zeigt Führungsnuten 150, welche in einer Weise allgemein jenen der Positionierungsnuten 145 ähnlich sind, welche in den geraden Wellenrippenteilstücken 115 gebildet sind, um die Batteriezellen 105 zu positionieren. Die Positionierungsnuten 145 und die Batteriezellen-Führungsnuten 150 können als eine Möglichkeit in die Wellenrippe 110 hinein konstruiert sein, für eine Quetschinitialisierungsfunktionalität zu sorgen, wenn die Wärmesenke 140 auf die Wellenrippen-Kuppenteilstücke 120 drückt und sie verflacht. Eine Optimierung solch einer Konstruktion kann mithilfe bekannter Mittel wie z. B. eines rechnergestützten Engineerings (CAE, vom engt. Computer-Aided Engineering) oder ähnlicher Ansätze erreicht werden. Nachdem die Zellen 105 und die Expansionseinheiten 125 an der Wellenrippe 110 angebracht sind, wird die Anordnung sodann zusammengedrückt, wie in 7F gezeigt. Wenngleich in 7F der Einfachheit halber nicht gezeigt, wird einzusehen sein, dass die Positionierungsnuten 145 und die Führungsnuten 150 der 7D und 7E (falls verwendet) in der zusammengedrückten Anordnung noch vorhanden sind. Es wird ferner einzusehen sein, dass die genaue Form der Nuten 145, 150 wie auch jene der Wellenrippenkuppe 120 aus Gründen des Gewichts, der Kosten, der Herstellbarkeit, der thermischen oder mechanischen Eigenschaften oder dergleichen optimiert werden können, und dass solche Varianten als innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegend zu betrachten sind. Danach werden die Endplatte 130 und die Wärmesenkenrahmen 140 angebracht, um das Batteriemodul 100 von 2 herzustellen.
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Die Wärmesenken 140 weisen einen Kanal auf, durch welchen hindurch ein Kühlmittel (z. B. ein flüssiges Kühlmittel) gepumpt werden kann. Die Wärmesenken 140 können durch Pressen von zwei Metall(z. B. Aluminium)-Platten und Zusammenlöten oder -schweißen derselben gebildet werden, wobei Oberflächenwelligkeiten den gebildeten Kanälen entsprechen können. Da die Wärmesenken 140 auf den Seiten der Basis des Moduls 100 angeordnet sind, ist für jede Wärmesenke 140 nur ein Kühlmitteleinlass und -auslass erforderlich, wodurch die Notwendigkeit vieler Dichtungen für jede Kühlrippe eliminiert ist; dieser Ansatz bringt reduzierte Kosten und weniger Komplexität des Moduls 100 mit sich.
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Erneut Bezug nehmend auf 2 kann eine optionale Schicht 155 aus einem thermischen Grenzflächenmaterial (TIM, vom engl. Thermal Interface Material) zwischen dem Rahmen der Wärmesenke 140 und dem abgeflachten Abschnitt des Kuppenteilstücks 120 aufgebracht werden. Dieses hilft dabei, einen guten thermischen Kontakt zu halten. Die Verwendung des TIM zur Herstellung des thermischen Kontakts zwischen dem Kuppenteilstück 120 und der Wärmesenke 140 gestattet eine einfachere Zerlegung des Batteriemoduls 100 gegenüber der Verwendung eines Klebers.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „allgemein”, „üblicherweise” und „typischerweise”, hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke nur alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und Einzelkomponenten unabhängig davon zu repräsentieren, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert sind. Eine „Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, in dem eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist, etc. umfassen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „im Wesentlichen”, hierin verwendet wird, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen”, wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
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Nach der Beschreibung der Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
