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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Batteriepaket und insbesondere einen Wärmetauscher für das Batteriepaket.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Batteriezelle ist als eine saubere, effiziente und umweltbewusste Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene weitere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine Art von Batteriezelle ist als die Lithium-Ionen-Batterie bekannt. Die Lithium-Ionen-Batterie ist wiederaufladbar und kann zu einer Vielzahl von Formen und Größen geformt werden, um in Elektrofahrzeugen verfügbaren Raum effizient zu füllen. Die Batteriezelle kann zum Beispiel von prismatischer Form sein, um ein Stapeln der Batteriezellen zu erleichtern. In einem Batteriepaket können mehrere einzelne Batteriezellen vorgesehen werden, um einen zum Betreiben von Elektrofahrzeugen ausreichenden Leistungsbetrag vorzusehen.
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Typische prismatische Batteriezellen weisen ein Paar von kunststoffbeschichteten Metallschichten auf, die um einen Umfang der Batteriezelle schmelzgeschweißt sind, um die Batteriezellenkomponenten abzudichten. Das Abdichten der Batteriezellen beginnt im Allgemeinen damit, dass eine der kunststoffbeschichteten Metallschichten mit einem Hohlraum versehen wird, der manchmal als ”Butterdosen”-Form bezeichnet wird. Die Batteriezellenkomponenten werden in dem Hohlraum der kunststoffbeschichteten Metallschicht angeordnet. Die andere der kunststoffbeschichteten Metallschichten wird dann oben auf die Batteriezellenkomponenten gesetzt und an dem Umfang an die eine der kunststoffbeschichteten Metallschichten mit dem Hohlraum zum Beispiel durch Heißversiegeln um die Ränder schmelzgeschweißt. Dadurch wird die Batteriezelle für den Einbau in dem Batteriepaket vorgesehen.
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Im Betrieb und während eines Ladezyklus sind Batteriezellen, wie Lithiumionen-Batteriezellen, einer Zunahme der Temperatur ausgesetzt und haben Wärmetauscher-Kühlsysteme erfordert. Ein bekanntes Verfahren zum Kühlen von Batteriezellen besteht darin, die Batteriezellen in Flächenkontakt mit Kühlrippen zu bringen, durch die ein Kühlmittel strömt. Die Kühlrippen sind allgemein durch zwei flexible Metall-Faltenbalgkomponenten verbunden, die die Einlass- und Auslasssammler für das Kühlmittel bilden. Die Kühlrippen und die Faltenbalge können durch Hartlöten oder ein alternatives Verfahren verbunden werden. Wenn die Batteriezellen zwischen die Kühlrippen eingesetzt werden, müssen die Faltenbalge ausgedehnt sein, um den Kühlrippenversatz zu erhöhen. Sobald die Batteriezellen zwischen den Kühlrippen positioniert worden sind, muss die Kühlerbaugruppe zusammengepresst werden, um die Kühlrippen in Kontakt mit den Batteriezellen zu drücken.
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Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einer vereinfachten Wärmetauscherbaugruppe als Ersatz des bekannten flexiblen Faltenbalg-Kühlers, der schwierig zu handhaben und zu positionieren ist. Die vereinfachte Wärmetauscherbaugruppe soll auch eine Komplexität der Herstellung eines Batteriepakets mit der Wärmetauscherbaugruppe minimieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist überraschend eine vereinfachte Wärmetauscherbaugruppe entdeckt worden, um den bekannten flexiblen Faltenbalg-Kühler zu ersetzen, der schwierig handzuhaben und zu positionieren ist und die eine Komplexität der Herstellung eines Batteriepakets mit der Wärmetauscherbaugruppe minimiert.
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Bei einer Ausführungsform weist eine Rahmenbaugruppe für eine Batteriezellenpackung einen Rahmenkörper und ein Paar von Rahmenabdeckungen auf. Der Rahmenkörper besitzt eine erste Ausnehmung, eine zweite Ausnehmung und eine Zentraldurchbrechung. Die Zentraldurchbrechung ist zwischen der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung angeordnet. Die erste Ausnehmung ist derart konfiguriert, eine erste Batteriezelle aufzunehmen. Die zweite Ausnehmung ist derart konfiguriert, eine zweite Batteriezelle aufzunehmen. Die Zentraldurchbrechung ist derart konfiguriert, eine Expansionseinheit aufzunehmen. Jede der Rahmenabdeckungen ist benachbart einem von der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung zum Halten der ersten Batteriezelle, der zweiten Batteriezelle und der Expansionseinheit in dem Rahmenkörper angeordnet.
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Bei einer anderen Ausführungsform weist eine Batteriepackung eine erste Batteriezelle und eine zweite Batteriezelle sowie eine Expansionseinheit auf, die zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle angeordnet ist. Die Batteriepackung weist auch eine Rahmenbaugruppe mit einem Rahmenkörper und einem Paar von Rahmenabdeckungen auf. Der Rahmenkörper weist eine erste Ausnehmung, eine zweite Ausnehmung und eine Zentraldurchbrechung auf. Die Zentraldurchbrechung ist zwischen der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung angeordnet. Die erste Ausnehmung nimmt die erste Batteriezelle auf. Die zweite Ausnehmung nimmt die zweite Batteriezelle auf. Die Zentraldurchbrechung nimmt die Expansionseinheit auf. Jede der Rahmenabdeckungen ist benachbart einem von der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung angeordnet. Die Rahmenabdeckungen halten die erste Batteriezelle, die zweite Batteriezelle und die Expansionseinheit in dem Rahmenkörper.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist ein Batteriepaket eine Mehrzahl von Batteriepackungen auf. Jede der Batteriepackungen weist eine erste Batteriezelle und eine zweite Batteriezelle sowie eine Expansionseinheit auf. Die Expansionseinheit ist zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle angeordnet. Jede der Batteriepackungen weist auch eine Rahmenbaugruppe mit einem Rahmenkörper und einem Paar von Rahmenabdeckungen auf. Der Rahmenkörper besitzt eine erste Ausnehmung, eine zweite Ausnehmung und eine Zentraldurchbrechung. Die Zentraldurchbrechung ist zwischen der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung angeordnet. Die erste Ausnehmung nimmt die erste Batteriezelle auf. Die zweite Ausnehmung nimmt die zweite Batteriezelle auf. Die Zentraldurchbrechung nimmt die Expansionseinheit auf. Jede der Rahmenabdeckungen ist benachbart einem von der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung angeordnet, um die erste Batteriezelle, die zweite Batteriezelle und die Expansionseinheit in dem Rahmenkörper zu halten. Das Batteriepaket weist auch einen Wärmetauscher auf. Der Wärmetauscher besitzt eine Mehrzahl von Kühlrippen. Zumindest eine der Kühlrippen ist zwischen einem Paar der Mehrzahl von Batteriepackungen angeordnet.
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Bei einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriepakets die Schritte zum Stapeln einer Mehrzahl von Batteriepackungen, wobei jede der Batteriepackungen eine erste Batteriezelle und eine zweite Batteriezelle, eine Expansionseinheit, die zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle angeordnet ist, und eine Rahmenbaugruppe mit einem Rahmenkörper und einem Paar von Rahmenabdeckungen aufweist, wobei der Rahmenkörper eine erste Ausnehmung, eine zweite Ausnehmung und eine Zentraldurchbrechung besitzt, die zwischen der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung angeordnet ist, wobei die erste Ausnehmung die erste Batteriezelle aufnimmt, die zweite Ausnehmung die zweite Batteriezelle aufnimmt und die Zentraldurchbrechung die Expansionseinheit aufnimmt, wobei jede der Rahmenabdeckungen benachbart einer von der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung angeordnet ist, um die erste Batteriezelle, die zweite Batteriezelle und die Expansionseinheit in dem Rahmenkörper zu halten; und zum Einsetzen der Mehrzahl von Batteriepackungen in einen Wärmetauscher, der eine Mehrzahl von Kühlrippen aufweist, wobei zumindest eine der Kühlrippen zwischen einem Paar der Mehrzahl von Batteriepackungen angeordnet ist.
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ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezug auf die hier beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
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1 ist eine perspektivische Seitenansicht in Explosionsdarstellung einer Rahmenbaugruppe, die einen Rahmenkörper und ein paar von Rahmenabdeckungen für eine Batteriepackung aufweist;
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2 ist eine perspektivische Seitenansicht teilweise in Explosionsdarstellung einer Batteriestapelbaugruppe mit einer Mehrzahl von Batteriepackungen und einem Wärmetauscher, wobei jede der Batteriepackungen eine Rahmenbaugruppe besitzt, wie in 1 gezeigt ist;
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3 ist eine bruchstückhafte Schnittseitenansicht teilweise in Explosionsdarstellung der Batteriestapelbaugruppe entlang der Schnittlinie A-A in 2, wobei der Wärmetauscher teilweise so gezeigt ist, dass Kühlrippen des Wärmetauschers zum Zusammenwirken mit den Batteriepackungen veranschaulicht sind; und
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4 ist eine bruchstückhafte Schnittseitenansicht der Batteriepaketbaugruppe mit den Batteriepackungen und dem Wärmetauscher, der in 3 gezeigt ist, wobei die Kühlrippen des Wärmetauschers mit den Batteriepackungen zusammenwirken.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur und sind somit weder notwendig noch kritisch.
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Mit Bezug auf die 1 bis 4 ist eine Batteriepaketbaugruppe 100 mit einer Mehrzahl von Batteriepackungen 102 und einem Wärmetauscher 104 gezeigt. Jede der Batteriepackungen 102 weist eine Rahmenbaugruppe 106, eine erste Batteriezelle 108 und eine zweite Batteriezelle 110 auf. Eine Expansionseinheit 112 ist zwischen der ersten Batteriezelle 108 und der zweiten Batteriezelle 110 angeordnet, um eine Variation der Dicken der ersten Batteriezelle 108 und der zweiten Batteriezelle 110 wie auch eine Expansion der ersten und zweiten Batteriezelle 108, 110 während des Betriebs zu kompensieren. Jede von der ersten Batteriezelle 108, der zweiten Batteriezelle 110 und der Expansionseinheit 112 wird von der Rahmenbaugruppe 106 gehalten und durch diese geschützt. Die Batteriepackungen 102 sind in einem Stapel angeordnet und werden in den Wärmetauscher 104 eingesetzt, um die Batteriepaketbaugruppe 100 zu bilden.
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Der Wärmetauscher 104 der vorliegenden Offenbarung kann als ein im Wesentlichen starrer Körper hergestellt werden. Beispielsweise kann der Wärmetauscher 104 ein Kühler mit Rohren (nicht gezeigt) sein, die mit Kühlrippen 126 verbunden sind. Die Kühlrippen 136 können zumindest eine darin geformte Leitung aufweisen, durch die ein Kühlmittel von den daran verbundenen Rohren umgewälzt wird. Bei anderen Ausführungsformen leiten die Kühlrippen 136 Wärme von den Batteriepackungen 102 und übertragen die Wärme auf das Kühlmittel in den Rohren. Vorteilhafterweise sind weder Faltenbalge noch Expansion und Kontraktion des Wärmetauschers 104 mit der Batteriepaketbaugruppe 100 der vorliegenden Offenbarung notwendig.
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Die erste und zweite Batteriezelle 108, 110 sind derart konfiguriert, Leistung aus einer elektrochemischen Reaktion zu erzeugen. Die erste und zweite Batteriezelle 108, 110 können jeweils eine prismatische Batteriezelle sein, wie beispielsweise in der vom Anmelder ebenfalls anhängigen U. S. Patentanmeldung Seriennummer 13/035,236 von Heise beschrieben und gezeigt ist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel ist jede der ersten und zweiten Batteriezelle 108, 110 eine prismatische Lithiumionen-(Li-Ionen-)Beutelzelle, die elektrische Laschen 114 aufweist, um die erste und zweite Batteriezelle 108, 110 in elektrische Kommunikation mit einer Last, wie einem Elektrofahrzeug, zu bringen. Die Expansionseinheit 112 kann eine Polymerschaumschicht sein, die eine Expansion und Kontraktion der ersten und zweiten Batteriezelle 108, 110 während des Betriebs zulässt. Es sei angemerkt, dass auch andere Typen der ersten und zweiten Batteriezelle 108, 110, die eine andere Struktur und eine andere Elektrochemie verwenden, und andere Typen von Expansionseinheiten 112 innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
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Wie in 1 gezeigt ist, weist die Rahmenbaugruppe 106 einen Rahmenkörper 116 und ein Paar von Rahmenabdeckungen 118 auf, die derart konfiguriert sind, jede der Batteriezellen 108, 110 in dem Rahmenkörper 116 zu halten und zu positionieren. Der Rahmenkörper 116 besitzt eine erste Ausnehmung 120 zur Aufnahme der ersten Batteriezelle 108 und eine zweite Ausnehmung 122 zur Aufnahme der zweiten Batteriezelle 110. Der Hauptkörper 116 besitzt auch eine Zentraldurchbrechung 124, die derart konfiguriert ist, die Expansionseinheit 112 aufzunehmen. Die Zentraldurchbrechung 124 positioniert die Expansionseinheit 112 zwischen der ersten Batteriezelle 108 und der zweiten Batteriezelle 110.
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Jede der Rahmenabdeckungen 118 ist benachbart einer von der ersten Ausnehmung 120 und der zweiten Ausnehmung 122 zur Positionierung der ersten Batteriezelle 108, der zweiten Batteriezelle 110 und der Expansionseinheit 112 in dem Rahmenkörper 116 angeordnet. Die Rahmenabdeckungen 118 können beispielsweise über den Rahmenkörper 116 gleiten. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Rahmenkörper 116 eine Mehrzahl von Laschen 126 aufweisen, die derart konfiguriert sind, mit den Rahmenabdeckungen 118 zusammenzuwirken, um die Rahmenabdeckungen 118 an dem Rahmenkörper 116 zu sichern. Bei einer bestimmten Ausführungsform besitzt jede der Laschen 126 eine daran geformte Rastklinke 128, die von einer jeweiligen Kerbe 130 in jeder der Rahmenabdeckungen 118 aufgenommen ist. Es können auch andere geeignete Mittel zum Sichern der Rahmenabdeckungen 118 an dem Rahmenkörper 116 innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
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Es sei angemerkt, dass die Rahmenabdeckungen 118 zusätzlich zu einem Schutz der Außenflächen der Batteriezellen 106, 108 und zum Halten der Batteriezellen 106, 108 und der Expansionseinheit 112 in Position in der vertikalen und lateralen Richtung auch eine begrenzte Bewegung in einer Stapelrichtung ermöglichen.
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Die Rahmenabdeckungen 118 können ferner Einführtafeln 132 aufweisen, die an einem Ende 134 der Rahmenabdeckungen 118 angeordnet sind. Die Einführtafeln 132 sehen eine abgeschrägte Fläche zum Führen von Kühlrippen 136 (in den 2 bis 4 gezeigt) des Wärmetauschers 104 benachbart der Rahmenabdeckungen 118 vor. Wenn beispielsweise jede der Rahmenabdeckungen 118 eine Primärwand 138 besitzt und jede der Einführtafeln 132 mit einer der Primärwände 138 gekoppelt ist, kann die Einführtafel 132 unter einem Winkel relativ zu einer Orientierung der Primärwand 138 orientiert sein, um die abgeschrägte Fläche bereitzustellen. Vorteilhafterweise stellen die Einführtafeln 132 sicher, dass die Kühlrippen 136 korrekt zwischen die Batteriepackungen 102 während der Herstellung der Batteriepaketbaugruppe 100 eingesetzt sind.
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Der Rahmenkörper 116 und die Rahmenabdeckungen 118 der Rahmenbaugruppe 106 können gegebenenfalls aus denselben oder verschiedenen Materialien geformt sein. Bei einer illustrativen Ausführungsform ist der Rahmenkörper 116 aus einem dielektrischen Polymer geformt, wie Kunststoff, und die Rahmenabdeckungen 118 sind aus einem Metall geformt, wie Aluminium. Wenn die Rahmenabdeckungen 118 aus dem Metall oder einem anderen elektrisch leitenden Material geformt sind, kann eine Fläche von jeder der Rahmenabdeckungen 118, die mit einer der ersten und zweiten Batteriezelle 108, 110 in Kontakt steht, mit einer eine geringe Reibung aufweisenden dielektrischen Beschichtung bedeckt sein. Als ein nicht beschränkendes Beispiel ist die eine geringe Reibung aufweisende dielektrische Beschichtung eine Kunststofffolie. Die eine geringe Reibung aufweisende dielektrische Beschichtung erlaubt eine geringere Einsetzkraft bei Einsetzen der Batteriepackungen 102 in den Wärmetauscher 104, während auch eine zusätzliche elektrische Isolierung zwischen den Batteriepackungen und dem Wärmetauscher 104 hinzugefügt wird. Der Fachmann kann nach Bedarf andere geeignete Materialien für den Rahmenkörper 116, die Rahmenabdeckungen 118 und die Beschichtungen wählen.
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Die vorliegende Offenbarung weist ferner ein Verfahren zum Herstellen der Batteriepaketbaugruppe 100 auf, wie beispielsweise in den 2–4 gezeigt ist. Nach einem Zusammenbau von jeder der Batteriepackungen 102, wie hier oben beschrieben ist, weist das Verfahren einen Schritt zum Stapeln der Mehrzahl von Batteriepackungen 102 auf. Die gestapelten Batteriepackungen 102 können auch auf eine im Wesentlichen gleiche Gesamtlänge wie der Wärmetauscher 104, in den der Stapel von Batteriepackungen 102 anzuordnen ist, zusammen gedrückt werden. Der Stapel von Batteriepackungen 102 wird dann benachbart dem Wärmetauscher 104 positioniert, wie beispielsweise in den 2 bis 3 gezeigt ist. Obwohl nur drei Batteriepackungen 102 gezeigt sind, sei angemerkt, dass viel mehr der Batteriepackungen 102 ebenfalls nach Bedarf in dem Stapel angeordnet sein können.
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Nachdem die Batteriepackungen 102 gestapelt und nach Bedarf auf die gewünschte Länge komprimiert worden sind, wird die Mehrzahl der Batteriepackungen 102 in den Wärmetauscher 104 eingesetzt. Es sei angemerkt, dass der Wärmetauscher 104 als ein Anschlag verwendet werden kann, um eine komprimierte Länge des Stapels aus Batteriepackungen 102 im Betrieb zu definieren.
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Wie in den 2 bis 4 gezeigt ist, weist der Wärmetauscher 104 die Mehrzahl von Kühlrippen 136 auf. Aufgrund des Einsetzens der Batteriepackungen 102 in den Wärmetauscher 104 ist zumindest eine der Mehrzahl von Kühlrippen 136 zwischen einem Paar der Mehrzahl von Batteriepackungen 102 angeordnet. Die Oberflächen der einzelnen Batteriezellen 108, 110 in den Batteriepackungen 102 sind durch die Rahmenabdeckungen 118 der Rahmenbaugruppe 106, die die einzelnen Batteriezellen 108, 110 hält, geschützt.
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Es sei angemerkt, dass die Einführtafeln 132 vorteilhafterweise eine Führung der Kühlrippen 136 zwischen den Paaren von Batteriepackungen 102 während des Einsetzschrittes unterstützen können. Gleichermaßen kann eine Anwesenheit einer eine geringe Reibung aufweisenden Beschichtung an den Rahmenabdeckungen 118 auch ein Gleiten der Kühlrippen 136 zwischen den Paaren von Batteriepackungen 102 während des Einsetzens der Batteriepackungen 102 in den Wärmetauscher 104 unterstützen.
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Vorteilhafterweise vereinfacht die Batteriepaketbaugruppe 100 der vorliegenden Offenbarung, die die Mehrzahl von Batteriepackungen 102 mit den Rahmenbaugruppen 106 aufweist, eine Herstellung der Batteriepaketbaugruppe 100. Insbesondere ist kein flexibler Faltenbalg-Kühler, wie es in der Technik bekannt ist und der schwierig handzuhaben und zu positionieren ist, mit der Batteriepaketbaugruppe 100 notwendig. Da keine Faltenbalgkomponenten mit dem Wärmetauscher 104 verwendet werden, ist eine Komplexität der Herstellung und Handhabung beispielsweise während Hartlötbetriebsabläufen minimiert. Ferner können alle Komponenten des Wärmetauschers 104 aus einem einzelnen Metalltyp, beispielsweise Aluminium, mit der Batteriepaketbaugruppe 100 der Offenbarung hergestellt werden.
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Da der Wärmetauscher 104 als ein starrer Block geformt sein kann, sei ferner angemerkt, dass der Wärmetauscher 104 als eine Baukomponente der Batteriepaketbaugruppe 100 verwendet werden kann. Beispielsweise kann der starre Wärmetauscher 104 die Länge der hergestellten Batteriepaketbaugruppe 100 definieren. Als ein weiteres Beispiel können nach Bedarf die Endplatten (nicht gezeigt) einteilig mit dem Wärmetauscher 104 sein oder können separat in den Wärmetauscher 104 mit dem Stapel von Batteriepackungen 102 eingesetzt werden.
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Die Batteriepaketbaugruppe 100 der Offenbarung vereinfacht ferner ein Stapeln der einzelnen Batteriepackungen 102 vor einem Einsetzen in den Wärmetauscher 104, indem die Notwendigkeit beseitigt wird, einzelne der Batteriepackungen 102 während des Einsetzprozesses beabstandet zu halten.
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Es sei auch angemerkt, dass die Rahmenabdeckungen 118 der Rahmenbaugruppe 106 auch dazu verwendet werden können, einen Kompressionsdruck über eine Gesamtheit von zueinanderweisenden Flächen der ersten und zweiten Batteriezelle 108, 110 auszubreiten. Hierdurch kann eine Haltbarkeit der ersten und zweiten Batteriezelle 108, 110 mit der Batteriezellenbaugruppe 100 gesteigert werden.
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Während gewisse repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, sei dem Fachmann zu verstehen, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden können, der ferner in den folgenden angefügten Ansprüchen beschrieben ist.
