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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein zu- und wegschaltbares Batteriemodul, sowie Batteriedirektkonverter und Batteriedirektinverter, welche ein derartiges Batteriemodul umfassen.
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DE 10 2010 023 049 A1 zeigt ein Batteriebaukastensystem mit mindestens zwei Batterieeinheiten, die jeweils eine Schalteinheit und eine Diagnoseeinheit aufweisen, die als Baukastenmodul seitlich an die Batterieeinheiten angeflanscht sind. Die Schalt- und Diagnoseeinheiten sind mit einer übergeordneten Batterie-Control-Unit verbunden, die die Aufgabe hat, jeweils eine Batterieeinheit zu Diagnose- und/oder Wartungszwecken wegzuschalten.
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DE 20 2011 003 345 U1 zeigt eine Energiespeichereinheit zur Bereitstellung von elektrischer Energie für einen mit elektrischer Energie antreibbaren Verbraucher, welche einen Kopplungsbereich aufweist, mit welchem die Energiespeichereinheit mit einer weiteren im Wesentlichen konstruktiv gleichartig aufgebauten zweiten Energiespeichereinheit verbindbar ist, und einen Energieübertragungsbereich, um einen Energiefluss im Wesentlichen von zumindest einer der Energiespeichereinheiten zu dem Verbraucher zu ermöglichen.
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DE 10 2010 019 298 A1 zeigt eine Lithium-Ionen-Batterie für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, welche eine Versorgungseinheit und einen Spitzenlastenergiespeicher umfasst. Die Versorgungseinheit ist dazu ausgelegt, einen Elektromotor in einem Grundlastbereich zu betreiben, während der Spitzenlastenergiespeicher ausgelegt ist, den Elektromotor in einem Spitzenlastbereich zu betreiben.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ist vorgesehen, dass das Batteriemodul Kammern eines ersten Typs, eine Kammer eines zweiten Typs und Kammern eines dritten Typs aufweist, wobei in zumindest einer Kammer des ersten Typs zumindest eine Batterieeinheit aufgenommen ist, in der Kammer des zweiten Typs eine Schaltelektronik aufgenommen ist und wobei zumindest eine Kammer des dritten Typs zwischen einer Kammer des ersten Typs und der Kammer des zweiten Typs angeordnet ist.
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Besonders vorteilhaft wird zwischen den die Batterieeinheiten aufnehmenden Kammern des ersten Typs und die Schaltungselektronik aufnehmende Kammer des zweiten Typs zumindest eine Kammer des dritten Typs angeordnet. Hierdurch wird ein kompaktes modulares Design des Batteriesystems erreicht, was Vorteile bei der Wartung des Batteriesystems mit sich bringt und eine freie Skalierbarkeit des Systems verspricht, da die Schaltelektronik und das durch die Schaltelektronik angesteuerte Batteriemodul in einer gemeinsamen Struktur aufgenommen werden.
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Besonders bevorzugt weisen die Kammern des ersten, zweiten und dritten Typs identische Abmessungen auf. Obwohl also eine Schaltelektronik vorgesehen sein kann, welche einen wesentlich geringeren Platz beansprucht als die Batterieeinheiten, wird sie in einer Kammer angeordnet, die identische Abmessungen mit der die Batterieeinheit aufnehmenden Kammern aufweist. Die die erste Kammer von der zweiten Kammer beabstandende dritte Kammer fügt sich in das modulare Design dann gut ein, wenn sie ebenfalls identische Abmessungen aufweist. Im Ergebnis ergibt sich ein quaderförmiger Block, welcher die Batterieeinheiten und die davon beabstandet angeordnete Schaltelektronik umfasst. Mehrere dieser Quader können nun gestapelt werden, beispielsweise um einen so genannten „Battery Direct Converter” (BDC) zu bilden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine Kammer des dritten Typs frei. Die freie dritte Zelle erfüllt abgesehen von der Bereitstellung des kompakten modularen Designs die Aufgabe der Bereitstellung einer thermischen Isolierung der Schaltelektronik gegenüber den Batterieeinheiten. Die Verwendung einer leeren Kammer des dritten Typs ermöglicht die Verhinderung der direkten Dissipation von Wärme der Schaltungselektronik in die Batteriezellen.
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Es kann aber auch vorgesehen sein, dass zumindest eine Kammer des dritten Typs zumindest eine Kühleinrichtung aufweist. Die Kühleinrichtung stellt dabei sowohl die Funktion der thermischen Isolierung der Batterieeinheiten gegenüber der Schaltelektronik bereit und ermöglicht zusätzlich eine gerichtete Abfuhr der Wärme, die an der Schaltelektronik entsteht. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Batteriezellen bei einer optimalen Temperatur gehalten werden können, insbesondere während der Wintermonate. Geeignete Kühleinrichtungen umfassen beispielsweise in der Kammer zirkulierende Kühlflüssigkeit, mäanderförmige Röhren zur Aufnahme einer zirkulierenden Kühlflüssigkeit, Lüfter, Ventilatoren, Heat Pipes oder sogenannte Thermabasen. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass die Kammer des dritten Typs über Seitenwände mit einem Einlass und einem Auslass zur Zufuhr und Abfuhr von Kühlflüssigkeit, mit Durchleitungen für Heat Pipes und/oder über Seitenwände mit Perforationen oder Kühlrippen verfügt.
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Falls mehrere Kammern des dritten Typs vorgesehen sind, wird bevorzugt in derjenigen Kammer, die der Schaltelektronik am nächsten gelegen ist, die Kühleinrichtung angeordnet, d. h. dass die Kammer des dritten Typs mit der Kühleinrichtung an die Kammer des zweiten Typs grenzt und zur Kühlung der darin aufgenommenen Schaltelektronik eingerichtet ist.
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Nach einer Ausführungsform kann eine Kammer des dritten Typs einen Ventilator aufweisen. Der Ventilator kann ebenfalls zur thermischen Isolierung der Batterieeinheiten gegenüber der Schaltelektronik dienen, indem heiße Luft von der Schaltelektronik abgeführt und gleichzeitig kühlere Luft zugeführt wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist zumindest eine Seitenwand der Kammer des zweiten Typs Perforationen und/oder ein Lüftungsgitter und/oder Kühlrippen auf. Die Seitenwand ist bevorzugt diejenige, welche an die Kammer des dritten Typs mit der Kühleinrichtung, bevorzugt ein Ventilator, grenzt. Durch die Öffnungen kann der Luftstrom des Ventilators in besonders effektiver Weise an die Schaltelektronik geführt werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kühleinrichtung zumindest eine Heat Pipe. Eine Heat Pipe ist beispielsweise ein einfaches Rohr, das an den Enden geschlossen ist, wobei im Inneren zwischen den Enden ein Kapillarmaterial vorhanden ist. Die Heat Pipe ist mit einer Menge verdampfbarer Flüssigkeit, beispielsweise mit Wasser, gefüllt. In der Heat Pipe besteht ein derart geringer Druck, dass sich die Flüssigkeit in einem Gleichgewichtszustand zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen Aggregatszustand befindet und folglich an einem wärmeren Abschnitt der Heat Pipe verdampft und an einem kühleren Abschnitt kondensiert. Hierdurch wird ein sehr effizienter Wärmetransport bereitgestellt. Ein Ende der Heat Pipe befindet sich dabei im Kontakt mit der Kammer des zweiten Typs, in der die Schaltelektronik aufgenommen ist, und ein weiteres Ende der Heat Pipe steht im Kontakt mit einer Wärmesenke, beispielsweise mit einem Ventilator, wobei diese in einer Kammer des dritten Typs angeordnet sein kann. Die Heat Pipe kann auch an einer Seitenwand der Kammer des dritten Typs enden, welche nicht im Kontakt mit der Schaltelektronik und den Batterieeinheiten steht, wobei diese Seitenwand im Kontakt mit einer Wärmesenke stehen kann.
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Alternativ kann eine Seitenwand der Kammer des dritten Typs auch mit einer Temperaturausgleichsplatte ausgestattet sein und an die Kammer des zweiten Typs mit der darin angeordneten Schaltelektronik grenzen. Die Temperaturausgleichsplatte ermöglicht somit den Abtransport der Wärme von der Kammer mit der Schaltelektronik in die Kammer des dritten Typs, in welcher beispielsweise ein Lüfter angeordnet ist und welche perforierte Seitenwände aufweist, so dass die Abluft entweichen kann. Eine derartige Temperaturausgleichsplatte kann ebenfalls nach dem Heat-Pipe-Prinzip funktionieren, d. h. mit einem kapillaren Material und einem Wärmetransportmedium, das sich in einem Gleichgewichtszustand zwischen flüssigem und gasförmigem Aggregatzustand befindet, wobei geometrisch eine Platte und keine Röhre vorliegt.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist eine erste Kammer des dritten Typs vorgesehen, die an die Kammer des zweiten Typs grenzt und eine weitere Kammer des dritten Typs. Eine Heat Pipe kann die Wärme von der Schaltelektronik über die erste Kammer des dritten Typs zu der weiteren Kammer des dritten Typs transportieren, in welcher beispielsweise ein Ventilator zum Ausblasen der Abluft vorgesehen sein kann.
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Nach einer Ausführungsform ist jede Kammer des ersten Typs zur Aufnahme genau einer Batterieeinheit eingerichtet. Bevorzugt ist allerdings, dass die in der Kammer des ersten Typs aufgenommenen Batterieeinheiten mehrere Zellen umfassen, wobei die Zellen einen so genannten Wickel oder auch mehrere miteinander zusammengeschaltete Wickel aufweisen können.
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Nach einem weiteren Aspekt umfasst ein Batteriedirektkonverter zumindest eines, bevorzugt eine Vielzahl der zuvor beschriebenen Batteriemodule. Nach einem weiteren Aspekt umfasst ein Batteriedirektinverter zumindest zwei derartige Batteriekonverter.
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Vorteile der Erfindung
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Mit den Maßnahmen der Erfindung wird ein modulares Design von zuschaltbaren Batteriemodulen zur Verwendung in Batteriedirektinvertern und Batteriedirektkonvertern vorgeschlagen, wodurch sich eine freie Skalierbarkeit des Systems ergibt. Durch Anordnung von Kammern, die im Wesentlichen den Abmessungen der verbauten Batterieeinheiten und der die Schaltelektronik aufnehmenden Kammer entsprechen, ergibt sich zudem die Möglichkeit des effektiven Abtransports der an der Schaltelektronik entstehenden Wärme, was Auswirkungen auf die Lebensdauer der Batteriemodule hat.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Batteriedirektkonverters,
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2 eine schematische Darstellung eines Batteriedirektinverters,
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3 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit zugehöriger Schaltelektronik,
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4 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls in einer ersten Ausführungsform,
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5 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls in einer zweiten Ausführungsform,
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6 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls in einer dritten Ausführungsform,
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7 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls in einer vierten Ausführungsform, und
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8 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls in einer fünften Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Begriffe „Batterie” und „Batteriesystem” werden in der vorliegenden Beschreibung, dem üblichen Sprachgebrauch angepasst, für „Akkumulator” bzw. „Akkumulatorsystem” verwendet. Das beschriebene System kann allgemein bei modular aufbaubaren Systemen eingesetzt werden, insbesondere bei Lithium-Ionen-Batteriesystemen, die als Antrieb von Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen eingesetzt werden.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Batteriedirektkonverters (BDC, Battery Direct Converter), welcher einen Batteriemodulstrang 2 aufweist. Der Batteriemodulstrang 2 weist eine Mehrzahl von Batteriemodulen 4 auf, wobei jedes Batteriemodul 4 bevorzugt dieselbe Anzahl von Batteriezellen in identischer Weise verschaltet enthält. An den Polen 6 des Batteriemodulstrangs 2 können zusätzlich Lade- und Trenneinrichtungen 8 vorgesehen sein, beispielsweise für den Fall, dass Sicherheitsbestimmungen dies erfordern. Allerdings sind solche Trenneinrichtungen 8 nicht zwingend notwendig, weil eine Abkopplung der Batteriemodule 4 durch in den Batteriemodulen 4 enthaltene, hier nicht dargestellte, Koppeleinheiten, d. h. Schaltelektronik erfolgen kann. Es besteht für das einzelne Batteriemodul 4 die Möglichkeit, in den Batteriemodulstrang 2 entweder zu- oder weggeschaltet zu sein.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines Batteriedirektinverters (BDI, Battery Direct Inverter), welcher über n Batteriemodulstränge 12-1 bis 12-n verfügt. Jeder Batteriemodulstrang 12-1 bis 12-n weist eine Mehrzahl von Batteriemodulen 4 auf, wobei vorzugsweise jeder Batteriemodulstrang 12-1 bis 12-n dieselbe Anzahl von Batteriemodulen 4, und jedes Batteriemodul 4 bevorzugt dieselbe Anzahl von Batteriezellen in identischer Weise verschaltet enthält. Ein Pol 6 eines jeden Batteriemodulstrangs 12-1 bis 12-n kann mit einem entsprechenden Pol 6 der anderen Batteriemodulstränge 12-1 bis 12-n verbunden sein, was durch eine gestrichelte Linie 14 angedeutet ist. An den Polen 6 der Batteriemodulstränge 12-1 bis 12-n können Lade- und Trenneinrichtungen 8 vorgesehen sein, wenn Sicherheitsbestimmungen dies erfordern. Im Betrieb als Batterie-Direkt-Inverter können nahezu sinusförmige Spannungsprofile mit Phasenverschiebung zueinander erzeugt werden, woraus ein elektrischer Motor mit dem benötigten Drehmoment gespeist werden kann. Die Spannung ist bevorzugt derart, dass der erzeugte Wechselstrom das nötige Drehmoment zum Betrieb des Elektromotors bereitstellt.
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3 zeigt ein Batteriemodul 4, welches vier nebeneinander angeordnete Kammern 16 eines ersten Typs aufweist, in dem sich nicht dargestellte Batterieeinheiten befinden. Die Anordnung der Kammern 16 ersten Typs ist mit dem Bezugszeichen 5 versehen. Um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriesystem zu erzielen, werden in einer Batterieeinheit einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Die Batteriezelle ist beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie mit einem Spannungsbereich von 2,8 Volt bis 4,2 Volt.
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Weiterhin dargestellt ist eine Schaltelektronik 18, welche eingerichtet ist das Batteriemodul 4 zu einem der mit Bezug zu 1 oder 2 beschriebenen Stränge zu- und wegzuschalten, beispielsweise um eine Überstrapazierung des Batteriemoduls 4 zu verhindern. Die Schaltelektronik 18 ist in einer Kammer 20 eines zweiten Typs angeordnet, welche identisch mit den Kammern 16 des ersten Typs ausgebildet sein kann.
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4 zeigt ein Batteriemodul 4 nach einer ersten Ausführungsform. Das Batteriemodul 4 umfasst beispielhaft vier nebeneinander angeordnete Kammern 16 des ersten Typs und eine Kammer 20 des zweiten Typs, welche die Schaltelektronik zur selektiven Zu- und Wegschaltung des Batteriemoduls 4 zu dem in 1 dargestellten Batteriedirektkonverter oder zu dem in 2 dargestellten Batteriedirektinverter aufweist. Das Batteriesystem umfasst außerdem eine Kammer 22 eines dritten Typs, welche zwischen einer Kammer 16 des ersten Typs und der Kammer 20 des zweiten Typs angeordnet ist. Die in 4 dargestellte Kammer 22 des dritten Typs ist frei, das heißt beispielsweise mit Umgebungsluft gefüllt. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Kammer 22 des dritten Typs mit einem temperaturisolierenden Material gefüllt ist, um zu verhindern, dass die Abwärme der Schaltelektronik 18 die Batteriezellen erreicht.
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Die Kammer 22 des dritten Typs weist eine Breite 26 auf, welche identisch ist mit der Breite 24 der identisch ausgebildeten Kammern 16 des ersten Typs ist und welche außerdem identisch mit der Breite 28 der Kammer 20 des zweiten Typs ist. Die Kammern 16, 22, 20 weisen zudem eine einheitliche Höhe 30 auf, und eine einheitliche Tiefe 32, so dass insgesamt ein vollständig modulares Design mit einer optischen Homogenität vorliegt. Das die verschiedenen Kammern 16, 22, 20 umfassende Batteriemodul 4 weist insgesamt die Struktur eines Quaders auf, wodurch ein einfaches Übereinanderstapeln möglich ist, um einen Batteriemodulstrang eines Batteriedirektkonverters oder eines Batteriemoduldirektinverters zu erhalten.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Batteriemoduls 4, welches hierbei beispielhaft vier nebeneinander angeordnete Kammern 16 des ersten Typs, eine die Schaltelektronik 18 aufnehmende Kammer 20 des zweiten Typs und die Kammer 22 des dritten Typs umfasst. Die Abmessungen der Kammern 16, 22, 20 können insbesondere wie mit Bezug auf 4 beschrieben ausgebildet sein. Die Kammer 22 des dritten Typs weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Einlass 34 und einen Auslass 36 auf, durch welchen ein Kühlfluid in die Kammer 22 des dritten Typs ein und ausgeführt werden kann. Das Kühlfluid kann beispielsweise eine Ethylenglycol- oder Propylenglycol-Wasserlösung sein oder jedes beliebige geeignete Kühlfluid. Im Inneren der Kammer 22 des dritten Typs können auch Röhren vorgesehen sein, durch welche das Kühlfluid geleitet wird.
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6 zeigt ein Batteriemodul 4 nach einer weiteren Ausführungsform mit beispielhaft vier nebeneinander angeordneten Kammern 16 des ersten Typs, einer daran anschließende Kammer 22 des dritten Typs und eine die Schaltelektronik 18 aufnehmende Kammer 20 des zweiten Typs. Die Abmessungen der Kammern 16, 22, 20 können wie mit Bezug auf 4 beschrieben ausgebildet sein. In der Kammer 22 des dritten Typs ist ein Ventilator 38 angeordnet, welcher eingerichtet ist, die Abwärme der Schaltelektronik 18 abzuführen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind hierzu an einer Seitenwand 42 der Kammer 20 des zweiten Typs, welche an die Kammer 22 des dritten Typs grenzt, Kühlgitter 41 vorgesehen, die den Wärmeübergang zwischen den Kammern 20, 22 verbessern. Auch auf der Gegenüberliegenden Seite 40 der Kammer 20 des zweiten Typs können derartige Kühlrippen 41 angeordnet sein, um die Abführung der Wärme der Schaltelektronik 18 zu verstärken. Die Kammer 22 des dritten Typs weist in einer oder mehreren Seitenwänden 44, welche nicht an die Kammern 16 des ersten Typs grenzen und nicht an die Kammer 20 des zweiten Typs grenzen, zweckmäßigerweise Perforationen oder Kühlgitter auf, wodurch die Luft vom Ventilator 38 aus der Kammer 22 des dritten Typs herausgeführt werden kann.
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriemoduls 4 mit vier nebeneinander angeordneten Kammern 16 des ersten Typs, eine die Schaltungselektronik 18 umfassende Kammer 20 des zweiten Typs und eine Kammer 22 des dritten Typs umfasst, wobei die Kammer 22 des dritten Typs zwischen einer Kammer 16 des ersten Typs und der Kammer 20 des zweiten Typs angeordnet ist. Die Abmessungen der Kammern 16, 20, 22 können wie mit Bezug auf 4 beschrieben ausgebildet sein. In der Kammer 22 des dritten Typs ist wiederum ein Ventilator 38 angeordnet. Zusätzlich weist die Kammer 22 des dritten Typs eine Heat Pipe 48 auf, welche von der Seitenwand 42 der Kammer 20 des zweiten Typs, die an die Kammer 22 des dritten Typs grenzt, zu einer Seitenwand 50 der Kammer 22 des dritten Typs führt, welche nicht an eine Kammer 16 des ersten Typs grenzt und nicht an eine Kammer 20 des zweiten Typs grenzt.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriemoduls 4, welches vier nebeneinander angeordnete Kammern 16 des ersten Typs, eine die Schaltelektronik 18 aufweisende Kammer 20 des zweiten Typs und zwei nebeneinander angeordnete Kammern 22 des dritten Typs umfasst, wobei die Kammern 22 des dritten Typs in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Die Kammern 16 des ersten Typs, die Kammer 20 des zweiten Typs und die Kammern 22 des dritten Typs weisen allesamt bevorzugt identische Abmessungen auf, wie mit Bezug auf 4 beschrieben. Eine erste Kammer 22 des dritten Typs umfasst mehrere Heat Pipes 46, welche die Abwärme der Schaltungselektronik 18 von der Seitenwand 42 der Kammer 20 des zweiten Typs, die an die erste Kammer 22 des dritten Typs grenzt, durch die erste Kammer 22 des dritten Typs hindurch und in die zweite Kammer 22 des dritten Typs hinein führen. Aus der zweiten Kammer 22 des dritten Typs wird die Abwärme mittels des Ventilators 38 abgeführt, wobei die Seitenwände der Kammer 22 des dritten Typs entsprechende Kühlgitter, Perforationen oder Lüftungsöffnungen aufweisen können.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
