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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit zumindest einer Batterieeinheit, einer elektronischen Einheit und einer Kühleinheit. Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung mit zumindest zwei derartigen Batteriemodulen sowie einen Batteriepack, in welchem zumindest ein derartiges Batteriemodul aufgenommen ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug mit einem derartigen Batteriepack.
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Elektrochemische Prozesse in einer Batterie sind stark von deren Betrieb sowie deren Lagerungstemperatur beeinflusst. Höhere Temperaturen verbessern Elektronen- oder Ionenmobilität, wodurch die interne Impedanz der Zelle reduziert und ihre Kapazität erhöht wird. Hohe Temperaturen können jedoch auch unerwünschte oder irreversible chemische Reaktionen und/oder Elektrolytverlust auslösen, was zu dauerhaften Schäden oder zum Totalausfall der Batterie führen kann. Lithium-Ionen-Batterien reagieren bei Überhitzung oder Überladung mit einem thermischem Durchgehen (sogenanntes thermal runaway). Thermisches Durchgehen in einer Batterie läuft in mehreren Stadien ab, wobei der Zelle bei jedem Stadium weiterer Schaden zugefügt wird. Besonders hohe Ströme, Überladung oder hohe Außentemperaturen führen zur Überhitzung in der Zelle, was zur Auflösung der dünnen Festelektrolytschicht auf der Anode führen kann. Die Auflösung dieser Schutzschicht auf der Anode führt zur Reaktion des Elektrolyten mit der Anodenoberfläche (z. B. Kohlenstoff), die von Natur aus exotherm ist und deshalb die Temperatur der Batteriezelle weiter erhöht. Wenn auf der Anodenoberfläche exotherme Reaktionen ablaufen, werden durch die dabei entstandene Hitze die im Elektrolyten vorhandenen organischen Lösungsmittel zersetzt, so dass brennbare Gase wie Ethan, Methan und andere Kohlenwasserstoffgase freigesetzt werden.
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Andererseits kann der Elektrolyt bei niedrigen Temperaturen einfrieren, was der Niedrigtemperaturleistung eine Grenze setzt. Jedoch verschlechtert sich die Batterieleistung bereits weit oberhalb des Gefrierpunkts des Elektrolyten bei gleichzeitiger Verringerung der chemischen Reaktion. Dieser Niedrigtemperatur-Betriebsgrenzwert einer Batterie kann von ihrem Ladezustand abhängen.
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Es ist daher nötig, die Batterie innerhalb eines begrenzten Betriebstemperaturbereichs zu halten, so dass sowohl ihre Ladekapazität als auch ihre Zykluslebensdauer optimiert werden können. In einem praktikablen System wird sowohl Erwärmen als auch Kühlen der Batterie benötigt, um sie nicht nur im Rahmen der vom Hersteller angegebenen Betriebsgrenzwerte zu halten, sondern in einem weiter eingeschränkten Bereich, um optimale Leistung zu erzielen. Ein wirksames Thermomanagement gewährleistet einen notwendigen Temperaturbereich für eine optimale Batteriezellenleistung.
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US 20060261304 A1 offenbart ein isoliertes elektronisches Gerät umfassend eine Wärme erzeugende Komponente, welche zumindest teilweise mit zumindest einer Schicht einer faserverstärkten Aerogelzusammensetzung bedeckt ist. Des Weiteren sind Verfahren zum Isolieren elektronischer Geräte wie z. B. verschiedener Brennstoffzellen beschrieben. Ein derartiges Thermomanagement kann auf Stromquellen wie etwa Lithium-Ionen angewandt werden.
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JP 2006196230 A offenbart einen Batteriepack bestehend aus einer Vielzahl übereinander gelagerter Batteriezellen, wobei zwischen die Batteriezellen ein Isolationselement eingefügt ist. Das Batteriepack weist darüber hinaus ein zwischen die Batteriezellen eingefügtes Kühlelement auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist bei einem Batteriemodul mit zumindest einer Batterieeinheit, zumindest einer elektronischen Einheit und zumindest einer Kühleinheit vorgesehen, dass die Batterieeinheit zwischen der elektronischen Einheit und der Kühleinheit angeordnet ist und eine thermische Isolationsschicht die Kühleinheit an einer der Batterieeinheit gegenüberliegenden Seite kontaktiert und/oder die elektronische Einheit an einer der Batterieeinheit gegenüberliegenden Seite kontaktiert.
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Beispielsweise kann die Batterieeinheit an einer ersten Seite von der elektronischen Einheit kontaktiert sein, an einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite von der Kühleinheit kontaktiert sein und die Kühleinheit an einer der Batterieeinheit gegenüberliegenden Seite von der thermischen Isolationsschicht kontaktiert sein.
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Um Feuchtigkeitsniederschlag zu vermeiden, sind die exponierten Teile der Kühleinrichtung, d. h. die Teile, die mit der Batterieeinheit nicht in Kontakt sind, mit der thermischen Isolationsschicht kontaktiert, beispielsweise mit thermisch isolierenden Aerogel- und/oder X-Aerogelbeschichtungen überzogen. Dank der auf allen exponierten Oberflächen vorhandenen Isolationsschicht wird Feuchtigkeitsbildung auf den Oberflächen der Kühleinrichtung vermieden. Die zumindest einseitig thermisch isolierte Kühleinheit ermöglicht zudem eine effiziente, gerichtete Abfuhr der Wärme, die an den Batterieeinheiten entsteht. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Batteriezellen bei einer optimalen Temperatur gehalten werden können, insbesondere während der Wintermonate.
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Alternativ hierzu oder bevorzugt zusätzlich hierzu kann die Batterieeinheit an einer ersten Seite von der elektronischen Einheit kontaktiert sein, an einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite von der Kühleinheit kontaktiert sein und die elektronische Einheit an einer der Batterieeinheit gegenüberliegenden Seite von der thermischen Isolationsschicht kontaktiert sein.
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Die zumindest einseitig thermisch isolierte elektronische Einheit weist eine verringerte Anfälligkeit für einen Feuchtigkeitsniederschlag auf. Aufgrund des Nichtvorhandenseins luftdichter Batteriepackgehäuse entsteht im Batteriepack zwangsläufig eine Kondensation darin enthaltender Gase. Ohne das Vorhandensein thermischer Isolation sind sowohl die Oberflächen der elektronischen Komponenten als auch die Oberflächen der Batterieterminals, die einen Bestandteil des Kabelstranges bilden, für Feuchtigkeitsniederschlag anfällig.
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Die Begriffe „Batterie“ und „Batterieeinheit“ werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator bzw. Akkumulatoreinheit verwendet. Mit Batterieeinheiten können eine oder mehrere Batteriezellen bezeichnet werden, welche räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden sind, beispielsweise seriell oder parallel verschaltet.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die thermische Isolationsschicht ein Aerogel oder ein X-Aerogel, d. h. ein querverlinktes Aerogel auf. Aerogele oder X-Aerogele bezeichnen hochporöse Festkörper, bei welchen ein großer Prozentsatz des Volumens aus Poren besteht, beispielsweise mehr als 99% oder mehr als 99,9% oder mehr als 99,98%. Aerogele können bekanntermaßen aus einer Aerogelsynthese, beispielsweise mittels eines Sol-Gel-Prozesses, erzeugt werden, wobei ein Aerogel auf Silikatbasis verwendet werden kann. Besonders vorteilhaft wird ein Aerogel oder X-Aerogel mit einer thermischen Leitfähigkeit im Bereich von 10 bis 20 mW m–1 K–1 verwendet. Bevorzugt werden außerdem chemisch inerte Aerogele oder X-Aerogele eingesetzt, welche mit den Materialien, die in der Batteriezelle vorhanden sind, nicht reagieren. Bevorzugt werden außerdem unbrennbare und ungiftige Aerogele oder X-Aerogele eingesetzt. Besonders bevorzugt werden folienartige Aerogelschichten verwendet, beispielsweise von dem Hersteller Aspen Aerogel oder Beschichtungen, beispielsweise von dem Hersteller Cabot Aerogel. Die Folienstärke und Schichtdicke liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von 5 µm bis 5 mm.
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Geeignete Kühleinheiten umfassen beispielsweise eine in einem Kühlblock zirkulierende Kühlflüssigkeit, aber auch Lüfter, Ventilatoren oder Heat Pipes. Eine Heat Pipe ist beispielsweise ein einfaches Rohr, das an den Enden geschlossen ist, wobei im Inneren zwischen den Enden ein Kapillarmaterial vorhanden ist. In der Heat Pipe besteht ein derart geringer Druck, dass sich eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, 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 den Batterieeinheiten und ein weiteres Ende der Heat Pipe steht in Kontakt mit einer Wärmesenke, beispielsweise mit einem Kühlblock, welcher auch außerhalb des Batteriepacks angeordnet sein kann.
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Die zumindest einseitig thermisch isolierte elektronische Einheit ist bevorzugt zur Steuerung und Überwachung der Batterieeinheit eingerichtet. Sie kann beispielsweise ein Steuergerät in Form eines Batteriemanagementsystems aufweisen, welches eine sichere und zuverlässige Funktion der eingesetzten Batteriezellen überwacht. Die elektronische Einheit kann Vorrichtungen zur Überwachung und Steuerung von Strömen, Spannungen, Temperaturen, Isolationswiderständen und weitere Größen für einzelne Batteriezellen aufweisen. Mithilfe dieser Größen lassen sich Batteriemanagementfunktionen realisieren, welche die Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Sicherheit des Batteriepacks steigern. Insbesondere kann die elektronische Einheit eine Schaltelektronik zur selektiven Zu- und Wegschaltung des Batteriemoduls zu einem Batterie-Direkt-Converter oder zu einem Batterie-Direkt-Inverter aufweisen.
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Nach einem Schritt im Fertigungsprozess kann eine Anordnung entstehen, welche zumindest zwei Batteriemodule umfasst, die in einem Rahmenwerk aufgenommen sind. Das Rahmenwerk ermöglicht vorteilhaft die feste räumliche Anordnung der Batteriemodule zueinander.
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Das Batteriemodul ist bevorzugt im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Bevorzugt umfasst das Batteriemodul zumindest eine im Wesentlichen quaderförmige Batterieeinheit, eine im Wesentlichen quaderförmige elektronische Einheit und eine im Wesentlichen quaderförmige Kühleinheit. Dies eignet sich für ein kompaktes modulares Design eines Batteriepacks, was Vorteile bei der Wartung eines Batteriepacks mit sich bringt und außerdem eine freie Skalierbarkeit des Systems verspricht. Vorteilhaft sind die Batteriemodule an den relevanten Stellen gegeneinander thermisch isoliert.
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Insofern wird erfindungsgemäß eine Anordnung vorgeschlagen, welche zumindest zwei derartige Batteriemodule umfasst, wobei die Batteriemodule bevorzugt übereinander angeordnet sind, so dass die thermische Isolationsschicht eines ersten Batteriemoduls die elektronische Einheit eines zweiten Batteriemoduls gegenüber der Kühleinheit des ersten Batteriemoduls thermisch isoliert. Die beabsichtigte Isolationswirkung kann natürlich auch gegeben sein, wenn aufgrund der gewählten Batteriemodulform mehrere thermische Isolationsschichten bei übereinander angeordneten Batteriemodulen direkt oder durch eine Schicht des Rahmenwerks getrennt übereinander angeordnet werden. Mehrere dieser quaderförmigen Batteriemodule können so genannte Batterie-Direkt-Converter (BDC, battery direct converter) bilden, und mehrere Batterie-Direkt-Converter einen Batterie-Direkt-Inverter (BDI, battery direct inverter).
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Batteriepack ein Gehäuse, in welchem zumindest ein beschriebenes Batteriemodul oder zumindest eine Anordnung mit zumindest zwei Batteriemodulen aufgenommen sind. Gemäß einer Ausführungsform isoliert dabei die thermische Isolationsschicht eines untersten Batteriemoduls dieses gegenüber dem Gehäuseboden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass eine weitere thermische Isolationsschicht vorgesehen ist, die unterhalb des Rahmenwerks und auf dem Gehäuseboden angeordnet ist und die Kühlkörper gegenüber dem Gehäuseboden thermisch isolieren.
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Im Fall eines Batteriepacks, bei dem die Kühleinheit am Boden des Gehäuses angeordnet ist, kann ein Kühlen des Batteriepackgehäuses vermieden werden, indem aus einem Aerogel und/oder einem X-Aerogel gefertigte thermisch isolierende Materialien am Boden des Batteriepackgehäuses angebracht werden. Ein Kühlen des Gehäuses des Batteriepacks sollte vermieden werden, da ein gleichzeitiges Kühlen des Batteriepackgehäuses und der Batteriemodule des Batteriepacks eine größere Effizienz des Gesamtkühlsystems des elektrischen Fahrzeugs erfordern. Eine erhöhte Kühleffizienz des Batteriepacks durch eine Kühleinheit erfordert letztlich auch eine erhöhte Effizienz des Kühlsystems des Fahrzeugs, zum Beispiel der Klimaanlageneinheit. Wenn zusätzlich zu den Batteriemodulen auch das Batteriepackgehäuse gekühlt wird, werden an das Kühlsystem des Fahrzeugs, zum Beispiel der Klimaanlageneinheit höhere Kühlanforderungen gestellt, was wiederum mehr Energie erfordert. Deshalb ist das Bereitstellen einer besseren Isolation, um nur das Batteriepack, nicht aber das Gehäuse zu kühlen, ein wesentlicher Schritt für ein energiesparendes und kosteneffizientes Gesamtkonzept für das Thermomanagement des elektrischen Fahrzeugs. Die Beschränkung auf den Bodenbereich unter Ausschluss von Seiten- und Dachbereichen des Batteriegehäuses kann Kostenvorteile haben und zeichnet sich durch eine vereinfachte Herstellung aus.
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Nach einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug mit einem derartigen Batteriepack vorgeschlagen, wobei das Batteriepack mit einem Antriebssystem des Fahrzeugs verbunden ist. Das Batteriepack wird bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt, bei welchen eine Zusammenschaltung einer Vielzahl von Batteriezellen zur Bereitstellung der nötigen Antriebsspannung erfolgt.
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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. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Batteriepacks nach dem Stand der Technik und
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2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriepacks und
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3 eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriepacks.
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1 zeigt einen Batteriepack 1 nach dem Stand der Technik. In dem Batteriepack 1 sind in einem Gehäuse 2 zwei übereinander angeordnete Batteriemodule 3 aufgenommen. Jedes Batteriemodul 3 umfasst eine Batterieeinheit 4, in welchem üblicherweise mehrere Batteriezellen in Serie und zusätzlich parallel geschaltet werden, um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriepack 1 zu erzielen. Die Batteriemodule 3 sind in einem Rahmenwerk 7 aufgenommen, welches auf einem Gehäuseboden 8 angeordnet ist.
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Die Batteriemodule 3 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel so zueinander angeordnet, dass eine Kühleinheit 6 einerseits in thermischem Kontakt mit der darüber befindlichen Batterieeinheit 4 steht und andererseits in thermischem Kontakt mit darunter angeordneten Bauteilen. Im Falle des oberen Batteriemoduls 3 steht die Kühleinheit 6 im thermischen Kontakt mit der elektronischen Einheit 5 des unteren Batteriemoduls 3. Im Falle des unteren Batteriemoduls 3 steht die Kühleinheit 6 im thermischen Kontakt mit dem Gehäuseboden 8.
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Zwischen der Batterieeinheit 4 des unteren Batteriemoduls 3 und der Kühleinheit 6 des oberen Batteriemoduls 3 befinden sich im Allgemeinen elektronische Komponenten und ein Kabelstrang der elektronischen Einheit 5. Ohne das Vorhandensein thermischer Isolation sind sowohl die Oberflächen der elektronischen Komponenten als auch die Oberflächen der Batterieterminals, die einen Bestandteil des Kabelstranges der elektronischen Einheit 5 bilden, für Feuchtigkeitsniederschlag anfällig.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriepacks 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Batteriepack 1 umfasst in der dargestellten Ausführungsform beispielhaft zwei in einem gemeinsamen Gehäuse 2 aufgenommene Batteriemodule 3, welche übereinander angeordnet sind. Jedes Batteriemodul 3 umfasst eine Batterieeinheit 4, in welchem üblicherweise mehrere Batteriezellen in Serie und zusätzlich parallel geschaltet werden, um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriepack 1 zu erzielen. Die einzelnen Batteriezellen sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 Volt.
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Die Batterieeinheiten 4 sind zwischen der elektronischen Einheit 5 und der Kühleinheit 6 angeordnet und werden an einer ersten Seite 9 von der elektronischen Einheit 5 kontaktiert und an einer zweiten Seite 10, welche der ersten Seite 9 gegenüberliegt, von der Kühleinheit 6 an dessen ersten Seite 11 kontaktiert. In 2 ist außerdem ein Rahmenwerk 7 dargestellt, welches die Batteriemodule 3 aufnimmt. Das Rahmenwerk 7 ist auf dem Gehäuseboden 8 angeordnet. Zwischen den Batteriemodulen 3 ist eine weitere Lage des Rahmenwerks 7 dargestellt.
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Die Kühleinheit 6 wird an einer zweiten Seite 12, welche der ersten Seite 11 gegenüberliegt, von einer thermischen Isolationsschicht 13 kontaktiert. Die thermische Isolationsschicht 13 ist eine Folie oder bildet eine Beschichtung der Kühleinheit 6 und ist aus einem Aerogel oder aus einem X-Aerogel gefertigt.
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Bei beiden Batteriemodulen 3 ist eine weitere thermische Isolationsschicht 14 vorgesehen, um die elektronische Einheit 5 des Batteriemoduls 3 gegenüber der Umgebung zu isolieren. Die weitere thermische Isolationsschicht 14 ist eine Folie oder bildet eine Beschichtung der elektronischen Einheit 5 und ist aus einem Aerogel oder aus einem X-Aerogel gefertigt. Sie ist an einer ersten Seite 15 der elektronischen Einheit 5 angeordnet, welche einer zweiten Seite 16 gegenüberliegt, die die Batterieeinheit 4 kontaktiert.
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Die thermische Isolationsschicht 13 des unteren Batteriemoduls 3 isoliert die Kühleinheit 6 des unteren Batteriemoduls 3 gegenüber dem Gehäuseboden 8. In dieser Ausführungsform ist eine weitere thermische Isolationsschicht 17 vorgesehen, welche unterhalb des Rahmenwerks 7 angeordnet ist und die Kühleinheit 6 des unteren Batteriemoduls 3 ebenfalls gegenüber dem Gehäuseboden 8 isoliert.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriepacks 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Batteriepack 1 umfasst in der dargestellten Ausführungsform wiederum beispielhaft zwei in einem gemeinsamen Gehäuse 2 aufgenommene Batteriemodule 3, welche übereinander angeordnet sind. Die Darstellung zeigt lediglich die funktionelle Schichtabfolge der beiden Batteriemodule 3, keine Größenverhältnisse. Die Batterieeinheit 4 ist jeweils zwischen der elektronischen Einheit 5 und der Kühleinheit 6 angeordnet und wird von der elektronischen Einheit 5 an dessen ersten Seite 15 kontaktiert. Die elektronische Einheit 5 ist an der der Batterieeinheit 4 gegenüberliegenden Seite 16 von der thermischen Isolationsschicht 14 kontaktiert. Die thermische Isolationsschicht 14 ist eine Folie oder bildet eine Beschichtung der elektronischen Einheit 5 und ist aus einem Aerogel oder aus einem X-Aerogel gefertigt.
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Die weitere thermische Isolationsschicht 17 ist in dieser Ausführungsform wiederum vorgesehen, um die Kühleinheit 6 des untersten Batteriemoduls 3 eines Stapels gegenüber dem Gehäuseboden 8 zu isolieren. Die weitere thermische Isolationsschicht 17 kann eine Folie sein oder bildet eine Beschichtung der Kühleinheit 6 und ist aus einem Aerogel oder aus einem X-Aerogel gefertigt. Alternativ kann sie als eine Platte oder Folie auch unterhalb eines Rahmenwerks 7 (nicht dargestellt) angeordnet sein, wie mit Bezug zu 1 beschrieben.
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Die in den 2 und 3 dargestellten Batteriemodule 3 weisen bevorzugt die Struktur eines Quaders auf, wodurch ein einfaches Übereinanderstapeln möglich ist, um einen Batteriemodulstrang eines Batterie-Direkt-Converters oder eines Batterie-Direkt-Inverters zu erhalten. Obwohl lediglich zwei übereinander angeordnete Batteriemodule 3 dargestellt sind, ist die Erfindung nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt. Im Gegenteil wird durch die vorgestellte Isolationsstruktur ein modulares Konzept vorgestellt, welches auf Batteriepacks 1 mit einer beliebigen Anzahl über- und nebeneinander angeordneter Batteriemodule 3 anwendbar ist.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20060261304 A1 [0005]
- JP 2006196230 A [0006]
