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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, mit dessen Hilfe ausreichend elektrische Energie gespeichert werden kann, um ein Kraftfahrzeug antreiben zu können.
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Aus
DE 10 2006 018 849 A1 ist ein Batteriemodul bekannt, bei dem mehrere als Rundzellen ausgestaltete Batteriezellen in Reihe geschaltet koaxial hintereinander angeordnet sind, wobei diese Reihen von Batteriezellen quer zur Längserstreckung der Batteriezellen in Zeilen nebeneinander angeordnet sind und in Spaltenrichtung nachfolgende Zeilen von Batteriezellen um einen halben Abstand der Mittellinie in Zeilenrichtung nachfolgender Batteriezellen versetzt angeordnet sind. Die Batteriezellen sind zeilenweise in einen mehrteiligen Modulrahmen eingelegt. Der Modulrahmen weist in einer quer zur Längsrichtung der Batteriezellen verlaufenden Ebene eine grundsätzlich rechteckige Außenform auf, von der über die gesamte in Längsrichtung der hintereinander angeordneten Batteriezellen verlaufenden Länge des Modulrahmens eine im Wesentlichen halbrunde Vertiefung in einen zwischen den versetzt zueinander angeordneten Batteriezellen am Zeilenende der Batteriezellen ausgebildeten Zwischenraum hineinragt.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis den Bauraum von Batteriemodulen zu reduzieren und deren Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein Batteriemodul mit einem geringen Bauraum und einem hohen Wirkungsgrad ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist ein Batteriemodul zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einem mehrere, insbesondere als Rundzelle ausgestaltete, erste Batteriezellen aufweisenden ersten Teilmodul, wobei das erste Teilmodul von einem Kühlmedium zum Kühlen der ersten Batteriezellen in einem von einem ersten Teilgehäuse zumindest teilweise begrenzten ersten Volumen durchströmbar ist, und einem mehrere, insbesondere als Rundzelle ausgestaltete, zweite Batteriezellen aufweisenden zweiten Teilmodul, wobei das zweite Teilmodul von einem Kühlmedium zum Kühlen der zweiten Batteriezellen in einem von einem zweiten Teilgehäuse zumindest teilweise begrenzten zweiten Volumen durchströmbar ist, wobei das erste Teilgehäuse an einer zum zweiten Teilgehäuse weisenden Seite einen in einen zwischen den ersten Batteriezellen ausgebildeten ersten Zwischenraum hineinragenden ersten Rohrflansch und das zweite Teilgehäuse an einer zum ersten Teilgehäuse weisenden Seite einen in einen zwischen den zweiten Batteriezellen ausgebildeten zweiten Zwischenraum hineinragenden zweiten Rohrflansch aufweisen, wobei das erste Volumen über den ersten Rohrflansch und den zweiten Rohrflansch mit dem zweiten Volumen verbunden ist.
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Das jeweilige Teilmodul kann mit Hilfe des zugeordneten Teilgehäuses ein fluiddichtes Volumen begrenzen, in dem die Batteriezellen angeordnet sind, wobei die elektrischen Anschlüsse der Batteriezellen aus diesem Volumen herausgeführt sein können. Dadurch kann das Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, die Batteriezellen umströmen, wodurch eine entsprechend hohe Kühlung der Batteriezellen erreicht werden kann, die einen besonders effizienten Betrieb der Batteriezellen ermöglicht. Gleichzeitig kann ein elektrischer Kurzschluss über das Kühlmedium vermieden werden. Insbesondere kann das Kühlmedium die Batteriezellen direkt kontaktieren, so dass es nicht erforderlich ist über zwischengeschaltete wärmeleitende Bauteile einen Wärmeaustausch zwischen den Batteriezellen und dem Kühlmedium herbeizuführen, so dass die Kühlleistung entsprechend hoch sein kann. Der Wirkungsgrad der Batteriezellen und damit der Wirkungsgrad des Batteriemoduls sind dadurch erhöht.
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Die ersten Batteriezellen und die zweiten Batteriezellen sind insbesondere jeweils einander in Längsrichtung überdeckend hintereinander angeordnet. Insbesondere sind der erste Zwischenraum und der zweite Zwischenraum einander überdeckend hintereinander angeordnet, so dass der erste Rohrflansch und der zweite Rohrflansch hintereinander angeordnet sein können und insbesondere sich vorzugsweise flächig kontaktieren können. Der erste Rohrflansch kann eine erste Durchgangsöffnung und der zweite Rohrflansch eine zweite Durchgangsöffnung aufweisen, wobei die Durchgangsöffnungen insbesondere koaxial hintereinander angeordnet sind. Die Durchgangsöffnungen der Rohrflansche können ein gerades Sammlerrohr ausbilden, das jeweils in die Zwischenräume der in den Teilmodulen ausgebildeten durchströmbaren Volumina hineinragen kann. Dadurch kann das Kühlmedium aus dem ersten Zwischenraum des ersten Teilmoduls in den zweiten Zwischenraum des zweiten Teilmoduls strömen. Die Zwischenräume ergeben sich, insbesondere wenn die Batteriezellen als Rundzellen ausgestaltet sind, automatisch zwischen den Batteriezellen untereinander und/oder zwischen den Batteriezellen und einem beispielsweise rechteckförmigen Modulrahmen, in dem die Teilmodule aufgenommen sind und der ein Volumen für das Kühlmedium begrenzen kann. Der Modulrahmen kann von den Teilgehäusen zumindest teilweise zusammengesetzt sein. Die über die Rohrflansche erreichte strömungstechnische Verbindung des von dem Kühlmittel durchströmbaren ersten Volumens des ersten Teilmoduls mit dem durchströmbaren zweiten Volumen des zweiten Teilmoduls ist dadurch im Wesentlichen bauraumneutral in den sich sowieso ergeben Zwischenräumen angeordnet. Dadurch wird durch die mit Hilfe der Rohrflansche ausgebildete Fluidverbindung des ersten Teilmoduls mit dem zweiten Teilmodul kein zusätzlicher Bauraum benötigt. Mit Hilfe der in den sowie durch die Formgebung und Anordnung der Batteriezellen ausgebildeten Zwischenräume der Teilmodule angeordneten Rohrflansche kann ohne zusätzlichen Bauraumbedarf eine direkte Kühlung der ersten Batteriezellen und der zweiten Batteriezellen erreicht werden, so dass ein Batteriemodul mit einem geringen Bauraum und einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht ist.
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Die Längserstreckungen der jeweiligen Batteriezellen können im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Batteriezellen können beispielsweise in zwei senkrecht zur Längserstreckung der Batteriezellen zueinander orthogonalen Richtungen hintereinander angeordnet sein, so dass die Batteriezellen insbesondere mittig zueinander in Zeilen und Spalten angeordnet sein können. Dadurch kann sich zwischen zwei als Rundzellen ausgestalteten Batteriezellen und einer Seitenwand des Teilgehäuses ein zwickelförmiger Zwischenbereich ergeben, dessen Querschnittsfläche parallel zur Längserstreckung der Batteriezellen groß genug ist, um die Rohrflansche aufzunehmen. Die Anzahl der Rohrflansche und/oder die Größe der Durchgangsöffnungen der Rohrflansche können in der Summe einen Strömungsquerschnitt ausbilden, der einen ausreichend großen Massenstrom des Kühlmittels von dem ersten Teilmodul zum zweiten Teilmodul leiten kann. Die Batteriezellen können insbesondere in Zeilen mittig hintereinander angeordnet sein, wobei in Spaltenrichtung nachfolgende Zeilen von Batteriezellen um ca. einen halben Abstand der Mittellinien zweier in Zeilenrichtung nachfolgender Batteriezellen zueinander versetzt angeordnet sein können. Dadurch ergibt sich an zumindest einer Zeile von Batteriezellen zwischen der in Zeilenrichtung letzten Batteriezelle und dem beispielsweise rechteckförmigen Modulrahmen ein Zwischenraum, der eine Erstreckung in Zeilenrichtung von etwa einem halben Abstand der Mittellinien zweier in Zeilenrichtung nachfolgender Batteriezellen aufweist. Die Querschnittsfläche parallel zur Längserstreckung der Batteriezellen dieses Zwischenraums ist groß genug, um entsprechend große Rohrflansche mit einem entsprechend großen Strömungsquerschnitt aufzunehmen. Ein durch die Rohrflansche ausgebildetes Umkehrsammlerrohr kann dadurch einen Strömungsquerschnitt ausbilden, der einen ausreichend großen Massenstrom des Kühlmittels von dem ersten Teilmodul zum zweiten Teilmodul leiten kann.
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Insbesondere weist das erste Teilmodul einen Einlass zum Zuführen des Kühlmediums und das zweite Teilmodul einen Auslass zum Abführen des Kühlmediums auf, wobei insbesondere der Einlass als ein an einer vom zweiten Teilgehäuse wegweisenden Seite in einen zwischen den ersten Batteriezellen ausgebildeten Zwischenraum hineinragender Rohrflansch ausgebildet ist und/oder der Auslass als ein an einer vom ersten Teilgehäuse wegweisenden Seite in einen zwischen den zweiten Batteriezellen ausgebildeten Zwischenraum hineinragender Rohrflansch ausgebildet ist. Insbesondere weist nur das erste Teilmodul den Einlass und nur das zweite Teilmodul den Auslass auf. Der Einlass und der Auslass sind insbesondere an einem zu dem Rohrflansch gegenüberliegenden Ende der Teilmodule angeordnet. Das über den Einlass zugeführte Kühlmedium durchströmt dadurch erst das erste Teilmodul und über die miteinander kommunizierenden Rohrflansche nachfolgend das zweite Teilmodul im Wesentlichen vollständig, so dass sämtliche Batteriemodule mit einer hohen Kühlleistung gekühlt werden können. Wenn der Einlass und/oder der Auslass ebenfalls als, vorzugsweise identisch ausgeformter, Rohrflansch ausgebildet ist, können mehrere erste Teilmodule und zweite Teilmodule alternierend miteinander strömungstechnisch verschaltet werden. Dadurch können mehrere Ebenen von Batteriezellen gekühlt werden, wobei insbesondere das Kühlmedium schlangenlinienförmig und/oder mäanderförmig die jeweiligen Ebenen von Batteriezellen der verschiedenen Teilmodule durchströmen kann.
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Vorzugsweise weist das erste Teilgehäuse benachbart zum ersten Rohrflansch einen von dem ersten Volumen weg weisenden ersten Befestigungsansatz zur Befestigung mit dem zweiten Teilgehäuse und/oder das zweite Teilgehäuse benachbart zum zweiten Rohrflansch einen von dem zweiten Volumen weg weisenden zweiten Befestigungsansatz zur Befestigung mit dem ersten Teilgehäuse auf. Der Befestigungsansatz ist bei der Montage des Batteriemoduls auch dann leicht zugänglich, wenn die Teilmodule hintereinander ausgerichtet positioniert sind, so dass eine einfache Montage ermöglicht ist. Durch die räumliche Nähe der Befestigungsansätze zu dem Rohrflansch kann bei der Verbindung des ersten Befestigungsansatz mit dem zweiten Befestigungsansatz, beispielsweise durch eine Schraubenverbindung oder Nietverbindung, eine ausreichend hohe Anpresskraft auf die aufeinander zu weisenden Rohrflansche ausgeübt werden, die insbesondere zu einer flüssigkeitsdichten Anlage der Rohrflansche aneinander führt. Eine direkte Befestigung der Rohrflansche über die Durchgangsöffnungen der Rohrflansche umgebene Befestigungsmittel ist nicht erforderlich. Insbesondere können die Rohrflansche aufeinander zu geringfügig abstehen, so dass die Rohrflansche mit einer die Anpresskraft der Befestigungsansätze übersteigenden Klemmkraft verklemmt werden können.
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Besonders bevorzugt ist der erste Rohrflansch mit dem zweiten Rohrflansch über ein, insbesondere als O-Ring ausgestaltetes, Dichtelement flüssigkeitsdicht verbunden.
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Dadurch kann eine ausreichende Dichtigkeit zwischen den Rohrflanschen erreicht werden, damit das Kühlmedium nicht an die aufeinander zu weisenden Pole der ersten Batteriezellen und der zweiten Batteriezellen gelangen kann. Mit Hilfe eines kostengünstigen und leicht montierbaren O-Rings kann die erforderliche Abdichtung gegen das Kühlmedium leicht und kostengünstig erreicht werden.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die erste Batteriezelle einen aus dem ersten Volumen flüssigkeitsdicht herausragenden zum zweiten Teilmodul weisenden ersten Pol und die zweite Batteriezelle einen aus dem zweiten Volumen flüssigkeitsdicht herausragenden zum ersten Teilmodul weisenden zweiten Pol aufweist, wobei der erste Pol und/oder der zweite Pol in einem gegenüber dem Kühlmedium abgedichtetes Zwischenvolumen angeordnet sind. Das Zwischenvolumen kann dadurch nicht von dem Kühlmedium durchströmt werden, so dass ein Kurzschluss der Batteriezellen vermieden ist. Gleichzeitig können in dem Zwischenvolumen die ersten Batteriezellen mit in dem Zwischenvolumen angeordneten elektrischen Verbindungselementen im Wesentlichen bauraumneutral mit den zweiten Batteriezellen elektrisch kontaktiert werden. Ferner können die ersten Batteriezellen und/oder die zweiten Batteriezellen über in dem Zwischenvolumen angeordnete elektrische Verbindungselemente jeweils untereinander elektrisch kontaktiert werden.
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Vorzugsweise bilden der erste Rohrflansch und der zweite Rohrflansch ein einen Abstand des ersten Volumens zum zweiten Volumen überbrückendes Umkehrsammlerrohr aus. Der Abstand zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen kann insbesondere durch ein gegenüber dem Kühlmedium abgedichtetes Zwischenvolumen zur Anordnung von Polen der ersten Batteriezellen und/oder der zweiten Batteriezellen bedingt sein. Die Rohrflansche können dadurch in der Art eines Umkehrsammlerrohrs eine entsprechend große Strecke überbrücken, um das erste Volumen mit dem zweiten Volumen zu verbinden. Die Rohrflansche bilden dadurch nicht nur einen Durchbruch zwischen den Teilmodulen aus, sondern formen auch eine Rohrstrecke aus.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass oberhalb des ersten Rohrflanschs in einer vom zweiten Teilmodul weg weisenden Richtung das erste Volumen ein erstes Sammelvolumen zum Umleiten des Kühlmediums in den ersten Rohrflansch ausbildet und/oder unterhalb des zweiten Rohrflanschs in einer vom ersten Teilmodul weg weisenden Richtung das zweite Volumen ein zweites Sammelvolumen zum Umleiten des Kühlmediums von dem zweiten Rohrflansch ausbildet. Die Rohrflansche erstrecken sich nicht über die gesamte Länge parallel zur Längserstreckung der Batteriezellen innerhalb der Zwischenräume. Dadurch verbleibt zwischen dem jeweiligen Rohrflansch und einer von dem jeweils anderen Teilmodul weg weisenden Abdeckung zur Begrenzung des durchströmbaren Volumens das Sammelvolumen, in welches das Kühlmittel hineinströmen kann und in den Rohrflansch hinein umgelenkt werden kann.
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Insbesondere ist das zweite Teilmodul symmetrisch zum ersten Teilmodul ausgestaltet. Dadurch können für die Teilmodule entsprechend viele Gleichteile verwendet werden, wodurch die Herstellung kostengünstiger erfolgen kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die ersten Batteriezellen jeweils in Zeilen nebeneinander angeordnet sind und an sämtlichen Enden jeder in Spaltenrichtung zweiten Zeile an einer ersten Seitenwand des ersten Teilgehäuses jeweils der erste Rohrflansch angeordnet ist und/oder die zweiten Batteriezellen jeweils in Zeilen nebeneinander angeordnet sind und an sämtlichen Enden jeder in Spaltenrichtung zweiten Zeile an einer zweiten Seitenwand des zweiten Teilgehäuses jeweils der zweite Rohrflansch angeordnet ist. Die Batteriezellen können insbesondere in Zeilen mittig hintereinander angeordnet sein, wobei in Spaltenrichtung nachfolgende Zeilen von Batteriezellen um ca. einen halben Abstand der Mittellinien zweier in Zeilenrichtung nachfolgender Batteriezellen zueinander versetzt angeordnet sein können. Dadurch ergibt sich an jeder in Spaltenrichtung zweiten Zeile von Batteriezellen zwischen der in Zeilenrichtung letzten Batteriezelle und dem Modulrahmen der Zwischenraum, in dem jeweils der Rohrflansch von dem Teilgehäuse her hineinragen kann. Die Erstreckung des Zwischenraums in Zeilenrichtung beträgt in etwa einen halben Abstand der Mittellinien zweier in Zeilenrichtung nachfolgender Batteriezellen.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine schematische perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls,
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2: eine schematische Seitenansicht eines Teilmoduls des Batteriemoduls aus 1 in einer ersten Schnittebene,
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3: eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils eines Teilgehäuses des Teilmoduls aus 2,
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4: eine schematische Seitenansicht eines Teilmoduls des Batteriemoduls aus 1 in einer zur 2 versetzten zweiten Schnittebene und
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5: eine schematische Schnittansicht eines Teils des Batteriemoduls aus 1.
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Das in 1 dargestellte Batteriemodul 10 weist ein erstes Teilmodul 12 mit als Rundzellen ausgestalteten ersten Batteriezellen 14 und ein zweites Teilmodul 16 mit als Rundzellen ausgestalteten zweiten Batteriezellen 18 auf. Die Batteriezellen 14, 18 sind beispielsweise horizontal ausgerichtet, wobei jeweils eine erste Batteriezelle 14 und eine zweite Batteriezelle 18 koaxial zueinander angeordnet sind. Das erste Teilmodul 12 weist einen Einlass 20 auf, über den ein Kühlmedium zugeführt werden kann, während das zweite Teilmodul 16 einen Auslass 22 aufweist, über den das Kühlmedium abgeführt werden kann.
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Wie in 2 dargestellt, sind die Batteriezellen 14, 18 in Zeilen mittig nebeneinander angeordnet, wobei in Spaltenrichtung nachfolgende Zeilen jeweils um ca. einen halben Abstand der Mittellinien der Batteriezellen 14, 18 versetzt angeordnet sind, wodurch der Bauraum in Spaltenrichtung gering gehalten werden kann. Durch diese Anordnung der Batteriezellen 14, 18 ergibt sich in jeder zweiten Zeile ein erster Zwischenraum 24 zwischen den ersten Batteriezellen 14 und einer ersten Seitenwand 26 eines ersten Teilgehäuses 28 sowie ein zweiter Zwischenraum 30 zwischen den zweiten Batteriezellen 18 und einer zweiten Seitenwand 32 eines zweiten Teilgehäuses 34. In den ersten Zwischenraum 24 steht von der ersten Seitenwand 26 des ersten Teilgehäuses 28 ein erster Rohrflansch 36 hinein ab, während in den zweiten Zwischenraum 30 von der zweiten Seitenwand 32 des zweiten Teilgehäuses 34 ein zweiter Rohrflansch 38 hinein absteht. Der erste Rohrflansch 36 ist jeweils mit dem gegenüberliegenden zweiten Rohrflansch 38 flüssigkeitsdicht verbunden, so dass ein die ersten Batteriezellen 14 direkt kühlendes Kühlmedium von dem ersten Teilmodul 12 über die Rohrflansche 36, 38 in das zweite Teilmodul 16 strömen kann, um dort ebenfalls die zweiten Batteriezellen 18 direkt zu kühlen.
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Wie in 3 und 4 dargestellt, ragen die Rohrflansche 36, 38 nur etwas in die von dem Kühlmedium durchströmbaren Zwischenräume 24, 30 hinein, so dass oberhalb des ersten Rohrflanschs 36 ein erstes Sammelvolumen 40 innerhalb des ersten Zwischenraums 24 und unterhalb des zweiten Rohrflanschs 38 ein zweites Sammelvolumen 42 innerhalb des zweiten Zwischenraums 30 verbleibt, wo das Kühlmedium zu oder von den Rohrflanschen 36, 38 umgelenkt werden kann. Gegenüberliegend zu den ersten Rohrflanschen 36 steht von der ersten Seitenwand 28 ein erster Befestigungsansatz 44 nach außen ab, während gegenüberliegend zu den zweiten Rohrflanschen 38 von der zweiten Seitenwand 32 ein zweiter Befestigungsansatz 46 nach außen absteht. Über die Befestigungsansätze 44, 46 können die Teilgehäuse 28, 34 zur Ausbildung eines gemeinsamen Modulrahmens miteinander verbunden werden, so dass auch das erste Teilmodul 12 mit dem zweiten Teilmodul 16 verbunden werden kann.
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Wie in 5 dargestellt kann zwischen dem ersten Rohrflansch 36 und dem zweiten Rohrflansch 38 ein als O-Ring ausgestaltetes Dichtelement 48 vorgesehen sein, das im miteinander befestigten Zustand der Befestigungsansätze 44, 46 eine flüssigkeitsdichte Verbindung des ersten Rohrflansch 36 mit dem zweiten Rohrflansch ermöglicht. Dadurch kann insbesondere zwischen den ersten Batteriezellen 14 und den zweiten Batteriezellen 18 ein gegenüber dem Kühlmedium abgedichtetes Zwischenvolumen 50 ausgebildet werden, in dem Pole der ersten Batteriezellen 14 und/oder der zweiten Batteriezellen 18 hineinragen können, ohne durch eindringendes Kühlmittel einen elektrischen Kurzschluss befürchten zu müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006018849 A1 [0002]
