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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen Energiespeicher gemäß Patenanspruch 1 und einen Energiespeicher gemäß Patentanspruch 9.
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Es sind elektrische Energiespeicher für ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs bekannt, die Energiespeicherzellen aufweisen, die stapelartig zu einem Energiespeichermodul angeordnet sind. Die stapelartige Anordnung behindert im Betrieb des Energiespeichers eine Wärmeabfuhr aus den Energiespeicherzellen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Kühleinrichtung und einen verbesserten Energiespeicher mit solch einer Kühleinrichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mittels einer Kühleinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine verbesserte Kühleinrichtung dadurch bereitgestellt werden kann, dass der Energiespeicher eine Kühleinrichtung und wenigstens ein Energiespeichermodul aufweist. Die Kühleinrichtung ist ausgebildet, das Energiespeichermodul zu kühlen. Die Kühleinrichtung weist wenigstens ein Kühlelement und eine Federlamelle auf. Die Federlamelle ist mit dem Kühlelement gekoppelt. Die Federlamelle ist zwischen dem Kühlelement und dem Energiespeichermodul angeordnet und liegt zumindest abschnittsweise an dem Energiespeichermodul an. Die Federlamelle ist ausgebildet, Wärme aus dem Energiespeichermodul zu dem Kühlelement zu führen.
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Dadurch kann ein besonders leichter Energiespeicher bereitgestellt werden. Ferner kann das Energiespeichermodul in der Demontage des Energiespeichers leichter als bei herkömmlichen Energiespeichern entnommen werden, da hierbei kein Füllmittel aus dem Energiespeicher zu entfernen ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Federlamelle einen ersten Abschnitt, einen an den ersten Abschnitt angrenzend angeordneten zweiten Abschnitt und einen an den zweiten Abschnitt angrenzend angeordneten dritten Abschnitt auf. Der erste Abschnitt und/oder der dritte Abschnitt ist mit dem Kühlelement gekoppelt. Auf diese Weise kann mittels der Federlamelle ein Toleranzausgleich zwischen dem Kühlelement und dem Energiespeichermodul erfolgen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Abschnitt und/oder der dritte Abschnitt zumindest abschnittsweise geradlinig ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist der zweite Abschnitt bogenförmig ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Abschnitt und/oder der dritte Abschnitt stoffschlüssig mit dem Kühlelement verbunden. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass in der Montage des Energiespeichers die Federlamelle sich nicht unbeabsichtigt von ihrer Montageposition entfernt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Kühlelement wenigstens eine erste Aufnahme und eine beabstandet zu der ersten Aufnahme angeordnete zweite Aufnahme auf. In die erste Aufnahme greift der erste Abschnitt und in die zweite Aufnahme greift der dritte Abschnitt ein.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die erste Aufnahme einen ersten Aufnahmeabschnitt und einen zweiten Aufnahmeabschnitt auf. Die zweite Aufnahme weist einen dritten Aufnahmeabschnitt und einen vierten Aufnahmeabschnitt auf. Der zweite Aufnahmeabschnitt ist schräg oder senkrecht zu dem ersten Aufnahmeabschnitt angeordnet. Der vierte Aufnahmeabschnitt ist schräg oder senkrecht zu dem dritten Aufnahmeabschnitt angeordnet. Der erste und/oder der dritte Aufnahmeabschnitt sind parallel zu einer Seitenfläche des Kühlelements angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Abschnitt in dem ersten Aufnahmeabschnitt und der dritte Abschnitt in dem dritten Aufnahmeabschnitt angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Energiespeichermodul wenigstens eine Energiespeicherzelle. Die Kühleinrichtung umfasst ein weiteres Kühlelement und eine weitere Federlamelle. Die weitere Federlamelle ist auf einer zum Kühlelement zugewandten Seite des weiteren Kühlelements an dem weiteren Kühlelement angeordnet. Die Energiespeicherzelle ist zwischen den beiden Federlamellen angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Kühleinrichtung wenigstens eine Kühlplatte auf. Das Kühlelement ist mit der Kühlplatte verbunden. Das Energiespeichermodul ist thermisch mit der Kühlplatte koppelbar. Auf diese Weise kann die in das Kühlelement eingeleitete Wärme über die Kühlplatte weiter abgeführt werden, sodass eine Überhitzung des Kühlelements vermieden wird und somit eine zuverlässige Kühlung des Energiespeichermoduls sichergestellt ist.
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Die Aufgabe wird aber auch durch einen Energiespeicher gemäß Anspruch 9 gelöst.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein verbesserter Energiespeicher dadurch bereitgestellt werden kann, dass der Energiespeicher ein Energiespeichermodul und eine oben beschriebene Kühleinrichtung umfasst, wobei das Energiespeichermodul wenigstens eine Energiespeicherzelle aufweist, wobei die Federlamelle ausgebildet ist, Wärme aus dem Energiespeichermodul zu dem Kühlelement zu führen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Kühleinrichtung ein weiteres Kühlelement und eine weitere Federlamelle auf, wobei die weitere Federlamelle gegenüberliegend zu der dem Kühlelement zugewandten Seite des weiteren Kühlelements an dem weiteren Kühlelement angeordnet ist, wobei die Energiespeicherzelle zwischen den beiden Federlamellen angeordnet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Draufsicht auf einen Energiespeicher gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 einen Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht des in 1 gezeigten Energiespeichers;
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3 eine Seitenansicht auf ein Energiespeichermodul des in den 1 und 2 gezeigten Energiespeichers;
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4 eine perspektivische Ansicht des in 3 gezeigten Energiespeichermoduls;
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5 eine Schnittansicht durch den 1 und 2 gezeigten Energiespeicher;
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6 einen Ausschnitt der in 5 gezeigten Schnittansicht des Energiespeichers; und
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7 eine Draufsicht auf einen Energiespeicher gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Draufsicht auf einen Energiespeicher 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Energiespeicher 10 weist ein Gehäuse 15 auf. In dem Gehäuse 15 ist ein Energiespeichermodul 20 mit mehreren stapelartig angeordneten Energiespeicherzellen 25 angeordnet. Ferner umfasst der Energiespeicher 10 mehrere Anschlüsse 30, die zumindest teilweise mit dem Energiespeicher 20 elektrisch verbunden sind. Die Anschlüsse 30 dienen dazu, eine elektrische Verbindung zu dem Kraftfahrzeug, insbesondere zu einem Steuergerät eines Leistungsantriebs des Kraftfahrzeugs, bereitzustellen.
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Der Energiespeicher 10 weist ferner eine Kühleinrichtung 35 auf. Die Kühleinrichtung 35 dient als Wärmesenke und führt dabei Wärme aus dem Energiespeichermodul 20 ab, um eine Überhitzung des Energiespeichermoduls 20 zu vermeiden und/oder das Energiespeichermodul 20 in einem optimalen Temperaturarbeitsbereich zu halten.
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2 zeigt einen Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht des in 1 gezeigten Energiespeichers 10. 3 zeigt eine Seitenansicht auf das Energiespeichermodul 20 des in den 1 und 2 gezeigten Energiespeichers 10. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des in 3 gezeigten Energiespeichermoduls 20. 5 zeigt eine Schnittansicht des in den 1 und 2 gezeigten Energiespeichers 10. 6 zeigt einen Ausschnitt der in 5 gezeigten Schnittansicht des Energiespeichers 10.
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Die Energiespeicherzelle 25 ist beispielhaft als Beutelzelle (pouch cell) ausgebildet. Die Energiespeicherzelle 25 weist ein Verbindungselement 40 zur mechanischen Verbindung der Energiespeicherzelle 25 mit einer benachbart zu der Energiespeicherzelle 25 angeordneten weiteren Energiespeicherzelle 25 auf. Ferner sind die Energiespeicherzellen 25 elektrisch miteinander kontaktiert. Die Anzahl und Anordnung der Energiespeicherzellen 25 richtet sich dabei nach einer gewünschten elektrischen Spannung des Energiespeichermoduls 20 und einer gewünschten, durch das Energiespeichermodul 20 abgebbaren Stromstärke. Je nach Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs als Hybrid- oder Elektrofahrzeug sind die Energiespeicherzellen 25 zu dem Energiespeichermodul 20 zusammengefasst, das insbesondere für Hochvoltanwendungen im Kraftfahrzeug hierbei besonders zum Speichern von elektrischer Energie für ein Antriebssystems des Kraftzeugs geeignet ist. In der Ausführungsform weist dabei beispielhaft das Energiespeichermodul 20 eine im Wesentlichen quaderförmige Ausgestaltung auf.
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Um die beim Betrieb des Energiespeichermoduls 20 entstehende Wärme besonders effizient abzuführen, weist die Kühleinrichtung 35 ein erstes Kühlelement 45 und ein zweites Kühlelement 50 auf. Zwischen dem ersten Kühlelement 45 und dem zweiten Kühlelement 50 ist das Energiespeichermodul 20 angeordnet. Ferner weist die Kühleinrichtung 35 eine Kühlplatte 55 auf. Das erste Kühlelement 45 und das zweite Kühlelement 50 sind dabei sowohl mechanisch als auch thermisch mit der Kühlplatte 55 verbunden. Dabei sind die Kühlelemente 45, 50 an einer gemeinsamen Seite der Kühlplatte 55 angeordnet. Die Kühlelemente 45, 50 können dabei auch als Querstrebe eines Rahmens des Energiespeichers 10 ausgebildet sein. Dabei ist in dieser Ausgestaltung das Kühlelement 45, 50 ausgebildet, mechanische Kräfte, beispielsweise Beschleunigungskräfte, die auf das Energiespeichermodul 20 wirken, abzustützen. Die Kühlplatte 55 kann dabei auch Teil des Rahmens sein. Ferner ist auch denkbar, dass oberseitig in 5 eine weitere Kühlplatte vorgesehen ist, die thermisch und mechanisch mit den Kühlelementen 45, 50 angeordnet sind.
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In der Ausführungsform weist das Kühlelement 45, 50 als Werkstoff vorzugsweise Aluminium auf. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass das Kühlelement 45, 50 einen anderen Werkstoff aufweist. Das Kühlelement 45, 50 umschließt einen Hohlraum 60. Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass das Kühlelement 45, 50 besonders steif und gleichzeitig leicht ausgebildet ist. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass auf den Hohlraum 60 verzichtet wird.
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Die Kühleinrichtung 35 weist eine erste Federlamelle 65 und eine zweite Federlamelle 70 auf. Die erste Federlamelle 65 ist identisch zu der zweiten Federlamelle 70 beispielhaft ausgebildet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die erste Federlamelle 65 unterschiedlich zur zweiten Federlamelle 70 ausgebildet ist. Die zweite Federlamelle 70 ist an einer der ersten Federlamelle zugewandten Seite des zweiten Kühlelements 50 angeordnet.
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Die erste Federlamelle 65 ist mit dem ersten Kühlelement 45 verbunden. Die erste Federlamelle 65 ist zwischen dem ersten Kühlelement 45 und dem Energiespeichermodul 20 angeordnet. Analog dazu ist die zweite Federlamelle 70 zwischen dem Energiespeichermodul 20 und dem zweiten Kühlelement 50 angeordnet. Die zweite Federlamelle 70 ist mit dem zweiten Kühlelement 50 verbunden. Dabei ist in der Ausführungsform für jede Energiespeicherzelle 25 jeweils eine erste Federlamelle 65 und eine zweite Federlamelle 70 vorgesehen, wobei die beiden Federlamellen 65, 70 an gegenüberliegend zugewandten Seiten der Kühlelemente 45, 50 im Wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet sind. Dabei ist die Energiespeicherzelle 25 zwischen den beiden gegenüberliegend angeordneten Federlamellen 65, 70 angeordnet.
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Die Federlamelle 65, 70 ist blattfederartig ausgebildet und vorgespannt zwischen dem jeweiligen Kühlelement 45, 50 und der Energiespeicherzelle 25 angeordnet. Auf diese Weise wird ein zuverlässiger Berührkontakt zwischen der Federlamelle 65, 70 und der Energiespeicherzelle 25 einerseits und der Federlamelle 65, 70 und dem Kühlelement 45, 50 andererseits gewährleistet, um eine zuverlässige Wärmeübertragung zwischen der Energiespeicherzelle 25 und der Federlamelle 65, 70 und der Federlamelle 65, 70 und dem Kühlelement 45, 50 zum Wärmetransport von der Energiespeicherzelle 25 hin zum Kühlelement 45, 50 sicher zu gewährleisten. Aus dem Kühlelement 45, 50 wird die aufgenommene Wärme weiter zur Kühlplatte 55 transportiert. Zwischen der Kühlplatte 55 und einer Stirnfläche 71 des Energiespeichermoduls 20 ist ein Abstützelement 72 vorgesehen, das abwechselnd an der Kühlplatte 55 und an der Stirnfläche 71 des Energiespeichermoduls 20 anliegt und somit das Energiespeichermodul 20 thermisch mit der Kühlplatte 55 verbindet, um so eine verbesserte Kühlung des Energiespeichermoduls 20 zu erzielen.
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Die Federlamelle 65, 70 weist in der Ausführungsform als Werkstoff Stahl oder Kupfer auf. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die Federlamelle 65, 70 einen anderen Werkstoff aufweist. Die Wahl von Stahl und/oder Kupfer als Werkstoff hat den Vorteil, dass die Federlamelle 65, 70 zum einen mechanisch stabil und federnd ausgebildet ist und gleichzeitig die Federlamelle 65, 70 eine gute Wärmeleitfähigkeit zum Abtransport der Wärme aus der Energiespeicherzelle 25 zum Kühlelement 45, 50 gewährleisten kann.
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In der Ausführungsform ist die Federlamelle 65, 70 mittels einer formschlüssigen Verbindung mit dem Kühlelement 45, 50 verbunden. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die Federlamelle 65, 70 andersartig mit dem Kühlelement 45, 50 verbunden ist.
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Die Federlamelle 65, 70 (vgl. 6) ist im Wesentlichen über seine gesamte Längserstreckung (die senkrecht zur Zeichenebene verläuft) identisch ausgebildet und weist in der Ausführungsform einen ersten Abschnitt 75, einen zweiten Abschnitt 80 und einen dritten Abschnitt 85 auf. Der zweite Abschnitt 80 grenzt an den ersten Abschnitt 75 an. Der dritte Abschnitt 85 grenzt an den zweiten Abschnitt 80 an. Dabei ist der erste Abschnitt 75 und der dritte Abschnitt 85 geradlinig ausgebildet und in der Ausführungsform parallel zu einer Seitenfläche 90 des Kühlelements 45, 50, die dem Energiespeichermodul 20 zugewandt ist, ausgerichtet. Der zweite Abschnitt 80 ist überwiegend bogenförmig ausgebildet, wobei im Bereich angrenzend an den ersten Abschnitt 75 und an den dritten Abschnitt 85 der zweite Abschnitt 80 eine beispielhaft geradlinige Kontur aufweist.
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Das Kühlelement 45, 50 weist eine erste Aufnahme 95 und eine beabstandet zur ersten Aufnahme 95 angeordnete zweite Aufnahme 100 auf. Die beiden Aufnahmen 95, 100 verlaufen dabei senkrecht zur Zeichenebene der 5 und 6. Die erste Aufnahme 95 weist einen ersten Aufnahmeabschnitt 105 und einen zweiten Aufnahmeabschnitt 110 auf. Der zweite Aufnahmeabschnitt 110 ist im Wesentlichen senkrecht zum ersten Aufnahmeabschnitt 105 angeordnet, wobei der erste Aufnahmeabschnitt 105 im Wesentlichen parallel zur Seitenfläche 90 ausgerichtet ist. Auch ist denkbar, dass der erste Aufnahmeabschnitt 105 andersartig ausgerichtet ist. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass der zweite Aufnahmeabschnitt 110 schräg zum ersten Aufnahmeabschnitt 105 ausgerichtet ist.
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Die zweite Aufnahme 100 weist einen dritten Aufnahmeabschnitt 115 und einen vierten Aufnahmeabschnitt 120 auf. Der dritte Aufnahmeabschnitt 115 ist in der Ausführungsform beispielhaft parallel zur Seitenfläche 90 des Kühlelements 45, 50 ausgerichtet. Auch ist denkbar, dass der dritte Aufnahmeabschnitt 110 andersartig ausgerichtet ist. Der vierte Aufnahmeabschnitt 120 ist in der Ausführungsform senkrecht zu der Seitenfläche 90 und dem dritten Aufnahmeabschnitt 115 ausgerichtet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass der vierte Aufnahmeabschnitt 120 schräg zum dritten Aufnahmeabschnitt 115 ausgerichtet ist. Der erste Aufnahmeabschnitt 105 und der dritte Aufnahmeabschnitt 115 erstrecken sich vom zweiten Aufnahmeabschnitt 110 bzw. vom vierten Aufnahmeabschnitt 120 in entgegengesetzte Richtungen.
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In dem ersten Aufnahmeabschnitt 105 greift der erste Abschnitt 75 der Federlamelle 65, 70 ein. In den dritten Aufnahmeabschnitt 115 greift der dritte Abschnitt 85 der Federlamelle 65, 70 ein.
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Der zweite Abschnitt 80 erstreckt sich vom ersten Abschnitt 75 und vom dritten Abschnitt 85 in Richtung des Energiespeichermoduls 20. Aufgrund der blattfederartigen Ausgestaltung der Federlamelle 65, 70 liegt in montiertem Zustand der zweite Abschnitt 80 teilweise mit einer Seitenfläche 125 des Energiespeichermoduls 20 zugewandten Anlagefläche 126 an.
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Die oben beschriebene Ausgestaltung hat den Vorteil, dass in der Fertigung nach Montage der Kühlelemente 45, 50 an die Kühlplatte 55 die Federlamellen 65, 70 in die Aufnahmen 95, 100 beispielhaft in den 1, 5, 6 in Richtung senkrecht der Zeichenebene hinein gesteckt werden können. Im Anschluss daran wird das Energiespeichermodul 20 in Richtung senkrecht der Zeichenebene eingeschoben. Dadurch ist die Montage des Energiespeichers 10 besonders einfach und kostengünstig. Beim Einschieben des Energiespeichermoduls 20 werden die Federlamellen 65, 70 auseinandergedrückt. Die bogenförmige Ausgestaltung des zweiten Abschnitts 80 hat dabei den Vorteil, dass beim Einfügen des Energiespeichermoduls 20 der zweite Abschnitt 80 elastisch verformt und die Federlamelle 65, 70 verspannt wird, sodass der zweite Abschnitt 80 mit der Anlagefläche 126 im Wesentlichen flächig an der Seitenfläche 125 des Energiespeichermoduls 20 anliegt und somit eine hohe Wärmeübertragung zwischen dem Energiespeichermodul 20 und der Federlamelle 65, 70 sicher gewährleistet ist. Ebenso gewährleistet die korrespondierende Ausbildung des ersten Abschnitts 75 zu dem ersten Aufnahmeabschnitt 105 und des dritten Aufnahmeabschnitts 115 zu dem dritten Abschnitt 85 einen flächigen Berührkontakt zwischen dem Kühlelement 45, 50 und der Federlamelle 65, 70, sodass die in die Federlamelle 65, 70 eingeleitete Wärme aus dem Energiespeichermodul 20 zuverlässig an das Kühlelement 45, 50 abgeleitet werden kann.
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Zusätzlich kann dabei ein Toleranzausgleich zwischen dem Energiespeichermodul und den Kühlelementen 45, 50 erfolgen. Durch den Berührkontakt der Federlamelle 65, 70 mit der Seitenfläche 125 des Energiespeichermoduls 20 ist das Energiespeichermodul 20 thermisch mit dem Kühlelement 45, 50 verbunden.
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Die oben beschriebene Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auf viskos, insbesondere klebstoffartig ausgebildete Füllmittel, die als Gap-Filler auch bezeichnet werden, verzichtet werden. Zusätzlich kann auf diese Weise nach Ablauf einer Lebensdauer des Energiespeichermoduls 20 das Energiespeichermodul 20 auf einfache Weise entfernt werden, ohne dass der Energiespeicher 10 dabei zerstört oder das Füllmittel entfernt werden muss. Ferner ist eine Gesamtmasse des Energiespeichers 10 reduziert gegenüber Energiespeichern mit kunststoffartigen Füllmitteln.
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7 zeigt eine Draufsicht auf einen Energiespeicher 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Energiespeicher 10 ist im Wesentlichen identisch zu dem in den 1 bis 6 gezeigten Energiespeicher 10 ausgebildet. Abweichend dazu wird in dieser Ausführungsform auf die Aufnahmen 95, 100 im Kühlelement 45, 50 verzichtet. Die Federlamelle 65, 70 ist dabei mit dem ersten Abschnitt 75 und/oder mit dem dritten Abschnitt 85 stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Schweißverbindung, mit dem Kühlelement 45, 50 verbunden. Auf diese Weise kann das Kühlelement 45, 50 besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Die Funktionsweise entspricht dann im Wesentlichen der in 1 bis 6 gezeigten erläuterten Funktionsweise der Kühleinrichtung 35. Ferner ist natürlich auch denkbar, dass die in 7 beschriebene Ausgestaltung des Energiespeichers mit dem in 1 bis 6 beschriebenen Energiespeicher 10 kombiniert wird.
