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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung bezieht sich auf Batteriezellenausrichtungen, um elektrische Verbindungen zwischen Batteriezellanschlüssen für in Fahrzeugen genutzte Hochspannungsbatterie erleichtern zu helfen.
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HINTERGRUND
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Fahrzeuge, wie Batterie-Elektrofahrzeuge (BEVs, Battery Electric Vehicles), Plug-in Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs, Plug-in Hybrid Electric Vehicles), Mildhybridelektrofahrzeuge (MHEVs, Mild Hybrid Electric Vehicles) oder Vollhybridelektrofahrzeuge (FHEVs, Full Hybrid Electric Vehicles) können eine Energiespeichereinrichtung, wie zum Beispiel eine Hochspannungs-(HV-)Batterie, zur Funktion als eine Antriebsquelle für das Fahrzeug umfassen. Die HV-Batterie kann Komponenten und Systeme zur Unterstützung des Managens von Fahrzeugleistung und -operationen enthalten. Die HV-Batterie kann ein oder mehrere Arrays (Anordnungen) aus Batteriezellen enthalten, die zwischen Batteriezellenanschlüssen und Verbindungssammelschienen elektrisch verbunden sind. Die HV-Batterie und das umgebende Umfeld können ein Wärmemanagementsystem zum Unterstützen beim Managen der Temperatur der HV-Batteriekomponenten, -systeme und einzelner Batteriezellen enthalten.
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KURZDARSTELLUNG
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Eine Traktionsbatteriebaugruppe enthält erste und zweite Arrays, die zueinander beabstandet sind und jeweils mehrere prismatische Zellen mit jeweils einem positiven und einem negativen Anschluss an einer dem anderen Array zugewandten Zellenfläche aufweisen. Die Zellen sind in geneigten Stapeln ausgerichtet, so dass die Anschlüsse wenigstens einer der Zellen des ersten Arrays mit entgegengesetzt geladenen Anschlüssen von zwei anderen Zellen des zweiten Arrays gefluchtet sind. Die Baugruppe kann auch einen Rahmen enthalten, der die Zellen stützt und ausrichtet, so dass die Zellen der Arrays in gegenüberliegenden und umgekehrt gleichen Winkeln geneigt sind, die auf einer Breite und Länge jeder Batteriezelle basieren, um die Fluchtung der Anschlüsse wenigstens einer der Zellen des ersten Arrays mit den entgegengesetzt geladenen Anschlüssen zweier anderer Zellen des zweiten Arrays zu erleichtern. Die positiven und negativen Anschlüsse können im Wesentlichen flache Kontaktoberflächen definieren. Der Rahmen kann dazu ausgelegt sein, eine laterale Kompressionskraft gegen jedes der Arrays aufzubringen, so dass die gefluchteten positiven und negativen Anschlüsse einander wenigstens zum Teil kontaktieren. Die Anschlüsse können Laschen sein, die sich wenigstens zum Teil durch Ebenen erstrecken, die durch jeweilige obere und untere Flächen der jeweiligen Zelle definiert sind. Die Laschen können zusammengefügt werden. Wenigstens einer der positiven Anschlüsse und wenigstens einer der negativen Anschlüsse an entgegengesetzten Längsenden der Arrays können in elektrischer Verbindung mit einem Kabelbaum oder einem elektrischen Ausgangsleiter stehen. Wenigstens eine der Zellen des ersten Arrays kann in einem ersten Winkel geneigt sein, und die beiden unterschiedlichen Zellen des zweiten Arrays können in einem zweiten Winkel geneigt sein. Eine Gradzahl des ersten und des zweiten Winkels in Bezug auf eine vertikale Achse kann auf einer Zellenbreite und Zellenlänge basieren.
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Eine Traktionsbatteriebaugruppe enthält erste und zweite Arrays, die jeweils mehrere Zellen mit einem positiven und einem negativen Anschluss aufweisen, die dem gegenüberliegenden Array zugewandt sind. Die positiven Anschlüsse der Zellen des ersten Arrays befinden sich an einem oberen Teil einer Zellseitenfläche, und die negativen Anschlüsse der Zellen des zweiten Arrays befinden sich an einem oberen Teil einer Zellenseitenfläche. Die Baugruppe enthält auch einen Rahmen, der die Zellen beider Arrays in entgegengesetzte, geneigte Ausrichtungen ausrichtet, so dass einige der positiven Anschlüsse des ersten Arrays mit einigen der negativen Anschlüsse des zweiten Arrays in Deckung sind. Mehrere Platten können zwischen den jeweiligen positiven und negativen Anschlüssen in Deckung zueinander verschmolzen sein. Die Baugruppe enthält möglicherweise kein Sammelschienenmodul. Der Rahmen kann entgegengesetzte Längskomponenten enthalten, um eine Klemmlast in einer ersten Richtung auf das erste Array und eine Klemmlast in einer zweiten Richtung auf das zweite Array aufzubringen. Die Klemmlasten können derart sein, dass die jeweiligen positiven und negativen, in Deckung miteinander befindlichen Anschlüsse einander wenigstens zum Teil kontaktieren. Die geneigten Ausrichtungen der Zellen beider Arrays können auf einer Breite und Länge der Zelle basieren, so dass die Anschlüsse wenigstens einer der Zellen des ersten Arrays in Deckung zu entgegengesetzt geladenen Anschlüssen von zwei anderen Zellen des zweiten Arrays sind. Die Zellen können prismatische Zellen sein. Die positiven und negativen Anschlüsse jeder Zelle können sich an nur einer Fläche der Zelle befinden. Männliche oder weibliche Verbinder können jeden der Anschlüsse aufnehmen, so dass entgegengesetzt geladene Anschlüsse elektrisch verbunden sind, wenn die jeweiligen männlichen und weiblichen Verbinder ineinandergreifen. Die Anschlüsse können Laschen sein, die sich wenigstens zum Teil durch Ebenen erstrecken, die durch jeweilige obere und untere Flächen der jeweiligen Zelle definiert sind, und die Laschen können per Ultraschall miteinander verschweißt sein.
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Eine Traktionsbatteriebaugruppe enthält mehrere Batteriezellen, die jede gegenüberliegende Stirnflächen enthalten, die durch ein Ende getrennt sind, und einen positiven Anschluss, der sich vom Ende erstreckt und gefalzt ist, um eine der Flächen zum Teil abzudecken. Die mehreren Batteriezellen enthalten auch einen negativen Anschluss, der sich vom Ende erstreckt und gefalzt ist, um die andere der Flächen zum Teil abzudecken. Die mehreren Batteriezellen sind so gestapelt, dass wenigstens ein positiver Anschluss mit einem der negativen Anschlüsse gefluchtet ist. Ein Rahmen kann die Zellen stützen und Endplatten in Längsrichtung enthalten, die dazu ausgelegt sind, entgegengesetzte Kompressionskräfte in Längsrichtung auf die Zellen aufzubringen, so dass die positiven Anschlüsse die jeweiligen negativen Anschlüsse der benachbarten Zelle kontaktieren. Die Batteriezellen können Pouch-Zellen sein, und die Anschlüsse können Folienanschlüsse sein. Die Batteriezellen können prismatische Zellen sein, und die Flächen können ein Metallgehäuse und eine elektrische Isolierkomponente für jeden Teil der Fläche, unter dem der jeweilige Anschluss zum Teil abdeckt, enthalten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Batterieelektrofahrzeugs.
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2 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Wärmemanagementsystems für die Traktionsbatterie des Fahrzeugs aus 1.
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3 ist eine fragmentarische, perspektivische Ansicht eines Teils einer Traktionsbatterie, die ein Beispiel für ein Sammelschienenmodul zeigt, das die Fluchtung von Anschlüssen von Batteriezellen erleichtert.
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4 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Traktionsbatteriebaugruppe, die zwei Batteriezellen-Arrays mit mehreren Batteriezellen enthält, die in geneigten Stapeln mit einander zugewandten Anschlüssen ausgerichtet sind.
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5 ist eine perspektivische Ansicht einer der Batteriezellen aus den geneigten Stapeln aus 4.
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6A ist eine Seitenansicht eines Teils eines der Batteriezellen-Arrays aus 4.
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6B ist eine Seitenansicht eines Teils eines der Batteriezellen-Arrays aus 4.
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6C ist eine veranschaulichende Seitenansicht von Teilen der Batteriezellen-Arrays aus 4.
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6D ist eine Querschnittsansicht von 6C.
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7A ist eine Draufsicht des Teils der Traktionsbatteriebaugruppe aus 4.
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7B ist eine Seitenansicht einer der Batteriezellen aus 4, die beim Berechnen eines Ausrichtungswinkels der Batteriezellen im geneigten Stapel aus 4 verwendete Abmaße zeigt.
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7C ist eine veranschaulichende Seitenansicht von zwei der Batteriezellen aus 4, die Beispiele für Abmaße und Ausrichtungswinkel der Batteriezellen im geneigten Stapel aus 4 zeigt.
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8A ist eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle mit Anschlusslaschen.
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8B ist eine perspektivische Ansicht von Batteriezellen mit Anschlusslaschen, die in geneigten Stapeln ausgerichtet sind, wobei die Anschlusslaschen einander zugewandt sind.
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8C ist eine veranschaulichende Draufsicht auf zwei Anschlusslaschen und zwei Verbinder vor dem Zusammenfügen.
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8D ist eine veranschaulichende Draufsicht auf zwei Anschlusslaschen und zwei Verbinder aus 8C, die die Verbinder ineinandergegriffen zeigt.
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9 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer anderen Traktionsbatteriebaugruppe, die ein Batteriezellen-Array mit mehreren Batteriezellen enthält.
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10 ist eine perspektivische Ansicht von zwei Batteriezellen aus 9, die Folienanschlüsse zeigt, die umgefalzt sind, um gegenüberliegende Flächen der jeweiligen Zellen zum Teil abzudecken.
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11 ist eine Draufsicht auf einen Teil der Traktionsbatteriebaugruppe aus 9.
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12 ist eine perspektivische Ansicht von zwei anderen Batteriezellen, die Anschlusslaschen zeigt, die umgefalzt sind, um gegenüberliegende Flächen der jeweiligen Zellen zum Teil abzudecken.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich allerdings, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte, spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine typische Grundlage, um einen Fachmann von verschiedenen Anwendungen der vorliegenden Ausführungsformen zu unterrichten. Wie Durchschnittsfachleute verstehen werden, können verschiedene, mit Bezug auf jede der Figuren veranschaulichte und beschriebene Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen herzustellen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten allerdings für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungsformen erwünscht sein.
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1 zeigt ein Schema eines Beispiels für ein Plug-in Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV). Ein Fahrzeug 12 kann eine oder mehrere Elektromaschinen 14 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 16 verbunden sind. Die Elektromaschinen 14 können in der Lage sein, als ein Motor oder als ein Generator zu arbeiten. Zusätzlich kann das Hybridgetriebe 16 mechanisch mit einem Verbrennungsmotor 18 verbunden sein. Das Hybridgetriebe 16 kann auch mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden sein, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Die Elektromaschinen 14 können Antriebs- und Entschleunigungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 18 ein- oder ausgeschaltet ist. Die Elektromaschinen 14 können auch als Generatoren fungieren und Vorteile hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs bereitstellen, indem sie Energie, die im Friktionsbremssystem normalerweise als Wärme verloren gehen würde, zurückgewinnen. Die Elektromaschinen 14 können auch reduzierte Schadstoffemissionen bereitstellen, weil das Hybridelektrofahrzeug 12 unter gewissen Bedingungen im Elektromodus oder im Hybridmodus betrieben werden kann, um den Gesamtkraftstoffverbrauch des Fahrzeugs 12 zu verringern.
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Eine Traktionsbatterie oder -batteriesatz 24 speichert und stellt Energie bereit, die von den Elektromaschinen 14 verwendet werden kann. Die Traktionsbatterie 24 stellt typischerweise eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe aus einem oder mehreren Batteriezellen-Arrays in der Traktionsbatterie 24 bereit, die manchmal auch als Batteriezellenstapel bezeichnet werden. Die Batteriezellen-Arrays können eine oder mehrere Batteriezellen enthalten. Die Traktionsbatterie 24 ist elektrisch mit einem oder mehreren leistungselektronischen Modulen 26 durch eines oder mehrere Schütze (nicht dargestellt) verbunden. Das eine oder die mehreren Schütze können die Traktionsbatterie 24 von anderen Komponenten trennen, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 24 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das leistungselektronische Modul 26 ist ebenfalls mit den Elektromaschinen 14 elektrisch verbunden und stellt die Fähigkeit zur bidirektionalen Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Traktionsbatterie 24 und den Elektromaschinen 14 bereit. Zum Beispiel kann eine typische Traktionsbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, während die Elektromaschinen 14 zum Funktionieren möglicherweise eine dreiphasige Wechselspannung benötigen. Das leistungselektronische Modul 26 kann die Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umwandeln, wie sie von den Elektromaschinen 14 benötigt wird. In einem regenerativen Modus kann das leistungselektronische Modul 26 die dreiphasige Wechselspannung aus den Elektromaschinen 14, die als Generatoren fungieren, in die von der Traktionsbatterie 24 benötigte Gleichspannung umwandeln. Die Beschreibung hier ist gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug anwendbar. Bei einem reinen Elektrofahrzeug kann das Hybridgetriebe 16 ein Getriebe sein, das mit einer Elektromaschine 14 verbunden ist, und der Verbrennungsmotor 18 ist möglicherweise nicht vorhanden.
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Zusätzlich dazu, dass die Traktionsbatterie 24 Energie für den Antrieb bereitstellt, kann sie Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichspannungswandlermodul 28 enthalten, das die Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe der Traktionsbatterie 24 in eine Niederspannungs-Gleichstrom-Versorgung umwandelt, die kompatibel mit anderen Fahrzeugverbrauchern ist. Andere Hochspannungsverbraucher, wie zum Beispiel Verdichter und elektrische Heizungen, können direkt mit der Hochspannung verbunden sein, ohne dass ein Gleichspannungswandlermodul 28 verwendet wird. In einem typischen Fahrzeug sind die Niederspannungssysteme mit einer Hilfsbatterie 30 (z. B. einer 12-V-Batterie) elektrisch verbunden.
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Ein elektronisches Batteriesteuermodul (BECM, Battery Electronic Control Module) 33 kann mit der Traktionsbatterie 24 in Verbindung stehen. Das BECM 33 kann als eine Steuerung für die Traktionsbatterie 24 fungieren und kann auch ein elektronisches Überwachungssystem enthalten, das für jede der Batteriezellen Temperatur und Ladezustand managt. Die Traktionsbatterie 24 kann einen Temperatursensor 31 aufweisen, wie zum Beispiel einen Thermistor oder ein anderes Temperaturmessinstrument. Der Temperatursensor 31 kann in Verbindung mit dem BECM 33 stehen, um Temperaturdaten bezüglich der Traktionsbatterie 24 bereitzustellen. Der Temperatursensor 31 kann sich auch an oder in der Nähe der Batteriezellen in der Traktionsbatterie 24 befinden. Es wird ebenfalls in Betracht gezogen, dass mehr als ein Temperatursensor 31 verwendet werden kann, um die Temperatur der Batteriezellen zu überwachen.
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Das Fahrzeug 12 kann zum Beispiel ein Elektrofahrzeug sein, wie zum Beispiel ein PHEV, ein FHEV, ein MHEV oder ein BEV, in dem die Traktionsbatterie 24 von einer externen Leistungsquelle 36 wiederaufgeladen werden kann. Die externe Leistungsquelle 36 kann eine Verbindung zu einer elektrischen Anschlussstelle sein. Die externe Leistungsquelle 36 kann elektrisch mit Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE) 38 verbunden sein. Das EVSE 38 kann Schaltungsanordnungen und Steuerungen zum Regeln und Managen der Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Leistungsquelle 36 und dem Fahrzeug 12 bereitstellen. Die externe Leistungsquelle 36 kann dem EVSE 38 elektrische Gleichstrom- oder Wechselstromleistung bereitstellen. Das EVSE 38 kann einen Ladeverbinder 40 zum Einstecken in einen Ladeport 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Ladeport 34 kann irgendein Porttyp sein, der dazu ausgelegt ist, Leistung vom EVSE 38 zum Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeport 34 kann mit einem Ladegerät oder einem On-Board-Leistungswandlungsmodul 32 elektrisch verbunden sein. Das Leistungswandlungsmodul 32 kann die aus dem EVSE 38 zugeführte Leistung konditionieren, um der Traktionsbatterie 24 die korrekten Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungswandlungsmodul 32 kann an das EVSE 38 angekoppelt sein, um die Abgabe von Leistung an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Verbinder 40 kann Pins aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen am Ladeport 34 ineinandergreifen.
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Die verschiedenen erörterten Komponenten können eine oder mehrere zugehörige Steuerungen aufweisen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter in Verbindung stehen.
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Die Batteriezellen, wie zum Beispiel eine prismatische Zelle, können elektrochemische Zellen enthalten, die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie wandeln. Prismatische Zellen können ein Gehäuse, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) enthalten. Ein Elektrolyt kann es Ionen gestatten, sich während des Entladens zwischen der Anode und der Kathode zu bewegen und dann während des Wiederaufladens zurückzukehren. Anschlüsse können gestatten, dass Strom zur Verwendung durch das Fahrzeug aus der Zelle heraus fließt. Wenn sie in einem Array mit mehreren Batteriezellen positioniert sind, können die Anschlüsse jeder Batteriezelle mit gegenüberliegenden Anschlüssen (positiv und negativ), die einander benachbart sind, gefluchtet sein, und eine Sammelschiene kann eine Reihenverbindung zwischen den mehreren Batteriezellen erleichtern helfen. Die Batteriezellen können auch parallel angeordnet sein, so dass gleichartige Anschlüsse (positiv und positiv oder negativ und negativ) einander benachbart liegen. Zum Beispiel können zwei Batteriezellen so angeordnet sein, dass positive Anschlüsse einander benachbart liegen, und die nächsten beiden Zellen können so angeordnet sein, dass negative Anschlüsse einander benachbart liegen. In diesem Beispiel kann die Sammelschiene Anschlüsse aller vier Zellen kontaktieren.
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Die Traktionsbatterie 24 kann unter Verwendung eines Flüssig-Wärmemanagementsystems, eines Luft-Wärmemanagementsystems oder eines anderen, im Fachgebiet bekannten Verfahrens beheizt und/oder gekühlt werden. In einem Beispiel für ein Flüssig-Wärmemanagementsystem und jetzt mit Bezug auf 2: Die Traktionsbatterie 24 kann ein Batteriezellen-Array 88 enthalten, das gestützt von einer Wärmeleitplatte 90 gezeigt wird und das von einem Wärmemanagementsystem beheizt und/oder gekühlt werden soll. Das Batteriezellen-Array 88 kann mehrere Batteriezellen 92 enthalten, die benachbart zueinander und zu Strukturkomponenten positioniert sind. Das Gleichspannungswandlermodul 28 und/oder das BECM 33 können ebenfalls, unter gewissen Betriebsbedingungen, Kühlen und/oder Beheizen erfordern. Eine Wärmeleitplatte 91 kann das Gleichspannungswandlermodul 28 und das BECM 33 stützen und ihr Wärmemanagement unterstützen. Zum Beispiel kann das Gleichspannungswandlermodul 28 während der Spannungswandlung Wärme erzeugen, die möglicherweise abgeführt werden muss. Alternativ können die Wärmeleitplatten 90 und 91 miteinander in Fluidverbindung stehen, um eine gemeinsame Fluid-Einlassöffnung und eine gemeinsame Auslassöffnung gemeinsam zu nutzen.
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In einem Beispiel kann das Batteriezellen-Array 88 an der Wärmeleitplatte 90 montiert sein, so dass lediglich eine Oberfläche jeder der Batteriezellen 92, wie zum Beispiel eine untere Oberfläche, in Kontakt mit der Wärmeleitplatte 90 steht. Die Wärmeleitplatte 90 und die einzelnen Batteriezellen 92 können Wärme zwischen einander übertragen, um während des Fahrzeugbetriebs das Managen der thermischen Behandlung der Batteriezellen 92 im Batteriezellen-Array 88 zu unterstützen. Gleichförmige Thermofluidverteilung und hohe Wärmeübertragungsfähigkeit sind zwei Gesichtspunkte für die Wärmeleitplatte 90, damit wirksames Wärmemanagement für die Batteriezellen 92 in den Batteriezellen-Arrays 88 und für andere umgebende Komponenten bereitgestellt wird. Weil Wärme zwischen der Wärmeleitplatte 90 und dem Thermofluid über Wärmeleitung und Konvektion übertragen wird, ist die Oberflächenfläche in einem Thermofluid-Strömungsfeld für die wirksame Wärmeübertragung wichtig, sowohl zum Abführen von Wärme als auch zum Beheizen der Batteriezellen 92 bei niedrigen Temperaturen. Zum Beispiel erzeugt das Aufladen und Entladen der Batteriezellen Wärme, die die Leistung und die Lebensdauer des Batteriezellen-Arrays 88 negativ beeinflussen kann, wenn sie nicht abgeführt wird. Alternativ kann die Wärmeleitplatte 90 auch Wärme für das Batteriezellen-Array 88 bereitstellen, wenn es niedrigen Temperaturen ausgesetzt ist.
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Die Wärmeleitplatte 90 kann einen oder mehrere Kanäle 93 und/oder einen Hohlraum enthalten, um Thermofluid durch die Wärmeleitplatte 90 zu verteilen. Zum Beispiel kann die Wärmeleitplatte 90 eine Einlassöffnung 94 und eine Auslassöffnung 96 enthalten, die zum Bereitstellen und Umwälzen des Thermofluids mit den Kanälen 93 in Verbindung stehen können. Die Positionierung der Einlassöffnung 94 und der Auslassöffnung 96 kann in Bezug auf die Batteriezellen-Arrays 88 unterschiedlich sein. Zum Beispiel und wie in 2 gezeigt wird, können die Einlassöffnung 94 und die Auslassöffnung 96 mittig in Bezug auf die Batteriezellen-Arrays 88 positioniert sein. Die Einlassöffnung 94 und die Auslassöffnung 96 können auch an der Seite der Batteriezellen-Arrays 88 positioniert sein. Alternativ kann die Wärmeleitplatte 90 einen Hohlraum (nicht dargestellt) definieren, der zum Bereitstellen und Umwälzen des Thermofluids mit der Einlassöffnung 94 und der Auslassöffnung 96 in Verbindung steht. Die Wärmeleitplatte 91 kann eine Einlassöffnung 95 und eine Auslassöffnung 97 enthalten, um Thermofluid abzugeben und abzuführen. Optional kann eine Lage Thermal Interface Material (nicht dargestellt) an der Wärmeleitplatte 90 und/oder 91 unter dem Batteriezellen-Array 88 und/oder dem Gleichspannungswandlermodul 28 bzw. dem BECM 33 angebracht werden. Die Lage Thermal Interface Material kann die Wärmeübertragung zwischen dem Batteriezellen-Array 88 und der Wärmeleitplatte 90 verbessern, indem sie zum Beispiel Lücken und/oder Luftspalte zwischen den Batteriezellen 92 und der Wärmeleitplatte 90 füllt. Das Thermal Interface Material kann ebenfalls elektrische Isolierung zwischen dem Batteriezellen-Array 88 und der Wärmeleitplatte 90 bereitstellen. Ein Batterietrog 98 kann die Wärmeleitplatte 90, die Wärmeleitplatte 91, das Batteriezellen-Array 88 und andere Komponenten stützen. Der Batterietrog 98 kann eine oder mehrere Ausnehmungen enthalten, um die Wärmeleitplatten aufzunehmen.
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Unterschiedliche Batteriesatzkonfigurationen können verfügbar sein, um einzelne Fahrzeugvariablen anzusprechen, einschließlich Packaging-Einschränkungen und Leistungsanforderungen. Das Batteriezellen-Array 88 kann in einer Abdeckung oder einem Gehäuse (nicht dargestellt) enthalten sein, um das Batteriezellen-Array 88 und andere umgebende Komponenten, wie zum Beispiel das Gleichspannungswandlermodul 28 und das BECM 33, zu schützen und zu kapseln. Das Batteriezellen-Array 88 kann an mehreren unterschiedlichen Stellen positioniert sein, einschließlich zum Beispiel unter einem Vordersitz, unter einem Rücksitz oder hinter dem Rücksitz des Fahrzeugs. Allerdings wird in Betracht gezogen, dass das Batteriezellen-Array 88 an irgendeiner geeigneten Stelle im Fahrzeug 12 positioniert sein kann.
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Wie oben erwähnt, können HV-Batterien aus mehreren Batteriezellen bestehen, die miteinander in Reihe oder parallel verbunden sind. Bei in Reihe verbundenen Batteriezellen, wie zum Beispiel prismatischen Zellen und Pouch-Zellen, ist der positive Anschluss der ersten Zelle elektrisch mit dem negativen Anschluss der nächsten Zelle in der Reihe verbunden. Ein Sammelschienenmodul ist typischerweise eine separate Komponente, die beim Ausrichten und Fluchten von Anschlüssen unterstützt, um die elektrische Verbindung zwischen den Zellen zu erleichtern und/oder das Ausrichten von Sammelschienen zu unterstützen, die sich zwischen den Anschlüssen erstrecken. 3 zeigt ein Beispiel für eine HV-Batterie 100 mit mehreren Batteriezellen 102, die mittels Sammelschienen elektrisch in Reihe verbunden sind. Ein Sammelschienenmodul 108 unterstützt das Ausrichten der Sammelschienen und Anschlüsse 110 der Batteriezellen 102. Wie in 3 gezeigt wird, erstrecken sich die Anschlüsse 110 von einer oberen Fläche der Batteriezellen 102, und die Batteriezellen 102 sind in einer vertikalen Anordnung ausgerichtet. Diese Lage der Anschlüsse 110 kann zusätzliche Komponenten erfordern, um die elektrische Reihenverbindung zwischen den Batteriezellen 102 zu erleichtern. Alternativ kann direkte elektrische Verbindung von Zelle zu Zelle zwischen Anschlüssen eines Batteriezellen-Arrays Montagevorteile bereitstellen und eine Anzahl von Stützkomponenten reduzieren, wie zum Beispiel Sammelschienenmodule.
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Die 4 bis 7C zeigen ein Beispiel für einen Teil einer Traktionsbatteriebaugruppe 140 mit einem ersten Batteriezellen-Array 142, einem zweiten Batteriezellen-Array 144 und einem Rahmen 148, der die Batteriezellen-Arrays 142 und 144 dazwischen halten kann. Das erste Batteriezellen-Array 142 und das zweite Batteriezellen-Array 144 können jeweils mehrere Batteriezellen 150 aufweisen. Die Batteriezellen 150 können jeweils eine obere Fläche 152, eine untere Fläche 154, gegenüberliegende Stirnflächen 156 und gegenüberliegende Seitenflächen 158 definieren. Die Batteriezellen 150 können prismatische Zellen sein. Ein Paar Anschlüsse 160 kann sich aus jeder der Batteriezellen 150 erstrecken. Jeder der Anschlüsse 160 kann eine im Wesentlichen ebene Kontaktoberfläche definieren. In diesem Beispiel können sich die Anschlüsse 160 aus oberen und unteren Teilen von einer der gegenüberliegenden Seitenflächen 158 der Batteriezellen 150 erstrecken. Einer der Anschlüsse 160 ist ein positiver Anschluss, und der andere der Anschlüsse 160 ist ein negativer Anschluss. Die Batteriezellen 150 können in geneigten Stapeln ausgerichtet sein, so dass die Anschlüsse 160 wenigstens einer der Batteriezellen 150 eines der Batteriezellen-Arrays 142 und 144 mit entgegengesetzt geladenen Anschlüssen 160 von zwei anderen Batteriezellen 150 des anderen Arrays gefluchtet sind. Zum Beispiel können sich beim ersten Batteriezellen-Array 142 die positiven Anschlüsse an den oberen Teilen einer der gegenüberliegenden Seitenflächen 158 und die negativen Anschlüsse an den unteren Teilen einer der gegenüberliegenden Seitenflächen 158 befinden. In diesem Beispiel können sich beim zweiten Batteriezellen-Array 144 die positiven Anschlüsse an den unteren Teilen einer der gegenüberliegenden Seitenflächen 158 und die negativen Anschlüsse an den oberen Teilen einer der gegenüberliegenden Seitenflächen 158 befinden. Weiterhin können die Anschlüsse 160 des Batteriezellen-Arrays 142 und des Batteriezellen-Arrays 144 einander zugewandt sein.
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Der Rahmen 148 kann die Batteriezellen 150 der Batteriezellen-Arrays 142 und 144 stützen und ausrichten. Zum Beispiel können die Batteriezellen 150 in geneigten Stapeln ausgerichtet sein, so dass die Batteriezellen 150 in einem Neigungswinkel in Bezug auf den Rahmen 148 oder in Bezug auf eine Komponente unterhalb der Batteriezellen 150 geneigt sind, wie zum Beispiel einen Batterietrog (nicht dargestellt) oder eine Wärmeleitplatte (nicht dargestellt). Die Batteriezellen 150 des ersten Batteriezellen-Arrays 142 können in eine Richtung geneigt sein, die der Neigung der Batteriezellen 150 des zweiten Batteriezellen-Arrays 144 entgegengesetzt ist. Von daher können die positiven und negativen Anschlüsse von den Anschlüssen 160 mit den entgegengesetzt geladenen Anschlüssen 160 zweier anderer Batteriezellen 150 des anderen Arrays gefluchtet sein, in Deckung liegen und/oder im Kontakt stehen, dadurch wird das Einbeziehen eines Sammelschienenmoduls in die Traktionsbatteriebaugruppe 140 ausgeschlossen. In einem Beispiel können die Batteriezellen 150 so ausgerichtet sein, dass die Batteriezellen 150 des ersten Batteriezellen-Arrays 142 in einem ersten Winkel in Bezug auf eine vertikale Achse 159 und die Batteriezellen des zweiten Arrays in einem zweiten Winkel mit der gleichen Größe wie der erste Winkel, jedoch in eine entgegengesetzte Richtung in Bezug auf die vertikale Achse 159, geneigt sind. Eine Gradzahl der ersten und zweiten Winkel kann auf einer Breite und Länge einer der Seitenflächen 158 der Batteriezellen 150 basieren, um die Fluchtung der Anschlüsse 160 für die Batteriezellen 150 im geneigten Stapel zu erleichtern. 7B ist zum Beispiel eine Draufsicht auf eine der Batteriezellen 150 mit einer Breite („W”) und einer Länge („L”), die durch einen Abstand zwischen Mittelpunkten der Anschlüsse 160 definiert werden. Ein Winkel zwischen zweien der Batteriezellen 150, die im geneigten Stapel mit gefluchteten Anschlüssen 160 ausgerichtet sind, wird durch Θ dargestellt, wie in 7B gezeigt wird. Also kann der Neigungswinkel sowohl des ersten Batteriezellen-Arrays 142 als auch des zweiten Batteriezellen-Arrays 144 in Bezug auf die vertikale Achse 159 als Θ/2 dargestellt werden, wobei gilt sin2Θ = W/L. Durch die Mittellinien 164 der Anschlussachsen definierte Ebenen können den Winkel Θ definieren. Durch die beiden Stirnflächen 156 der unterschiedlichen Batteriezellen 150 definierte Ebenen können den Winkel Θ definieren. Die vertikale Achse 159 kann sich im Wesentlichen lotrecht von einer Oberfläche, die die Batteriezellen 150 stützt, erstrecken. Es wird in Betracht gezogen, dass sich unter gewissen Bedingungen eine oder mehrere Komponenten zwischen benachbarten Batteriezellen 150 befinden können. Die eine oder die mehreren Komponenten können zum Beispiel ein Zellabstandshalter, eine Kühlrippe oder eine Wärmeleitplatte sein. Wenn eine oder mehrere Komponenten zwischen benachbarten Batteriezellen 150 enthalten sind, kann die Breite W durch die Breite der Batteriezelle 150 und die Breite der einen oder der mehreren Komponenten definiert werden. Zwischen gegenüberliegenden Anschlüssen 160 können Platten (nicht dargestellt) mit Leitfähigkeits- und Impedanzcharakteristika verschmolzen sein, um die elektrische Verbindung zwischen den Batteriezellen 150 erleichtern zu helfen.
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Der Rahmen 148 kann Endplatten 165 und Seitenkomponenten 166 enthalten, die dazu ausgelegt sein können, eine oder mehrere Klemmlasten aufzubringen, um die Batteriezellen-Arrays 142 und 144 gegeneinander zusammenzudrücken. Zum Beispiel können die positiven und negativen Anschlüsse der Anschlüsse 160 die jeweiligen entgegengesetzt geladenen Anschlüsse kontaktieren, wenn sie zusammengedrückt werden, um eine elektrische Reihenverbindung über den Batteriezellen-Arrays 142 und 144 zu erleichtern. In 7A enthaltene Pfeile veranschaulichen ein Beispiel für Richtungen von Kompressionskräften, die auf die Batteriezellen-Arrays 142 und 144 aufgebracht werden können. In diesem Beispiel kann jedes der Batteriezellen-Arrays 142 und 144 eine Batteriezelle 150 an entgegengesetzten Längsenden des Arrays mit einem Anschluss aufweisen, der nicht in elektrischer Verbindung mit einer anderen Batteriezelle 150 steht, wie zum Beispiel ein Anschluss 150a der Batteriezellen 150 des Batteriezellen-Arrays 142 und ein Anschluss 150b der Batteriezellen 150 des Batteriezellen-Arrays 144. Die Anschlüsse 150a und 150b können in elektrischer Verbindung mit anderen Komponenten stehen, wie zum Beispiel mit einem Kabelbaum oder einem elektrischen Ausgangsleiter.
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Die 8A bis 8D zeigen Beispiele für alternative Anschlusskonfigurationen, die mit den Batteriezellen 150 genutzt werden können, wenn sie in geneigten Stapeln ausgerichtet sind. In den 8A und 8B kann die Batteriezelle 150 eine positive Anschlusslasche 260a und eine negative Anschlusslasche 260b enthalten, die als Anschlusslaschen 260a und 260b bezeichnet werden können. Die Anschlusslaschen 260a und 260b können sich wenigstens zum Teil durch jeweilige Ebenen 262a und 262b erstrecken, die durch die obere Fläche 152 und die untere Fläche 154 der Batteriezelle 150 definiert werden können. Die Anschlusslaschen 260a und 260b können zum Kontaktieren von entgegengesetzt geladenen Anschlusslaschen von zwei anderen Batteriezellen 150 ausgerichtet und gefluchtet sein. Die positive Anschlusslasche 260a und die negative Anschlusslasche 260b können zusammengefügt sein, um elektrische Verbindung zwischen ihnen zu erleichtern. Zu Beispielen für Zusammenfügeverfahren zählen Ultraschallschweißen und Widerstandsschweißen.
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Einer oder mehrere Verbinder können dazu ausgelegt sein, die Anschlüsse 160 aufzunehmen und zu fluchten, so dass entgegengesetzt geladene Anschlüsse 160 elektrisch verbunden sein können, wenn die Verbinder ineinandergreifen. Die 8C und 8D zeigen zum Beispiel einen männlichen Verbinder 280 und einen weiblichen Verbinder 282, die jeweils einen positiven oder negativen Anschluss 160 aufnehmen können. Der männliche Verbinder 280 und der weibliche Verbinder 282 können dazu ausgelegt sein, ineinanderzugreifen, so dass die entgegengesetzt geladenen Anschlüsse 160 einander kontaktieren, um eine elektrische Verbindung zwischen ihnen zu erleichtern. Es wird in Betracht gezogen, dass ein einzelner Verbinder (nicht dargestellt) dazu ausgelegt sein kann, entgegengesetzt geladene Anschlüsse 160 aufzunehmen, so dass die entgegengesetzt geladenen Anschlüsse 160 einander kontaktieren, um eine elektrische Verbindung zwischen ihnen zu erleichtern.
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Die 9 bis 12 zeigen ein Beispiel für einen Teil einer Traktionsbatteriebaugruppe 300, die ein Batteriezellen-Array 304 mit mehreren Batteriezellen 310 enthalten kann. Ein Rahmen 306 kann die Batteriezellen 310 stützen und halten. Die Batteriezellen 310 können jeweils gegenüberliegende Stirnflächen 312 aufweisen. Ein Paar Anschlüsse kann sich aus einem oberen Teil oder oberen Ende jeder Batteriezelle 310 erstrecken. Die Batteriezellen 310 können Pouch-Zellen sein. Eine Pouch-Zelle kann leitfähige positive und negative Folienanschlüsse enthalten, die Laschen ähneln, die sich aus einem Korpus der Pouch-Zelle erstrecken. Die Folienanschlüsse können in der Pouch-Zelle an eine Elektrode geschweißt sein. Pouch-Zellen können zum Halten der Komponenten der Zelle eine Folientasche oder Pouch anstatt eines im Wesentlichen starren Gehäuses, wie es üblicherweise bei prismatischen Zellen verwendet wird, verwenden. Die Anschlüsse der Batteriezellen 310 können auf abwechselnde, gegenüberliegende Stirnflächen 312 umgefalzt werden. Zum Beispiel kann ein positiver Folienanschluss 316a zum Teil eine der gegenüberliegenden Flächen 312 abdecken, und ein negativer Folienanschluss 316b kann zum Teil die andere der gegenüberliegenden Flächen 312 abdecken. Eine elektrische Isolierkomponente (nicht dargestellt) kann an den Batteriezellen 310 an Positionen befestigt sein, unter denen der entsprechende positive Folienanschluss 316a und der negative Folienanschluss 316b zum Teil abdecken. Die Batteriezellen 310 können so gestapelt sein, dass die positiven Folienanschlüsse 316a mit den negativen Folienanschlüssen 316b benachbarter Zellen gefluchtet sind. Die Batteriezellen 310 an den äußeren Enden des Batteriezellen-Arrays 304 können eine elektrische Verbindung zu anderen Komponenten der Traktionsbatteriebaugruppe 300 aufweisen, wie zum Beispiel einem Kabelbaum und einem elektrischen Ausgangsleiter.
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Der Rahmen 306 kann Komponenten enthalten, wie zum Beispiel Endplatten 320 und Seitenkomponenten 322. Die Endplatten 320 können dazu ausgelegt sein, entgegengesetzte Längskompressionskräfte oder Klemmlasten auf die Batteriezellen 310 aufzubringen. Die Seitenkomponenten 322 können dazu ausgelegt sein, entgegengesetzte seitliche Kompressionskräfte oder Klemmlasten auf die Batteriezellen 310 aufzubringen. Die Längskompressionskräfte und die seitlichen Kompressionskräfte können derart sein, dass die positiven Folienanschlüsse 316a und die negativen Folienanschlüsse 361b einander kontaktieren, um eine elektrische Reihenverbindung über dem Batteriezellen-Array 304 erleichtern zu helfen. In 11 enthaltene Pfeile veranschaulichen ein Beispiel für Richtungen der Kompressionskräfte, die auf das Batteriezellen-Array 304 aufgebracht werden können. In diesem Beispiel ist ein Sammelschienenmodul möglicherweise nicht erforderlich, weil die positiven Folienanschlüsse 316a und die negativen Folienanschlüsse 316b sich nicht über dem Batteriezellen-Array 304 erstrecken und stattdessen einander kontaktieren. Die Batteriezellen 310 können so beabstandet sein, dass eine Komponente, wie zum Beispiel ein Zellenabstandshalter (nicht dargestellt), zwischen den Zellen angeordnet werden kann. In diesem Beispiel kann der Zellenabstandshalter derart bemessen sein, dass die positiven Folienanschlüsse 316a und die negativen Folienanschlüsse 316b benachbarter Batteriezellen 310 einander immer noch kontaktieren können. Zwischen den positiven Folienanschlüssen 316a und den negativen Folienanschlüssen 316b können Platten (nicht dargestellt) mit Leitfähigkeits- und Impedanzcharakteristika verschmolzen sein, um die elektrische Verbindung zwischen den Batteriezellen 310 erleichtern zu helfen.
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12 zeigt ein Beispiel für zwei prismatische Zellen 400, die jeweils eine positive Anschlusslasche 410a und eine negative Anschlusslasche 410b an einem oberen Teil oder oberen Ende der Batteriezellen 400 enthalten können. Die Anschlusslaschen 410a und 410b können auf abwechselnde, gegenüberliegende Stirnflächen 412 umgefalzt werden. Zum Beispiel kann die positive Anschlusslasche 410a zum Teil eine der gegenüberliegenden Flächen 412 abdecken, und die negative Anschlusslasche 410b kann zum Teil die andere der gegenüberliegenden Flächen 412 abdecken. Eine elektrische Isolierkomponente (nicht dargestellt) kann an den Batteriezellen 400 an Positionen befestigt sein, unter denen die jeweiligen Anschlusslaschen 410a und 410b zum Teil abdecken. Die Batteriezellen 400 können so gestapelt sein, dass die positiven Anschlusslaschen 410a mit den negativen Anschlusslaschen 410b benachbarter Zellen gefluchtet sind. Mehrere Batteriezellen 400 können in ähnlicher Weise wie beim Batteriezellen-Array 304 gestapelt werden.
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Obwohl oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen, durch die Ansprüche erfassten Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Begriffe sind eher beschreibende als einschränkende Begriffe, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und vom Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Die Merkmale verschiedener Ausführungsformen können, wie vorher beschrieben wurde, kombiniert werden, so dass sie weitere Ausführungsformen bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben worden sein können, dass sie Vorteile gegenüber anderen Ausführungsformen oder gegenüber Umsetzungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer erwünschter Charakteristika bereitstellen bzw. diesen vorzuziehen sind, verstehen Durchschnittsfachleute, dass Kompromisse hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale oder Charakteristika eingegangen werden können, um erwünschte Eigenschaften des Gesamtsystems zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Zu diesen Merkmalen können Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebensdauerkosten, Absatzfähigkeit, Erscheinungsbild, Montage, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. zählen, sind aber nicht darauf beschränkt. Von daher liegen Ausführungsformen, die hinsichtlich eines oder mehrerer Kennwerte als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen bzw. als Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik beschrieben worden sind, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen erwünscht sein.
