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Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie mit einem Batteriegehäuse und wenigstens zwei Batteriezellmodulen, wobei jeweils zwischen zwei Batteriezellmodulen eine eine Kühlplatte aufweisende Kühlvorrichtung ausgebildet ist.
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Für Elektro- und Hybridfahrzeuge spielt das Thermomanagement der Traktionsbatterie eine wichtige Rolle. Der Betrieb von Batteriezellen, vorzugsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen, ist wirkungsgradbehaftet. Auch wenn der Wirkungsgrad dieser Batterieanordnungen hoch ist, muss eine im Verhältnis der übertragenen Energie geringe Wärmemenge abgeführt werden, da diese Wärme der Batteriezelle schaden kann. Bei einer erhöhten Temperatur können innerhalb der Batterie in den Batteriezellen irreversible Degradationsreaktionen auftreten, die die Lebensdauer der Batteriezellen reduzieren. Die Batteriezellen sollten idealerweise dauerhaft unterhalb in einem bestimmten Temperaturbereich betrieben werden, weshalb eine Temperiereinrichtung bzw. eine Kühlvorrichtung innerhalb der Traktionsbatterie bei größeren Entlade- und Ladeströmen von Vorteil ist.
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Die aus Herstell- und Kostengründen im Sandguss hergestellten Kühlplatten herkömmlicher Batteriemodule könnten nur eine geringe Steifigkeit hinsichtlich Stoßbelastung aufweisen und könnten somit nur geringe Kräfte aufnehmen. Bauraumbedingt können in einigen Fällen keine zusätzlichen Elemente zur Steifigkeitserhöhung und zum Schutz der Batteriezellmodule und der Kühlplatten bei einem Fahrzeugcrash oder Missbrauch, z.B. bei Bordsteinüberfahrten, vorgesehen werden. Weiterhin können die zur Versorgung der Kühlplatten mit Kühlmittel vorgesehenen Kühlmittelanschlüsse bauartbedingt nur wenige bis keine Kräfte aufnehmen.
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Werden die Sandgusskühlplatten unmittelbar an die angrenzenden Batteriezellmodule angeschraubt und als Einheit in die bestehende Traktionsbatterie integriert, so besteht die Gefahr, dass die Kühlplatten und deren Kühlmittelanschlüsse bei hohen mechanischen Belastungen durch Fahrzeugcrash, Bordstein- oder Bahnübergangsüberfahrten brechen können, sodass Kühlflüssigkeit im Inneren der Batterie austreten könnte.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung einer Kühlvorrichtung innerhalb einer Traktionsbatterie hinsichtlich auftretender mechanischer Belastungen zu verbessern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine zwischen zwei Batteriezellmodulen angeordnete, wenigstens eine Kühlplatte aufweisende Kühlvorrichtung wenigstens einen lastbefreiten Kühlmittelanschluss aufweist. Die durch Fahrzeugcrash oder Missbrauch, z.B. Bordstein- und Bahnübergangüberfahrten, auftretenden Kräfte werden somit durch die Kühlplatte, aber nicht über die Kühlmittelanschlüsse aufgenommen. Die Kühlplatte dient als tragendes Strukturelement bei gleichzeitiger Lastfreiheit der Kühlmittelanschlüsse. Die Kühlplatten können vorteilhaft als Strangpressprofile ausgeführt werden, was in weiterer vorteilhafter Weise für eine gleichmäßige, reproduzierbare Ausbildung der Kühlkanäle mit definierter Oberfläche dient, die gegenüber den aus Sandguss hergestellten Kühlplatten eine deutlich bessere Kühlleistung aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Traktionsbatterie kann durch die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche weitergebildet werden, womit die Ausgestaltungsmöglichkeiten jedoch nicht erschöpft sind.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an den Batteriezellmodulen jeweils stirnseitig Modulträger angeordnet sind, wobei sich der einer tunnelseitigen Gehäuseseitenwand der Traktionsbatterie zugewandten erste Modulträger geometrisch von dem einer außenliegenden Gehäuseseitenwand zugewandten zweiten Modulträger unterscheidet. Durch diese Ausgestaltung wird auf die vorhanden Bauraumunterschiede bedingt durch einen Mitteltunnel eines Kraftfahrzeugs eingegangen und die Anordnung darauf angepasst.
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In vorteilhafter Weise sind die derselben Gehäuseseitenwand zugewandten nebeneinander angeordneten Modulträger zweier benachbarter Batteriezellmodule jeweils als zueinander spiegelsymmetrische Blechhalter auf beiden Seiten der zwischen den Batteriezellmodulen angeordneten Kühlplatte ausgebildet. Durch die Spiegelsymmetrie der Modulträger wird die Druckbelastung über die Modulträger abgeleitet und nicht zu dem Kühlmittelanschluss der Kühlplatte geführt. Die Modulträger sind aus Stahlblech durch Pressen oder Stanzen und anschließendes Umformen kostengünstig herstellbar.
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Der erste z.B. der tunnelseitigen Gehäuseseitenwand der Traktionsbatterie zugewandte Modulträger weist beispielsweise eine im wesentlichen I-förmige Geometrie auf, wobei eine in Z-Richtung gesehen untere vertikale Fläche horizontal verläuft und eine in Z-Richtung betrachtet obere vertikale Fläche annähernd wellenförmig verläuft. Die wellenförmige Fläche weist ein mittig angeordnetes Wellental auf. An dem Wellental ist eine erste Haltelasche angeformt. Die horizontale und die wellenförmige Fläche sind über eine bogenförmige Fläche miteinander einstückig verbunden. Diese Geometrie dient vorteilhaft dem Kraftfluss der Stoßbelastungen von in Z-Richtung gesehen oben um die Kühlmittelanschlüsse herum in das Batteriegehäuse, sodass die Kühlmittelanschlüsse keine Last aufnehmen. Die bogenförmigen Flächen zweier benachbarter erster Modulträger bilden eine ovale Öffnung, in der die Kühlmittelanschlüsse beispielsweise im oberen Bereich angeordnet sind. Mit Hilfe der ersten Haltelaschen sind die Batteriezellmodule in dem Batteriegehäuse befestigt. Der erste Modulträger dient so vorteilhaft der Kraftentkopplung der Kühlmittelanschlüsse.
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Der in der Traktionsbatterie innenliegende, z.B. tunnelseitig angeordnete zweite Modulträger weist eine im wesentlichen K-förmige Geometrie auf, wobei zwei in Z-Richtung oben liegenden Arme miteinander verbunden sind und mittig in einem Verbindungsschnittpunkt eine zweite Haltelasche angeordnet ist. Innerhalb der entstehenden geschlossenen Fläche ist eine Aussparung vorgesehen, die eine von den Batteriezellmodulen wegweisende Ausstellung aufweist. In Z-Richtung gesehen unten weist der zweite Modulträger drei Arme auf. Mit Hilfe dieser Ausgestaltung kann der bestehende Bauraum optimal genutzt werden. Eine Öffnung zwischen benachbarten K-förmigen zweiten Modulträgern ist nicht erforderlich, da an der innenliegenden Stirnseite der Kühlplatte keine Kühlmittelanschlüsse angeordnet sind.
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Vorteilhafter Weise sind an dem Modulträger jeweils beidseitig abgekantete Laschen angeformt. Diese sind vorzugsweise einstückig mit dem jeweiligen Modulträger ausgeführt. Die angeformten Laschen des Modulträgers umgreifen das jeweilige Batteriezellmodul formschlüssig, wodurch die Batteriezellmodule zusätzlich versteift und verspannt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind jeweils zwei benachbarte Batteriezellmodule und die zwei daran stirnseitig angeordneten Modulträger sowie die zwischen den Batteriezellmodulen angeordnete Kühlplatte über Verbindungselemente miteinander verbindbar. Vorteilhafter Weise sind an einem zweier benachbarter Modulträger einseitig Schraubmuttern mittels Fügeverfahren angeformt, die mit Schrauben verschraubbar sind. Die Schrauben sind durch die Laschen, die Zellmodule und die eingebrachten Bohrungen stirnseitig durchführbar und mit den Schraubmuttern verschraubbar, wodurch die Batteriezellmodule fest miteinander verspannt werden. Die feste Verspannung ist für eine lange Lebensdauer der Traktionsbatterie vorteilhaft.
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Durch die Verschraubung entsteht eine kompakte Einheit, die eine hohe Eigensteifigkeit aufweist. Eine eingeleitete Druckbelastung aus einem Fahrzeugcrash oder Missbrauch durch bspw. Bordsteinüberfahrten kann mit Hilfe dieser elastischen Aufhängung über das Verbindungselement und den Modulträger abgeleitet werden, wobei der Kühlmittelanschluss lastbefreit ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Modulträger von den Batteriezellmodulen wegweisende Befestigungslaschen auf, mit denen der Modulträger über Befestigungselemente an dem Batteriegehäuse befestigbar sind, wodurch der Kraftfluss direkt in das Batteriegehäuse geleitet wird und eine widerstandsfähige Anordnung entsteht.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu, die ebenfalls unter den Schutzbereich fallen. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine bevorzugte Ausführungsform in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Es zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Traktionsbatterie;
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1a einen Zusammenbau von zwei Batteriezellmodulen und einer Kühlplatte der Ausführungsform gemäß 1;
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2 eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Ausführungsform aus 1;
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3 eine Frontalansicht der Ausführungsform gemäß 1 und 2;
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4 eine Rückansicht der Ausführungsform gemäß 1 und 2;
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5 Kraftfluss der Ausführungsform gemäß 1 bis 4.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Traktionsbatterie 1 eines Kraftfahrzeugs aufweisend ein Batteriegehäuse 39 mit einer außenliegenden Gehäuseseitenwand 4, wobei das Batteriegehäuse 39 um einen karosserieseitigen Tunnel 2 des Kraftfahrzeugs für die Durchführung eines Abgasrohrs oder ähnliches herum geformt ist und somit eine tunnelseitige Gehäusewand 11 bildet.
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Die Traktionsbatterie 1 weist gemäß 1a zwei Batteriezellmodule 3 auf, welche jeweils zwei als Blechhalter ausgeführte Modulträger 5, 6 jeweils an ihren Stirnseiten 7, 10 aufweisen. Der erste Modulträger 5 ist auf der der tunnelseitigen Gehäuseseitenwand 11 der Traktionsbatterie 1 zugewandten Stirnseite 7 angebracht. Der zweite Modulträger 6 ist auf der außenseitigen Gehäuseseitenwand 4 der Traktionsbatterie 1 zugewandten Stirnseite 10 angeordnet. Die Modulträger 5, 6 sind jeweils spiegelsymmetrisch zu einer Kühlvorrichtung 9, welche zwischen den Zellmodulen 3 angeordnet ist, ausgeführt. Die genaue Ausgestaltung der Modulträger 5, 6 wird anhand der 2 näher erläutert.
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Die Kühlvorrichtung 8 weist eine Kühlplatte 9 auf. Die Kühlplatte 9 weist an einer ihrer Stirnseiten 11 zwei Kühlmittelanschlüsse 12, 13 auf. Über die Kühlmittelanschlüsse 12, 13 wird keine Last aufgenommen, sodass die Kühlmittelanschlüsse 12, 13 lastfrei bleiben.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Ausführungsform aus 1 in einer Explosionsdarstellung aufweisend die Batteriezellmodule 3, die Kühlplatte 9, eine dazwischen angeordnete thermische Leitschicht 18, die als Wärmeleitfolie ausgeführt ist, die Modulträger 5, 6, wobei die Modulträger 5, 6 vergrößert dargestellt sind, und Verbindungselemente 15. Zwei jeweils benachbarte Modulträger 5, 6 sind jeweils zu der Kühlplatte 9 spiegelsymmetrisch ausgeführt.
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Der erste Modulträger 5 weisen an seinem in Z-Richtung unteren Ende eine in der YZ-Ebene liegende horizontale Fläche 31 und an seinem oberen Ende eine in der YZ-Ebene liegende wellenförmige Fläche 33 auf, wobei diese eine in Z-Richtung gewellte Kante aufweist. Die wellenförmige Fläche 33 ist derart ausgeführt, dass sie mittig ein in Z-Richtung weisendes Wellental 35 aufweist. An dem Wellental 35 ist eine erste Haltelasche 37 angeformt, mit Hilfe derer diese Anordnung für einen Robotergreifer für eine Montage in einem Batteriegehäuse 39 vorteilhaft gehalten wird. Die wellenförmige Fläche 33 weist weiterhin an ihren in Y-Richtung äußeren Enden jeweils einen Wellenberg 36 auf, wobei die Wellenberge 36 an ihrem Maximum in X-Richtung abgekantet sind und auf diese Weise Laschen 41 ausbilden, die die Batteriezellmodule 3 formschlüssig umgreifen.
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Die horizontale Fläche 31 ist derart ausgestaltet, dass sie an ihrem in Z-Richtung unteren Ende eine gerade Kante aufweist. Die horizontale Fläche 31 weist ebenfalls in X-Richtung abgekantete Laschen 41, 41a auf. Die Laschen 41, 41a sind jeweils mit einer in Y-Richtung angeordneten Bohrung versehen. Von zwei benachbarten ersten Modulträgern 5, weist ein erster Modulträger 5 an den angekanteten Laschen 41a jeweils eine angeschweißte Schraubenmutter 42 auf.
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Die Schraubenmutter 42 und eine Schraube 15 bilden ein Verbindungselement 14, mit denen die Verschraubung und Verspannung der Batteriezellmodule 3 erfolgt. Im Zusammenbau sind die Schrauben 15 in Y-Richtung durch die Bohrungen der Laschen 41 zweier benachbarter erster Modulträger 5 und jeweils vorgesehene Bohrungen in den zwei Batteriezellmodulen 3 und der Kühlplatte 6 hin durchführbar und mit den Schraubenmuttern 42 an den Laschen 41a eines ersten Modulträgers 5 verbindbar.
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Die horizontale Fläche 31 und die wellenförmige Fläche 33 sind jeweils über eine teilweise bogenförmige Fläche 43 miteinander verbunden. Die bogenförmige Fläche 43 verläuft in einem mit Orientierung an der Z-Achse oberen Teilabschnitt 34 gerade und im weiteren Teilabschnitt 38 bogenförmig und endet an der horizontalen Fläche 31. Die bogenförmigen Flächen 43 sind an der Kühlplatte 9 zueinander spiegelsymmetrisch ausgeführt, sodass die bogenförmigen Flächen 43 zweier benachbarter erster Modulträger 5 eine ovale Öffnung 44 bilden, in der im Zusammenbau die lastbefreiten Kühlmittelanschlüsse 12, 13 angeordnet sind.
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Die bogenförmigen Fläche 43 jedes ersten Modulträgers 5 weist jeweils ihrer Kontur folgend, vorzugsweise in dem Übergang zwischen dem geraden Teilabschnitt 34 der bogenförmigen Fläche 43 und dem bogenförmigen Teilabschnitt 38 der bogenförmigen Fläche 43 und fortlaufend in dem bogenförmigen Teilabschnitt 38, eine erste Sicke 45 zur Versteifung des ersten Modulträgers 5 auf. Eine weitere Versteifung ist dadurch gegeben, dass Innenkanten der bogenförmigen Fläche 43 einzelne Abkantungen 47 aufweisen. An einer Außenkante der ersten Modulträger 5 im Bereich der bogenförmigen Fläche 43 ist eine erste vom Batteriezellmodul 3 wegweisend ausgestellte Befestigungslasche 49, aufweisend eine Bohrung, ausgebildet. An der Innenkante ist eine zweite Befestigungslasche 49a ausgebildet. Mit Hilfe der Befestigungslaschen 49 ist bspw. ein elektrischer Kabelbaum befestigbar und mit den Befestigungslaschen 49a ist die Anordnung mit dem Batteriegehäuse 39 verbindbar.
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Der zweite Modulträger 6 weist eine gegenüber dem ersten Modulträger 5 abweichende Geometrie auf, die im wesentlichen K-förmig ist, wobei in einem mittleren Bereich nur eine geringe Einschnürung vorhanden ist. Die Außenkanten 50 des zweiten Modulträgers 6 verlaufen annähernd vertikal in Z-Richtung. Die einander zugewandten Innenkanten 52 zweier benachbarter Modulträger 6 weisen einen leicht gebogenen Verlauf auf, wobei die beiden leicht gebogenen Verläufe der Innenkanten 52 an der Kühlplatte 9 zueinander spiegelsymmetrisch ausgeführt sind.
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Der zweite Modulträger 6 weist jeweils in einem in Z-Richtung gesehen oberen Bereich zwei obere Arme 51 auf. Zwischen den beiden oberen Arme 51 ist eine zweite Haltelasche 37 angeformt, mit Hilfe derer diese Anordnung für einen Robotergreifer für eine Montage in einem Batteriegehäuse 39 vorteilhaft gehalten wird.
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Der zweite Modulträger 6 weist in Z-Richtung gesehen unten drei untere Arme 55, 56, 57 auf. Der erste untere Arm 55 verläuft jeweils nahezu entlang der Y-Achse, wobei die ersten unteren Arme 55 zweier benachbarter zweiten Modulträger 6 in zueinander entgegengesetzte Richtung weisen. Im Bereich des ersten unteren Armes 55 weist der zweite Modulträger 6 eine kurze, in einem stumpfen Winkel mit geraden Schenkeln geformte, zweite Sicke 58 zur Versteifung auf, wobei beide Schenkel unterschiedlich lang sind. An dem ersten unteren Arm 55 ist weiterhin eine vom Zellmodul 3 wegweisend ausgestellte Befestigungslasche 49a, aufweisend eine Schraubmutter 42, deren Achse in Z-Richtung liegt, ausgebildet. Der zweite untere Arm 56 und der dritte untere Arm 57 schließen zueinander einen spitzen Winkel ein, der materialfrei ausgeführt ist.
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An den zwei unteren Armen 56, 57 und den beiden oberen Armen 51 sind abgekantete Laschen 41 und 41a ausgebildet, die das Batteriezellmodul 3 formschlüssig umgreifen. Von zwei benachbarten zweiten Modulträgern 6, weist ein zweiter Modulträger 6 an den angeordneten Laschen 41a jeweils eine angeschweißte Schraubenmutter 42 auf. Die Schraubenmutter 42 und die Schraube 15 bilden das Verbindungselement 14, mit denen die Verschraubung und Verspannung der Batteriezellmodule 3 erfolgt. Im Zusammenbau sind die Schrauben 15 in Y-Richtung durch die Bohrungen der Laschen 41 der zweiten Modulträger 6 und jeweils vorgesehene Bohrungen in den zwei Batteriezellmodulen 3 und der Kühlplatte 6 hin durchführbar und mit den Schraubenmuttern 42 an den Laschen 41a jedes zweiten Modulträger 6 verbindbar.
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In einem mittleren Bereich weist jeder der zweiten Modulträger 6 jeweils eine Aussparung 59 mit einer Ausstellung 61 auf, die im Zusammenbau mit einem elektrischen Kabelbaum 60 verclipst werden.
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3 zeigt eine Frontalansicht der erfindungsgemäßen Anordnung mit ersten Modulträgern 5, einem Hochvoltverbinder 63, den Kühlmittelanschlüssen 12, 13, Batteriezellmodulen 3, einem Ausschnitt des Batteriegehäuses 39, den Schrauben 15 und den damit verbundenen Schraubmuttern 42 sowie den Befestigungslaschen 49, die mittels den z.B. als Schrauben ausgebildeten Befestigungselementen 65 mit dem Batteriegehäuse 39 verbunden sind.
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4 zeigt eine Rückansicht der erfindungsgemäßen Anordnung mit den zweiten Modulträgern 6, der Kühlplatte 9, einem Ausschnitt des Batteriegehäuses 39 und den Befestigungslaschen 49, die mittels Befestigungselementen 65 mit dem Batteriegehäuse verbunden sind, sowie geschnitten dargestellt die Verclipsung der Ausstellungen 61 mit dem elektrischen Kabelbaum 60.
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5 zeigt den Lastpfad 70 von durch Fahrzeugcrash oder Missbrauch, wie Bordstein- oder Bahnübergangüberfahrten auftretenden Kräften. Der Lastpfad 70 erfolgt über das Verbindungselement 15, die wellenförmige Fläche 33, den geraden Teilabschnitt 34 der bogenförmigen Fläche 43 und die Befestigungslaschen 49a in das Batteriegehäuse 39. Auf diese Weise werden die Kühlmittelanschlüsse lastfrei gehalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Traktionsbatterie
- 2
- Mitteltunnel
- 3
- Zellmodul
- 4
- Außenliegende Gehäuseseitenwand
- 5
- Erste Modulträger
- 6
- Zweite Modulträger
- 7
- Erste Stirnseite der Batteriezellmodule
- 8
- Kühlvorrichtung
- 9
- Kühlplatte
- 10
- Zweite Stirnseite der Batteriezellmodule
- 11
- Tunnelseitige Gehäuseseitenwand
- 12
- Kühlmittelanschluss
- 13
- Kühlmittelanschluss
- 14
- Verbindungselement
- 15
- Schraube
- 18
- thermische Leitschicht
- 31
- horizontale Fläche
- 33
- wellenförmige Fläche
- 34
- gerader Teilabschnitt
- 35
- Wellental
- 36
- Wellenberg
- 37
- Haltelasche
- 38
- bogenförmiger Teilabschnitt
- 39
- Batteriegehäuse
- 41/41a
- Lasche
- 42
- Schraubmutter
- 43
- bogenförmige Fläche
- 44
- ovale Öffnung
- 45
- erste Sicke
- 47
- Abkantung
- 49/49a
- Befestigungslasche
- 50
- Außenkante
- 51
- Oberer Arm
- 52
- Innenkante
- 53
- Schnittpunkt
- 55
- erster unterer Arm
- 56
- zweiter unterer Arm
- 57
- dritter unterer Arm
- 58
- zweite Sicke
- 59
- Aussparung
- 60
- elektrischer Kabelbaum
- 61
- Ausstellung
- 70
- Lastpfad
