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Die Erfindung betrifft ein Batteriepack, welches einen Rahmen und mehrere in dem Rahmen aufgenommene Batteriezellen umfasst, wobei der Rahmen mindestens zwei parallel verlaufende Längsträger und mindestens zwei parallel verlaufende Druckplatten umfasst, und wobei die Längsträger mit den Druckplatten verbunden sind.
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Stand der Technik
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Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
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In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybrid Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybrid Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
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Eine gattungsgemäße Batteriezelle ist in der
DE 10 2012 217 451 A1 offenbart. Die Batteriezelle weist ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus einem Metall gefertigt ist. Das Zellengehäuse ist prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Die Batteriezelle weist dabei ein positives Terminal und ein negatives Terminal zur elektrischen Kontaktierung auf.
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Mehrere Batteriezellen können zusammengefasst und elektrisch miteinander verschaltet werden. Dazu werden die Terminals der Batteriezellen mittels Zellverbinder miteinander verbunden. Miteinander verschaltete Batteriezellen können zu einem Batteriepack zusammengefasst und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden. Die einzelnen Batteriezellen erwärmen sich während des Betriebs. Deshalb umfasst ein Batteriepack in der Regel ein Kühlsystem zur Kühlung der Batteriezellen.
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Dokument
DE 10 2011 109 213 A1 offenbart eine Batterie, welche mehrere Batteriezellen umfasst. Die Batteriezellen sind dabei zwischen zwei Druckplatten angeordnet. Die Druckplatten sind mit einem U-förmig ausgebildeten Abstandshalter verbunden, welcher die Batteriezellen an drei Seiten umgibt. An der vierten Seite ist eine Wärmeleitplatte vorgehen, welche als Boden der Struktur fungiert und mittels Schrauben mit dem Abstandshalter verbunden ist. Die Wärmeleitplatte ist von einem Kühlmedium durchströmt.
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Dokument
DE 10 2010 012 998 A1 offenbart eine Batterie mit mehreren Batteriezellen. Die einzelnen Batteriezellen sind dabei nebeneinander angeordnet und von zwei Endplatten umgeben. Die Endplatten sind mittels Zuganker zusammengehalten. Die Zuganker sind mittels Verschrauben mit den Endplatten verbunden. Auf diese Art sind die Batteriezellen zwischen den Zugankern und den Endplatten fixiert.
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Dokument
DE 10 2012 218 162 A1 offenbart eine Energiespeichereinrichtung mit mehreren Energiespeichermodulen. Dabei umfasst jedes Energiespeichermodul eine Vielzahl von Batteriezellen. Die Batteriezellen sind dabei zwischen zwei Endplatten, welche auch als Druckplatten bezeichnet werden, angeordnet. Die Endplatten sind mittels Zuganker miteinander verbunden. Jeweils zwei Energiespeichermodule sind mittels Schrauben, welche die Endplatten durchgreifen, miteinander verbindbar.
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Dokument
DE 10 2010 063 057 A1 offenbart ein Batteriesystem mit einer Vielzahl von Batteriezellen. Dabei sind mehrere Batteriezellen nebeneinander angeordnet und zusammengefügt, und auf einer Wärmetauscherplatte, welche von einem flüssigen Kühlmedium durchströmt ist, angeordnet. Zwischen den einzelnen Batteriezellen und der Wärmetauscherplatte ist eine Basisplatte vorgesehen, welche voraussichtlich der mechanischen Stabilisierung des Batteriesystems dient.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 018 395 A1 offenbart eine Batterie mit mehreren in einem Zellblock angeordneten Batteriezellen. Der Zellblock weist zwei Stirnseiten auf und die Batterie umfasst zumindest eine Temperiereinrichtung zum Temperieren der Batteriezellen, die auf einer von den Stirnseiten des Zellblocks verschiedenen Seite des Zellblocks angeordnet ist, und die mindestens eine Aussparung aufweist, welche mit einer Erstreckungsrichtung zumindest zum Teil parallel zu einer Längserstreckungsrichtung des Zellblocks ausgebildet ist. Dabei umfasst die Batterie zumindest ein Spannelement, wobei zumindest ein Teil des Spannelements in der mindestens einen Aussparung der Temperiereinrichtung angeordnet ist und derart an der Batterie befestigt ist, dass durch das Spannelement zumindest mittelbar jeweils eine Druckkraft zumindest zum Teil parallel zur Längserstreckungsrichtung des Zellblocks auf jede der Stirnseiten des Zellblocks ausübbar ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 120 511 A1 offenbart einen Zellblock für eine Batterie, mit einer Mehrzahl seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschalteter elektrochemischer Einzelzellen, welche als Flachzellen ausgebildet sind, im Zellblock im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und hintereinander angeordnet sind und mittels zumindest eines Spannelementes miteinander verspannt sind.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 021 312 A1 offenbart eine Batterie, welche eine Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel verschalteter Einzelzellen, eine Temperiervorrichtung und eine Anzahl von Wärmeleitelementen umfasst, wobei ein Wärmeleitelement zumindest eine Einzelzelle mit der Temperiervorrichtung thermisch koppelt. Erfindungsgemäß ist das Wärmeleitelement aus zwei, einen Hohlraum einschließenden Hälften gebildet, wobei zumindest eine der Hälften ein vollflächiges Federelement bildet, dessen von der jeweils anderen Hälfte beabstandete Fläche zumindest einer Fläche einer Flachseite einer Elektrodenfolienanordnung entspricht, wobei eine von dem Federelement erzeugte Federkraft im Wesentlichen senkrecht zu der Flachseite der Elektrodenfolienanordnung wirkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Batteriepack vorgeschlagen, das einen Rahmen und mehrere in dem Rahmen aufgenommene Batteriezellen umfasst. Der Rahmen umfasst dabei mindestens zwei parallel zueinander verlaufende Längsträger und mindestens zwei parallel zueinander verlaufende Druckplatten. Dabei sind die Längsträger mit den Druckplatten verbunden. Die Längsträger verlaufen zumindest annähernd rechtwinklig zu den Druckplatten.
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Dabei sind in den Längsträgern Strömungskanäle vorgesehen, welche von einem flüssigen Kühlmedium durchströmbar sind. Die Längsträger wirken somit als Kühleinheiten, und eine separate Kühlplatte ist nicht erforderlich. Somit ist der Bauraum des Batteriepacks vorteilhaft reduziert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jede der Batteriezellen unmittelbar von zwei Längsträgern umgeben. Dadurch grenzen alle Batteriezellen an zwei Kühleinheiten an, wodurch die Wärmeabfuhr der Batteriezellen gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß umfassen die Längsträger dabei je ein zentrales Längsträgerprofil, welches von zwei Längsträgerdeckeln umgeben ist. Die Strömungskanäle verlaufen dabei parallel zueinander durch den Längsträger. Die Längsträgerprofile sind vorzugsweise als Strangpressprofile hergestellt und auf die benötigte Länge gekürzt. Es sind bevorzugt mehrere parallel verlaufende Strömungskanäle vorgesehen.
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Vorteilhaft sind die Längsträgerdeckel dabei mit Aussparungen versehen, welche je zwei nebeneinander liegende Strömungskanäle hydraulisch miteinander verbinden. Mit Hilfe der Aussparungen kann die Durchströmung der Strömungskanäle mit dem Kühlmittel beeinflusst werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dabei in mindestens einem der beiden Längsträgerdeckel mindestens eine Zuführbohrung vorgesehen, in welche mindestens einer der besagten Strömungskanäle des Längsträgerprofils mündet. Vorzugsweise verlaufen die Zuführbohrungen in den Längsträgerdeckeln dabei rechtwinklig zu den Strömungskanälen in dem Längsträgerprofil.
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Die Längsträger verlaufen bevorzugt rechtwinklig zu den Druckplatten. Damit verlaufen auch die Strömungskanäle in den Längsträgern vorzugsweise rechtwinklig zu den Druckplatten.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Längsträger mit den Druckplatten mittels Befestigungsschrauben verbunden. Somit entsteht eine verhältnismäßig robuste und trotzdem einfache Verbindung zwischen den Längsträgern und den Druckplatten, und dadurch entsteht ein verhältnismäßig stabiler Rahmen.
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Die Längsträger können dabei mittels der Befestigungsschrauben unmittelbar mit den Druckplatten verbunden sein. Alternativ können die Längsträger auch indirekt mit den Druckplatten verbunden sein. Insbesondere können die Längsträger mittels Befestigungsschrauben mit Verbindungsplatten verbunden sein, welche ihrerseits mittels Befestigungsschrauben mit den Druckplatten verbunden sind.
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Die Befestigungsschrauben verlaufen dabei bevorzugt parallel zu den Strömungskanälen, und somit in Längsrichtung der Längsträger. Beim Anziehen der Befestigungsschrauben bewegen sich dann je zwei gegenüberliegende Druckplatten aufeinander zu und fixieren somit die dazwischen angeordneten Batteriezellen kraftschlüssig.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Batteriezellen zwischen je zwei gegenüberliegenden Druckplatten kraftschlüssig fixiert. Damit sind die Batteriezellen sicher in dem Rahmen des erfindungsgemäßen Batteriepacks aufgenommen.
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Zum kraftschlüssigen Fixieren ist zwischen mindestens einer Druckplatte und mindestens einer Batteriezelle vorteilhaft eine Federplatte angeordnet, welche eine Druckkraft auf die Batteriezelle ausübt. Durch entsprechende Auslegung der Federplatte ist die auf die Batteriezelle sowie auf weitere Batteriezellen ausgeübte Druckkraft einstellbar. Mittels der Federplatte ist auch ein Verspannen der Batteriezellen möglich.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriepack findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einer stationären Batterie oder in einer Batterie in einer marinen Anwendung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Längsträger sind als Kühleinheiten ausgebildet und dienen gleichzeitig der Stabilisierung des Rahmens sowie der Verspannung der Batteriezellen. Durch diese Mehrfachnutzung der Längsträger werden Kosten, Bauraum und Gewicht des Batteriepacks reduziert. Auch ist eine Anpassung des Rahmens an verschiedene Größen des Batteriepacks verhältnismäßig einfach möglich. Die Druckplatten können bei verschieden großen Batteriepacks stets gleich bleiben. Die Längsträger sind beispielsweise als Strangpressprofile hergestellt und können je nach Anzahl der aufzunehmenden Batteriezellen auf die erforderliche Länge gekürzt werden. Der stabile Rahmen schützt insbesondere im Falle eines Crashs die Batteriezellen vor Beschädigungen. Hierdurch kann auf die Verwendung eines zusätzlichen stabilen Gehäuses, welches diese Aufgabe übernehmen könnte, verzichtet werden, oder das Gehäuse kann leichter ausgeführt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1: eine Draufsicht auf ein Batteriepack,
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2: eine Vorderansicht des Batteriepacks von 1,
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3: eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B aus 1,
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4: eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A aus 1,
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5: eine Draufsicht auf einen Längsträger von 1,
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6: eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie D-D aus 5,
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7: eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie C-C aus 6,
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein Batteriepack 10. Das Batteriepack 10 umfasst einen Rahmen 100 und eine Vielzahl von Batteriezellen 2. Die einzelnen Batteriezellen 2 sind dabei mittels Stromschienen 65 elektrisch miteinander verschaltet. Die Batteriezellen 2 können dabei seriell sowie auch parallel miteinander verschaltet sein.
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Der Rahmen 100 umfasst vorliegend fünf parallel verlaufende Längsträger 20 und acht Druckplatten 30. Dabei sind jeweils zwei Druckplatten 30 gegenüberliegend angeordnet, und jeweils vier Druckplatten 30 sind nebeneinander angeordnet. Die Längsträger 20 verlaufen dabei rechtwinklig zu den Druckplatten 30.
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Die Batteriezellen 2 sind hintereinander in vier Parallelsträngen angeordnet, wobei jeder Parallelstrang von je zwei Druckplatten 30 und je zwei Längsträgern 20 umgeben ist. Jede Batteriezelle 2 befindet sich somit zwischen zwei Längsträgern 20.
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Die außen befindlichen Längsträger 20 sind mittels in dieser Darstellung nicht sichtbarer Befestigungsschrauben 70 mit je zwei gegenüberliegenden Druckplatten 30 verbunden. Die innen befindlichen Längsträger 20 sind mittels in dieser Darstellung ebenfalls nicht sichtbarer Befestigungsschrauben 70 mit je zwei Verbindungsplatten 35 verbunden, und die Verbindungsplatten 35 sind mittels hier nicht sichtbarer Befestigungsschrauben 70 mit den Druckplatten 30 verbunden.
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2 zeigt eine Vorderansicht des Batteriepacks 10 von 1 mit vier nebeneinander angeordneten Druckplatten 30. Jeweils zwei nebeneinander angeordnete Druckplatten 30 sind mittels mehrerer Befestigungsschrauben 70 mit je einer zwischen den Druckplatten 30 angeordneten Verbindungsplatte 35 verbunden. Die Verbindungsplatten 35 sind mittels der Befestigungsschrauben 70 mit den in dieser Darstellung nicht sichtbaren Längsträgern 20 verbunden. Die außen befindlichen Druckplatten 30 sind mittels der Befestigungsschrauben 70 mit den hier ebenfalls nicht sichtbaren außen befindlichen Längsträgern 20 verbunden.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B aus 1. Zwischen den Druckplatten 30 und den Batteriezellen 2 verlaufen Kühlmittelleitungen 36 parallel zu den Druckplatten 30 und rechtwinklig zu den Längsträgern 20. Die Kühlmittelleitungen 36 sind von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt und sind mit in dieser Darstellung nicht sichtbaren Zuführbohrungen 27 in den Längsträgern 20 verbunden.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A aus 1. Diese Darstellung entspricht einem Schnitt durch einen Parallelstrang. Zwischen einer äußeren Batteriezelle 2 des Parallelstrangs und der benachbarten Druckplatte 30 ist eine Federplatte 40 angeordnet. Die Federplatte 40 übt dabei eine Druckkraft auf die Batteriezellen 2 des besagten Parallelstrangs in Richtung auf die gegenüberliegende Druckplatte 30 aus. Die Batteriezellen 2 des Parallelstrangs sind somit zwischen den beiden Druckplatten 30 kraftschlüssig fixiert.
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Durch eine entsprechende Auslegung der Federplatte 40 ist die auf die Batteriezellen 2 ausgeübte Druckkraft einstellbar. Mittels der Federplatte 40 ist somit auch ein gezieltes Verspannen der Batteriezellen 2 des Parallelstrangs möglich.
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5 zeigt eine Draufsicht auf einen der Längsträger 20 von 1. Der Längsträger 20 umfasst ein zentrales Längsträgerprofil 21, das von zwei Längsträgerdeckeln 22 umgeben ist, die mit den Stirnseiten des Längsträgerprofils 21 verbunden sind. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist das Längsträgerprofil 21 als Aluminiumstrangpressprofil hergestellt. Dadurch ist eine besonders kostengünstige Herstellung des Längsträgers 20 möglich.
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Das Längsträgerprofil 21 und die beiden Längsträgerdeckel 22 sind fest miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen dem Längsträgerprofil 21 und den beiden Längsträgerdeckeln 22 kann beispielsweise durch Kleben, Schrauben oder Schweißen erfolgen.
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6 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie D – D aus 5. Das Längsträgerprofil 21 des Längsträgers 20 ist von Strömungskanälen 26 durchzogen, welche parallel zueinander in Längsrichtungen des Längsträgers 20 verlaufen. Die Längsträgerdeckel 22 sind dabei mit Aussparungen 23 versehen, welche je zwei nebeneinander liegende Strömungskanäle 26 miteinander verbinden.
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Die außen liegenden Strömungskanäle 26 münden in je eine Zuführbohrung 27, welche in einem der beiden Längsträgerdeckel 22 vorgesehen sind. Die Zuführbohrungen 27 verlaufen rechtwinklig zu den Strömungskanälen 26. Mit Hilfe der Kühlmittelleitungen 36, welche in die Zuführbohrungen 27 des Längsträgers 20 gesteckt werden, können die einzelnen Längsträger 20 des Rahmens 100 miteinander verbunden werden.
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Durch die Kühlmittelleitungen 36, die Zuführbohrungen 27 und die Strömungskanäle 26 strömt ein Kühlmedium, das zum Kühlen der Batteriezellen 2 dient. Der Längsträger 20 kann zu besseren Wärmeübertrag zusätzlich mit einer Wärmeleitfolie versehen werden.
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In dem hier gezeigten Beispiel sind die Strömungskanäle 26, bedingt durch die Anordnung und Ausgestaltung der Aussparungen 23, hydraulisch in Reihe geschaltet. Das Kühlmedium fließt somit mäanderförmig durch den Längsträger 20 hindurch. Es ist ebenfalls denkbar, durch entsprechende Anordnung und Ausgestaltung der Aussparungen 23, die Strömungskanäle 26 hydraulisch parallel zu schalten.
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In den Längsträgerdeckeln 22 des Längsträgers 20 sind ferner Gewindebohrungen 24 eingebracht, welche zur Aufnahme der Befestigungsschrauben 70 dienen. Die Gewindebohrungen 24 sind als Sacklöcher ausgebildet und durchdringen den Längsträgerdeckel 22 nicht vollständig.
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7 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie C-C aus 6. Die Zuführbohrungen 27 verlaufen dabei rechtwinklig zu den Gewindebohrungen 24 in den Längsträgerdeckeln 22.
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Die Anzahl der Parallelstränge sowie die Anzahl der in einem Parallelstrang angeordneten Batteriezellen 2 hängen von der Anzahl der benötigten Batteriezellen 2 und der gewünschten Bauform des Batteriepacks 10 ab. Unabhängig von der Bauform sind immer gleichartige Bauteile verwendbar. Lediglich die Länge der Längsträger 20 ist an die Anzahl der Batteriezellen 2 im Parallelstrang anzupassen.
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Wird das Längsträgerprofil 21 des Längsträgers 20 als Strangpressprofil hergestellt, so ist dessen Herstellung zunächst unabhängig von dessen Länge. In der Regel werden Strangpressprofile mit einer Länge von sechs Metern hergestellt. Die benötigte Länge des Längsträgerprofils 21 wird dann beispielsweise mittels Sägen erzeugt. Dies ermöglicht es, verschiedenartige Batteriepacks 10 mit weitgehend gleichen Bauteilen herstellen zu können, wodurch sich die Kosten zusätzlich senken lassen.
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Bei der Montage werden die Druckplatten 30 mittels der Befestigungsschrauben 70 mit den Längsträgern 20 verbunden. Die Länge der Längsträger 20 ist derart gewählt, dass durch die zwischen dem Parallelstrang und der Druckplatte 30 positionierte Federplatte 40 eine Kraft entsteht, durch welche die Batteriezellen 2 miteinander verspannt und somit fixiert werden. Hierzu lässt sich die Federplatte 40 mit Hilfe einer Kraft zusammendrücken.
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Zur Vereinfachung der Montage werden die nicht außen liegenden Längsträger 20 mit den Verbindungsplatten 35 versehen, welche zur Befestigung der Druckplatten 30 dienen. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen den Batteriezellen 2 und den Längsträgern 20 werden die Parallelstränge während des Verschraubens der Druckplatten 30 mit Hilfe eines Montagewerkzeuges gegeneinander gedrückt.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
