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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit mehreren Wärmeübertragungsbereichen sowie eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einem solchen Wärmeübertrager.
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Bei vielen Anwendungen von Batteriemodulen (nachfolgend auch als Batterien bezeichnet) mit mehreren Batteriezellen ist die Frage der geeigneten Kühlung im Betrieb wichtig für die erreichbare Lebensdauer und die erreichbare Abgabe-Leistung der Batterie.
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Beispielsweise in Kraftfahrzeugen wird bei bekannten Ausführungen die beim Betrieb der Batterie entstehende Wärme der einzelnen Batteriezellen mittels einer direkten mechanischen Anbindung der Zellen über ein Zellgehäuse an einen als Kühlplatte ausgebildeten Wärmeübertrager abgegeben.
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Bei einer bekannten Ausführung ist dieser Wärmeübertrager passiv ausgebildet, mit an die Kühlplatte angebundenen Kühlleitungen wie Extrusions- oder Strangpressprofilen, in denen das Kühlmedium geführt wird, sodass die Wärme abgeführt werden kann. Bei einer anderen bekannten Ausführung ist der Wärmeübertrager so ausgestaltet, dass er direkt von dem Kühlmedium durchströmt wird, um die von den Batteriezellen übertragene Wärme abzuführen.
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Bei diesen bekannten Ausführungen, denen ein Abtransport der Wärme mittels des Kühlmediums, beispielsweise Luft, CO2 oder Wasser, zugrunde liegt, ist der maximal mögliche Wärmeabtransport zunächst von der Qualität des Wärmeübergangs zwischen den Batteriezellen und dem Wärmeübertrager bestimmt. Er ist aber auch von dem Wärmeübergang zwischen dem Wärmeübertrager und dem Kühlmittel abhängig, und damit unter anderem von der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeübertrager und dem Kühlmittel.
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Insbesondere bei größeren Batterien mit einer Mehrzahl von Batteriezellen erwärmt sich das Kühlmittel aber, während es nach und nach an den verschiedenen Bereichen des Wärmeübertragers vorbeifließt, die den einzelnen Batteriezellen zugeordnet sind, und dabei Wärme aufnimmt. D. h., weiter „stromabwärts“ im Kühlmittelfluss bediente Batteriezellen können potenziell schlechter gekühlt werden als solche, die weiter „stromaufwärts“ angeordnet sind, weil sich das Kühlmittel in der Zwischenzeit erwärmt hat.
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Um diesem Effekt entgegenzuwirken, schlägt die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2005 029 321 einen von dem Kühlmittel durchströmbaren Wärmeübertrager vor, innerhalb dessen immer enger beabstandete Strukturelemente ausgebildet sind, die für eine immer stärkere Verwirbelung des Kühlmittel sorgen, je weiter sich dieses in dem Wärmeübertrager bereits fortbewegt hat. Dadurch strömt das Kühlmittel umso turbulenter und langsamer an der wärmebeaufschlagten Wand des Wärmeübertragers vorbei, je geringer die Temperaturdifferenz ausgeprägt ist. Dadurch wird der negative Effekt der geringeren Temperaturdifferenz auf die übertragbare Wärmemenge zumindest teilweise ausgeglichen.
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Dieser Wärmeübertrager muss allerdings an jeden Batterietyp, insbesondere an jede Konfiguration von Batteriezellen, eigens angepasst werden, weil die Strukturelemente fix verbaut sind.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Wärmeübertrager bereitzustellen, dessen Wärmeübertragungsfähigkeit flexibler angepasst werden kann.
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Dieses Problem wird gelöst durch einen Wärmeübertrager gemäß Anspruch 1 und eine Batterie gemäß Anspruch 8. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager weist mehrere Wärmeübertragungsbereiche zur Anordnung zwischen einem zu kühlenden Bauteil, insbesondere einer Batterie, und einem vorbeiströmenden Kühlmedium auf. Die Wärmeübertragungsbereiche weisen jeweils wenigstens ein Wärmeübertragungselement auf, dessen Wärmeübertragungsfähigkeit in Abhängigkeit von einer Stromkenngröße eines angelegten elektrischen Stroms veränderbar ist.
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Die erfindungsgemäße Batterie weist mehrere Batteriezellen, einen Wärmeabführkreislauf mit einem Kühlmedium, und einen zwischen den Batteriezellen und dem Kühlmedium angeordneten Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung auf, wobei den Batteriezellen jeweils wenigstens ein Wärmeübertragungsbereich des Wärmeübertragers zugeordnet ist.
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Die Erfindung basiert unter anderem auf der Erkenntnis, dass mit den beschriebenen herkömmlichen Wärmeübertragern, insbesondere bei Kraftfahrzeugbatterien, die Kühlleistung nicht variabel für jede Batteriezelle (oder zumindest für eine Gruppe von Batteriezellen) eingestellt werden kann. Dies ist aber notwendig, um auch während der gesamten Lebensdauer im Betrieb eine möglichst homogene Wärmeverteilung über alle Batteriezellen der Batterie zu erreichen.
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Denn die Innenwiderstände der einzelnen Zellen sind teilweise schon zu Beginn ihrer Lebensdauer unterschiedlich, und können sich mit fortschreitender Lebensdauer weiter verändern. Mit anderen Worten: keine Batterie aus einer Mehrzahl von Batteriezellen ist wie die andere. Wenn aber die Wärmeübertragung und damit die Kühlleistung nicht an die spezifische Wärmeentstehung einzelner Zellen angepasst werden kann, ist keine optimale Leistungsbereitstellung möglich, weil sich die resultierende Gesamtleistung der Batterie nach dem höchsten Innenwiderstand einer Zelle richtet und durch diesen beschränkt ist.
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Vor diesem Hintergrund basiert die Erfindung unter anderem auf der Idee, in dem Wärmeübertrager mehrere, räumlich voneinander beabstandete Wärmeübertragungsbereiche vorzusehen, deren Wärmeübertragungsfähigkeit unabhängig von der der anderen Wärmeübertragungsbereiche beeinflusst werden kann. Dies geschieht, indem in jedem Wärmeübertragungsbereich wenigstens ein separates Wärmeübertragungselement verbaut ist, dass einzelnen elektrisch angesteuert werden kann.
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Dadurch kann erreicht werden, dass trotz einer sukzessiven Erwärmung des Kühlmittels über die unterschiedlichen Batteriezellen die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und einem zu kühlenden Element, vorzugsweise einer Warmseite einer Wärmeleitplatte des Wärmeübertragers, gleichbleibt oder zumindest nicht zu stark absinkt. Dies geschieht, indem beispielsweise die an einem Wärmeübertragungselement eines Wärmeübertragungsbereichs anliegende elektrische Spannung und/oder der anliegende elektrische Strom verändert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind die Wärmeübertragungselemente mit einem Peltier-Element ausgebildet. Diese ermöglichen im Sinne einer Wärmepumpe eine Verringerung der Temperatur an der zu kühlenden Batteriezellen und eine gleichzeitige Erhöhung der Temperatur am Kühlmedium.
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Unter einem Peltier-Element sind vorliegend thermoelektrische Wandler zu verstehen, bei denen ein Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz verursacht. Bei Peltier-Elementen sind vorzugsweise zwischen zwei wärmeleitenden Platten eine Mehrzahl von Paaren zweier unterschiedlicher Halbleiter verbaut, die jeweils miteinander in elektrischem Kontakt stehen. Wird durch diesen Kontakt elektrischer Strom geleitet, erfolgt beispielsweise an den Kontaktstellen, in denen der Strom von dem ersten Halbleitermaterial hin zu dem zweiten Halbleitermaterial geführt wird, eine Abkühlung. An den Kontaktstellen, in denen der Strom von dem zweiten Halbleitermaterial hin zu dem ersten Halbleitermaterial geführt wird, erfolgt eine entsprechende Erwärmung.
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Im Sinne der Erfindung kann dies benutzt werden, um auf der Seite der Batteriezellen mittels Strombeaufschlagung des Peltier-Elements Wärme abzutransportieren (also eine Kühlung zu erreichen), die dann auf der Seite des Kühlmittels wieder freigegeben wird (und eine Erwärmung nach sich zieht). Dadurch steigt die Temperaturdifferenz zum Kühlmittel.
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Wenn nun die Wärmeübertragungselemente der einzelnen Wärmeübertragungsbereiche entlang des Kühlmittelflusses unterschiedlich stark, beispielsweise sukzessive stärker, mit Strom beaufschlagt werden, kann eine Angleichung der Temperaturdifferenzen zwischen dem Wärmeübertrager und dem Kühlmittel erreicht werden, obwohl das Kühlmittel immer wärmer wird.
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Vorzugsweise werden dazu Peltier-Elemente mit einem NiCr-Ni-Thermoelement und/oder mit den Halbleitermaterialien Bismuttellurid und Siliciumgermanium verwendet. Diese Elemente können insbesondere mit im Kraftfahrzeug verfügbaren elektrischen Spannungen und/oder im relevanten Temperaturbereich betrieben werden.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführung können die Wärmeübertragungselemente mit einem Magnetfeld-sensitiven Flüssigkristall betrieben werden, der vorzugsweise anisotrope Wärmeübertragungsfähigkeit aufweist, welche durch das Anlegen eines elektrischen Stromes und des damit verbundenen Magnetfeldes hinsichtlich ihrer Hauptrichtung beeinflusst werden können.
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Vorzugsweise ist die Stromkenngröße, mittels der die Wärmeübertragungsfähigkeit der Wärmeübertragungselemente beeinflussbar ist, die Größe eines elektrischen Stroms und/oder einer elektrischen Spannung. Dadurch können verschiedene Wärmeübertragungselemente wie Peltier-Elemente und/oder geeignete Flüssigkristalle Verwendung finden.
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Um sicherzustellen, dass die Wärmeübertragungsfähigkeit der Wärmeübertragungsbereiche anpassbar ist und ein ausreichend hoher Wärmeübergang stattfinden kann, weisen gemäß einer bevorzugten Ausführung die Wärmeübertragungsbereiche neben dem wenigstens einen Wärmeübertragungselemente zusätzlich eine Wärmeübertragungsplatte, vorzugsweise aus einem metallischen Material, auf. Diese Wärmeübertragungsplatte kann auch entlang der im Wesentlichen gesamten Erstreckung zwischen den Batteriezellen und einem Fließkanal des Kühlmediums angeordnet sein. Dies kann in einzelnen Anwendungen, in denen besonders viel Wärme abgeführt werden muss, nötig sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist der Wärmeübertrager eine Steuereinheit auf, die eingerichtet ist, die einzelnen Wärmeübertragungselemente in Abhängigkeit von einem Kühl-/Heizbedarf an dem jeweiligen Wärmeübertragungsbereich mit einem Betriebsstrom zu versorgen, der einer dem Kühl-/Heizbedarf zugeordneten Wärmeübertragungsfähigkeit entspricht. Dadurch kann eine Minimierung des Innenwiderstandes der Batteriezelle mit dem höchsten Innenwiderstand in der Batterie erreicht werden.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit eingerichtet, den Betriebsstrom in Abhängigkeit von gegebenenfalls verfügbaren Sensordaten der Batterie zur Temperatur einzelner Batteriezellen, zur Temperatur des Kühlmediums, zum Volumenstrom des Kühlmedium und/oder zum Innenwiderstand einzelner Batteriezellen zu steuern.
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In diesem Sinne kann beispielsweise für einen bestimmten Wärmeübertragungsbereich eine aktuelle Temperaturdifferenz zwischen einer diesem Wärmeübertragungsbereich zugeordneten Batteriezelle und dem Kühlmedium an diesem Wärmeübertragungsbereich ermittelt und mit der Temperaturdifferenz an einem anderen Wärmeübertragungsbereich verglichen werden. Falls dieser Vergleich beispielsweise ergibt, dass bei einem der Wärmeübertragungsbereich eine deutlich niedrigere Temperaturdifferenz als bei einem anderen vorliegt, kann mittels der Steuereinheit der an dem Wärmeübertragungselement dieses Bereichs anliegende Strom erhöht werden, um dessen Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist einer Batteriezelle genau ein Wärmeübertragungsbereich zugeordnet, sodass für jede derart ausgestattete Batteriezelle die zur Verfügung stehende Kühlleistung separat eingestellt werden kann.
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Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausführung sind einer Batteriezelle mehrere Wärmeübertragungsbereiche zugeordnet, sodass zusätzlich auch eine separate Kühlung lokaler Temperaturspitzen an dieser Batteriezelle möglich ist.
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Um eine optimale Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen und dem Kühlmedium, insbesondere über einen Zellträger und/oder den Wärmeübertrager zu gewährleisten, weist der Wärmeübertrager gemäß einer bevorzugten Ausführung eine Warmseite mit einer Wärmeleitplatte auf, die an den Zellböden (vorzugsweise der Unterseite) der Batteriezellen zumindest im Wesentlichen anliegt, und eine Kaltseite mit einer Wärmeleitplatte auf, an welcher das Kühlmedium vorbeiströmt.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert.
- 1 zeigt eine Batterie mit einem Wärmeübertrager nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung in einer seitlichen Schnittansicht, sowie ein Diagramm zur Temperaturentwicklung des Kühlmedium und ein Diagramm zur Kühlmedien-seitigen Temperaturverteilung der Wärmeübertragungsbereiche, und
- 2 zeigt einen Wärmeübertrager nach zwei unterschiedlichen beispielhaften Ausführungen der Erfindung jeweils in einer Draufsicht.
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In 1A ist eine Batterie 1 mit einer Mehrzahl von Batteriezellen 2 (2.1 bis 2.10) dargestellt. Die Batterie 1 weist einen nicht dargestellten Zellträger zur Festlegung der Batteriezellen 2 zueinander auf. Mittels dieses Zellträgers sind die Batteriezellen 2 jeweils so ausgerichtet, dass deren Unterseiten im Wesentlichen in einer Ebene abschließen und die Seitenflächen benachbarter Batteriezellen 2, zum Beispiel die Batteriezellen 2.1 und 2.2, aneinander anliegen.
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Die Batterie 1 weist zudem einen Wärmabführkreislauf 4 mit einer Wärmeleitpaste 6, einem Wärmeübertrager 8, einer Kühlplatte 10 und einem Kanal 12 für ein Kühlmedium auf, dessen Fluss durch die waagerechten Pfeile 14 dargestellt ist.
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Die Wärmeleitpaste 6 ist zur Wärmeübertragung zwischen den Unterseiten der Batteriezellen 2 und dem Wärmeübertrager 8 an dessen Kaltseite 16 angeordnet. Der Kanal 12 ist auf der anderen Seite des Wärmeübertragers 8 an dessen Warmseite 18 angeordnet. Wenn eine geeignete Wärmeübertragungs-Verbindung zwischen den Batteriezellen 2 und dem Wärmeübertrager 8 auch ohne eine Wärmeleitpaste 6 hergestellt werden kann, ist diese kein notwendiger Bestandteil des Wärmeabführkreislaufs 4.
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Der Wärmeübertrager 8 weist für jede Batteriezellen 2.1 bis 2.10 einen Wärmeübertragungsbereich 18 (18.1 bis 18.10) auf, in welchem ein mit einem Peltier-Element 20 (20.1 bis 20.10) ausgebildetes Wärmeübertragungselement angeordnet ist, und das der entsprechenden Batteriezelle 2 zugeordnet ist.
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Jedes der Peltier-Elemente 20 kann mittels einer Steuereinheit 22 über lediglich schematisch dargestellte Anschlussleitungen 24 separat mit einem elektrischen Strom variierbarer Stärke und/oder variierbarer Spannung beaufschlagt werden.
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Die Funktionsweise des Wärmeabführkreislaufs 4 und insbesondere des Wärmeübertragers 8 wird nachfolgend anhand der 1B und 1C erläutert. Die waagerechten, gestrichelten Linien in 1B und in 1C stellen die Grenzen zwischen den einzelnen Batteriezellen 2 der Batterie gemäß 1A dar.
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In 1B ist ein Temperaturgradient des Kühlmediums 14 dargestellt, wobei an der Hochachse T die Temperatur und an der Querachse x der Weg des Kühlmedium entlang der Batteriezellen 2.1 bis 2.10 dargestellt ist.
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Es ist erkenntlich, dass während der Passage entlang der Batteriezellen 2 das Kühlmedium 14 immer wärmer wird. Dies liegt daran, dass das Kühlmedium sukzessive Wärmeenergie aufnimmt, welche die Batteriezellen 2.1, 2.2, etc. über die Wärmeleitpaste 6, den Wärmeübertrager 8 und die Kühlplatte 10 abgegeben haben. Bei herkömmlichen Wärmeübertragern sinkt dadurch die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmedium und der mittelbar über die Kühlplatte 10 etc. zu kühlende Batteriezelle 2, was die Kühlfähigkeit des Kühlmedium reduziert.
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In der beschriebenen beispielhaften Ausführung ist allerdings ein Wärmeübertrager 8 im Sinne der Erfindung verbaut, der unterschiedliche Wärmeübertragungsbereiche 18, mit vorzugsweise als Peltier-Elemente 20 ausgebildeten Wärmeübertragungselementen aufweist. Durch das Anlegen eines umso größeren elektrischen Stroms mittels der Steuereinheit 22, je weiter stromabwärts die Batteriezellen 2 angeordnet ist, kann diese Temperaturdifferenz aber konstant gehalten werden, oder zumindest ihre Verringerung verkleinert werden.
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Denn durch den Effekt der Peltier-Elemente 20 kann die Wärme an der Kaltseite 16 des entsprechenden Wärmeübertragungsbereich 18 im Sinne einer Wärmepumpe auf die Warmseite 18 abgeführt werden. So sinkt an der Unterseite der Batteriezellen 2 die anliegende Temperatur; die Batteriezellen werden gekühlt. Am Kanal 12, in welchem das mittlerweile erwärmte Kühlmedium 14 vorbeifließt, wird die Temperatur der Kühlplatte 10 erhöht, sodass trotz der erhöhten Temperatur des Kühlmedium 14 eine konstante Temperaturdifferenz erhalten bleibt.
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Die Breite des in 1A zu jedem Wärmeübertragungsbereich 18 eingezeichneten, senkrechten Pfeiles repräsentiert die Stärke des Wärmepumpen-Effektes in Abhängigkeit von dem mittels der Steuereinheit 22 angelegten Strom.
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In 1C ist die daraus resultierende Temperaturerhöhung auf der Kaltseite 16 des Wärmeübertragers 8 für die verschiedenen Wärmeübertragungsbereiche 18 schematisch eingezeichnet, wobei an der Hochachse ΔT die Temperaturänderung, an der Querachse x der Weg entlang der Batteriezellen 2 eingezeichnet ist.
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In 2A ist ein beispielhafter Wärmeübertrager 8 mit einer exemplarischen Anzahl von Wärmeübertragungsbereichen 18.1 bis 18.7 und dem jeweils zugehörigen Peltier-Element 20.1 bis 20.7 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist jeder Batteriezelle 2 (hier nicht dargestellt) genau ein Wärmeübertragungsbereich 18 zugeordnet, sodass für jede dieser Batteriezellen 2 mittels der Steuereinheit 22 und der Ansteuerleitungen 24 (hier exemplarisch als Bussystem ausgebildet) separat die Wärmeabfuhr eingestellt werden kann.
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In 2B ist ein anderer beispielhafter Wärmeübertrager 8 dargestellt, dem ebenfalls exemplarisch sieben (nicht dargestellte) Batteriezellen 2 zugeordnet sind. Im Unterschied zu dem Wärmeübertrager gemäß 2 A sind hier aber vier Wärmeübertragungsbereiche 18 pro Batteriezellen 2 vorgesehen. Beispielhaft eingezeichnet sind die Wärmeübertragungsbereiche 18.1a, 18.1b, 18.1c und 18.1d. Jeder dieser Wärmeübertragungsbereiche weist ein zugehöriges Peltier-Element 20.1a bis 20.1d auf.
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Diese sind mittels der in 2 B nicht dargestellten Steuereinheit 22 separat steuerbar und erlauben somit auch den Ausgleich lokaler Temperaturspitzen innerhalb einer Batteriezelle 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Batterieelement
- 4
- Wärmeabführkreislauf
- 6
- Wärmeleitpaste
- 8
- Wärmeübertrager
- 10
- Kühlplatte
- 12
- Kühlkanal
- 14
- Kühlmedium
- 16
- Kaltseite
- 18
- Warmseite
- 20
- Peltier-Element
- 22
- Steuereinheit
- 24
- Ansteuerleitung
- T
- Temperatur
- X
- Erstreckung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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