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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf den Bereich der Batterien und Batteriesysteme, und insbesondere auf Batterien und Batteriesysteme die in Elektrofahrzeugen verwendet werden können.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im Allgemeinen unterscheiden sich Elektrofahrzeuge von herkömmlichen Kraftfahrzeugen, da Elektrofahrzeuge zumindest teilweise unter Verwendung eines oder mehrerer batteriebetriebenen Elektromotoren angetrieben werden. Herkömmliche Kraftfahrzeuge hingegen sind ausschließlich auf eine interne Brennkraftmaschine angewiesen, um das Fahrzeug anzutreiben. Elektrofahrzeuge können alternativ oder zusätzlich zu der internen Brennkraftmaschine Elektromotoren verwenden.
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Beispielhafte Elektrofahrzeuge umfassen Hybridelektrofahrzeuge (HEVs – Hybrid Electric Vehicles), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs – Plug-in Hybrid Electric Vehicles), Brennstoffzellenfahrzeuge, Brennstoffzellenelektrofahrzeuge und Batterieelektrofahrzeuge (BEVs – Battery Electric Vehicles). Ein BEV umfasst einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Motor eine Batterie ist, die aus einem externen Elektrizitätsnetz wiederaufladbar ist. Ein HEV umfasst eine interne Brennkraftmaschine und einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für die Kraftmaschine Kraftstoff ist und die Energiequelle für den Motor eine Batterie. Ein PHEV ist wie ein HEV, allerdings weist das PHEV eine Batterie mit größerer Kapazität auf, die vom externen Elektrizitätsnetz wiederaufgeladen werden kann.
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Elektrofahrzeuge erfordern für gewöhnlich die Verwendung verschiedener spezialisierter Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Hochspannungsbatteriesysteme (HV – High Voltage). Hochspannungsbatteriesysteme für Elektrofahrzeuge umfassen in der Regel eine oder mehrere Hochspannungsbatterien, um die von den Antriebssystemen solcher Fahrzeuge erforderte Energie bereitzustellen.
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Aufgrund ihrer Hochspannung, ihrer hohen spezifischen Energie, ihrer hohen Energiedichte, ihrer niedrigen Selbstentladungsrate, ihrer langen Lebensdauer und ihres weiten Temperaturbetriebsbereichs werden prismatische Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ionen) in Hochspannungsbatteriesystemen zur Verwendung im BEV, HEV und PHEV häufig verwendet. Eine prismatische Lithium-Ionen-Zelle 1a umfasst in der Regel ein Hartschalengehäuse 2 (manchmal auch als „Büchse“ bezeichnet), das ein Zellelement 5 umschließt, das aus einem mehrlagigen, gefalteten und/oder gewickelten und/oder aufgeschichteten Material besteht, um das Zellelement 5 bereitzustellen. Aufgrund der Form des in ihm enthaltenen Zellelements 5 weist das Gehäuse 2 in der Regel eine Fläche 3 auf die länger ist als seine Seitenfläche 4. Die dargestellte prismatische Lithium-Ionen-Zelle 1a weist eine obere Abdeckung 8 und eine untere Abdeckung 7 auf. Die obere Abdeckung 8 umfasst in der Regel einen negativen elektrischen Anschluss 9a und einen positiven elektrischen Anschluss 9b.
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Um Batteriesysteme zur Verwendung in zahlreichen Elektrofahrzeugen zu realisieren, können mehrere einzelne prismatische Lithium-Ionen-Zellen gemeinsam angeordnet werden, in der Regel in einer Fläche-an-Fläche-Auslegung (manchmal auch als „front-to-back“-Auslegung bezeichnet), um eine Anordnung 1b aus einzelnen prismatischen Lithium-Ionen-Zellen zu bilden. Derartige Anordnungen können jedoch schwer sein und leiden oft an thermischer Heterogenität und an Druckheterogenität. Außerdem sind die einzelnen Zellen innerhalb solcher Anordnungen anfällig für Fehlausrichtungen und nichteinheitliche Druckkräfte, was sich nachteilig auf die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen auswirken und zu weiteren Problemen führen kann.
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Es ist wünschenswert, verbesserte Batteriesysteme bereitzustellen, die einen oder mehrere der Defizite im Zusammenhang mit Batteriesystemen, die aus mehreren einzelnen Batteriezellen bestehen, angehen.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Batteriesysteme bereitzustellen, die einen oder mehrere der Defizite im Zusammenhang mit Batteriesystemen, die aus mehreren einzelnen Batteriezellen bestehen, angehen.
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Das offenbarte erfindungsgemäße Konzept stellt eine Zellverkleidung zum Halten mehrerer Zellelemente bereit, wobei jedes Zellelement in seinem eigenen Fach gehalten wird. Die offenbarte Verkleidung eliminiert die Notwendigkeit einiger einzelner Zellwände und ersetzt sie durch gemeinsame Abtrennungen. In einigen Ausführungsformen ermöglichen die gemeinsamen Abtrennungen Gewichtseinsparungen. In einigen Ausführungsformen ermöglichen die gemeinsamen Abtrennungen Größen-/Volumeneinsparungen. In einigen Ausführungsformen ermöglichen die gemeinsamen Abtrennungen Kosteneinsparungen. In einigen Ausführungsformen ermöglichen die gemeinsamen Abtrennungen eine verbesserte Ausrichtung der Zellkomponenten und einheitlichere Druckkräfte. In einigen Ausführungsformen ermöglichen die gemeinsamen Abtrennungen eine verbesserte Temperaturgleichmäßigkeit und -regelung. In einigen Ausführungsformen, teilweise aufgrund einer verbesserten thermischen Homogenität, verringern oder eliminieren die gemeinsamen Abtrennungen die Notwendigkeit für Kühlungsmechanismen zwischen den Zellen, was ferner zu Volumen- und Gewichtseinsparungen führen kann. In einigen Ausführungsformen fördern die gemeinsamen Abtrennungen eine verbesserte mechanische Steifigkeit. In einigen Ausführungsformen erleichtern die gemeinsamen Abtrennungen den Montageprozess.
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Die obige Kurzdarstellung der vorliegenden Erfindung sieht nicht vor, jede Ausführungsform oder Umsetzung der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Vorteile und Errungenschaften sowie ein umfassenderes Verständnis der Erfindung werden deutlich und verständlich werden, indem man auf die beigefügten Zeichnungen und die folgende ausführliche Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen Bezug nimmt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer prismatischen Lithium-Ionen-Zelle;
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1B ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht dreier prismatischer Lithium-Ionen-Zellen, die in einer Anordnung Fläche an Fläche aneinandergestellt sind;
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2A, 2B, 2C und 2D sind auseinandergezogene perspektivische Ansichten verschiedener Mehrzellenbatterien mit gemeinsamen Abtrennungen;
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3 ist eine Draufsicht verschiedener Mehrzellenbatterien mit gemeinsamen Abtrennungen;
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4A, 4B und 4C stellen verschiedene Auslegungen für Mehrzellenbatterien mit gemeinsamen Abtrennungen dar;
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5 ist eine Tabelle, die beispielhafte Gewichtseinsparungen, die aus dem Verwenden von gemeinsamen Wänden resultieren, zeigt;
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6 ist eine Tabelle, die beispielhafte Volumeneinsparungen, die aus dem Verwenden von gemeinsamen Wänden resultieren, zeigt; und
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7 stellt eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs eines beispielhaften Elektrofahrzeugs dar.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine ausführliche Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist in diesem Abschnitt bereitgestellt. Die hier verwendete Terminologie dient dazu, konkrete Aspekte bestimmter bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung zu beschreiben, und sieht nicht vor, den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung, der ausschließlich durch die angehängten Ansprüche eingeschränkt wird, einzuschränken. Die offenbarten Ausführungsformen sind Beispiele der Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die in der vorliegenden Anmeldung offenbart werden, sollen nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu lehren, wie die Erfindung auszuüben ist.
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Sofern nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe dieselben Bedeutungen wie sie normalerweise von einem Fachmann, den diese Erfindung betrifft, verstanden werden.
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2A stellt eine teilweise auseinandergezogene Ansicht einer Ausführungsform einer mehrzelligen Lithium-Ionen-Batterie 21a dar. Die in 2A dargestellte Ausführungsform umfasst einen Rahmen 22, der eine äußere Wand 25 und siebenundzwanzig (27) Abtrennungen umfasst, die das Innere gemeinsam in achtzehn (18) Fächer 26 teilen. Fünfzehn (15) dieser siebenundzwanzig (27) Abtrennungen sind Fläche-an-Fläche-Abtrennungen 23 und zwölf (12) sind Seitenfläche-an-Seitenfläche-Abtrennungen 24. Ein Lithium-Ionen-Zellelement 5 ist innerhalb jedes Fachs 26 angeordnet. In der in 2A dargestellten Ausführungsform wird durch die untere Wand 27, die äußere Wand 25 des Rahmens 22 und die obere Abdeckung 28 ein Gehäuse gebildet. Elektrolyt ist ebenfalls in jedem der Fächer 26 angeordnet. Die obere Abdeckung 28 der in 2A dargestellten Ausführungsform umfasst einen negativen elektrischen Anschluss 9a für jedes Lithium-Ionen-Zellelement 5 und einen positiven elektrischen Anschluss 9b für jedes Lithium-Ionen-Zellelement 5, für insgesamt achtzehn (18) negative elektrische Anschlüsse und achtzehn (18) positive elektrische Anschlüsse.
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In einigen Ausführungsformen sind die untere Wand und die äußere Wand als eine einzelne Einheit ausgebildet. Ein Beispiel einer solchen Ausführungsform ist die in 2B dargestellte mehrzellige Lithium-Ionen-Batterie 21b. In der in 2B dargestellten Ausführungsform wird durch die obere Abdeckung 28, eine äußere Wand 25' eines Rahmens 22' und einen Teil einer unteren Wand 27' eines Rahmens 22' ein Gehäuse gebildet. Obwohl 2B eine Ausführungsform mit achtzehn (18) Fächern 26 darstellt, werden zahlreiche verschiedene Anzahlen von Fächern und Fächereinteilungen in Betracht gezogen.
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Es versteht sich, dass die in 2A dargestellte untere Wand 27 oder der in 2B dargestellte Teil einer unteren Wand 27' des Rahmens 22' durch eine weitere darunterliegende Zellschicht gemeinsam genutzt werden kann. 2C stellt beispielsweise eine teilweise auseinandergezogene Ansicht einer Ausführungsform einer mehrzelligen Lithium-Ionen-Batterie 21c dar, die eine zweite Zellschicht umfasst. In der in 2C dargestellten Ausführungsform wird durch die untere Wand 27, die äußeren Wände 25 der Rahmen 22 und die Abdeckungen 28 ein Gehäuse gebildet. Obwohl 2C eine Ausführungsform mit sechsunddreißig (36) Fächern 26 (mit achtzehn (18) Fächern auf der oberen Schicht und achtzehn (18) Fächern auf der unteren Schicht) darstellt, werden zahlreiche verschiedene Anzahlen von Fächern und Fächereinteilungen in Betracht gezogen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Gehäuse beispielsweise eine obere Schicht und eine untere Schicht, wobei die obere Schicht mindestens zwei Fächer umfasst und die untere Schicht mindestens zwei Fächer umfasst. In einigen Ausführungsformen umfasst das Gehäuse eine obere Schicht und eine untere Schicht, wobei die obere Schicht mindestens drei Fächer umfasst und die untere Schicht mindestens drei Fächer umfasst. In einigen Ausführungsformen umfasst das Gehäuse eine obere Schicht und eine untere Schicht, wobei die obere Schicht mindestens vier Fächer umfasst und die untere Schicht mindestens vier Fächer umfasst. In einigen Ausführungsformen umfasst das Gehäuse eine obere Schicht und eine untere Schicht, wobei die obere Schicht mindestens sechs Fächer umfasst und die untere Schicht mindestens sechs Fächer umfasst. In einigen Ausführungsformen umfasst das Gehäuse eine obere Schicht und eine untere Schicht, wobei die obere Schicht mindestens acht Fächer umfasst und die untere Schicht mindestens acht Fächer umfasst. Die Begriffe „obere Schicht“ und „untere Schicht“ werden hier lediglich für eine einfachere Visualisierung verwendet und sehen nicht vor, die Ausrichtung der Batterie bei Gebrauch einzuschränken. In einigen Anwendungen kann es zu bevorzugen sein, dass eine mehrschichtige Batterie so gedreht wird, dass die „obere Schicht“ und die „untere Schicht“ wie in 2C dargestellt eine Seitenfläche-an-Seitenfläche-Ausrichtung aufweist. Außerdem werden Ausführungsformen, die mehr als zwei Zellschichten umfassen, ebenfalls in Betracht gezogen.
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Es versteht sich, dass die Abtrennung selbst ein beliebiges Muster aus mehreren Mustern bilden kann. Derartige Muster könnten unter anderem ein wabenförmiges Abtrennungsmuster umfassen, das sechseckig sein kann, um zylindrische Zelltypen aufzunehmen. 2D stellt beispielsweise eine teilweise auseinandergezogene Ansicht einer Ausführungsform einer mehrzelligen Lithium-Ionen-Batterie 21d dar, die ein wabenförmiges Abtrennungsmuster umfasst. Die in 2D dargestellte Ausführungsform umfasst einen Rahmen 22'', der eine äußere Wand 25'' und wabenförmige Abtrennungen 29 umfasst, die das Innere gemeinsam in zehn (10) Fächer 26 teilen. In der in 2D dargestellten Ausführungsform wird durch eine untere Wand 27'', die äußere Wand 25'' des Rahmens 22'' und eine obere Abdeckung 28' ein Gehäuse gebildet. Ein Lithium-Ionen-Zellelement 5 ist innerhalb jedes Fachs 26 angeordnet. Elektrolyt ist ebenfalls in jedem der Fächer 26 angeordnet. Die obere Abdeckung 28' der in 2D dargestellten Ausführungsform umfasst einen negativen elektrischen Anschluss 9a für jedes Lithium-Ionen-Zellelement 5 und einen positiven elektrischen Anschluss 9b für jedes Lithium-Ionen-Zellelement 5, für insgesamt zehn (10) negative elektrische Anschlüsse und zehn (10) positive elektrische Anschlüsse. Obwohl 2D eine Ausführungsform mit zehn (10) Fächern 26 darstellt, werden zahlreiche verschiedene Anzahlen von Fächern und Fächereinteilungen in Betracht gezogen. Beispielsweise können die in 2D dargestellte untere Wand 27'' oder der untere Teil eines Rahmens, der der in 2D dargestellten unteren Wand 27'' entspricht, durch eine weitere darunterliegende Zellschicht gemeinsam genutzt werden.
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In einigen Ausführungsformen umfasst ein einzelnes Stück Material, wie beispielsweise ein einzelnes Stück Metall, zwei oder mehr Abtrennungen. Beispielsweise umfasst in einigen Ausführungsformen ein einzelnes Stück Metall die zwei (2) Fläche-an-Fläche-Abtrennungen 23, die in einer 2 × 2-Auslegung 322 zu finden sind. Gleichermaßen umfasst in einigen Ausführungsformen ein einzelnes Stück Material, wie beispielsweise ein einzelnes Stück Metall, mindestens eine Abtrennung und es umfasst ebenfalls die ganze oder einen Teil der äußeren Wand 25. Bevorzugte Verfahren zum Bilden von Komponenten aus einem einzelnen Metallblech umfassen Tiefzieh-Metallprozesse. Extrusionsprozesse gehören ebenfalls zu den bevorzugten Verfahren. In einigen Ausführungsformen sind die äußere Wand und mindestens eine Abtrennung aus einem einzelnen Stück Material gebildet, wie beispielsweise einem einzelnen Metallblech. In einigen Ausführungsformen sind die Abtrennungen innerhalb des Gehäuses dazu ausgelegt, einen Transfer des Elektrolyten zwischen den Fächern zu verhindern. Alternative Einteilungen, um die Elektrolytströmung so anzupassen, dass sie in oder aus einzelnen Zellen in der Batterie strömt, können vorgenommen werden, ohne vom Schutzbereich oder Geist der beschriebenen Erfindung abzuweichen.
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In einigen Ausführungsformen sind die Abtrennungen (einschließlich der Fläche-an-Fläche-Abtrennungen 23, der Seitenfläche-an-Seitenfläche-Abtrennungen 24 und der wabenförmigen Abtrennungen 29) Metallabtrennungen. In einigen Ausführungsformen bestehen die Abtrennungen aus einem Metallmaterial, das aus der Gruppe, die aus folgenden Materialien besteht, ausgewählt wird: Aluminium, Aluminiumlegierung, Edelstahl, Kohlenstoffstahl, legierter Stahl, Magnesium, Magnesiumlegierung, Titan, Titanlegierung. In einigen Ausführungsformen bestehen die Abtrennungen aus metallisierter Kohlefaser. Das Gehäuse und die Abtrennungen müssen nicht aus denselben Materialien konstruiert sein. In einigen Ausführungsformen bestehen die Abtrennungen aus denselben Materialien wie das Gehäuse oder Teile des Gehäuses. In einigen Ausführungsformen bestehen das Gehäuse oder Teile des Gehäuses aus einem Metallmaterial. In einigen Ausführungsformen bestehen das Gehäuse oder Teile des Gehäuses aus einem Metallmaterial, das aus der Gruppe, die aus folgenden Materialien besteht, ausgewählt wird: Aluminium, Aluminiumlegierung, Edelstahl, Kohlenstoffstahl, legierter Stahl, Magnesium, Magnesiumlegierung, Titan, Titanlegierung. In einigen Ausführungsformen bestehen das Gehäuse oder Teile des Gehäuses aus metallisierter Kohlefaser.
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Obwohl 2A, 2B und 2D Batterien darstellen, die so ausgerichtet sind, dass sich ihre Anschlüsse auf dem Gehäuse befinden, sind die Batterien in einigen Ausführungsformen so ausgerichtet, dass sich ihre Anschlüsse an einer anderen Stelle befinden. In einigen Ausführungsformen sind die Batterien beispielsweise so ausgerichtet, dass sich ihre Anschlüsse auf der Seitenfläche befinden, wodurch beispielsweise eine einfachere Handhabung der Anschlüsse ermöglicht wird.
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Um thermische Homogenität zu fördern, setzen einige Ausführungsformen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ein. In einigen Ausführungsformen bestehen die Abtrennungen aus einem Metallmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/(m K). In einigen Ausführungsformen bestehen die Metallabtrennungen aus einem Metallmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/(m K). In einigen Ausführungsformen bestehen die Metallabtrennungen aus einem Metallmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 40 W/(m K). In einigen Ausführungsformen bestehen die Metallabtrennungen aus einem Metallmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/(m K). In einigen Ausführungsformen bestehen die Metallabtrennungen aus einem Metallmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 200 W/(m K). In einigen Ausführungsformen bestehen die Metallabtrennungen aus Aluminium, das eine Wärmeleitfähigkeit größer als 200 W/(m K) aufweist. In einigen Ausführungsformen besteht eine Abtrennung aus Aluminium oder Aluminiumlegierung, und die Abtrennung weist eine Dicke von mindestens 0,53 mm auf, jedoch höchstens 0,75 mm.
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Obwohl 2A, 2B, 2C und 2D jeweils eine einzelne obere Abdeckung die einen gesamten Rahmen abdeckt dargestellten, werden andere Auslegungen auch in Betracht gezogen. In einigen Ausführungsformen beispielsweise wird die Oberfläche jedes Fachs 26 von seiner eigenen oberen Abdeckung abgedeckt. In einigen Ausführungsformen sind die obere Abdeckung und der Rahmen als eine einzelne Einheit ausgebildet. In einigen Ausführungsformen sind die obere Abdeckung und der Rahmen aus einem einzelnen Stück Material gebildet, wie beispielsweise einem einzelnen Stück Metall. Obwohl 2A, 2C und 2D jeweils eine einzelne untere Abdeckung für den gesamten Rahmen darstellen, werden andere Auslegungen ebenfalls in Betracht gezogen. In einigen Ausführungsformen beispielsweise wird die Unterseite jedes Fachs 26 von seiner eigenen unteren Abdeckung abgedeckt.
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Obwohl 2A, 2B, 2C und 2D Auslegungen mit einem negativen elektrischen Anschluss 9a für jedes Lithium-Ionen-Zellelement 5 und einem positiven elektrischen Anschluss 9b für jedes Lithium-Ionen-Zellelement 5 darstellen, werden andere Auslegungen ebenfalls in Betracht gezogen. In einigen Ausführungsformen beispielsweise kann sich ein negativer elektrischer Anschluss 9a entweder gleichzeitig oder zeitlich nacheinander mit mehreren Lithium-Ionen-Zellelementen 5 verbinden, wodurch sich der Anteil der negativen elektrischen Anschlüsse 9a im Verhältnis zu den Lithium-Ionen-Zellelementen 5 verringert. In einigen Ausführungsformen kann sich ein positiver elektrischer Anschluss 9b entweder gleichzeitig oder zeitlich nacheinander mit mehreren Lithium-Ionen-Zellelementen 5 verbinden, wodurch sich der Anteil der positiven elektrischen Anschlüsse 9b im Verhältnis zu den Lithium-Ionen-Zellelementen 5 verringert. Obwohl die obere Abdeckung eine bevorzugte Position für die negativen elektrischen Anschlüsse 9a und die positiven elektrischen Anschlüsse 9b ist, wie es sich für einen Fachmann versteht, sind andere Positionen, einschließlich anderer Positionen auf dem Gehäuse, möglich. In einigen Ausführungsformen beispielsweise kann das gesamte äußere Gehäuse als ein positiver elektrischer Anschluss 9b dienen.
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Obwohl 2A, 2B, 2C und 2D Batterien darstellen, die Lithium-Ionen-Zellelemente umfassen, können andere wiederaufladbare Zellelemente eingesetzt werden, ohne vom Schutzbereich oder Geist der beschriebenen Erfindung abzuweichen. Beispiele anderer passender wiederaufladbarer Zellelemente umfassen unter anderem Zellelemente aus Nickel-Kadmium (NiCd) und Nickel-Metallhydrid (NiMH). Zusätzliche geeignete wiederaufladbare Zellelemente umfassen unter anderem Zellen, die Natrium oder Magnesium als Ladungsträger verwenden.
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Obwohl 2A eine Ausführungsform mit achtzehn (18) Fächern 26 darstellt die in einer 6 × 3-Auslegung angeordnet sind werden zahlreiche verschiedene Anzahlen von Fächern und Fächereinteilungen in Betracht gezogen. 3 stellt beispielsweise die folgenden zusätzlichen Ausführungsformen dar: eine 4 × 1-Auslegung 341 mit vier (4) Fächern und drei (3) Fläche-an-Fläche-Abtrennungen 23; eine 2 × 1-Auslegung 321 mit zwei (2) Fächern und einer (1) Fläche-an-Fläche-Abtrennung 23; eine 2 × 2-Auslegung 322 mit vier (4) Fächern, zwei (2) Fläche-an-Fläche-Abtrennungen 23 und zwei (2) Seitenfläche-an-Seitenfläche-Abtrennungen 24; eine 1 × 2-Auslegung 312 mit zwei (2) Fächern und einer (1) Seitenfläche-an-Seitenfläche-Abtrennung 24; und eine 1 × 4-Auslegung 314 mit vier (4) Fächern und drei (3) Seitenfläche-an-Seitenfläche-Abtrennungen 24. Nur zum Vergleich gezeigt und nicht mit der Absicht, eine beanspruchte Ausführungsform aufzuzeigen, ist eine Auslegung 311 mit einem einzelnen Fach, die keinerlei Fläche-an-Fläche-Abtrennungen aufweist und keinerlei Seitenfläche-an-Seitenfläche-Abtrennungen aufweist, ebenfalls in 3 dargestellt. 4A stellt Ausführungsformen mit mindestens drei (3) Fächern und mindestens zwei (2) Fläche-an-Fläche-Abtrennungen 23 dar. 4B stellt Ausführungsformen mit mindestens sechs (6) Fächern, mindestens vier (4) Fläche-an-Fläche-Abtrennungen 23 und mindestens drei (3) Seitenfläche-an-Seitenfläche-Abtrennungen 24 dar. 4C stellt Ausführungsformen mit mindestens neun (9) Fächern, mindestens sechs (6) Fläche-an-Fläche-Abtrennungen 23 und mindestens sechs (6) Seitenfläche-an-Seitenfläche-Abtrennungen 24 dar.
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5 fasst die Gewichtseinsparungsmöglichkeiten für verschiedene Fläche-an-Fläche-(„front-to-back“) und Seitenfläche-an-Seitenfläche-Kombinationen zusammen. Die eingerahmte Zahl direkt über jedem Datenpunkt stellt die ungefähren Gewichtseinsparungen dar, die auf das Verwenden gemeinsamer Wände für eine gegebene mehrzellige Auslegung für HEVs zurückzuführen sind, und die eingerahmte Zahl direkt links von jedem Datenpunkt stellt die ungefähren Gewichtseinsparungen dar, die auf das Verwenden gemeinsamer Wände für eine gegebene mehrzellige Auslegung für PHEVs zurückzuführen sind. Von einer multi-HEV-Auslegung mit acht Zellen, die alle eine Fläche-an-Fläche-Auslegung („front-to-back“) aufweisen, wäre beispielsweise, teilweise aufgrund der gemeinsamen Wände, zu erwarten, dass sie ungefähr 9,7 % weniger wiegt als acht einzelne HEV-Zellen. Verschiedene Konzepte wurden in Betracht gezogen, allerdings bieten Fläche-an-Fläche-Konzepte die beste Möglichkeit für Gewichtseinsparungen.
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6 fasst die Volumeneinsparungsmöglichkeiten für verschiedene Fläche-an-Fläche-(„front-to-back“) und Seitenfläche-an-Seitenfläche-Kombinationen zusammen. Die eingerahmte Zahl direkt über jedem Datenpunkt stellt die ungefähren Volumeneinsparungen dar, die auf das Verwenden gemeinsamer Wände für eine gegebene mehrzellige Auslegung für HEVs zurückzuführen sind, und die eingerahmte Zahl direkt links von jedem Datenpunkt stellt die ungefähren Volumeneinsparungen dar, die auf das Verwenden gemeinsamer Wände für eine gegebene mehrzellige Auslegung für PHEVs zurückzuführen sind. Von einer multi-HEV-Konfiguration mit acht Zellen, die alle eine Fläche-an-Fläche-Auslegung („front-to-back“) aufweisen, wäre beispielsweise zu erwarten, dass sie ungefähr 17,3 % weniger Volumen einnimmt als acht einzelne HEV-Zellen in derselben Auslegung.
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7 stellt schematisch einen Antriebsstrang 70 für ein Elektrofahrzeug dar. Obwohl das Fahrzeug als Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV – Hybrid Electric Vehicle) dargestellt ist, sei darauf verwiesen, dass die in diesem Dokument beschriebenen Konzepte nicht auf HEVs beschränkt sind und auch auf andere elektrifizierte Fahrzeuge angewendet werden könnten, einschließlich unter anderem auf Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEVs – Plug-in Hybrid Electric Vehicles), Brennstoffzellenelektrofahrzeuge und Batterie-Elektrofahrzeuge (BEVs).
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In einer Ausführungsform ist der Antriebstrang 70 ein Leistungsverzweigungstriebstrangsystem, das ein erstes Antriebssystem und ein zweites Antriebssystem einsetzt. Das erste Antriebssystem umfasst eine Kombination aus einer Kraftmaschine 71 und einem Generator 72 (d. h. eine erste elektrische Maschine). Das zweite Antriebssystem umfasst mindestens einen Motor 73 (d. h. eine zweite elektrische Maschine), den Generator 72 und ein Batteriepack 74, das eine oder mehrere mehrzellige Lithium-Ionen-Batterien umfasst. In diesem Beispiel wird das zweite Antriebssystem als ein elektrisches Antriebssystem des Antriebsstrangs 70 betrachtet. Das erste und das zweite Antriebssystem generieren ein Drehmoment, um einen oder mehrere Sätze von Fahrzeugantriebsrädern des Elektrofahrzeugs anzutreiben.
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Die Kraftmaschine 71, die in diesem Beispiel eine Brennkraftmaschine ist, und der Generator 72 können durch eine Kraftübertragungseinheit 76, beispielsweise einen Planetenradsatz, miteinander verbunden sein. Selbstverständlich können zum Verbinden der Kraftmaschine 71 mit dem Generator 72 Kraftübertragungseinheiten anderer Typen verwendet werden, einschließlich andere Radsätze und Getriebe. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist die Kraftübertragungseinheit 76 ein Planetenradsatz, der ein Hohlrad 77, ein Sonnenrad 78 und eine Trägeranordnung 79 umfasst.
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Der Generator 72 kann von der Kraftmaschine 71 durch die Kraftübertragungseinheit 76 angetrieben werden, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 72 kann alternativ auch als ein Motor fungieren, um elektrische Energie in kinetische Energie umzuwandeln und dadurch ein Drehmoment an eine mit der Kraftübertragungseinheit 76 verbundene Welle 80 abzugeben. Da der Generator 72 mit der Kraftmaschine 71 wirkverbunden ist, kann die Drehzahl der Kraftmaschine 71 durch den Generator 72 gesteuert werden.
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Das Hohlrad 77 der Kraftübertragungseinheit 76 kann mit einer Welle 80 verbunden sein, die über eine zweite Kraftübertragungseinheit 81 mit Fahrzeugantriebsrädern verbunden ist. Die zweite Kraftübertragungseinheit 81 kann einen Radsatz mit mehreren Rädern 82 umfassen. Andere Kraftübertragungseinheiten können ebenfalls geeignet sein. Die Räder 82 übertragen ein Drehmoment von der Kraftmaschine 71 an ein Differenzial 83, um letztlich Traktion für die Fahrzeugantriebsräder bereitzustellen. Das Differenzial 83 kann mehrere Räder umfassen, die die Übertragung des Drehmoments an die Fahrzeugantriebsräder ermöglichen. In diesem Beispiel ist die zweite Kraftübertragungseinheit 81 durch das Differenzial 83 mechanisch mit einer Achse 84 gekoppelt, um das Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder zu verteilen.
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Der Motor 73 (z. B. die zweite elektrische Maschine) kann auch dazu eingesetzt werden, die Fahrzeugantriebsräder durch Abgeben von Drehmoment an eine Welle, die ebenfalls mit der zweiten Kraftübertragungseinheit 81 verbunden ist, anzutreiben. In einer Ausführungsform kooperieren der Motor 73 und der Generator 72 als Teil eines Rekuperationsbremssystems, in dem sowohl der Motor 73 als auch der Generator 72 als Motoren zum Abgeben von Drehmoment eingesetzt werden können. Beispielsweise können sowohl der Motor 73 als auch der Generator 72 elektrische Leistung an die Batterie 74 abgeben.
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Das Batteriepack 74 ist ein Batteriesystem für Elektrofahrzeuge. Das Batteriepack 74 kann die Form einer Hochspannungsbatterie aufweisen, die in der Lage ist, elektrische Leistung abzugeben, um den Motor 73 und den Generator 72 zu betreiben. Andere Typen von Energiespeichervorrichtungen und/oder Abgabevorrichtungen können auch genutzt werden, wenn das Elektrofahrzeug den Antriebsstrang 70 aufweist.
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Die folgenden Ansprüche heben bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen, die als neuartig und nicht offensichtlich betrachtet werden, besonders hervor. Der Schutzbereich der hier beschriebenen und beanspruchten Erfindung soll durch die hier offenbarten spezifischen Ausführungsformen oder Beispiele nicht eingeschränkt werden. Die Ausführungsformen und Beispiele sind vielmehr als einfache Veranschaulichungen mehrerer Aspekte der Erfindung vorgesehen. Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele können verändert werden, um andere Ausführungsformen der offenbarten Erfindung bereitzustellen. Jedwede äquivalenten Ausführungsformen sind im Schutzbereich der Erfindung vorgesehen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob ihr Schutzbereich weiter, enger, gleich oder anders in Bezug auf die ursprünglichen Ansprüche ist, auch als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.
