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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperierplatte zur Temperierung von zumindest zwei Energiespeicherzellen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Batterietemperierungssystem, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit zumindest einer solchen Temperierplatte.
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Moderne Batteriesysteme in Elektro- oder Hybridfahrzeugen erfordern für eine optimale und leistungsstarke Funktion und Lebensdauer den Betrieb innerhalb eines vordefinierten Temperaturbereichs. Aus diesem Grund werden diese Batteriesysteme gekühlt bzw. beheizt, was üblicherweise über eine Temperiereinheit, beispielsweise eine Kühl- oder Heizeinrichtung, erfolgt. Hierzu sind die einzelnen Zellmodule bzw. Energiespeicherzellen bzw. deren Gehäuse thermisch möglichst gut wärmeübertragend mit der Temperiereinheit verbunden. Für eine aktive Temperierung von Zellmodulen bzw. Energiespeicherzellen werden zumeist fluiddurchströmte, plattenförmige Wärmeübertrager verwendet. Aus Montage- und Kostengründen werden hierbei meist mehrere Zellmodule auf einer gemeinsamen Kühlplatte angeordnet oder aber es wird ein Gesamtkühler für die komplette Batterie, d.h. mit sämtlichen Zellmodule verwendet.
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Nachteilig bei den bislang bekannten Temperiersystemen ist, dass eine thermisch gute Anbindung einen guten Toleranzausgleich der thermischen Kontaktflächen zwischen Zellmodul bzw. Energiespeicherzelle und Kühlplatte bedingt. Der Einsatz von großen Kühlplatten bringt somit die Nachteile mit sich, dass entweder bei strukturell steifen Kühlplatten vergleichsweise viel Ausgleichsmasse (thermisches Interface) für eine flächige, thermische Anbindung verwendet oder die Kühlplatte an sich strukturell nachgiebig gestaltet werden muss, was wiederum das Handling und die Montage schwieriger und damit auch kostenträchtiger gestaltet. Beim Einsatz von kleineren einzelnen Kühlplatten ergibt sich jedoch der Nachteil, dass hierdurch der Montageaufwand durch die höhere Stückzahl steigt und zugleich deutlich mehr fluidische Verbindungsstellen geschaffen werden müssen, was wiederum die Gefahr einer Leckage erhöht.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, eine Temperierplatte anzugeben, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die thermischen Vorteile von einzelnen, kleinen Temperierplatten mit dem einfachen Handling und der gleichzeitig kostengünstigen Herstellung und Montage von großflächigen Temperierplatten zu vereinen. Die erfindungsgemäße Temperierplatte ist hierzu zweilagig aufgebaut und zur Temperierung, insbesondere auch zur gleichzeitigen Temperierung, von zumindest zwei Energiespeicherzellen (Zellmodulen) ausgebildet. Die erfindungsgemäße Temperierplatte besitzt dabei eine, insbesondere plane, Deckplatte und zumindest zwei, jeweils eine Vertiefung aufweisende und mit der Deckplatte verbundene Bodenplattensegmente. In der Deckplatte sind dabei komplementär zu den einzelnen Zellmodulen ausgebildete und ausgestanzte Temperierflächen vorgesehen, die über Stege mit der Deckplatte verbunden sind. Die Stege sind dabei im Vergleich zur übrigen Temperierfläche relativ filigran ausgebildet und ermöglichen dadurch einen Toleranzausgleich. In den zumindest zwei Bodenplattensegmenten wiederum sind Vertiefungen angeordnet, insbesondere eingeprägt, sofern es sich um metallische Bodenplatten handelt, die im Wesentlichen deckungsgleich zu den zugehörigen Temperierflächen in der Deckplatte ausgebildet sind und zusammen mit der Deckplatte jeweils separate Strömungsräume für Temperierfluid, beispielsweise Kühlfluid, begrenzen. Legt man somit die Deckplatte und die zumindest zwei Bodenplattensegmente aufeinander, so decken die jeweiligen Temperierflächen in der Deckplatte die zugehörigen Vertiefungen in den Bodenplattensegmenten ab. In jeder Vertiefung eines Bodenplattensegments oder in jeder Temperierfläche der Deckplatte sind darüber hinaus jeweils ein Fluideinlass und ein Fluidauslass für Temperierfluid, beispielsweise für Kühlfluid, vorgesehen. Mit der erfindungsgemäßen Temperierplatte können somit die Vorteile von großflächigen Kühlplatten und einzelnen kleinen Kühlplatten vereint werden. In der Deckplatte, die beispielsweise aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet ist, sind dabei die einzelnen Temperierflächen durch Einstanzen von Schlitzen separiert. Über die einzelnen Stege ist die jeweilige Temperierfläche mit der Deckplatte verbunden, um einerseits eine strukturelle Flexibilität zum Toleranzausgleich sicherstellen zu können und andererseits eine einfache Handhabung als Gesamtkühler, d.h. zum Temperieren mehrerer Zellmodule, zu erzielen. Die Deckplatte kann selbstverständlich auch aus einem Kompositwerkstoff, beispielsweise Metall-Kunststoff, ausgebildet sein. Die einzelnen in den Bodenplattensegmenten angeordneten Vertiefungen lassen sich dabei geometrisch einfach an einzelne Zellmodule adaptieren.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest zwei Bodenplattensegmente Bestandteil einer gemeinsamen Bodenplatte sind. Dies ermöglicht eine Integration mehrerer Bodenplattensegmente in eine gemeinsame Bodenplatte, wodurch die Herstellung und das Handling vereinfacht werden.
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Zweckmäßig ist vorgesehen, dass zumindest zwei Bodenplattensegmente über elastische Verbindungsbereiche miteinander verbunden sind. Hierdurch wird, insbesondere zusammen mit den Stegen in der Deckplatte, die die Temperierflächen halten, eine hohe Flexibilität geschaffen, wodurch die erfindungsgemäße Temperierplatte insbesondere in der Lage ist, sich an unterschiedliche Höhenniveaus einzelner Energiespeicherzellen anzupassen. Durch die Fähigkeit sich an unterschiedliche Höhenniveaus einzelner Energiespeicherzellen anzupassen, können insbesondere temperaturbedingte und/oder fertigungsbedingte Toleranzen ausgeglichen werden.
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Zweckmäßig sind die zumindest zwei Bodenplattensegmente und die elastischen Verbindungsbereiche einstückig ausgebildet sind. Hierdurch ist eine kostengünstige Fertigung möglich und ein Handling wird erheblich vereinfacht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind in zumindest einer Vertiefung Erhebungen, insbesondere Noppen, angeordnet, die bei fertiggestellter Temperierplatte an der Deckplatte anliegen. Die Erhebungen steifen dabei einerseits das Bodenplattensegment und damit auch die Bodenplatte aus und bilden andererseits Strömungsleitelemente in dem durch die Deckplatte und die jeweilige Vertiefung der Bodenplattensegmente gebildeten Strömungsraum. Durch eine insbesondere stoffschlüssige Anbindung der einzelnen Erhebungen der Bodenplattensegmente an die Deckplatte kann darüber hinaus die Steifigkeit der gesamten Temperierplatte deutlich gesteigert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist jedes Bodenplattensegment randseitig mit der Deckplatte fluiddicht verbunden, insbesondere verlötet, verschweißt, verschraubt oder verklebt. Besonders das Verlöten stellt dabei eine einerseits prozesssichere und andererseits kostengünstige Verbindung der Deckplatte mit den Bodenplattensegmenten dar, wobei alternativ selbstverständlich auch ein Verkleben möglich ist.
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Zweckmäßig sind/ist die Deckplatte und/oder die Bodenplattensegmente und/oder die Bodenplatte aus Blech, insbesondere aus Aluminiumblech, ausgebildet. Aluminium bietet dabei den großen Vorteil, einerseits einen hohen Wärmeleitkoeffizienten und andererseits ein geringes Gewicht aufzuweisen. Durch den hohen Wärmeleitkoeffizienten kann insbesondere eine hohe Wärmeübertragungsrate und damit eine optimale Kühlung bzw. Temperierung der einzelnen Zellmodule erreicht werden. Das geringe Gewicht von Aluminium ist darüber hinaus insbesondere in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen von großem Vorteil. Bei einer Ausbildung der zumindest zwei Bodenplattensegmente bzw. der Bodenplatte aus Metall können die jeweiligen Vertiefungen durch Prägen/Tiefziehen eingebracht werden. Bei einer Ausbildung der zumindest zwei Bodenplattensegmente bzw. der Bodenplatte aus Kunststoff können die jeweiligen Vertiefungen durch Kunststoffspritzgießen hergestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Bodenplattensegmente und in der Deckplatte fluchtende Durchgangsöffnungen vorgesehen. Über diese Durchgangsöffnungen können ein Verschrauben der Deckplatte mit den Bodenplattensegmenten und/oder ein Verschrauben der gesamten Temperierplatte mit beispielsweise einem Batteriegehäuse oder anderen Bauteilen erfolgen.
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Zweckmäßig ist jeweils eine Durchgangsöffnung in einer Lasche angeordnet, die fest mit der Temperierfläche verbunden ist. Eine derartige Lasche wiederum ist durch einen entsprechenden Schlitz von der Deckplatte getrennt, so dass bei einem Durchführen einer Schraube und einem Verspannen eines jeweils auf der Temperierfläche angeordneten Zellmoduls einerseits eine flächige und damit gut wärmeübertragende Verbindung mit dem jeweiligen Zellmodul erreicht werden kann, andererseits jedoch aufgrund der von der Deckplatte losgelösten Laschen ein gewisser Toleranzausgleich und auch eine gewisse Beweglichkeit der Temperierfläche relativ zur Deckplatte ermöglicht wird. Die jeweilige Lasche ist dabei fest mit der Temperierfläche verbunden, jedoch getrennt zur Deckplatte angeordnet.
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Zweckmäßig sind die einzelnen Temperierflächen derart an der Deckplatte angeordnet, dass sich die Laschen benachbarter Temperierflächen hintergreifen. Hierdurch kann eine besonders dichte und damit bauraumoptimierte Anordnung der einzelnen auf den jeweiligen Temperierflächen angeordneten Zellmodule erreicht werden.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Batterietemperierungssystem, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit zumindest einer solchen zuvor beschriebenen Temperierplatte auszurüsten. Dies bietet den großen Vorteil, dass die jeweiligen Vorteile einer großflächigen Kühlplatte mit den jeweiligen Vorteilen einzelner kleiner Temperierflächen kombiniert werden können. Insbesondere können mit der erfindungsgemäßen Temperierplatte die Montage- und Herstellungskosten gesenkt, zugleich aber die erforderliche Flexibilität zum Toleranzausgleich erhalten werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1a eine Querschnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Batterietemperierungssystem mit einer erfindungsgemäßen Temperierplatte mit getrennten Bodenplattensegmenten,
- 1b eine Darstellung wie in 1a, jedoch in verformtem Zustand,
- 2 eine Ansicht auf eine Deckplatte der erfindungsgemäßen Temperierplatte,
- 3 eine Detaildarstellung aus 2,
- 4 eine Ansicht von unten auf die erfindungsgemäßen Temperierplatte,
- 5a eine Querschnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Batterietemperierungssystem mit einer erfindungsgemäßen Temperierplatte mit zusammenhängenden Bodenplattensegmenten,
- 5b eine Darstellung wie in 5a, jedoch in verformtem Zustand.
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Entsprechend den 1a,b und 5a,b weist ein erfindungsgemäßes Batterietemperierungssystem 1, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug 2 zumindest zwei Energiespeicherzellen 3 (Zellmodule) auf, die über eine erfindungsgemäße Temperierplatte 4 temperiert, d.h. gekühlt oder beheizt, werden. Die erfindungsgemäße Temperierplatte 4 ist dabei zweilagig ausgebildet, nämlich aus einer, insbesondere planen, Deckplatte 5 (vgl. die 1 bis 3 und 5) und mehreren, zumindest aber zwei, jeweils eine Vertiefung 6 aufweisenden Bodenplattensegmenten 7 (vgl. 1 bis 5). Hierbei ist insbesondere im Bereich von Temperierflächen 8 auf einen flächigen und damit gut wärmeübertragenden Kontakt zu der zugehörigen Energiespeicherzelle 3 zu achten.
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Die zumindest zwei Bodenplattensegmente 7 können dabei getrennt voneinander ausgebildet sein, wie dies in den 1 bis 4 dargestellt ist, oder sie können Bestandteil einer zusammenhängenden, gemeinsamen Bodenplatte 19 sein, wie dies in den 5a und 5b dargestellt ist. Letzteres ermöglicht eine Integration mehrerer Bodenplattensegmente 7 in eine gemeinsame Bodenplatte 19, wodurch die Herstellung und das Handling vereinfacht werden.
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Die Deckplatte 5 weist dabei eine Vielzahl einzelner Temperierflächen 8 auf, die aus der Deckplatte 5 ausgestanzt und lediglich noch über Stege 9 mit dieser verbunden sind (vgl. 3). Betrachtet man die 1 und 4, so kann man erkennen, dass die in die Bodenplattensegmenten 7 angeordneten Vertiefungen 6 im Wesentlichen deckungsgleich zu den Temperierflächen 8 in der Deckplatte 5 ausgebildet und angeordnet sind und zusammen mit der Deckplatte 5 Strömungsräume 10 (vgl. 1) für Temperierfluid begrenzen bzw. einschließen. In jeder Vertiefung 6 bzw. in jedem Bodenplattensegment 7 oder in jeder Temperierfläche 8 der Deckplatte 5 sind dabei jeweils ein Fluideinlass 11 und ein Fluidauslass 12 für Temperaturfluid vorgesehen. Zwischen der jeweiligen Temperierfläche 8 und der zugehörigen, das heißt darauf angeordneten, Energiespeicherzelle 3 besteht ein flächiger und damit gut wärmeleitender Kontakt.
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Die zumindest zwei Bodenplattensegmente 7 können über elastische Verbindungsbereiche 18 miteinander verbunden sein (vgl. 5a und 5b), wodurch insbesondere zusammen mit den Stegen 9 in der Deckplatte 5, die die Temperierflächen 8 halten, eine Möglichkeit zur Auslenkung und damit eine hohe Flexibilität geschaffen werden kann, sodass die erfindungsgemäße Temperierplatte 4 insbesondere in der Lage ist, sich an unterschiedliche Höhenniveaus einzelner Energiespeicherzellen 3 (vgl. 1b und 5b) anzupassen. Durch die Fähigkeit sich an unterschiedliche Höhenniveaus einzelner Energiespeicherzellen 3 anzupassen, können insbesondere temperaturbedingte und/oder fertigungsbedingte Toleranzen ausgeglichen werden. Dabei können die Bodenplatte 19 mit den zumindest zwei Bodenplattensegmenten 7, den elastischen Verbindungsbereichen 18, den Erhebungen 13 und den Rändern 17 einstückig ausgebildet sein, wodurch eine kostengünstige Fertigung möglich ist und ein Handling erheblich vereinfacht werden kann.
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Betrachtet man die 1b und 5b, so kann man erkennen, dass die erfindungsgemäße Temperierplatte 4 Verformungen relativ flexibel mitmachen kann, dabei jedoch den wärmeübertragenden Kontakt zu den Energiespeicherzellen 3 nicht verliert. Mit der erfindungsgemäßen Temperierplatte 4 ist es erstmals möglich, die Vorteile einer Gesamtkühl- bzw. Temperierplatte mit den Vorteilen einzelner kleiner Temperierplatten zu kombinieren. Die erfindungsgemäße Temperierplatte 4 ermöglicht es nämlich, einzelne kleine Temperierflächen 8 bereitzustellen, die durch ihre lediglich geringfügige stoffliche Anbindung über die Stege 9 an die Deckplatte 5 und die jeweils getrennten oder lediglich über flexible Stege 18 miteinander verbundenen Bodenplattensegmente 7 den Vorteil eines gewissen Toleranzausgleichs zu ermöglichen, und diesen mit dem Vorteil einer großen zusammenhängenden Kühlplatte zu kombinieren, und somit einerseits einen Toleranzausgleich und andererseits geringere Montage- und Herstellungskosten zu vereinen.
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Betrachtet man die Bodenplattensegmente 7 näher, so kann man erkennen, dass in diese Noppen bzw. Erhebungen 13 (vgl. 1, 4 und 5) eingebracht sind, die bei fertiggestellter Temperierplatte 4 an der Deckplatte 5 anliegen, insbesondere sogar stoffschlüssig, beispielsweise über eine Verlötung, Verklebung oder Verschweißung, mit dieser verbunden sind. Die Erhebungen 13 steifen dabei die Bodenplattensegmente 7 bzw. die gemeinsame Bodenplatte 19 aus und versteifen zugleich auch bei einer stofflichen Verbindung mit der Deckplatte 5 die gesamte Temperierplatte 4. Üblicherweise sind dabei die Bodenplattensegmente 7 über einen jeweiligen Rand 17 mit der Deckplatte 5 fluiddicht verbunden, beispielsweise verlötet, verschweißt, verschraubt oder verklebt. Die Deckplatte 5 und/oder die Bodenplattensegmente 7 bzw. die gemeinsame Bodenplatte 19 sind dabei aus Blech, insbesondere aus Aluminiumblech, hergestellt und dadurch einerseits hinsichtlich ihres Gewichtes optimiert und andererseits besitzen sie einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten, welcher eine verbesserte Temperierung der Energiespeicherzellen 3 ermöglicht. Bei einer Ausbildung der Bodenplattensegmente 7 bzw. der Bodenplatte 19 aus Metall können die Vertiefungen 6 als Prägung oder durch Tiefziehen hergestellt werden, während bei einer Ausbildung der Bodenplattensegmente 7 bzw. der Bodenplatte 19 aus Kunststoff, diese durch Kunststoffspritzgießen hergestellt werden können. Eine Ausbildung der Bodenplattensegmente 7 bzw. der Bodenplatte 19 aus Kunststoff bietet dabei den großen Vorteil, einen Wärmeübertrag hauptsächlich über die Temperierflächen 8 zu gewährleisten.
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In den Bodenplattensegmenten 7 bzw. der Bodenplatte 19 und in der Deckplatte 5 sind darüber hinaus fluchtende Durchgangsöffnungen 14 angeordnet, bei denen zumindest die Durchgangsöffnungen 14 in der Deckplatte 5 in einer Lasche 15 angeordnet sind, die jeweils fest mit der zugehörigen Temperierfläche 8, durch einen gestanzten Schlitz 16 jedoch von der übrigen Deckplatte 5 getrennt sind.
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Über die Durchgangsöffnungen 14 kann beispielsweise ein Verschrauben der Deckplatte 5 mit den Bodenplattensegmente 7 bzw. der Bodenplatte 19 und/oder der gesamten Temperierplatte 4 mit der zugehörigen Energiespeicherzelle 3 erfolgen.
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Betrachtet man darüber hinaus die einzelnen Temperierflächen 8 in der Deckplatte 5 gemäß der 2, so kann man erkennen, dass sich diese nach Möglichkeit mit ihren Laschen 15 hintergreifen, ebenso wie die Laschen 15 an den Vertiefungen 6 in den Bodenplattensegmenten 7 bzw. der Bodenplatte 19, wodurch eine besonders enge und damit bauraumoptimierte Anordnung ermöglicht wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Temperierplatte 4 kann eine einfach zu handhabende und kostengünstig herzustellende Temperierung erreicht werden, wobei zugleich ein reduziertes Leckagerisiko besteht. Durch die über die Schlitze 16 entkoppelte Temperierfläche 8 kann darüber hinaus eine thermisch optimierte Anbindung an die jeweils zugehörigen Energiespeicherzellen 3 und damit eine optimierte Temperierung derselben erreicht werden. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Temperierplatte 4 sind ein geringes Gewicht, eine hohe Wärmeübertragungsrate und eine hohe Flexibilität (vgl. 1b, 5b). Über die jeder Energiespeicherzelle 3 zugehörigen Fluideinlässe 11 und Fluidauslässe 12 ist zudem sogar eine individuelle Temperierung einzelner Energiespeicherzellen 3 (Zellmodule) möglich, wobei selbstverständlich auch einzelne Gruppen von Energiespeicherzellen 3 separat temperiert werden können.
