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Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Traktionsbatterie, für ein Kraftfahrzeug der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung noch ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie.
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Batterien, insbesondere Traktionsbatterien, für Kraftfahrzeuge sind häufig in Form von Batteriezellstapeln aufgebaut, welche mehrere übereinander angeordnete Batteriezellen aufweisen. Derartig aufgebaute Batterien sind beispielsweise in der
DE 10 2011 011 650 A1 oder auch in der
DE 10 2010 005 154 A1 gezeigt. In beiden Dokumenten sind Kühlmechanismen beschrieben, die zur Wärmeabführung von den einzelnen Batteriezellen Kühlkreisläufe vorsehen.
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Die
DE 39 07 819 A1 zeigt eine Ionenaustauscher-Brennstoffzelle, welche ebenfalls über eine Kühlvorrichtung verfügt.
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Insbesondere bei Batterien, wie beispielsweise Traktionsbatterien, für Kraftfahrzeuge ist es wichtig, dass die einzelnen Batteriezellen während des Betriebs ausreichend gekühlt werden können, damit die Batteriezellen nicht überhitzen. Zu hohe thermische Belastungen bei den Batteriezellen führen zu Leistungseinbußen und insbesondere beschleunigt dies auch den Alterungsprozess von Batteriezellen.
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Insbesondere wenn die eingangs beschriebenen Batteriezellenstapel so im Kraftfahrzeug angeordnet werden, dass die einzelnen Batteriezellen des Batteriezellenstapels übereinander angeordnet sind, kann es vorkommen, dass sich je nach verwendetem Kühlsystem unterschiedliche Temperaturen bei den Batteriezellen einstellen. Dies kann wiederum dazu führen, dass die Batteriezellen unterschiedlich schnell altern, was ungünstig ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, bei der die in Form eines Batteriezellenstapels übereinander angeordneten Batteriezellen besonders gleichmäßig gekühlt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batterie, insbesondere durch eine Traktionsbatterie, für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Batterie, insbesondere Traktionsbatterie, für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Batteriezellenstapel, welcher mehrere übereinander angeordnete Batteriezellen aufweist. Die Batteriezellen sind zur Wärmeabführung jeweils mittels wenigstens eines Wärmeleiters thermisch mit einem stirnseitig am Batteriezellenstapel angeordneten Wärmeverteiler gekoppelt, der auf seiner vom Batteriezellenstapel abgewandten Seite thermisch mit einer Wärmesenke gekoppelt ist. Die Wärmeleiter greifen seitlich am Batteriezellenstapel an und erstrecken sich bis zum Wärmeverteiler, mit welchem sie verbunden sind. Die Wärmeleiter sind zur zumindest im Wesentlichen gleichmäßigen Wärmeabführung von den Batteriezellen ausgebildet.
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Dadurch, dass die Wärmeleiter zur zumindest im Wesentlichen gleichmäßigen Wärmeabführung von den Batteriezellen ausgebildet sind, kann sichergestellt werden, dass die einzelnen Batteriezellen des Batteriezellenstapels der Batterie während es Betriebs annähernd die gleiche Temperatur aufweisen. Denn unabhängig davon, wie weit die jeweiligen Batteriezellen von der Wärmesenke entfernt angeordnet sind, sorgen die Wärmeleiter dafür, dass die einzelnen Batteriezellen gleichmäßig entwärmt werden, auch wenn diese im Betrieb vertikal übereinander angeordnet sind. Bei der erfindungsgemäßen Batterie ist es also bei stapelförmig übereinander angeordneten Batteriezellen, v.a. auch bei größeren Stapelhöhen, möglich, annährend die gleiche Temperatur in den Batteriezellen durch eine entsprechende Kühlleistung beziehungsweise Wärmeabfuhr sicherzustellen.
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Dadurch kann eine sehr gleichmäßige Entwärmung der einzelnen Batteriezellen erfolgen, sodass die Batteriezellen gleich schnell altern. Es wird also auf jeder Höhe des Batteriezellenstapels sichergestellt, dass an den jeweiligen Batteriezellen zumindest im Wesentlichen die gleiche Temperatur vorherrscht. Unabhängig davon, auf welcher Höhe die einzelnen Batteriezellen angeordnet sind, kann überschüssige Wärme von den jeweiligen Batteriezellen gleichmäßig zum Wärmeverteiler weitergeleitet und von diesem zur Wärmesenke übertragen werden.
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Insbesondere bei großen Stapelhöhen solcher Batteriezellstapel wird durch die erfindungsgemäße Lösung dem ansonsten vorherrschenden Phänomen entgegengewirkt, dass die weiter oben angeordneten Batteriezellen sich ansonsten wesentlich stärker erhitzen würden als die weiter unten angeordneten Batteriezellen, welche wesentlich näher an der Wärmesenke angeordnet sind. Mittels der erfindungsgemäßen Batterie wird also ein wesentliches Ziel erreicht, nämlich dass alle Batteriezellen in gleichem Maße altern, da eine gleichmäßige Entwärmung beziehungsweise Kühlung der übereinander angeordneten Batteriezellen sichergestellt werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wärmeleiter als Wärmerohre ausgebildet sind. Ein Wärmerohr ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt, das heißt auf kleiner Querschnittsfläche können große Wärmemengen transportiert werden. Es wird zwischen zwei Bauformen von Wärmerohren unterschieden, der Heatpipe und dem ZweiPhasen-Thermosiphon. Das grundliegende Funktionsprinzip ist bei beiden Bauformen gleich, der Unterschied liegt im Transport des Arbeitsmediums, der aber generalpassiv erfolgt, das heißt ohne Hilfsmittel, wie etwa eine Umwälzpumpe. Der Wärmewiderstand des Wärmerohrs ist bei Arbeitstemperatur deutlich kleiner als der von Metallen. Das Verhalten der Wärmerohre kommt daher der isothermen Zustandsänderung sehr nahe. Es herrscht eine beinahe konstante Temperatur über die Länge des Wärmerohrs. Bei gleicher Übertragungsleistung sind deswegen wesentlich leichtere Bauweisen als bei herkömmlichen Wärmeübertragern unter gleichen Einsatzbedingungen möglich. Durch den Einsatz von Wärmerohren wird gewährleistet, dass auf jeder Höhe, also an jedem Knotenpunkt, an welchem die Wärmeleiter an den Batteriezellenstapel angreifen, die gleiche Temperatur vorherrscht. Da Wärmerohre als annähernd ideale Wärmeleiter anzusehen sind, kann dies gewährleistet werden. Die einzelnen Wärmerohre leiten die Wärme von den Batteriezellen über den Wärmeverteiler an die darunter angeordnete Wärmesenke weiter. Mittels der Wärmerohre kann somit auf einfache Weise sichergestellt werden, dass es im Betrieb der Batterie zumindest im Wesentlichen zu einer gleichmäßigen Wärmeabführung von den einzelnen Batteriezellen kommt. Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmeleiter einen umso größeren Querschnitt aufweisen, je weiter entfernt sie von der Wärmesenke am Batteriezellenstapel angreifen. Anstelle der Wärmerohre können also auch beispielsweise unterschiedlich breite, unterschiedlich dicke, unterschiedlich stark geschlitzte und/oder unterschiedlich stark gelochte Wärmeleiter eingesetzt werden, mittels welchen eine gleichmäßige Wärmeabfuhr bei den übereinander angeordneten Batteriezellen sichergestellt werden kann. Dadurch, dass die Wärmeleiter einen umso größeren Querschnitt aufweisen, je weiter entfernt sie von der Wärmesenke am Batteriezellenstapel angreifen, kann ebenfalls eine gleichmäßige Wärmeabfuhr von den übereinander angeordneten Batteriezellen sichergestellt werden. Die Gleichmäßigkeit des Wärmeabflusses von den einzelnen Batteriezellen geschieht über die entsprechende Dimensionierung der wärmeleitenden Querschnittsflächen der einzelnen Wärmeleiter. Darüber kann ebenfalls eine zumindest im Wesentlichen gleichmäßige Wärmeabfuhr von den einzelnen Batteriezellen sichergestellt werden. Diese Wärmeleiter können beispielsweise in Form von Blechen hergestellt werden, die aus Blechplatinen oder dergleichen ganz einfach ausgestanzt werden können. Während des Ausstanzvorgangs kann die Querschnittsfläche der einzelnen Wärmeleiter beispielsweise einfach dadurch variiert werden, indem die Wärmeleiter unterschiedliche konisch ausgestanzt werden. Andere Herstellverfahren sind aber ebenfalls möglich. Vorzugsweise werden die Wärmeleiter aus metallischen Werkstoffen hergestellt, da diese eine relativ gute Wärmeableitung ermöglichen. Andere Materialien, sofern sie zur Wärmeabfuhr ebenfalls geeignet sind, sind aber ebenfalls möglich.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Batteriezellenstapel mehrere plattenförmige Wärmeleitkörper aufweist, wobei die Batteriezellen und die Wärmeleitkörper abwechselnd übereinander geschichtet angeordnet sind und die Wärmeleiter zumindest mittelbar und wärmeleitend mit den Wärmeleitköpern verbunden sind. Durch Alternieren der Anordnung der Wärmeleitkörper und der einzelnen Batteriezellen innerhalb des Batteriezellenstapels kann überschüssige und abzuführende Wärme besonders einfach von den Batteriezellen auf die Wärmeleitkörper und von diesen aus auf die Wärmeleiter übertragen werden. Alternativ wäre es beispielsweise aber auch möglich, dass die Batteriezellen beispielsweise in ein besonders gut wärmeleitendes Material eingebettet sind, wobei die Wärmeleiter dann an diesem Material zumindest mittelbar angreifen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die plattenförmigen Wärmeleiter zumindest jeweils eine Wärmesammelschiene aufweisen, an welchen jeweilige Wärmeleiter angebracht sind. Dadurch kann eine thermodynamisch besonders günstige Anbindung der einzelnen Wärmeleiter und damit eine besonders gute Kühlleistung bezüglich der einzelnen Batteriezellen erzielt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass jeweilige an die Wärmesammelschiene angrenzende Bereiche der plattenförmigen Wärmeleitkörper einen umso größeren Querschnitt aufweisen, je weiter entfernt sie von der Wärmesenke angeordnet sind. Diese Bereiche können beispielsweise unterschiedlich dick, breit, geschlitzt und/oder gelocht ausgebildet werden. Da üblicherweise solche Batterien ein Gehäuse aufweisen, in dem neben einer Wärmestrahlung und Wärmeleitung bei Erreichen gewisser Temperaturen auch eine Wärmekonvektion einen wesentlichen Einfluss haben kann, kann dieser auch wiederum für Temperaturunterschiede bei den einzelnen Batteriezellen sorgen. Wenn die Batterie häufig in Temperaturbereich betreiben wird, bei denen eine durch Konvektion induzierte Temperaturerhöhung im oberen Teil des Batteriezellenstapels auftritt, dann kann dieser ansonsten auftretende Temperaturunterschied besonders einfach durch die jeweiligen an die Wärmesammelschiene angrenzenden Bereiche kompensiert werden, indem jeweilige wärmeleitende Querschnitte dieser Bereiche beispielsweise durch Lochung, Schlitzung oder anderweitig entsprechend eingestellt werden. Da sich derartige Lochungen, Schlitzungen oder anderweitige Querschnittsänderungen und die Ausgestaltung der Wärmeleiter gegenseitig beeinflussen, können Ergebnisse einer rechnergestützten thermischen Simulation zur Auslegung zugrunde gelegt werden. Insbesondere beim Einsatz von Wärmerohren kann sich aufgrund ihrer guten thermodynamischen Eigenschaften und je nach Eigenschaften der Batteriezellen ergeben, dass keine Lochung, Schlitzung oder anderweitige Querschnittsänderung notwendig ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Batteriezelle an derselben Seite des Batteriezellenstapels jeweils zwei der Wärmeleiter angreifen. Es können natürlich auch noch mehr solcher Wärmeleiter an derselben Seite des Batteriezellenstapels angreifen. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Batteriezelle am Batteriezellenstapel an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils wenigstens einer der Wärmeleiter angreift. Je nach Abmessungen der Batterie und somit auch der einzelnen Batteriezellen können also mehrere Wärmeleiter je Batteriezelle vorgesehen werden, um besonders effektiv Wärme von den einzelnen Batteriezellen abzuführen. Wenn eine Vielzahl von Wärmeleitern vorgesehen ist, sind diese vorzugsweise verschachtelt angeordnet, sodass dies nicht miteinander kollidieren. Vorzugsweise wird die Anordnung der einzelnen Wärmeleiter symmetrisch gewählt, was eine gleichmäßige Entwärmung der einzelnen Batteriezellen begünstigt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass es sich bei der Wärmesenke um eine von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlplatte handelt. Dadurch können die einzelnen Batteriezellen besonders gut gekühlt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass bezogen auf eine Strömungsrichtung des Kühlmittels die Wärmeleiter einen umso kleineren Querschnitt aufweisen, je weiter stromaufwärts diese angeordnet sind. Der Querschnitt kann beispielsweise einfach durch die Breite oder Dicke der Wärmeleiter variiert werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Wärmeleiter, insbesondere wenn es sich bei diese nicht um Wärmerohre handelt, durch Schlitzungen oder Löcher in ihrem Querschnitt variiert werden. Stromaufwärts ist das Kühlmittel noch kühler als stromaufwärts, da das Kühlmittel schon entsprechende Wärme aufgenommen hat. Dadurch, dass bezogen auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels die Wärmeleiter einen umso kleineren Querschnitt aufweisen, je weiter stromaufwärts diese angeordnet sind und umgekehrt, wird eine besonders gleichmäßige Entwärmung der Batteriezellen zusätzlich begünstigt.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst die erfindungsgemäße Batterie oder eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Seitenansicht einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, welche einen Batteriezellenstapel aufweist, der mehrere übereinander angeordnete Batteriezellen umfasst;
- 2 eine Frontalansicht der Batterie.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
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Eine Batterie 1, bei welcher es sich beispielsweise um eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug handeln kann, ist in einer schematischen Seitenansicht in 1 gezeigt. Die Batterie 1 umfasst einen Batteriezellenstapel 2, welcher mehrere übereinander angeordnete Batteriezellen 3 aufweist. Darüber hinaus umfasst der Batteriezellenstapel 3 mehrere plattenförmige Wärmeleitkörper 4, welche auch als Kühlfinnen angesehen werden können, wobei die Batteriezellen 3 und die Wärmeleitkörper 4 abwechselnd übereinander geschichtet angeordnet sind. Zur besseren Orientierung sind eine Längsachse x, eine Hochachse z und eine aufgrund der anderen Perspektive nur in 2 erst erkennbare Querachse y in den Figuren eingezeichnet.
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Die plattenförmigen Wärmeleitkörper 4 weisen gemäß der vorliegenden Darstellung links und rechts an ihren Enden jeweilige Wärmesammelschienen 5 auf, an welchen jeweilige Wärmeleiter 6 angebracht sind. Die Batteriezellen 3 sind zur Wärmeabführung mittels der jeweiligen Wärmeleiter 5 thermisch mit einem stirnseitig am Batteriezellenstapel 2 angeordneten Wärmeverteiler 7 gekoppelt. Der Wärmeverteiler ist aus einem Material hergestellt, welches besonders gut Wärme leitet. Beispielsweise kann der Wärmeverteiler 7 aus einem metallischen Material hergestellt sein. Auf seiner vom Batteriezellenstapel 2 abgewandten Seite ist der Wärmeverteiler 7 thermisch mit einer Wärmesenke 8 gekoppelt, bei welcher es sich im vorliegenden Fall um eine mit einem Kühlmedium durchströmbare Kühlplatte handelt.
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Wie zu erkennen, greifen die einzelnen Wärmeleiter 6 seitlich am Batteriezellenstapel 2 an und erstrecken sich bis zum Wärmeverteiler 2, mit welchem sie verbunden sind. Konkret sind dabei die Wärmeleiter 6 an den jeweiligen Wärmesammelschienen 5 angebracht, welche aus einem thermisch besonders gut leitfähigen Material hergestellt sind.
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In 2 ist die Batterie 1 in einer Frontalansicht dargestellt. In der vorliegenden Darstellung ist die verschachtelte Anordnung der einzelnen Wärmeleiter 6, die an den jeweiligen Wärmeleitschienen 5 angreifen, gut zu erkennen. Da die einzelnen Batteriezellen 3 in Hochrichtung z übereinandergestapelt angeordnet sind, weisen die Wärmeleiter 6 unterschiedliche Längen auf.
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Um trotz der stapelförmigen Anordnung der Batteriezellen 3 sicherstellen zu können, dass sich während des Betriebs der Batterie 1 eine zumindest annähernd gleiche Temperatur bei allen Batteriezellen 3 einstellt, ist es gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Wärmeleiter 6 als Wärmerohre ausgebildet sind. Der Wärmewiderstand der Wärmerohre 6 ist bei Arbeitstemperatur deutlich kleiner als der von Metallen. Es herrscht über die Länge der unterschiedlich langen Wärmeleiter 6 daher eine beinahe konstante Temperatur.
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Aufgrund der quasi idealen Wärmeleitung der als Wärmerohre ausgebildeten Wärmeleiter 6 kann daher zuverlässig sichergestellt werden, dass eine zumindest im Wesentlichen gleichmäßige Wärmeabführung von den übereinander angeordneten Batteriezellen 3 erfolgt. Sollte der Grad der Gleichmäßigkeit der Wärmeabfuhr von den Batteriezellen 3 nicht ausreichend sein, so ist es auch noch möglich, bei jeweiligen an die Wärmesammelschienen 5 angrenzenden Bereichen 9 (siehe 1) der plattenförmigen Wärmeleitkörper 4 einen umso größeren Querschnitt vorzusehen, je weiter entfernt diese Bereiche 9 von der Wärmesenke 8 angeordnet sind. Beispielsweise können die Bereiche 9 durch eine entsprechend unterschiedliche Schlitzung oder Lochung hinsichtlich ihres wärmeleitenden Querschnitts unterschiedlich ausgestaltet werden. Die kann dazu beitragen, dass wiederum eine so gut wie gleichmäßige Wärmeabfuhr von den einzelnen Batteriezellen 3 sichergestellt werden kann.
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Bei einer zweiten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Wärmeleiter 6 nicht als Wärmerohre sondern beispielsweise einfach aus einem metallischen Material hergestellt sind. Die Wärmeleiter können in dem Fall einfach als nach unten fortgeführte Streifen ausgebildet sein, die quasi als Verlängerungen der plattenförmigen Wärmeleitkörper 4 (siehe 1) anzusehen sind. Um bei dieser Ausführungsform dennoch sicherstellen zu können, dass eine gleichmäßige Entwärmung der Batteriezellen 3 erfolgt, werden die Wärmeleiter 6 derart gestaltet, dass sie einen umso größeren Querschnitt aufweisen, je weiter entfernt sie von der Wärmesenke am Batteriezellenstapel 2 angreifen. Je länger also die jeweiligen Wärmeleiter 6 sind, desto größer wird der Wärmeleitende Querschnitt gewählt und umgekehrt. Beispielsweise können die Wärmeleiter 6 dafür unterschiedlich geschlitzt oder gelocht werden. Alternativ oder zusätzlich ist es beispielsweise auch möglich, dass einfach die Breite oder die Dicke der Wärmeleiter 6 variiert wird.
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Zusätzlich können wiederum die Bereiche 9 hinsichtlich ihres wärmeleitenden Querschnitts wie bereits weiter oben beschrieben entsprechend unterschiedlich dimensioniert werden, um eine gleichmäßige Entfernung der Batteriezellen 3 zu begünstigen.
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Insbesondere wenn die Wärmeleiter 6 nicht als Wärmerohre ausgebildet sind, kann es zusätzlich noch vorteilhaft sein, eine Strömungsrichtung 10 des Kühlmittels der als Kühlplatte ausgebildeten Wärmesenke 8 zu berücksichtigen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass bezogen auf die Strömungsrichtung 10 des Kühlmittels die Wärmeleiter 6 einen umso kleineren Querschnitt aufweisen, je weiter stromaufwärts diese angeordnet sind und umgekehrt. Bezogen auf die schematische Darstellung in 1 bedeutet dies konkret, dass die rechts angeordneten Wärmeleiter 6 einen kleineren wärmeleitenden Querschnitt aufweisen als die links angeordneten Wärmeleiter 6. Die Unterschiede in den Querschnitten können dabei so eingestellt werden, dass sowohl auf der rechten als auch auf der linken Seite mittels der jeweiligen Wärmeleiter 6 gleichmäßig Wärme von den Batteriezellen 3 abgeführt werden kann. Die Strömungsrichtung 10 ist selbstverständlich nur beispielhaft zu verstehen, welche gemäß der vorliegenden Darstellung in 1 in Längsrichtung x erfolgt. Genauso gut kann die Strömungsrichtung 10 auch in Querrichtung y erfolgen.
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Durch die verschachtelt angeordneten Wärmeleiter 6 - seien es nun Wärmerohre oder beispielsweise einfach nur metallische Wärmeleiter - kann eine zumindest im Wesentlichen gleichmäßige Wärmeabführung von den übereinander angeordneten Batteriezellen 3 gewährleistet werden. Dadurch erfahren die Batteriezellen 3 während des Betriebs die gleiche thermische Belastung, infolgedessen die Batteriezellen 3 auch wiederum gleichmäßig altern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011011650 A1 [0002]
- DE 102010005154 A1 [0002]
- DE 3907819 A1 [0003]
