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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Versorgung eines elektrischen Antriebsaggregates des Kraftfahrzeuges.
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Aus dem Stand der Technik ist ein elektrischer Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug bekannt, der insbesondere ein elektrisches Antriebsaggregat versorgt.
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Dieser elektrische Energiespeicher umfasst ein Energiespeichermodul, das aus einer Vielzahl von miteinander verschalteten prismatischen Energiespeicherzellen aufgebaut ist. Jede der Energiespeicherzellen umfasst zwei elektrische Pole und ein Gehäuse, welches z.B. bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator im inneren einen Separator, eine positive Elektrode sowie eine negative Elektrode aufweist. Das Gehäuse der Energiespeicherzelle schützt und umschließt den Separator und die beiden Elektroden, wobei diese Elemente sich in einem ionisch leitenden Elektrolyt befinden.
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Die Energiespeicherzellen sind parallel nebeneinander in einer Richtung des Energiespeichers angeordnet. Dadurch berühren sich die einzelnen Gehäuse der Energiespeicherzellen jeweils an ihren benachbarten Seitenflächen. Diese Berührungsflächen zwischen den einzelnen benachbarten Gehäusen sind über Klebefolien aus Kunststoff elektrisch isoliert. Die Isolierung sorgt dafür, dass zwischen den benachbarten Gehäusen im Allgemeinen kein Kurzschluss sowie im Fehlerfall kein Spannungsüberschlag auftritt.
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Die Energiespeicherzellen sind zusätzlich auf einer Bodenplatte angeordnet. Die Bodenplatte wirkt als Kühlplatte, um den Abtransport der Wärme, die durch den Betrieb der Energiespeicherzellen entsteht, zu gewährleisten. Zwischen den Energiespeicherzellen und dieser Bodenplatte befindet sich ebenfalls eine Isolierung. Diese Isolierung ist aus einer Füllmasse, einer Folie und einem Wärmeleitblech aufgebaut.
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Das Energiespeichermodul wird letztendlich noch von zwei Seitenrahmen und zwei Endabschnitten umschlossen. Die Seitenrahmen sowie die Endabschnitte sind ebenfalls durch Klebefolien elektrisch von den Energiespeicherzellen isoliert.
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Mit der aus dem Stand der Technik bekannten Energiespeichervorrichtung ist die Realisierung der elektrischen Isolierung gewährleitstet, erfordert allerdings einen erhöhten Montageaufwand. Die Klebefolie, die für die Isolation zwischen den einzelnen Gehäusen der Energiespeicherzellen verwendet wird, benötigt bei ihrer Montage eine aufwändige Positionierung. Dies gilt ebenfalls für die Isolierung zwischen den Gehäusen der Energiespeicherzellen und den Seitenrahmen bzw. den Endabschnitten.
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Hinzu kommt, dass die Isolierung, die sich zwischen den Energiespeicherzellen und der Bodenplatte befindet, eine Schichtstruktur mit vielen verschiedenen Materialien aufweist. Einerseits führt dies zu einer erhöhten Komplexität der Energiespeichervorrichtung. Andererseits leidet hierunter der Abtransport der von den Energiespeicherzellen erzeugten Wärme.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Energiespeichervorrichtung zu schaffen, welche eine einfachere Montage und Realisierung der elektrischen Isolierung zulässt.
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Diese Aufgabe wird mit einer elektrischen Energiespeichervorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer elektrischer Energiespeicher ist für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, insbesondere zur Versorgung eines elektrischen Antriebsaggregates des Kraftfahrzeuges, wobei der erfindungsgemäße elektrische Energiespeicher umfasst:
- eine Vielzahl von aufgereihten und aneinander anliegenden Energiespeicherzellen, die jeweils ein elektrische Pole aufweisendes Gehäuse umfassen, über die die Energiespeicherzellen miteinander elektrisch verschaltet sind, wobei zumindest eine der Energiespeicherzellen eine Hülle aufweist, die das Gehäuse der einen Energiespeicherzelle derart umschließt, dass die Gehäuse voneinander elektrisch isoliert sind.
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Die Energiespeicherzellen weisen jeweils zumindest zwei elektrische Pole auf, ein Pluspol und ein Minuspol. Der erfindungsgemäße Energiespeicher wird bei bestimmungsgemäßem Einsatz über zwei Hauptanschlüsse an das elektrische Antriebsaggregat des Kraftfahrzeuges angeschlossen. Zwischen den beiden Hauptanschlüssen liegen beispielsweise 400V, 500V, 600V, 700V, 800V, 900V, oder 1000V an.
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Bei der Verschaltung der Energiespeicherzellen kann es sich beispielsweise um Kombinationen aus Reihenschaltungen und Parallelschaltungen handeln. Bei einer ersten Kombination können beispielsweise zumindest zwei Energiespeicherzellen zu einer Parallelschaltung zusammengeschaltet und anschließend zumindest zwei solcher Parallelschaltungen in Reihe geschaltet werden.
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Eine alternative Kombination kann aus zumindest zwei parallelen Strängen mit jeweils mindestens zwei in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen aufgebaut sein.
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Jede Energiespeicherzelle umfasst, wie erläutert, ein Gehäuse. Dieses Gehäuse kann aus einem metallischen Werkstoff und/oder einem nichtmetallischen Werkstoff gebildet sein. Zudem kann das Gehäuse eine prismatische Form oder eine zylindrische Form oder eine Pouch-Zellen Form aufweisen.
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Die Energiespeicherzellen können bevorzugt nach Entladung wieder aufgeladen werden.
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In dem Gehäuse jeder der Energiespeicherzellen sind die elektrochemischen Elemente der jeweiligen Energiespeicherzelle aufgenommen. Hierzu zählen eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, und ein Separator, die sich zusammen in einer Elektrolytlösung befinden.
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Durch die erfindungsgemäße isolierende Hülle, insbesondere durch die hierdurch gewährleistete elektrische Isolierung, lässt sich eine einfachere Montage des erfindungsgemäßen Energiespeichers erzielen. Dies deshalb, weil das Gehäuse vor Anordnung und Verschaltung der Energiespeicherzellen mit der Hülle umschlossen werden kann und keine einzelnen Folien aufwändig positioniert werden müssen. Dies spart Fertigungs- und Montagekosten.
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Die Hülle des erfindungsgemäßen Energiespeichers ist bevorzugt als Schrumpfschlauch ausgeführt und ist insbesondere aus einem Kunststoff und/oder aus Polytetrafluorethylen gebildet.
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Je nach gewünschter elektrischer Durchschlagsfestigkeit kann der Schrumpfschlauch aus einer Reihe von verschiedenen Materialien gebildet werden und kann bezogen auf seine Wanddicke dünn-, mittel-, oder dickwandig ausgebildet sein. Die elektrische Durchschlagsfestigkeit gibt Auskunft darüber, wie hoch die elektrische Feldstärke in einem Material höchstens sein darf, ohne dass es zu einem Lichtbogen oder Funkenschlag kommt. Je nach geforderter Norm und der elektrischen Kenngrößen des Energiespeichers hat der als isolierende Hülle fungierende Schrumpfschlaucheine bestimmte elektrische Durchschlagsfestigkeit.
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Die Hülle des erfindungsgemäßen Energiespeichers kann alternativ aus Kunststoff, insbesondere aus einem spritzgegossenen Kunststoff gebildet sein.
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Die Hülle kann beispielsweise gebildet werden, indem das Gehäuse der Energiespeicherzelle in einem Spritzgussverfahren mit dem Kunststoff umhüllt wird. Die Hülle kann je nach Bedarf an unterschiedlichen Abschnitten des Gehäuses in verschiedenen Wandstärken gefertigt sein.
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Die Hülle des erfindungsgemäßen Energiespeichers kann alternativ bevorzugt aus elastischem Kunststoff, insbesondere aus einem Elastomer gebildet sein.
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Die Hülle kann je nach Bedarf an unterschiedlichen Abschnitten des Gehäuses in verschiedenen Wandstärken gefertigt sein.
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Die vorstehend erläuterten, verschiedenen Varianten der Hülle können so ausgebildet sein, dass sie das Gehäuse zumindest an den Abschnitten umhüllen bzw. abdecken, an denen die Isolierung notwendig und gewünscht ist.
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Alternativ kann der erfindungsgemäße Energiespeicher so eingerichtet sein, dass das Gehäuse der zumindest einen Energiespeicherzelle, mit Ausnahme der elektrischen Pole, vollständig von der Hülle umschlossen ist.
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Des Weiteren kann der erfindungsgemäße Energiespeicher so ausgestaltet sein, dass von der Vielzahl der Energiespeicherzellen (nur) jede zweite Energiespeicherzelle die Hülle aufweist.
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In Abhängigkeit von den elektrischen Anforderungen an den erfindungsgemäßen Energiespeicher kann es ausreichend sein, nur das Gehäuse jeder zweiten Energiespeicherzelle mit der Hülle zu versehen. Die aufgereihten Energiespeicherzellen sind hierdurch zuverlässig voneinander isoliert und der Montage- bzw. Herstellungsaufwand wird verringert, weil nicht jede der Energiespeicherzellen mit der Hülle ausgestattet werden muss.
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Alternativ kann der elektrische Energiespeicher so ausgestaltet sein, dass jede der Energiespeicherzellen jeweils die Hülle aufweist.
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Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Energiespeicher derart ausgestaltet sein, dass die Hüllen der Energiespeicherzellen identisch aufgebaut, insbesondere aus einem identischen Material gebildet sind.
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Weiterhin kann der erfindungsgemäße Energiespeicher derart ausgestaltet sein, dass die Hüllen der Energiespeicherzellen unterschiedlich aufgebaut sind. Beispielsweise kann mindestens eine der Hüllen aus dem Elastomer und andere aus dem spritzgegossenen Kunststoff gebildet sein. Alternativ kann mindestens eine der Hüllen aus dem Elastomer und andere aus dem Schrumpfschlauch gebildet sein. Weiterhin alternativ kann mindestens eine der Hüllen aus dem spritzgegossenen Kunststoff und andere aus dem Schrumpfschlauch gebildet sein.
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Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Energiespeicher derart ausgestaltet sein, dass der Energiespeicher ein Energiespeichermodul beinhaltet, welches die Vielzahl von aufgereihten und aneinander anliegenden Energiespeicherzellen umfasst, wobei jede der Energiespeicherzellen die Hülle aufweist, und die Hüllen auch elektrisch isolierend gegenüber einer Bodenplatte des Energiespeichermoduls wirken, wobei die Bodenplatte unterhalb der Energiespeicherzellen auf einer zu den elektrischen Polen abgewandten Seite der Energiespeicherzellen angeordnet ist.
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Da die Hüllen die Energiespeicherzellen jeweils so umschließen, dass sie auch auf der Unterseite der Energiespeicherzellen isolierend wirken, ist eine effektive Isolierung gegenüber der Bodenplatte gewährleistet.
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Die Bodenplatte kann Teil einer Kühlungsvorrichtung sein. Durch die erfindungsgemäße Hülle ist die Möglichkeit gegeben, dass im Stand der Technik zwischen Energiespeicherzellen und Bodenplatte verbaute Kunststofffolien und Wärmeleitbleche entfallen können.
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Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiespeichers führt folglich zu einer weiteren Reduktion des Fertigungs- und Montageaufwandes.
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Überdies kann der erfindungsgemäße Energiespeicher so eingerichtet sein, dass der Energiespeicher ein Energiespeichermodul beinhaltet, welches die Vielzahl von aufgereihten und aneinander anliegenden Energiespeicherzellen umfasst, wobei jede der Energiespeicherzellen die Hülle aufweist, und die Hüllen elektrisch isolierend gegenüber zumindest einem Seitenstreben aufweisenden Seitenrahmen des Energiespeichermoduls wirken, wobei zumindest eine der Seitenstreben des Seitenrahmens seitlich an den in einer Längsrichtung des Energiespeichermoduls aufgereihten Energiespeicherzellen angeordnet ist.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Energiespeichers kann das Energiespeichermodul zusätzlich zumindest den Seitenrahmen aufweisen. Die Seitenstreben des Seitenrahmens können sich auf einer oder beiden Seiten des Energiespeichermoduls befinden und die einzelnen Energiespeicherzellen in ihrer Position fixieren. Die elektrische Isolierung der Energiespeicherzellen gegenüber dem Seitenrahmen übernehmen die Hüllen.
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Die genannten Seitenstreben können Teil der im Vorhergehenden genannten Bodenplatte sein, bzw. die Bodenplatte und die Seitenstreben können ineinander integriert sein.
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Ferner kann der elektrische Energiespeicher so verwirklicht sein, dass der Energiespeicher ein Energiespeichermodul beinhaltet, welches die Vielzahl von aufgereihten und aneinander anliegenden Energiespeicherzellen umfasst, wobei jede der Energiespeicherzellen die Hülle aufweist, und die Hüllen elektrisch isolierend gegenüber zumindest zwei Endabschnitten des Energiespeichermoduls wirken, wobei zumindest einer der Endabschnitte an einem Ende und ein anderer der Endabschnitte an einem entgegengesetzten Ende des Energiespeichermoduls angeordnet ist.
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Das Energiespeichermodul kann hier zumindest zwei Endabschnitte aufweisen, die das Energiespeichermodul an seinen Enden abschließen. Zumindest einer der Endabschnitte kann aus einem metallischen oder nichtmetallischen Werkstoff gebildet sein. Bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Energiespeicher wird die Isolierung gegenüber den Endabschnitten durch die Hülle realisiert.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Energiespeicherzelle eines erfindungsgemäßen Energiespeichers, wobei die Energiespeicherzelle ein Gehäuse aufweist; und
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiespeichers.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Energiespeicherzelle 2 eines in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Energiespeichers 1.
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Die Energiespeicherzelle 2 hat ein bevorzugt prismatisches Gehäuse 5, auf dem zwei elektrische Pole, ein erster Pol 3 und ein zweiter Pol 4 angeordnet sind. Bei den Polen 3, 4 handelt es sich um einen Minus- und Pluspol der Energiespeicherzelle 2, über die die Energiespeicherzelle 2 elektrisch kontaktiert werden kann. Die zwei elektrischen Pole 3, 4 sind auf einer Oberseite der Energiespeicherzelle 2 angeordnet. Die Energiespeicherzelle 2 kann diesbezüglich auch anders ausgebildet sein, insbesondere können die Pole 3, 4 auch an anderen Orten, beispielsweise den Seitenflächen, angeordnet sein.
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Eine in 1 nicht dargestellte Hülle umschließt das Gehäuse 5 bis auf die zwei elektrischen Pole 3, 4 bevorzugt vollständig. Die Hülle der Energiespeicherzelle 2 ist ein wesentliches Element des erfindungsgemäßen Energiespeichers 1.
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2 zeigt eine Ansicht des erfindungsgemäßen Energiespeichers 1. Der Energiespeicher 1 versorgt bei bestimmungsgemäßer Verwendung ein elektrisches Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges.
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Der Energiespeicher 1 beinhaltet mindestens ein einziges Energiespeichermodul 11, das eine Vielzahl der unter Bezug auf 1 erläuterten Energiespeicherzelle 2 aufweist.
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Die Energiespeicherzellen 2 sind in einer Längsrichtung des Energiespeichermoduls 11 aufgereiht und auf einer Bodenplatte 8 angeordnet. Die Energiespeicherzellen 2 berühren sich an ihren in die Längsrichtung weisenden Flächen.
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Das Energiespeichermodul 11 beinhaltet zwei Endabschnitte 6, 6', die in der Längsrichtung des Energiespeichermoduls 11 an den jeweils letzten Energiespeicherzellen 2 anliegen.
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Ein Seitenrahmen des Energiespeichermoduls 11 verläuft seitlich an den Energiespeicherzellen 2. Der Seitenrahmen weist mindestens zwei Seitenstreben 7, 7' auf, die jeweils auf einer der Seiten der Energiespeicherzellen 2 in der Längsrichtung verlaufen und an den Energiespeicherzellen 2 ebenfalls anliegen. Die Seitenstreben 7, 7' sind an den Endabschnitten 6, 6' befestigt. Insgesamt umlaufen die Seitenstreben 7, 7' zusammen mit den Endabschnitten 6, 6' die Vielzahl von Energiespeicherzellen 2 vollständig und halten diese in ihrer kompakten, aufgereihten Anordnung.
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Die elektrischen Pole (Minus- und Pluspole) der Energiespeicherzellen 2 befinden sich auf einer der Bodenplatte 8 abgewandten Seite der Energiespeicherzellen 2.
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Eine Kontaktierungsplatte 10 übernimmt die Kontaktierung der einzelnen Energiespeicherzellen 2. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen 2 über die Kontaktierungsplatte 2 derart miteinander verschaltet, dass eine Vielzahl von Strängen des Energiespeichers 1 zueinander parallelgeschaltet ist, wobei jeder der Stränge aus einer Reihenschaltung von mehreren der Energiespeicherzellen 2 aufgebaut ist. Die Kontaktierungsplatte 10 weist an ihren in der Längsrichtung liegenden Enden jeweils einen Hauptanschluss 10a, 10b auf, über die der Energiespeicher 1 an dem elektrischen Antriebsaggregat anschließbar ist.
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Die Energiespeicherzellen 2 sind zur Erfüllung gesetzlicher Normen voneinander und gegenüber der Bodenplatte 8, den Seitenstreben 7, 7' und den Endabschnitten 6, 6' elektrisch isoliert. Diese Isolierung übernimmt die unter Bezug auf 1 erwähnte Hülle. Bevorzugt beinhaltet jede der Energiespeicherzellen 2 eine jeweilige Hülle, die das entsprechende Gehäuse 5 umschließt und die erwähnte Isolierung gewährleistet. Die Hülle ist bevorzugt so ausgestaltet, dass sie zumindest die Bereiche des Gehäuses 5 abdeckt, an denen eine Isolierung notwendig ist.
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Wenn beispielsweise die Endabschnitte 6, 6' und/oder die Seitenstreben 7, 7' und/oder die Bodenplatte 8 aus einem isolierenden Kunststoff gebildet sind, ist es lediglich notwendig, jede zweite der Energiespeicherzellen 2 mit einer isolierenden Hülle zu versehen.
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Sind hingegen die Endabschnitte 6, 6' und/oder die Seitenstreben 7, 7' und/oder die Bodenplatte 8 aus einem leitenden Metall aufgebaut, ist jede der Energiespeicherzellen 2 mit einer isolierenden Hülle ausgestattet, die ganz besonders bevorzugt die jeweilige Energiespeicherzelle 10 vollständig umhüllt.
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Eine aus dem Stand der Technik bekannte Füllmasse kann zwischen der Bodenplatte 8 und den Unterseiten der Energiespeicherzellen 2 vorhanden sein. Diese Füllmasse sorgt für einen Toleranzausgleich. Wenn die Energiespeicherzellen 2 mit den erläuterten Hüllen ausgestattet sind, ist es nicht notwendig, zusätzliche isolierende Folien oder ein zusätzliches Wärmeblech zwischen der Bodenplatte 8 und den Energiespeicherzellen 2 vorzusehen.
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In 2 ist noch eine optionale Kühlvorrichtung gezeigt. Diese Kühlvorrichtung beinhaltet Leitungen 9, die durch den Energiespeicher 1 verlaufen und über die ein Kühlmedium durch den Energiespeicher 1 zur Kühlung der Energiespeicherzellen geleitet werden kann.
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Erfindungsgemäß können die die Energiespeicherzellen 2 umschließenden Hüllen 2 verschiedenartig realisiert werden.
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Beispielsweise können die Hüllen mittels eines Schrumpfschlauches realisiert werden. Vor Einsetzen der Energiespeicherzellen in den erfindungsgemäßen Energiespeicher 1 wird jede der zu isolierenden Energiespeicherzellen in einen entsprechend dimensionierten Schrumpfschlauch eingeführt und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen. Hierdurch zieht sich der Schrumpfschlauch zusammen und legt sich an das Gehäuse 5 der jeweiligen Energiespeicherzelle 2 an. Der Schrumpfschlauch ist bevorzugt aus einem Material gebildet, das nach der Wärmebehandlung bei normalen Betriebstemperaturen des Energiespeichers 1 eingesetzt werden kann. Wenn die erläuterte Kühlvorrichtung vorgesehen ist, lässt sich die Betriebstemperatur in einem für das Material des Schrumpfschlauchs zulässigen Bereich halten. Eine bis auf die elektrischen Pole 2, 3 vollständige Hülle des Gehäuses 5 lässt sich mittels des Schrumpfschlauches durch einen entsprechenden Zuschnitt oder durch Falttechniken realisieren.
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Alternativ kann die Hülle auch durch einen das Gehäuse 5 umschließenden Kunststoff realisiert werden. Bevorzugt wird eine solche Hülle spritzgegossen, indem die jeweilige Energiespeicherzelle 2 in eine Form eingesetzt wird und in einen zwischen dem Gehäuse 5 und der Form vorhandenen Zwischenraum ein Kunststoff eingespritzt wird. Nach Aushärten des Kunststoffes kann die Energiespeicherzelle aus der Form wieder entnommen werden.
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Weiterhin alternativ kann die Hülle aus einem elastischen Kunststoff, beispielsweise aus einem Elastomer gebildet sein.
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Wenn mehrere der Energiespeicherzellen 2 des Energiespeichers 1 die isolierende Hülle aufweisen, können diese entweder identisch gemäß einer der obigen Alternativen oder entsprechend unterschiedlich aufgebaut sein.
