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Die Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse mit einem Aufnahmeraum für einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere zum Einsatz in einem zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeug zum Personen- und/oder Lasttransport.
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Der elektrische Energiespeicher nimmt in elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen einen relativ großen Bauraum ein. Daher ist jede Bauraumoptimierung von Vorteil.
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Gleichzeitig ist es aber auch notwendig, den elektrischen Energiespeicher ausreichend vor Beschädigungen zu schützen, auch im Fall hoher Stoßbelastungen. Aus diesem Grund muss das Batteriegehäuse eine hohe Widerstandskraft gegen mechanische Krafteinwirkung aufweisen.
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Außerdem sollte der elektrische Energiespeicher gegen Umwelteinflüsse geschützt sein. Vorteilhaft sollte auch die Möglichkeit bestehen, den elektrischen Energiespeicher mit einer Kühleinrichtung zu verbinden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Batteriegehäuse zu schaffen, das den oben genannten Kriterien Rechnung trägt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Batteriegehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das Batteriegehäuse hat einen Aufnahmeraum für einen elektrischen Energiespeicher, eine den Aufnahmeraum seitlich umschließende, formstabile Seitenwand und wenigstens ein seitlich außerhalb der formstabilen Seitenwand angeordnetes, plastisch verformbares energieabsorbierendes Element. Die formstabile Seitenwand bildet dabei die tragende Struktur des Batteriegehäuses. Übermäßige mechanische Kräfte, wie sie etwa bei einem Unfall auf das Batteriegehäuse einwirken, werden jedoch durch plastische Verformung des energieabsorbierenden Elements abgebaut, sodass die formstabile Seitenwand vor übermä-ßiger Krafteinwirkung geschützt ist. Folglich muss die formstabile Seitenwand nur für eine ausreichende Stabilität bei normalen Betriebsbedingungen ausgelegt sein und kann mit einer geringeren Wandstärke ausgebildet werden, was Bauraum einspart.
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Es hat sich herausgestellt, dass ein energieabsorbierendes Element mit einer Dicke senkrecht zur formstabilen Seitenwand von etwa 10 bis 30 mm, insbesondere von etwa 15 mm einen ausreichenden Schutz bietet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das energieabsorbierende Element eine Wabenstruktur auf. Hier kann ein vorgefertigtes Bauteil verwendet werden, beispielsweise eine in der gewünschten Form zugeschnittene thermoplastische Wabenplatte. Derartige Strukturen erlauben eine hohe Energieabsorption senkrecht zur Anordnung der Waben, weshalb sie auch bei geringer Dicke eine hohe Schutzwirkung entfalten. Als Material kommen beispielsweise geeignete Kunststoffe oder Komposite infrage. Die offenen Seiten der Waben können durch Platten aus einem geeigneten Material abgedeckt sein, um die Formstabilität des energieabsorbierenden Elements zu erhöhen. Durch die Wahl geeigneter Formen, Dicken und Materialien lässt sich die Schutzwirkung des energieabsorbierenden Elements gut auf den jeweiligen Einsatzzweck und die jeweils zu erwartenden Stoßkräfte abstimmen.
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Selbstverständlich könnten auch andere geeignete Materialien für das energieabsorbierende Element eingesetzt werden, beispielsweise Schäume, die die notwendige Stabilität aufweisen, um sich erst z.B. bei den bei einem Unfall wirkenden Kräften zu verformen.
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Die formstabile Seitenwand definiert bevorzugt den Aufnahmeraum und umgibt den Aufnahmeraum in Umfangsrichtung vollständig, ist also umfangsmäßig geschlossen. Das energieabsorbierende Element sollte sich entlang der Umfangsrichtung zumindest über einen Teil der formstabilen Seitenwand erstrecken. Es ist möglich, über den gesamten Umfang der formstabilen Seitenwand ein oder mehrere energieabsorbierende Elemente, gegebenenfalls in unterschiedlichen Dicken, vorzusehen. Es ist aber auch denkbar, geeignete energieabsorbierende Elemente nur in bestimmten Bereichen der formstabilen Seitenwand anzuordnen, an denen die größte Krafteinwirkung zu erwarten ist, also z.B. an den Seiten des Batteriegehäuses, die im eingebauten Zustand in oder entgegen einer Fahrzeuglängsrichtung weisen. Auf diese Weise kann der Bauraum unter Berücksichtigung der bei einem Unfall zu erwartenden Aufprallkräfte weiter optimiert werden.
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Als Material für die formstabile Seitenwand wird vorteilhaft ein Sheet Molding Compound (SMC) eingesetzt. Beispielsweise wird eine SMC-Platte in die gewünschte Form gebracht und dann ausgehärtet. Ein weiterer Vorteil der Trennung der Funktion der Energieabsorption und der strukturellen Stabilität des Batteriegehäuses durch Verwendung einer formstabilen Seitenwand und eines zusätzlichen energieabsorbierenden Elements liegt darin, dass SMC-Platten relativ schwer sind, wohingegen beispielsweise eine Wabenplatte ein deutlich geringeres Gewicht aufweist. Somit lässt sich das Gesamtgewicht des Batteriegehäuses reduzieren.
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Es bietet sich an, die formstabile Seitenwand direkt mit einem inneren Boden des Batteriegehäuses zu verbinden. Dieser innere Boden ist vorzugsweise ebenfalls aus einem SMC-Material gefertigt und kann einstückig mit der formstabilen Seitenwand gefertigt sein. Der innere Boden begrenzt dabei vorzugsweise den Aufnahmeraum direkt.
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Damit der elektrische Energiespeicher einfach in den Aufnahmeraum eingesetzt und gegebenenfalls aus diesem entnommen werden kann, ist vorzugsweise ein separater Deckel vorgesehen, mit dem der Aufnahmeraum verschlossen werden kann. Vorzugsweise ist der Deckel ebenfalls aus einem SMC-Material gefertigt und lässt sich, beispielsweise über eine Schraubverbindung, fest mit der formstabilen Seitenwand verbinden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist am Deckel ein Kragen vorgesehen, der sich von der Innenseite des Deckels radial innerhalb der formstabilen Seitenwand in den Aufnahmeraum bis zur formstabilen Seitenwand erstreckt. Für eine gute Dichtwirkung ist der Kragen vorteilhaft entlang des gesamten Umfangs der formstabilen Seitenwand ausgebildet. Der Kragen kann ebenfalls aus dem Material des Deckels bestehen, kann aber beispielsweise auch als Gummilippe realisiert sein. Vorteilhaft ist außerdem eine Dichtung vorgesehen, beispielsweise in Form eines O-Rings, die zwischen dem Deckel, dem Kragen und der formstabilen Seitenwand angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich der Aufnahmeraum so abdichten, dass der darin aufgenommene elektrische Energiespeicher vor Umwelteinflüssen, insbesondere dem Eindringen von Feuchtigkeit, geschützt ist. Optional ist auch eine Verbindung zwischen Kragen und Seitenwand in Form einer Klebenaht möglich, die gegebenenfalls mit einer Verschraubung kombiniert werden kann.
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Im Bereich des Deckels und des Bodens des Batteriegehäuses ist normalerweise kein energieabsorbierendes Element vorgesehen, im Ermessen des Fachmanns wäre aber auch eine Anordnung von energieabsorbierenden Elementen in diesem Bereich denkbar.
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Die formstabile Seitenwand kann an ihrer Innenseite eine Befestigungseinrichtung aufweisen, an der der elektrische Energiespeicher im Aufnahmeraum fixierbar ist. Hierzu ist es beispielsweise möglich, eine geeignete Struktur einstückig mit der Innenseite der formstabilen Seitenwand zu formen, die eine Schraubverbindung oder eine Rastverbindung ermöglicht. Das Gegenstück ist in diesem Fall am elektrischen Energiespeicher, z.B. an einem Rahmen, der einen Stapel einzelner Akkumulatorzellen umgibt, vorgesehen.
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Um das energieabsorbierende Element im normalen Betrieb vor Beschädigungen zu schützen, ist es vorzugsweise außenseitig von einem dünnwandigen äußeren Gehäuseteil bedeckt. Das äußere Gehäuseteil kann beispielsweise aus einem Metallblech, insbesondere einem Stahlblech, bestehen. Eine Dicke von 1,2 mm hat sich bei einem Stahlblech als ausreichend erwiesen. Das äußere Gehäuseteil trägt zur Stabilität des gesamten Batteriegehäuses bei, den Großteil der Energieabsorption übernimmt jedoch das energieabsorbierende Element, während der Großteil der Formstabilität durch die formstabile Seitenwand erreicht wird.
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Senkrecht zur formstabilen Seitenwand im Bereich des energieabsorbierenden Elements betrachtet bildet das äußere Gehäuseteil vorzugsweise den am weitesten außen liegende Teil des Batteriegehäuses, sodass eventuell auftretende Stöße direkt vom energieabsorbierenden Element aufgenommen werden können.
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Das äußere Gehäuseteil ist vorzugsweise über die formstabile Seitenwand hinaus bis zu einer Bodenfläche des Batteriegehäuses und entlang dieser vorgesehen, erstreckt sich aber bevorzugt nur über einen Abschnitt der Bodenfläche, beispielsweise über weniger als 50 % der Bodenfläche, sodass die Bodenfläche des Batteriegehäuses nicht vollständig vom äußeren Gehäuseteil abgedeckt ist.
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Vorzugsweise ist das energieabsorbierende Element mittels eines expandierenden Klebstoffs fixiert. Verwendet werden kann hier ein thermisch aktivierbar Klebstoff. Beim Zusammenbau des Batteriegehäuses lässt sich ein derartiger Klebstoff flächig z.B. am äußeren Gehäuseteil und/oder an der Außenseite der formstabilen Seitenwand sowie dem energieabsorbierenden Element aufbringen. Nachdem die betreffenden Bauteile zusammengesetzt wurden, wird der Klebstoff beispielsweise in einem Ofen ausgehärtet. Durch die Volumenvergrößerung des Klebstoffs füllen sich eventuell verbleibende Hohlräume. Das äußere Gehäuseteil kann allein über die Klebeverbindung mit der formstabilen Seitenwand und beispielsweise dem inneren Boden verbunden werden.
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Es ist möglich, ein weiteres dünnwandiges Gehäuseteil zwischen der formstabilen Seitenwand und dem energieabsorbierenden Element vorzusehen.
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Zusätzlich zum inneren Boden ist außerhalb des Aufnahmeraums und im normalen Betriebszustand unterhalb des inneren Bodens vorzugsweise ein äußerer Boden vorgesehen, der aus einem durch Harzinjektion (Resin transfer molding, RTM) hergestellten Material besteht. Dieses Material ist normalerweise durch geeignete Fasern (beispielsweise Aramid-, Kohle- oder Glasfasern) verstärkt, was dem äußeren Boden eine hohe Robustheit verleiht.
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Das äußere Gehäuseteil kann sich teilweise zwischen dem inneren und dem äußeren Boden erstrecken.
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Außerdem ist es möglich, innerhalb des Aufnahmeraums zumindest eine Aluminiumlage vorzusehen. Diese kann beispielsweise der elektromagnetischen Abschirmung dienen. Hierzu ist die Aluminiumlage vorzugsweise im Bereich des Deckels und/oder der formstabilen Seitenwand angeordnet. Eine am Boden des Aufnahmeraums platzierte Aluminiumlage lässt sich beispielsweise auch zur Wärmeleitung zu einem geeigneten Kühlsystem einsetzen.
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Die Erfindung betrifft auch eine Batterie mit einem oben beschriebenen Batteriegehäuse, in das ein elektrischer Energiespeicher eingesetzt ist, sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Batterie.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Batteriegehäuses.
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Das Batteriegehäuse 10 ist zum Einsatz in einem zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug zur Personen- oder Lastenbeförderung, etwa einem reinen Elektrofahrzeug oder einem Hybrid-Fahrzeug, vorgesehen. Andere Einsatzwecke, z.B. in Booten, sind auch denkbar. Die Kantenlängen eines in etwa quaderförmigen Batteriegehäuses liegen meist jeweils im Bereich von mehreren Dezimetern.
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Das Batteriegehäuse 10 ist aus mehreren einzelnen Komponenten zusammengesetzt, die teils aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Eine der Hauptkomponenten ist eine formstabile Seitenwand 12, die einen Aufnahmeraum 14 seitlich umfangsmäßig vollständig umgibt und die in diesem Beispiel einstückig in einen inneren Boden 16 übergeht, der eine Bodenfläche des Aufnahmeraums 14 bildet. Die formstabile Seitenwand 12 und der innere Boden 16 formen zusammen eine Wanne, die im Wesentlichen den Aufnahmeraum 14 definiert. In diesem Beispiel ist der Aufnahmeraum 14 in Draufsicht in etwa rechteckig.
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Im Aufnahmeraum 14 ist ein elektrischer Energiespeicher 18 angeordnet. Der elektrische Energiespeicher 18 ist beispielsweise wie herkömmlich bekannt ein Stapel von elektrisch miteinander verbundenen einzelnen Akkumulatorzellen, der von einem Rahmen umgeben ist, der die einzelnen Zellen mechanisch fixiert. Der elektrische Energiespeicher 18 ist hier mit einer Befestigungsstruktur 20 versehen.
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An einer Innenseite 22 der formstabilen Seitenwand 12 ist eine Befestigungseinrichtung 24 vorgesehen, die in diesem Beispiel einstückig mit der formstabilen Seitenwand 12 gebildet ist. Diese Befestigungseinrichtung 24 wirkt mit der Befestigungsstruktur 20 zusammen, z.B. über eine Schraubverbindung, und erlaubt eine direkte Fixierung des elektrischen Energiespeichers 18 an der formstabilen Seitenwand 12 und somit dem Batteriegehäuse 10. In diesem Beispiel ist die Befestigungseinrichtung 24 als Aufnahme für eine Mutter oder eine Gewindehülse gestaltet, in die eine Schraube der Befestigungsstruktur 20 eingedreht werden kann.
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Seitlich außerhalb der formstabilen Seitenwand 12, also außerhalb des Aufnahmeraums 14, ist wenigstens ein energieabsorbierendes Element 26 angeordnet, das im Wesentlichen direkt neben der Außenseite 28 der formstabilen Seitenwand 12 positioniert ist.
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Es ist möglich, ein oder mehrere energieabsorbierende Elemente 26 um den gesamten Umfang der formstabilen Seitenwand 12 anzuordnen. Es ist aber auch denkbar, ein oder mehrere energieabsorbierende Elemente 26 nur an Bereichen vorzusehen, die gegenüber mechanischer Einwirkung besonders gefährdet sind, beispielsweise den Seiten des Batteriegehäuses 10, die im eingebauten Zustand in oder entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs weisen. Die Wahl der Anzahl und der Position der energieabsorbierenden Elemente 26, sowie deren Höhe entlang der formstabilen Seitenwand 12 und Dicke senkrecht zur Fläche der formstabilen Seitenwand 12 liegt im Ermessen des Fachmanns.
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Das jeweilige seitlich außerhalb der formstabilen Seitenwand 12 angeordnete energieabsorbierende Element 26 kann seitlich auf das Batteriegehäuse 10 einwirkende mechanische Kräfte F aufnehmen, bevor sie auf die formstabile Seitenwand 12 oder andere Teile des Batteriegehäuses 10 einwirken. Die Energie wird durch plastische Verformung des energieabsorbierenden Elements 26 abgebaut, wodurch die restlichen Komponenten des Batteriegehäuses 10 vor Verformung und Beschädigung geschützt werden.
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Das energieabsorbierende Element 26 weist hier eine Wabenstruktur auf, wobei die Längsrichtung der Waben in etwa senkrecht zur Fläche der formstabilen Seitenwand 12 ausgerichtet ist (angedeutet in der Figur). Beispielsweise kann eine vorgefertigte, zugeschnittene Wabenplatte aus einem thermoplastischen Kunststoff verwendet werden.
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Senkrecht zur Fläche der formstabilen Seitenwand 12 haben sich eine Dicke von etwa 10 bis 30 mm und insbesondere von etwa 15 mm für das energieabsorbierende Element 26 als ausreichend erwiesen.
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Nach außen ist das energieabsorbierende Element 26 in diesem Beispiel von einem dünnwandigen äußeren Gehäuseteil 30 abgedeckt, das eine weitere Komponente des Batteriegehäuses 10 bildet. Das äußere Gehäuseteil 30 besteht aus einem Metall, hier einem Stahlblech von etwa 1,2 mm Dicke.
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Das energieabsorbierende Element 26 ist an der Innenseite des äußeren Gehäuseteils 30 fixiert, in diesem Beispiel, indem es festgeklebt ist. Für die Klebeverbindung wird hier ein expandierender, thermisch aktivierbarer Klebstoff 32 verwendet.
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Das äußere Gehäuseteil 30 erstreckt sich in diesem Beispiel ein Stück über eine Außenseite des inneren Bodens 16, lässt aber den Großteil der Bodenfläche des Batteriegehäuses 10 frei.
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In diesem Beispiel ist ein zusätzliches Gehäuseteil 34 zwischen der Außenseite 28 der formstabilen Seitenwand 12 und dem energieabsorbierenden Element 26 vorgesehen, dieses könnte aber auch weggelassen werden.
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Außerhalb (im eingebauten Zustand auch unterhalb) des inneren Bodens 16 ist ein zweiter, äußerer Boden 36 vorgesehen, der separat vom inneren Boden 16 und der formstabilen Seitenwand 12 hergestellt wird. In diesem Beispiel besteht der äußere Boden 36 aus einem durch Harzinjektion hergestellten Material (resin transfer molding, RTM), das mit geeigneten Fasern verstärkt ist. Der äußere Boden 36 ist daher sehr robust.
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Der äußere Boden 36 ist über geeignete Maßnahmen abschnittsweise mit dem inneren Boden 16 sowie in diesem Beispiel mit dem im eingebauten Zustand unteren Bereich des äußeren Gehäuseteils 30 verbunden, beispielsweise verklebt.
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Im Bodenbereich des Aufnahmeraums 14, hier oberhalb des inneren Bodens 16, ist in diesem Beispiel eine Aluminiumlage 38 angeordnet, die als Wärmeleitelement dient, um Wärme vom elektrischen Energiespeicher 18 zu einem nicht dargestellten Kühlsystem abzuführen.
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Die dem Boden 16 gegenüberliegende Seite des Aufnahmeraums 14 ist durch einen Deckel 40 verschlossen, der ebenfalls eine separate Komponente des Batteriegehäuses 10 darstellt. Der Deckel 40 ist vorzugsweise aus einem SMC-Material hergestellt und kann in etwa dieselbe Wandstärke wie die formstabile Seitenwand 12 aufweisen.
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Der Deckel 40 ist über mehrere Fixierungen 42 mit der formstabilen Seitenwand 12 verbindbar. Die formstabile Seitenwand 12 weist hier an ihrem freien, dem inneren Bodens 16 abgewandten Ende beispielsweise in den vier Eckbereichen eines quaderförmigen Batteriegehäuses 10 abgeknickte Fortsätze 44 auf, die jeweils mit einer Durchgangsöffnung versehen sind. Im Deckel 40 sind korrespondierende Durchgangsöffnungen vorgesehen, sodass der Deckel 40 mit der formstabilen Seitenwand 12 mittels Schrauben 46 verschraubt werden kann.
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Radial einwärts der formstabilen Seitenwand 12 (bei geschlossenem Deckel 40) ist am Deckel 40 an dessen Innenseite ein umlaufender Kragen 48 vorgesehen. Der Kragen 48 kann aus dem gleichen Material wie der restliche Deckel 40 bestehen und einstückig mit diesem ausgebildet sein, es kann sich aber auch um eine Dichtlippe aus einem elastischen Material handeln. Der Kragen 48 erstreckt sich so weit in das Innere des Aufnahmeraums 14, dass er unterhalb der Fortsätze 44 in Anlage an die formstabile Seitenwand 12 gelangt.
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Um die Dichtwirkung zwischen der formstabilen Seitenwand 12 und dem Deckel 40 zu verbessern, ist zusätzlich eine Dichtung 50, hier ein Dichtring, vorgesehen, die zwischen dem Kragen 48, dem Deckel 40 und der formstabilen Seitenwand 12 platziert ist. Wenn die Schrauben 46 festgezogen sind, ist daher der Aufnahmeraum 14 im Wesentlichen gegen Umwelteinflüsse abgedichtet.
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Zwischen Deckel 40 und elektrischem Energiespeicher 18 kann optional noch eine weitere Aluminiumlage vorgesehen sein, die hauptsächlich der elektromagnetischen Schirmung dient.
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Um den elektrischen Energiespeicher 18 im vorgefertigten Batteriegehäuse 10 zu montieren, wird dieser in den Aufnahmeraum 14 eingesetzt und mit seiner Befestigungsstruktur 20 an der Befestigungseinrichtung 24 an der formstabilen Seitenwand 12 fest fixiert.
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Nun wird der Deckel 40 aufgesetzt und über die Fixierung 42 fest und abgedichtet mit der formstabilen Seitenwand 12 verbunden, sodass der Aufnahmeraum 14 geschlossen ist. Das Batteriegehäuse 10 kann nun in geeigneter Ausrichtung in einem Fahrzeug montiert werden.
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Das Batteriegehäuse 10 mit eingesetztem elektrischen Energiespeicher 18 bildet eine Batterie, die zumindest einen Teil einer Energieversorgung eines Fahrzeugs darstellt. Die Batterie ist in einem dafür vorgesehenen Einbauraum im Fahrzeug montiert.
