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Die vorliegende Offenbarung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Energiespeichers, wobei der elektrische Energiespeicher eine Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten umfasst, sowie einem entsprechenden elektrischen Energiespeicher und einer entsprechenden Verwendung eines solchen Energiespeichers.
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Stand der Technik
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Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung, insbesondere von Kraftfahrzeugen, kommt elektrischen Energiespeichern eine immer größer werdende Bedeutung zu. Beim Betrieb dieser elektrischen Energiespeicher liegt ein besonderes Augenmerk auf einer möglichst geringen beziehungsweise der Anwendung entsprechenden Alterung, d.h. beispielsweise einer möglichst geringen Kapazitätsabnahme beziehungsweise einer möglichst geringen Innenwiderstandszunahme. Eine entsprechende Alterung lässt sich grob in zwei Kategorien einteilen: eine sogenannte zyklische Alterung und eine sogenannte kalendarische Alterung. Bei Kapazitätsabnahme beziehungsweise Widerstandszunahme im Betrieb des elektrischen Energiespeichers, das heißt unter Stromabgabe, spricht man von zyklischer Alterung. Tritt eine Alterung außerhalb des Betriebes auf, spricht man von kalendarischer Alterung.
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Insbesondere bei einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher haben beide Effekte einen relevanten Einfluss. Dabei spielt die Einbauposition eines elektrischen Energiespeichers sowie die in dem Energiespeicher entstehende Wärme beziehungsweise die Wärmeverteilung innerhalb des elektrischen Energiespeichers eine wichtige Rolle, da die genannten Faktoren eine ungleichmäßige Alterung einzelner elektrischer Energiespeichereinheiten innerhalb des elektrischen Energiespeichers hervorrufen können.
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Zugleich weisen die in einem elektrischen Energiespeicher verbauten elektrischen Energiespeichereinheiten zumindest in den meisten Fällen untereinander abweichende elektrische Kenngrößen auf, beispielsweise bezüglich der Kapazität, also der Eigenschaft, welche elektrische Ladungsmenge in ihnen gespeichert werden kann. Eine andere elektrische Kenngröße ist beispielsweise der elektrische Innenwiderstand einer elektrischen Energiespeichereinheit.
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Beispielsweise erzeugen elektrische Energiespeichereinheiten mit einem höheren elektrischen Innenwiderstand mehr Wärme durch elektrische Verluste am Innenwiderstand.
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Eine Anordnung der elektrischen Energiespeichereinheiten in einem elektrischen Energiespeicher, die diese Einflussfaktoren berücksichtigt, kann zu einer gleichmäßigeren Alterung des gesamten elektrischen Energiespeichers beitragen und somit dessen Lebensdauer verlängern.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Offenbart werden ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Energiespeichers, ein elektrischer Energiespeicher und eine Verwendung des elektrischen Energiespeichers mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Dabei umfasst der elektrische Energiespeicher mehrere elektrische Energiespeichereinheiten.
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Im Rahmen des Verfahrens wird eine Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten bereitgestellt, welche bei der Herstellung des elektrischen Energiespeichers Verwendung finden.
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Für jede elektrische Energiespeichereinheit der Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten wird mindestens eine elektrische Kenngröße ermittelt, wobei die elektrische Kenngröße beispielsweise einen elektrischen Innenwiderstand und/oder eine Kapazität jeder elektrischen Energiespeichereinheit umfassen kann.
Beispielsweise kann eine entsprechende elektrische Kenngröße aus einem Datenblatt eines Zellherstellers oder mittels Experimenten in einem Labor ermittelt werden. Beispielsweise kann ein Lieferant der elektrischen Energiespeichereinheiten entsprechende Kenngrößen liefern, wobei der Hersteller des Energiespeichers dann auf diese Größen zurückgreift und sie innerhalb des Herstellungsverfahrens einsetzt, beispielsweise indem er sie aus einer Datenbank ermittelt.
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Weiterhin wird jede elektrische Energiespeichereinheit der Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten in Abhängigkeit der jeweiligen ermittelten mindestens einen elektrischen Kenngröße räumlich in dem elektrischen Energiespeicher positioniert. Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher ein Gehäuse aufweisen, in das die elektrischen Energiespeichereinheiten entsprechend positioniert werden.
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Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche elektrische Kenngrößen bei dem Aufbau des elektrischen Energiespeichers Berücksichtigung finden und somit eine bezüglich der Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers günstigere Positionierung der den Energiespeicher konstituierenden Energiespeichereinheiten erreicht wird. Dies wirkt sich positiv auf deren Alterungsverhalten aus und trägt somit zu einer verlängerten Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers bei, ohne dass ein Austausch einzelner elektrischer Energiespeichereinheiten notwendig wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßigerweise wird die Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten in Abhängigkeit der mindestens einen elektrischen Kenngröße in Klasse eingeteilt, wobei das räumliche Positionieren der elektrischen Energiespeichereinheiten der Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten dabei in Abhängigkeit einer jeweiligen Klasseneinteilung erfolgt. Dies ist vorteilhaft, da anhand der Klasseneinteilung eine schnelle Positionierung der elektrischen Energiespeichereinheiten möglich wird. Beispielsweise können in dem elektrischen Energiespeicher ganze Bereiche für eine bestimmte Klasse reserviert werden, sodass dort beispielsweise nur elektrische Energiespeicher mit dieser Klasseneinteilung eingebaut werden dürfen, was insbesondere die Auslegung, Konstruktion und die Einbaumontage vereinfacht und beschleunigt.
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Zweckmäßigerweise erfolgt das räumliche Positionieren dabei in Abhängigkeit einer Einbauposition des elektrischen Energiespeichers in einem Fahrzeug, insbesondere in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug. Dadurch können in vorteilhafter Weise die durch die Einbaubedingungen vorgegebenen Randbedingungen ausgenutzt werden, um einen effizienteren und langlebigeren Energiespeicherbetrieb zu ermöglichen. Beispielsweise können Energiespeichereinheiten mit einem innerhalb der Vielzahl gesehen höheren Innenwiderstand an Positionen mit höherem Wärmeeintrag in dem Energiespeicher eingebaut werden, um so durch die höheren Temperaturen mit einem dadurch bedingt geringeren Innenwiderstand betrieben zu werden.
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Zweckmäßigerweise wird eine Wärmeentstehungsverteilung innerhalb des elektrischen Energiespeichers ermittelt, wobei das räumliche Positionieren zusätzlich in Abhängigkeit der ermittelten Wärmeentstehungsverteilung erfolgt. Dies ist vorteilhaft, da dadurch die elektrischen Energiespeichereinheiten gezielt platziert werden. Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, elektrische Energiespeichereinheiten mit einem innerhalb der Vielzahl gesehen niedrigeren innenwiderstand an Positionen mit höherem Wärmeintrag einzubauen, da diese durch den höheren Wärmeeintrag typischerweise schneller altern und so eine gleichmäßigere Alterung aller eingebauten Energiespeichereinheiten erzielt wird. Ebenso kann es zweckmäßig sein, elektrische Energiespeichereinheiten mit einer innerhalb der Vielzahl gesehen höheren Kapazität an Positionen mit höherem Wärmeintrag einzubauen, da diese durch den höheren Wärmeeintrag typischerweise schneller altern, insbesondere nutzbare Kapazität verlieren, und so eine gleichmäßigere Alterung aller eingebauten Energiespeichereinheiten erzielt wird. Die Wärmeentstehungsverteilung kann beispielsweise simulativ mittels Computersimulationen ermittelt werden, wobei den dort modellierten elektrischen Energiespeichereinheiten beispielsweise durchschnittliche Werte für ihren elektrischen Innenwiderstand beziehungsweise für ihre Kapazität zugewiesen werden, welche somit Modellparameter darstellen.
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Zweckmäßigerweise erfolgt das räumliche Positionieren zusätzlich in Abhängigkeit einer Änderungsrate der mindestens einen elektrischen Größe, wobei die Änderung der mindestens einen elektrischen Größe bezogen auf eine weitere Größe als Änderungsrate bezeichnet wird. Als weitere Größe kann beispielsweise eine zeitliche Größe oder ein Ladungsdurchsatz des elektrischen Energiespeichers beziehungsweise der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinheit in Betracht gezogen werden. Dies ist vorteilhaft, da dadurch eine gleichmäßigere Alterung des gesamten Energiespeichers erzielt wird. Beispielsweise können bei einer anvisierten, vordefinierten Nutzungsdauer die elektrischen Energiespeichereinheiten dadurch so platziert werden, dass sich über die Nutzungsdauer ein möglichst gleichmäßiges Alterungsverhalten aller elektrischen Energiespeichereinheiten einstellt.
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Zweckmäßigerweise werden elektrische Energiespeichereinheiten, deren Klasseneinteilung eine stärkere Alterung widerspiegelt als im Mittel der Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten, räumlich an Stellen mit niedrigerer Wärmeentstehung als gemittelt über die Wärmeentstehungsverteilung positioniert und elektrische Energiespeichereinheiten, deren Klasseneinteilung eine geringere Alterung als im Mittel der Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten widerspiegelt, räumlich an Stellen mit höherer Wärmeentstehung als gemittelt über die Wärmeentstehungsverteilung positioniert. Dies ist vorteilhaft, da somit die Energiespeichereinheiten mit geringerer Alterung durch den höheren Wärmeeintrag schneller altern als die Energiespeichereinheit mit stärkerer Alterung und somit eine gleichmäßige Alterung des gesamten elektrischen Energiespeichers erzielt wird.
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Zweckmäßigerweise wird als elektrische Kenngröße zumindest ein elektrischer Innenwiderstand für jede elektrische Energiespeichereinheit und/oder eine Kapazität für jede elektrische Energiespeichereinheit ermittelt. Weiterhin erfolgt das räumliche Positionieren derart, dass elektrische Energiespeichereinheiten, deren elektrischer Innenwiderstand einen vordefinierten ersten Schwellenwert unterschreitet und/oder deren Kapazität einen vordefinierten zweiten Schwellenwert überschreitet räumlich einen vordefinierten Abstand von einer Gehäuseseitenwand des elektrischen Energiespeichers aufweisen. Dies ist vorteilhaft, da die Wärmeableitung in der Nähe oder an der Gehäuseseitenwand besser ist als weiter von ihr entfernt, also im Inneren des Energiespeichers. Somit sind die so positionierten Energiespeichereinheiten durch die Anordnung im Inneren einer stärkeren Erwärmung ausgesetzt und altern somit schneller. Da sie aber einen geringeren Innenwiderstand beziehungsweise eine höhere Kapazität aufweisen, ist dies sinnvoll, um auf den Energiespeicher insgesamt eine homogenere Alterung zu erzielen.
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Zweckmäßigerweise wird bei der Ermittlung der elektrischen Kenngröße zumindest eine pulsförmige Stromanregung mit Aufzeichnung einer Spannungsantwort jeder elektrischen Energiespeichereinheit durchgeführt und/oder ein zumindest teilweises Entladen jeder elektrischen Energiespeichereinheit mit Aufzeichnung eines Spannungsverlaufs durchgeführt. Dies ist vorteilhaft, da diese Vorgänge automatisiert durchgeführt werden können und zur Bestimmung einer Alterung beziehungsweise eines Alterungszustandes einer elektrischen Energiespeichereinheit einfach eingesetzt werden können.
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Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein elektrischer Energiespeicher, welcher gemäß dem offenbarten Verfahren hergestellt ist. Somit können die oben dargelegten Vorteile erzielt werden.
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Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung die Verwendung des vorstehend offenbarten elektrischen Energiespeichers in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung und/oder in Haushaltsgeräten. Somit können die oben dargelegten Vorteile realisiert werden.
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Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen-Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein. Auch ein Kondensator ist als elektrische Energiespeichereinheit möglich.
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Figurenliste
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
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Es zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 3 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform; und
- 4 eine schematische Darstellung eines Batteriepacks, der mittels des offenbarten Verfahrens hergestellt ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
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1 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform. Dabei wird in einem ersten Schritt S11 eine Vielzahl an Batteriezellen bereitgestellt, aus denen ein Batteriepack hergestellt wird.
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In einem zweiten Schritt S12 wird ein elektrischer Innenwiderstand für jede Batteriezelle der Vielzahl an Batteriezellen ermittelt, wobei hierzu ein stufenförmiger Strompuls eingesetzt wird, dessen Stromhöhen und Stufenhöhe sowie Dauer auch von den Eigenschaften der Batteriezellen abhängen. In Abhängigkeit von einem jeweiligen Spannungs- und Stromverlauf wird der jeweilige elektrischer Innenwiderstand ermittelt.
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In einem dritten Schritt S13 werden die Batteriezellen in dem Batteriepack in Abhängigkeit des jeweiligen, in dem zweiten Schritt S12 ermittelten elektrischen Innenwiderstandes positioniert. Dabei kann das Gehäuse des Batteriepacks vorgegeben sein, wobei die Positionierung in dem Gehäuse erfolgt.
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2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S21 wird eine Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten bereitgestellt, welche zur Herstellung eines elektrischen Energiespeichers dienen. Dabei wird der elektrische Energiespeicher in ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug eingebaut.
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In einem zweiten Schritt S22 wird eine Kapazität jeder elektrischen Energiespeichereinheit der Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten ermittelt, indem zu der jeweiligen elektrischen Energiespeichereinheit ein entsprechender Kapazitätswert aus einer in einem Datenspeicher hinterlegten Datenbank ausgelesen wird. Somit liegen für die Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten entsprechende Kapazitätswerte vor.
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In einem dritten Schritt S23 wird die Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten in Klassen eingeteilt, wobei diese Einteilung in Abhängigkeit der jeweils ermittelten Kapazität erfolgt.
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In einem vierten Schritt S24 werden die elektrischen Energiespeichereinheiten anschließend in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Klasseneinteilung sowie in Abhängigkeit von der Einbauposition des elektrischen Energiespeichers in dem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug räumlich positioniert. Elektrische Energiespeichereinheiten, deren Klasseneinteilung ein schlechteres Alterungsverhalten darstellt, welche also eine geringere Kapazität aufweisen, werden in Bereichen des elektrischen Energiespeichers angeordnet, die eine gute thermische Anbindung an die Umgebung des elektrischen Energiespeichers in dem Fahrzeug aufweisen. Umgekehrt wird mit elektrischen Energiespeichereinheiten Verfahren, deren Klasseneinteilung ein besseres Alterungsverhalten repräsentiert.
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3 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S31 des Verfahrens zur Herstellung eines Batteriemoduls wird eine Vielzahl an Batteriezellen bereitgestellt, welche anschließend zur Herstellung des Batteriemoduls verwendet werden.
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In einem zweiten Schritt S32 wird ein elektrischer Innenwiderstand für jede Batteriezelle der Vielzahl an Batteriezellen ermittelt, indem jede Batteriezelle mit einer pulsförmigen Stromanregung angeregt wird und daraus in Abhängigkeit der Spannungsantwort der elektrische Innenwiderstand errechnet wird.
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In einem dritten Schritt S33 wird unter Berücksichtigung eines durchschnittlichen Innenwiderstandswertes für eine Batteriezelle, welcher beispielsweise aus den Innenwiderstandswerten der Vielzahl an Batteriezellen ermittelt werden kann, eine Wärmeentstehungsverteilung innerhalb des Batteriemoduls simulativ ermittelt, wobei entsprechende mathematische Methoden Einsatz finden und die Batteriezellen durch entsprechende mathematische Modelle abgebildet sind, in denen der Innenwiderstand ein Modellparameter ist.
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Alternativ können auch die in dem zweiten Schritt S32 ermittelten Innenwiderstandswerte direkt in der Simulation eingesetzt werden. Bei beiden Herangehensweisen kann zusätzlich eine Anordnung der Batteriezellen dergestalt ermittelt wird, dass sie im Hinblick auf die Alterung des Batteriemoduls optimal ist, das heißt beispielsweise eine möglichst geringe Alterung aufweist und/oder eine möglichst gleichmäßige Alterung aufweist und/oder bis zu einem vordefinierten Alter eine möglichst hohe Leistungsabgabe aufweist.
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In einem vierten Schritt S34 werden die Batteriezellen schließlich zur Herstellung des Batteriemoduls in selbigem räumlich positioniert, wobei das räumliche Positionieren unter Berücksichtigung des jeweiligen elektrischen Innenwiderstandes sowie der Wärmeentstehungsverteilung erfolgt. Wenn bereits in dem dritten Schritt S33 eine Anordnung der Batteriezellen mittels Simulationen ermittelt wurde, die im Hinblick auf die Alterung des Batteriemoduls optimal ist, kann das räumliche Positionieren der Batteriezellen direkt die aus der Simulation gewonnene Anordnung umsetzen und die Batteriezellen entsprechend in dem Batteriemodul räumlich positionieren.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriepacks 40, der gemäß dem offenbarten Verfahren hergestellt ist. Dabei sind erste Batteriezellen 41, die alle eine höhere Kapazität aufweisen als zweite Batteriezellen 42, im Inneren des Batteriepacks 40 derart angeordnet, dass sie mindestens einen vordefinierten Abstand von einer Gehäuseseitenwand 43 des Batteriepacks 40 aufweisen. Da die Wärmeabfuhr für die ersten Batteriezellen 41 im Inneren des Batteriepacks 40 geringer ist als für die an die Außenwand 43 angrenzenden zweiten Batteriezellen 42, verlieren die ersten Batteriezellen 41 schneller an Kapazität, d.h. Speichervermögen als die die zweiten Batteriezellen 42. Somit ist die Gesamtalterung des Batteriepacks im Betrieb geringer, als wenn die zweiten Batteriezellen 42, die alle eine geringere Kapazität aufweisen als die ersten Batteriezellen 41, im Inneren des Batteriepacks 30 platziert wären.
