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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung mit mindestens einer Batteriezelle und einem Gehäuse mit einer Wandung, wobei das Gehäuse zumindest einen Einlass und einen Auslass für eine Kühlflüssigkeit aufweist, wobei die Batteriezelle innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und von der Kühlflüssigkeit beaufschlagt ist. Die Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird.
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Aktuell steigen Anforderungen an Batterieanordnungen in Elektrofahrzeugen hinsichtlich Schnellladeverfahren. Bei hohen Ladeleistungen von z. B. 350 kW [Kilowatt] müssen auch sehr hohe Verlustleistungen (Wärmefreisetzung der Batteriezellen) über entsprechende Kühlsysteme abgeführt werden. Hierbei wird als mögliches Kühlkonzept die hydrostatische Immersionskühlung eingesetzt, bei der die Batteriezellen großflächig von einer Flüssigkeit (z. B. Öl) umströmt werden, sich also in einem Flüssigkeitsbad befinden.
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Flüssigkeiten zeichnen sich durch eine sehr geringe Kompressibilität aus. Bei plötzlichen Druckerhöhungen wandert dabei der Druckimpuls mit Schallgeschwindigkeit durch die Flüssigkeit und kann kaum, wie bei kompressiblen Medien (Gasen, z. B. Umgebungsluft), abgeschwächt werden. Wird also eine flüssigkeitsgefüllte Batterieanordnung z. B. im Crashfall an einer Stelle beschädigt und verformt, erhöht sich auch der Innendruck in der Batterieanordnung schlagartig. Auch die Fluidverbindungen zwischen den einzelnen Batterieanordnungen, also z. B. Schläuche oder Rohre, werden der plötzlichen Druckerhöhung ausgesetzt und können beschädigt werden. Weiterhin kann die Verdrängung der Flüssigkeit an der beschädigten Stelle der Batterieanordnung (z. B. durch eine Einbeulung/ Verformung des Gehäuses) dazu führen, dass andere Teile der Batterieanordnung und insbesondere die Batteriezellen durch die verdrängte Flüssigkeit beschädigt werden (z. B. Ausbeulen des Gehäuses an anderer Stelle, Verformen einer Batteriezelle, Austritt von Flüssigkeit aus der Batterieanordnung an eine Umgebung). Damit können irreparable Schäden an den Batteriezellen auftreten, die ggf. auch ein erhöhtes Sicherheitsrisiko für die im/ am Kraftfahrzeug befindlichen Personen darstellen können.
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Aus der
DE 10 2016 224 277 A1 ist z. B. eine Batterie für ein Kraftfahrzeug bekannt, die ein Batteriegehäuse und darin angeordnet mehrere Batteriemodule mit jeweils eigenen Modulgehäusen aufweist. Zwischen Modulgehäuse und Wand des Batteriegehäuses sind Schaumelemente angeordnet, durch die einerseits eine Crashsicherheit und andererseits eine thermische Isolation der Batterie gewährleistet werden soll.
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Aus der
DE 10 2014 212 181 A1 ist ein Batteriemodulgehäuse bekannt, in dem eine Vielzahl von Batteriemodulen angeordnet sind. Benachbart zueinander angeordnete Batteriemodule sind durch Pufferelemente voneinander beabstandet, die z. B. Schaumstoff umfassen. Die Pufferelemente erlauben aufgrund der Kompressibilität den Ausgleich von Fertigungstoleranzen während der Herstellung der Batterien und ermöglichen eine thermische Isolierung der Batteriemodule.
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Die
DE 44 41 162 A1 offenbart eine Kühleinrichtung für eine Batterie, bei die Zellen innerhalb eines geschlossenen Batteriekastens angeordnet sind und von einer Kühlflüssigkeit umströmt werden. Der Batteriekasten ist nur bis zu einem bestimmten Pegelstand mit der Kühlflüssigkeit angefüllt, wobei sich oberhalb des Pegelstandes Kühlflüssigkeitsdampf sammelt.
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Die
US 2010/0 003 581 A1 und
US 2010/0 009 244 A1 offenbaren jeweils eine Batterieanordnung, wobei in einem ersten Teil der Anordnung eine Batterie in einer Kühlflüssigkeit angeordnet ist. Ein zweiter Teil der Anordnung ist als ein Druckausgleichbereich ausgeführt, der mit dem ersten Teil über ein Ventil verbunden ist.
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Die
US 2010/0 285 346 A1 offenbart ein Gehäuse mit einer Batterie, wobei das Gehäuse über einen Einlass und einen Auslass mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batterieanordnung mit einer hocheffektiven hydrostatischen Immersionskühlung vorgeschlagen werden, die für einen Crashfall angepasst ausgeführt ist.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batterieanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Es wird eine Batterieanordnung vorgeschlagen, zumindest umfassend mindestens eine Batteriezelle und ein Gehäuse mit einer Wandung, wobei das Gehäuse zumindest einen Einlass und einen Auslass für eine Kühlflüssigkeit aufweist. Die mindestens eine Batteriezelle ist innerhalb des Gehäuses angeordnet und von der Kühlflüssigkeit (zur Abfuhr bzw. Zufuhr von Wärme) beaufschlagt. Innerhalb des Gehäuses liegt ein kompressibles Gasvolumen vor, das von der Kühlflüssigkeit beaufschlagt bzw. beaufschlagbar ist.
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Die Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist.
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Im Fall einer plötzlichen Druckerhöhung bzw. eines Druckimpulses kann das Gasvolumen komprimiert werden, so dass die Druckerhöhung abgedämpft wird, d. h. ein Maximum des Druckimpulses ist geringer. Insbesondere hat ein derartiger Druckimpuls so eine geringere oder sogar keine Auswirkungen auf andere Komponenten der Batterieanordnung.
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Insbesondere ist das Gasvolumen ortsgebunden in der Batterieanordnung angeordnet. Insbesondere ist das Gasvolumen z. B. in einem Körper eingebunden, wobei der Körper in dem Gehäuse anordenbar ist.
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Insbesondere sind mehrere Batteriezellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst angeordnet. Insbesondere sind mehrere Batteriemodule in dem Gehäuse angeordnet. Insbesondere sind zwischen den zu einem Batteriemodul zusammengefassten Batteriezellen keine Strömungskanäle für die Kühlflüssigkeit vorgesehen. Insbesondere sind zwischen den einzelnen Batteriemodulen Strömungskanäle für die Kühlflüssigkeit angeordnet.
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Insbesondere ist ein Batteriemodul eine kleinste wechselbare Einheit der Batterieanordnung. Insbesondere wird ein Batteriemodul mit einer elektrischen Spannung von weniger als 60 Volt (Gleichspannung) betrieben.
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Das Batteriemodul kann insbesondere auch (oder alternativ) als Batteriezellenverbund bezeichnet werden, in dem einzelne Batteriezellen zur elektrischen Verschaltung und mechanischen Fixierung zusammengefasst angeordnet sind.
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Insbesondere umfasst das in der Batterieanordnung vorliegende Gasvolumen mindestens 1 %, bevorzugt mindestens 5 %, besonders bevorzugt mindestens 10 %, des in dem Gehäuse vorliegenden Flüssigkeitsvolumens. Hierbei wird insbesondere ein für den ordnungsgemäßen Betrieb vorgesehener Betriebszustand der Batterieanordnung betrachtet, wobei gerade kein Crashfall oder eine Verformung z. B. des Gehäuses z. B. aufgrund eines vorhergegangenen Crashfalles vorliegt.
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Insbesondere ist das Gasvolumen in mindestens einem geschlossenporigen Schaumelement (einem Körper) eingeschlossen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird also innerhalb des Gehäuses bzw. im Inneren der Batterieanordnung (mit der immersionsgekühlten Batteriezelle) mindestens ein geschlossen-poriges Schaumelement (oder eine Mehrzahl von geschlossen-porigen Schaumelementen) eingesetzt. Insbesondere ist im Inneren der geschlossen ausgeführten Poren ein Gas eingeschlossen. Ein Schaumelement weist insbesondere eine Vielzahl von Poren auf. Infolge der geschlossenporigen Ausgestaltung liegt insbesondere kein direkter Kontakt zwischen dem in den Poren eingeschlossenen Gas-(volumen) und der Flüssigkeit vor. Somit liegt auch kein Gas in der Flüssigkeit gelöst vor.
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Insbesondere weist das Schaumelement eine Porosität (also einen Anteil von geschlossenen Poren an dem Volumen des Schaumelements) von mindestens 90 %, bevorzugt von mindestens 95 %, auf.
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Hierbei können insbesondere unterschiedliche Gase zum Aufschäumen eingesetzt werden (Luft, Stickstoff, etc.), z. B. je nach Anforderung in der Batterieanordnung auch brandhemmende oder inerte Gase.
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Die Matrix des Schaumelements (d. h. der porenbildende, gaseinschließende Festkörper) wird insbesondere durch ein Material gebildet, dass eine gewisse Flexibilität aufweist, bevorzugt den thermischen, mechanischen und/oder sicherheitsrelevanten Anforderungen der Batterieanordnung genügt.
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Insgesamt ist das Schaumelement insbesondere kompressibel, verformbar und/oder elastisch. Beim Einsatz in immersiongekühlten Batterieanordnungen kann so eine definierte Kompressibilität in das schwach bis nahezu inkompressible Kühlmedium (Flüssigkeit) eingebracht werden.
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Bei Auftreten einer äußeren Belastung, z. B. eines Stoßes, oder bei einer Verformung der Batterieanordnung oder des Gehäuses kann die durch das kompressible Gasvolumen zusätzlich bereitgestellte Kompressibilität die auf die Batteriezelle wirkenden Kräfte bzw. Belastungen dämpfen bzw. verringern oder sogar vollständig kompensieren.
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Der Druckimpuls, der durch die Flüssigkeit wandert, kann durch die Kompressibilität gedämpft werden. Zudem kann die an einer Stelle der Gehäuseverformung verdrängte Kühlflüssigkeit in das Volumen des Gasvolumens bzw. des mindestens einen Schaumelements entweichen, in dem z. B. das Schaumelement komprimiert und dessen Volumen verringert wird. Damit kann z. B. ein Ausbeulen des Gehäuses, eine Beschädigung der Batteriezelle oder der Batteriemodule bzw. der Verbindungen von Batterieanordnungen untereinander vermieden oder zumindest verringert werden.
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Insbesondere ist dabei nicht zwingend ausschlaggebend, wo das geschlossen-porige Schaumelement, sondern ggf. nur, dass es innerhalb der Kühlflüssigkeit in der Batterieanordnung angeordnet ist.
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Beaufschlagt heißt hier insbesondere, dass ein auf die Kühlflüssigkeit wirkender Druck bzw. Druckanstieg mittelbar oder unmittelbar auf das Gasvolumen übertragbar ist.
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Beispielsweise kann das Gasvolumen, also z. B. ein Schaumelement, zwischen Batteriezellen angeordnet sein, wobei die Batteriezellen ausschließlich über das Gasvolumen bzw. das Schaumelement voneinander getrennt angeordnet sind. Ein Druckanstieg kann z. B. ausgehend von der Kühlflüssigkeit auf eine Batteriezelle und von der Batteriezelle auf das Schaumelement einwirken.
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Ein direkter Kontakt zwischen dem Gasvolumen (bzw. dem Schaumelement) und der Kühlflüssigkeit ist also nicht zwingend erforderlich, solange nur der auf die Kühlflüssigkeit wirkende Druck ohne Beschädigung anderer Komponenten auf das Gasvolumen übertragbar ist.
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Insbesondere ist das mindestens eine Schaumelement zwischen der mindestens einen Batteriezelle und der Wandung angeordnet.
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Insbesondere ist das mindestens eine Schaumelement in einem Rücksprung des Gehäuses angeordnet. Insbesondere ist das Schaumelement z. B. in das Gehäuse integriert. Insbesondere können so konstruktive Freiräume ausgenutzt werden, die sich z. B. bei einer Topologieoptmierung (FEM-Analyse) der Gehäusesteifigkeit ergeben können. Z. B. können Bereiche mit einer geringeren Wandstärke des Gehäuses genutzt werden, um das Schaumelement z. B. zwischen der Batteriezelle und dem Gehäuse anzuordnen. Damit ergibt sich insbesondere kein neuer Platzbedarf, der die Energie-/Leistungsdichte der Batterieanordnung verringern würde.
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Insbesondere weist die Batterieanordnung eine Mehrzahl von Batteriemodulen mit jeweils mindestens einer Batteriezelle auf, wobei die Batteriemodule zumindest teilweise nebeneinander angeordnet sind und in einem zwischen den Batteriemodulen vorliegenden Zwischenraum ein Strömungskanal für die Kühlflüssigkeit ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Schaumelement in dem Zwischenraum angeordnet ist.
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Insbesondere ist das mindestens eine Schaumelement zumindest in dem Einlass oder in dem Auslass angeordnet.
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Insbesondere ist das mindestens eine Schaumelement so angeordnet, dass es von der Kühlflüssigkeit umströmbar (also auf allen Seiten von der Kühllfüssigkeit kontaktierbar) ist.
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Insbesondere ist das mindestens eine Schaumelement an dem Gehäuse angebunden.
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Insbesondere ist das mindestens eine Schaumelement an der Batteriezelle oder an einem die Batteriezelle in dem Gehäuse lagefixierenden Halterahmen angebunden.
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Ein Halterahmen dient insbesondere der beabstandeten Anordnung der mindestens einen Batteriezelle gegenüber dem Gehäuse oder der beabstandeten Anordnung von Batteriemodulen voneinander bzw. von dem Gehäuse. In den so geschaffenen Zwischenräumen kann insbesondere die Kühlflüssigkeit zirkulieren.
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Insbesondere können über das kompressible Gasvolumen auch Verbindungselemente für die Kühlflüssigkeit (also z. B. Stutzen, Schläuche, Rohre), z. B. zwischen einzelnen Batterianordnungen oder am Auslass bzw. Einlass, gegenüber Druckbelastungen entlastet werden.
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Insbesondere wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend eine Antriebseinheit und die bereits beschriebene Batterieanordnung.
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Insbesondere weist das Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der mindestens einen Batteriezelle der Batterieanordnung gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: eine bekannte Batterieanordnung;
- 2: eine erste Ausführungsvariante einer Batterieanordnung;
- 3: eine zweite Ausführungsvariante einer Batterieanordnung;
- 4: eine dritte Ausführungsvariante einer Batterieanordnung; und
- 5: eine vierte Ausführungsvariante einer Batterieanordnung.
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1 zeigt eine bekannte Batterieanordnung 1 mit einer Mehrzahl von Batteriezellen 2 und einem Gehäuse 3 mit einer Wandung 4, wobei das Gehäuse 3 zumindest einen Einlass 5 und einen Auslass 6 für eine Kühlflüssigkeit 7 aufweist. Die Batteriezelle 2 ist innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet und von der Kühlflüssigkeit 7 beaufschlagt.
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Die Batterieanordnung 1 umfasst eine Mehrzahl von Batteriemodulen 12 mit jeweils einer Mehrzahl von Batteriezellen 2, wobei die Batteriemodule 12 nebeneinander angeordnet sind und in einem zwischen den Batteriemodulen 12 vorliegenden Zwischenraum 13 ein Strömungskanal 16 für die Flüssigkeit 7 ausgebildet ist.
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Bei plötzlichen Erhöhungen eines Drucks (bei Auftreten eines Druckimpulses bzw. bei Auftreten einer mechanischen Belastung) 15 wandert der Druckimpuls mit Schallgeschwindigkeit durch die Flüssigkeit 7 und kann kaum, wie bei kompressiblen Medien (Gasen, z. B. Umgebungsluft), abgeschwächt werden. Wird also eine flüssigkeitsgefüllte Batterieanordnung z. B. im Crashfall an einer Stelle beschädigt und verformt, erhöht sich auch der Innendruck in der Batterieanordnung 1 schlagartig. Auch die Fluidverbindungen zwischen den einzelnen Batterieanordnungen 1, also z. B. Schläuche oder Rohre, werden der plötzlichen Druckerhöhung ausgesetzt und können beschädigt werden.
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2 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer Batterieanordnung 1. 3 zeigt eine zweite Ausführungsvariante einer Batterieanordnung 1. 4 zeigt eine dritte Ausführungsvariante einer Batterieanordnung 1. 5 zeigt eine vierte Ausführungsvariante einer Batterieanordnung 1. Die 2 bis 5 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu 1 wird verwiesen.
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Die Batterieanordnung 1 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezelle 2, wobei jeweils mehrere Batteriezellen 2 zu Batteriemodulen 12 zusammengefasst sind, sowie ein Gehäuse 3 mit einer Wandung 4. Das Gehäuse 3 weist einen Einlass 5 und einen Auslass 6 für eine Kühlflüssigkeit 7 auf. Die Batteriezellen 2 sind innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet und von der Kühlflüssigkeit 7 (zur Abfuhr bzw. Zufuhr von Wärme) beaufschlagt. Innerhalb des Gehäuses 3 liegt ein kompressibles Gasvolumen 8 vor, dass von der Kühlflüssigkeit 7 beaufschlagt bzw. beaufschlagbar ist.
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Im Fall einer plötzlichen Erhöhung eines Drucks 15 (siehe 2) kann das Gasvolumen 8 komprimiert werden, so dass die Druckerhöhung insbesondere geringere oder sogar keine Auswirkungen auf andere Komponenten der Batterieanordnung 1 hat.
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Vorliegend sind jeweils mehrere Batteriezellen 2 zu einem Batteriemodul 12 zusammengefasst angeordnet. Es sind mehrere Batteriemodule 12 in dem Gehäuse 3 angeordnet. Zwischen den zu einem Batteriemodul 12 zusammengefassten Batteriezellen 2 liegen hier keine Strömungskanäle 16 für die Kühlflüssigkeit 7 vor. Zwischen den einzelnen Batteriemodulen 12 sind Strömungskanäle 16 für die Kühlflüssigkeit 7 angeordnet.
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Ein Halterahmen 14 dient der beabstandeten Anordnung der Batteriezellen 2 gegenüber dem Gehäuse 3 und der beabstandeten Anordnung von Batteriemodulen 12 voneinander bzw. von dem Gehäuse 3. In den so geschaffenen Zwischenräumen 13 kann insbesondere die Kühlflüssigkeit 7 in Strömungskanälen 16 zirkulieren.
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Das Gasvolumen 8 ist jeweils in einer Mehrzahl von geschlossen-porigen Schaumelementen 10 (einem Körper) eingeschlossen.
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Bei Auftreten einer äußeren Belastung, z. B. eines Stoßes, oder bei einer Verformung der Batterieanordnung 1 oder des Gehäuses 3 kann die durch das kompressible Gasvolumen 8 zusätzlich bereitgestellte Kompressibilität die auf die Batteriezellen 2 wirkenden Drücke 15 dämpfen bzw. verringern oder sogar vollständig kompensieren.
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Gemäß einer hier nicht dargestellten Ausführungsvariante ist das Gasvolumen 8, z. B. die Schaumelemente 10, jeweils zwischen Batteriezellen 2 angeordnet, wobei die Batteriezellen 2 ausschließlich über das Gasvolumen 8 bzw. das Schaumelement 10 voneinander getrennt angeordnet sind. Ein Druckanstieg kann z. B. ausgehend von der Kühlflüssigkeit 8 auf eine Batteriezelle 2 und von der Batteriezelle 2 auf das Schaumelement 10 einwirken.
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Gemäß der in 2 dargestellten ersten Ausführungsvariante ist das Gasvolumen 8, z. B. die Schaumelemente 10, jeweils zwischen Batteriemodulen 12 angeordnet. Hier weist die Batterieanordnung 1 eine Mehrzahl von Batteriemodulen 12 mit jeweils einer Mehrzahl von Batteriezellen 2 auf, wobei die Batteriemodule 12 nebeneinander angeordnet sind und in einem zwischen den Batteriemodulen 12 vorliegenden Zwischenraum 13 ein Strömungskanal 16 für die Kühlflüssigkeit 7 ausgebildet ist. Die Schaumelemente 10 sind in den Zwischenräumen 13 angeordnet.
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Gemäß der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsvariante sind die Schaumelemente 10 zwischen den Batteriezellen 2 bzw. den Batteriemodulen 12 und der Wandung 4 des Gehäuses 3 angeordnet.
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Gemäß der in 4 dargestellten dritten Ausführungsvariante sind die Schaumelemente 10 in Rücksprüngen 11 des Gehäuses 3 angeordnet. Dabei ist das Schaumelement 10 z. B. in das Gehäuse 3 integriert. Insbesondere können so konstruktive Freiräume ausgenutzt werden, die sich z. B. bei einer Topologieoptmierung (FEM-Analyse) der Gehäusesteifigkeit ergeben können. Z. B. können Bereiche mit einer geringeren Wandstärke des Gehäuses 3 wie dargestellt genutzt werden, um das Schaumelement 10 z. B. zwischen den Batteriezellen 2 und dem Gehäuse 3 anzuordnen. Gemäß der in 5 dargestellten vierten Ausführungsvariante sind die Schaumelemente 10 in dem Einlass 5 und in dem Auslass 6 angeordnet.
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Insbesondere können über das kompressible Gasvolumen auch Verbindungselemente für die Kühlflüssigkeit (also z. B. Stutzen, Schläuche, Rohre), z. B. zwischen einzelnen Batterianordnungen oder am Auslass bzw. Einlass, gegenüber Druckbelastungen entlastet werden.
