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Die Erfindung betrifft ein Batteriemontageverfahren zum Bereitstellen einer Batterieanordnung mit mindestens einem Batteriemodul, einer Kühleinrichtung zur Kühlung des mindestens einen Batteriemoduls und einem Rahmen, wobei das mindestens eine Batteriemodul auf einer ersten Seite der Kühleinrichtung befestigt wird und der Rahmen zumindest an dem mindestens einen Batteriemodul befestigt wird. Zur Erfindung gehört auch eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Batterieanordnungen für Kraftfahrzeuge, insbesondere Hochvoltbatterien, weisen typischerweise ein Batteriegehäuse auf, in welchem die einzelnen Batteriemodule aufgenommen sind. Dieses Batteriegehäuse kann einen Gehäuseboden sowie einen Rahmen umfassen, der gewissermaßen die Seitenwände des Gehäuses bereitstellt, sowie auch optional weitere Trennwände, um den Aufnahmebereich der einzelnen Batteriemodule voneinander zu separieren und eine Befestigungsmöglichkeit für die jeweiligen Batteriemodule bereitzustellen. Unterseitig am Batterieboden wird typischerweise eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Batteriemodule befestigt. Diese Kühleinrichtung kann dabei auch den Gehäuseboden selbst bereitstellen.
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1 zeigt dabei exemplarisch eine solche Batterieanordnung 10 gemäß dem Stand der Technik (SdT), mit einem Batteriemodul 12, einem Gehäuseboden 14, der gleichzeitig auch eine Kühleinrichtung 16 darstellen kann, sowie einem Rahmen 18, an welchem der Gehäuseboden 14 mittels Befestigungselementen 20, üblicherweise aber nicht ausschließlich Schrauben, befestigt ist. Um eine gute Wärmeabfuhr vom Batteriemodul 12 zur Kühleinrichtung 16 zu ermöglichen, sollte das Batteriemodul 12 möglichst schlüssig am Gehäuseboden 14 anliegen. Damit sich keine Luftspalte, die thermisch isolierend wirken, zwischen dem Batteriemodul 12 beziehungsweise dessen Unterseite und dem Gehäuseboden 14 ergeben, wird typischerweise ein so genannter Gapfiller 22, oder alternativ auch ein sogenanntes Gappad, zwischen dem Batteriemodul 12 und dem Gehäuseboden 14 eingebracht. Solche Gappads stellen eine Art Beutel dar, der mit einer gelartigen Substanz gefüllt ist. Ein solcher Gapfiller 22 stellt typischerweise eine relativ viskose Wärmeleitpaste dar. Dieser kann zum Beispiel zunächst auf den Gehäuseboden 14 appliziert werden, und anschließend kann das Batteriemodul 12 eingesetzt und gegen den Gehäuseboden 14 gepresst werden. Dieses Anpressen des Batteriemoduls 12 ist dabei in 1 durch den Pfeil 24 veranschaulicht. Durch diese üblicherweise sehr hohe Anpresskraft 24 verteilt sich typischerweise dieser Gapfiller 22 zwischen dem Batteriemodul 12 und dem Gehäuseboden 14, in dem dieser nach außen gepresst wird, was durch die Pfeile 26 veranschaulicht ist.
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Bei dieser Vorgehensweise ergeben sich jedoch vielzählige Probleme. Zum einen ist der Gehäuseboden 14 typischerweise nicht eben, was durch Höhentoleranzen, wie zum Beispiel eine leichte Wölbung des Gehäusebodens 14, in 1 veranschaulicht ist. Diese Tatsache bedingt zunächst die Notwendigkeit des beschriebenen Gapfillers 22, da sich sonst ohne diesen Gapfiller 22 Luftbrücken zwischen dem Boden des Batteriemoduls 12, welcher typischerweise eben ist, und dem nicht-ebenen Gehäuseboden 14 ergeben würden. Solche Gapfiller 22 haben jedoch den Nachteil, dass sich einerseits relativ teuer sind und zu einem deutlich höheren Gewicht der Batterieanordnung 10 führen, zum anderen ist ihre Wärmeleitfähigkeit auch nicht so gut wie zum Beispiel die von Metallen, sodass gerade dicke Gapfillerschichten zu einer Minderung der Kühlungseffizienz führen. Ist zudem die Gapfillerschicht nicht gleichmäßig dick, ergeben sich folglich auch unerwünschte Inhomogenitäten bei der Kühlung des Batteriemoduls 12. Ein weiterer großer Nachteil bei diesem Anordnungskonzept besteht zudem darin, dass sich ohne zusätzliche Toleranzausgleichselemente harte Schraubfälle zwischen dem Batteriemodul 12 und dem Rahmen 18 zum Befestigen des Batteriemoduls 12 am Rahmen 18 nicht prozesssicher realisieren lassen. Auch bei der Verwendung anderer Befestigungsmittel entstehen ähnliche Befestigungsprobleme. Durch die unterschiedlichen Wölbungen des Gehäusebodens 14 kann nämlich üblicherweise der Anschraubflansch 12a des Batteriemoduls 12 nicht mit dem korrespondierenden Anschraubflansch 18a des Rahmens 18 zur Anlage gebracht werden, sondern es ergeben sich immer mehr oder weniger große Spalte. Um diese zu kompensieren, werden die genannten Toleranzausgleichselemente verwendet, die zwischen diesen Flanschen 12a, 18a angeordnet werden und die Toleranzen zwischen den beiden Flanschen 12a, 18a beim Verschrauben ausgleichen. Diese Zusatzelemente bedingen wiederum zusätzliche Kosten und Gewicht. Wünschenswert wäre also ein effizienteres Batteriemontageverfahren sowie eine effizientere Batterieanordnung.
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Die
DE 10 2016 009 972 A1 beschreibt einen Zellblock mit einem Zellstapel aus einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen, welche mit zwischengelegten Trennwänden zu dem Zellstapel aufgestapelt sind. Die Trennwände sind zum Ausgleich einer toleranzbedingten Längenabweichung in Stapelrichtung mit plastisch auf eine bestimmte Dicke verformbaren plattenförmigen Ausgleichsteilen integriert ausgebildet. Zum Bereitstellen eines Toleranzausgleichs lässt sich hier auch die Verwendung von Ausgleichsteilen nicht vermeiden. Zudem wird hierbei nicht beschrieben, wie eine effiziente Anbindung an eine Kühleinrichtung sowie eine Befestigung von Batteriemodulen am Rahmen realisiert werden kann.
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Die
WO 2013/171205 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung für eine Fahrzeugbatterie mit zumindest einer Kühlleitung und einem separaten Anpresselement, welches elastisch ausgebildet ist, um die Kühlmittelleitung gegeben eine Außenseite der Fahrzeugbatterie zu pressen. Um die Kühleinrichtung an die Batterieaußenseite zu pressen sind dabei sehr aufwändige Anpresseinrichtungen erforderlich, die sehr viel Bauraum erfordern.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2013 021 549 A1 eine Hochvoltbatterie mit einem Zellblock, welcher eine Vielzahl von Batterieeinzelzellen umfasst, die miteinander verspannt sind. Zwischen den Batterieeinzelzellen sind jeweilige Kühlplatten angeordnet. Die Batterieeinzelzellen können dabei flächig mit zwei gegenüberliegenden Seiten eines Zellhalters oder der Kühlplatte verklebt sein. Eine Anbindungsmöglichkeit an einen Rahmen oder eine mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühleinrichtung ist jedoch auch hier nicht beschrieben.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 10 2012 018 045 A1 eine Batterie mit einem Stapel von Batterieeinzelzellen, die jeweils einen Elektrodenstapel aufweisen, welcher zwischen Folien eingeschweißt ausgebildet ist. Dabei sind die Batterieeinzelzellen zwischen Zellrahmen eingeklemmt und zu dem Stapel aufgestapelt. Dabei sind weiterhin Kontaktfahnen der Batterieeinzelzellen über ein elektrisch isolierendes, aber Wärme leitendes Material, welches beispielsweise als Vergussmasse oder Wärmeleitfolie ausgebildet sein kann, mit einer Kühleinrichtung verbunden, welche in Form einer aktiv gekühlten Platte ausgebildet ist. Hieraus ergeben sich jedoch wiederum die gleichen Nachteile, wie zur
1 mit Bezug auf die Verwendung des Gapfillers beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Batteriemontageverfahren und eine Batterieanordnung bereitzustellen, welche eine möglichst einfache und effiziente Anbindung eines Batteriemoduls an eine Kühleinrichtung und eine vereinfachte Befestigung des Batteriemoduls an einem Rahmen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriemontageverfahren und eine Batterieanordnung mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Bei einem erfindungsgemäßen Batteriemontageverfahren zum Bereitstellen einer Batterieanordnung mit mindestens einem Batteriemodul, einer Kühleinrichtung zur Kühlung des mindestens einen Batteriemoduls und einem Rahmen, wird das mindestens eine Batteriemodul auf einer ersten Seite der Kühleinrichtung befestigt und der Rahmen zumindest an dem mindestens einen Batteriemodul befestigt. Dabei wird zum Befestigen des mindestens einen Batteriemoduls an der ersten Seite der Kühleinrichtung das mindestens eine Batteriemodul in einem Modulauflagebereich der ersten Seite der Kühleinrichtung aufgeklebt, ohne dass der Rahmen an der Kühleinrichtung befestigt ist. Weiterhin weist die Kühleinrichtung ein die erste Seite bereitstellendes Trennelement auf, welches einen Randbereich und einen Übergangsbereich aufweist, welcher den Randbereich mit dem Modulauflagebereich verbindet, wobei das Trennelement zumindest im Übergangsbereich elastisch flexibel ausgebildet ist. Dabei wird nach dem Aufkleben des mindestens einen Batteriemoduls der Rahmen auf die Anordnung aus dem mindestens einem Batteriemodul und der Kühleinrichtung derart aufgesetzt, dass zumindest ein Teil des Rahmens auf dem Randbereich des Trennelements aufliegt.
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Dadurch, dass der Randbereich, auf welchem der Teil des Rahmens aufliegt, elastisch flexibel an den Modulauflagebereich, in welchem das Batteriemodul angeordnet ist, angebunden ist, lässt sich vorteilhafterweise ein Toleranzausgleich bereitstellen, der es vorteilhafterweise ermöglicht, das Batteriemodul am Rahmen ohne die Notwendigkeit irgendwelcher Ausgleichselemente zu befestigen, und diese Befestigung zum Beispiel als Schraubverbindung zu realisieren, bei welcher sich nunmehr durch den vorteilhafterweise bereitgestellten Toleranzausgleich ohne irgendwelche Zwischenelemente oder Ausgleichselemente auch harte Schraubfälle realisieren lassen. Wenngleich die Befestigung des Rahmens am mindestens einen Batteriemodul vorzugswiese durch Schraubverbindungen realisiert wird, so kann diese Befestigung zusätzlich oder alternativ auch durch beliebig andere Befestigungsmöglichkeiten bzw. Befestigungsmittel erfolgen, zum Beispiel durch Schweißen, insbesondere thermisches Schweißen, Laserschweißen, Punktschweißen, usw., und/oder mittels Stanz-Niet-Elementen und/oder Klemmen oder Klemmelementen oder Ähnliches. Doch auch bei einer Befestigung mittels solcher Befestigungsmittel bzw. Befestigungsmöglichkeiten ergeben sich durch die Erfindung die gleichen Vorteile einer besonders stabilen Verbindung ohne Notwendigkeit zusätzlicher Ausgleichselemente. Ein besonders großer Vorteil der Erfindung besteht zudem vor allem darin, dass das Batteriemodul an der ersten Seite der Kühleinrichtung aufgeklebt wird, ohne dass der Rahmen an der Kühleinrichtung befestigt ist. Der Rahmen kann dabei insbesondere erste danach oder auch gar nicht an der Kühleinrichtung befestigt werden. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass selbst wenn die erste Seite der Kühleinrichtung, insbesondere im Batteriemodulauflagebereich, Unebenheiten aufweist oder gewölbt ist, eine derartige Wölbung oder Unebenheiten sich auf einfache Weise dadurch ausgleichen lässt, indem das Batteriemodul auf diese erste Seite der Kühleinrichtung aufgesetzt wird. Typischerweise reicht hierzu bereits das Eigengewicht eines Batteriemoduls aus, um eine leicht deformierte Kühleinrichtung in eine Ebene zu überführen. Andernfalls kann auch auf das Batteriemodul in Richtung der Kühleinrichtung beim Aufsetzen auch eine leichte Anpresskraft ausgeübt werden. Dadurch, dass jedoch die Kühleinrichtung nicht am Rahmen befestigt ist, kann nunmehr die Kühleinrichtung geglättet werden, denn die Kühleinrichtung kann sich beim Aufsetzen des Batteriemoduls in eine Richtung senkrecht zur Aufsetzrichtung ausdehnen, da nunmehr die Kühleinrichtung vorteilhafterweise beim Aufsetzen des mindestens einen Batteriemoduls nicht in ihrer Position durch die Befestigung am Rahmen fixiert ist. Denn wäre die Kühleinrichtung, die zum Beispiel als dünne Kühlplatte oder Kühlboden ausgebildet sein kann, mit zwei gegenüberliegenden Enden an einem Rahmen befestigt, so könnte eine leichte Wölbung nach innen oder außen auch durch Aufbringen einer Anpresskraft nicht kompensiert werden, da die Enden der Kühleinrichtung fixiert sind und damit nicht in irgendeine Richtung ausweichen könnten. Die Erfindung ermöglicht es dagegen vorteilhafterweise, auf den oben beschriebenen Gapfiller vollständig zu verzichten, und das Batteriemodul kann zum Beispiel nur über einen wärmeleitfähigen Klebstoff an der Kühleinrichtung angebunden werden. Solche Klebstoffschichten können entsprechend deutlich dünner ausgestaltet sein, als die typischen Gapfillerschichten und zudem lässt sich eine solche Klebstoffschicht aufgrund der Ebenheit der Kühleinrichtung im Zustand, wenn das Modul auf dem Modulauflagebereich aufgesetzt ist, sowie der Ebenheit des Modulbodens sehr homogen ausführen. Dadurch kann die Kühleffizienz deutlich gesteigert werden, da die Wärmeleitfähigkeit des Wärmepfads vom Batteriemodul zur Kühleinrichtung deutlich erhöht ist und zudem auch deutlich homogener über die komplette Unterseite des Batteriemoduls ausgestaltet ist. Insgesamt lassen sich durch dieses Batteriemontageverfahren zahlreiche Vorteile gegenüber den bisherigen Verfahren erzielen, denn es können durch den Verzicht auf den Gapfiller, sowie durch die Möglichkeit des Verzichts auf zahlreiche Ausgleichselemente zur Realisierung harter Schraubfälle zwischen den Batteriemodulen und dem Rahmen deutlich Gewicht und Kosten eingespart werden, und gleichzeitig kann die Kühlungseffizienz deutlich gesteigert werden.
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Der Rahmen kann einerseits eine eigenständige Einheit darstellen und als solche separat bereitgestellt sein. Die durch das Batteriemontageverfahren bereitgestellte Batterieanordnung kann dann am Kraftfahrzeug angeordnet werden, zum Beispiel in einem Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs. Zu diesem Zweck kann die Batterieanordnung zum Beispiel über den Rahmen am Kraftfahrzeug befestigt werden. Zuvor oder anschließend kann die Batterieanordnung noch oberseitig, d.h. auf einer dem Trennelement abgewandten Seite des Rahmens, mit einem Deckel, der auf dem Rahmen angeordnet und befestigt werden kann, versehen werden und/oder unterseitig mit einem Unterfahrschutz versehen werden, der unterseitig an der Kühleinrichtung, insbesondere dem Trennelement, und/oder am Rahmen angeordnet werden kann.
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Alternativ kann der Rahmen aber auch eine nicht eigenständige Einheit darstellen, sondern einen Teil eines Kraftfahrzeugs darstellen. Bevorzugt wird der Rahmen durch einen Teil der Fahrzeugstruktur des Fahrzeugunterbodens eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Beispielsweise können zumindest Teile des Rahmens gleichzeitig Teile einer Quer- und/oder Längsträgerstruktur des Kraftfahrzeugs darstellen. Dies hat den großen Vorteil, dass hierdurch zusätzlich Gewicht und Bauteile eingespart werden können. Auch hier kann die Batterieanordnung noch oberseitig, d.h. auf einer dem Trennelement abgewandten Seite des Rahmens bzw. der diesen bereitstellenden Kraftfahrzeugstruktur des Unterbodens, mit einem Deckel, der auf dem Rahmen angeordnet und befestigt werden kann, versehen werden und/oder unterseitig mit einem Unterfahrschutz versehen werden, der unterseitig an der Kühleinrichtung, insbesondere dem Trennelement, angeordnet werden kann und/oder ebenso am Rahmen. Gerade in diesem Zusammenhang, aber auch im Allgemeinen, kann unter einem Aufsetzen des Rahmens auf die Anordnung aus dem mindestens einen Batteriemodul und der Kühleinrichtung auch verstanden werden, dass der Rahmen während dieses Aufsetzens ortsfest angeordnet ist bzw. bleibt, d.h. nicht bewegt wird, und zum Beispiel die die Anordnung aus dem mindestens einen Batteriemodul und der Kühleinrichtung von unten in Richtung des Rahmens bewegt und an diesem so angeordnet wird, dass zumindest ein Teil des Rahmens auf dem Randbereich des Trennelements aufliegt.
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Das mindestens eine Batteriemodul kann dabei im Allgemeinen mindestens eine Batteriezelle, wie beispielsweise eine Lithium-Ionen Zelle, umfassen. Vorzugsweise umfasst das mindestens eine Batteriemodul jedoch mehrere Batterieeinzelzellen, die in einem Batteriestapel angeordnet sein können. Bei diesen Batterieeinzelzellen handelt es sich vorzugsweise um prismatische Zellen. Grundsätzlich können die Batteriezellen aber auch als Pouch-Zellen ausgebildet sein.
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Die Kühleinrichtung zur Kühlung des mindestens einen Batteriemoduls ist dabei vorzugsweise als aktive Kühlung ausgebildet und verwendet entsprechend zum Abtransport der Wärme aus dem mindestens einen Batteriemodul ein Kühlmedium beziehungsweise Kühlmittel, welches im Allgemeinen gasförmig und/oder flüssig ausgestaltet sein kann. Vorzugsweise weist die Kühleinrichtung mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle auf. Die Kühleinrichtung kann dabei als Kühlboden ausgebildet sein, sodass das oben genanntes Trennelement gleichzeitig eine Seitenwand mindestens eines Kühlkanals bereitstellt. Mit anderen Worten ist das Kühlmittel dabei in direktem Kontakt mit zumindest einem Bereich des Trennelements. Die Kühleinrichtung kann aber auch eine separate Kühleinheit aufweisen, die zum Beispiel als Kühlplatte mit Kühlkanälen bereitgestellt sein kann, wobei die Kühlplatte wiederum aus dünnen Blechen gebildet sein kann, zwischen welchen Kühlkanäle eingeformt sind, wobei diese Kühleinheit wiederum am Trennelement angeordnet wird, zum Beispiel an dieses angeklebt wird und so die Kühleinrichtung bereitstellt. Durch das Trennelement ist in beiden Fällen eine Trennung des Hochvoltraums und des Nassraums bereitgestellt, was den Gesamtaufbau vereinfacht, da auf zusätzliche Isolations- und Sicherheitsmaßnahmen verzichtet werden kann.
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Das Trennelement ist, wie oben beschrieben, zumindest im Übergangsbereich elastisch flexibel ausgebildet. Darunter soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Trennelement in diesem Übergangsbereich bei entsprechender Kraftbeaufschlagung biegbar ist, zum Beispiel auf den Randbereich des Trennelements, und bei Biegung durch seine elastischen Flexibilität eine entsprechende Rückstellkraft bereitstellt, die der die Biegung verursachenden Deformationskraft entgegengesetzt ist. Unter einer solchen elastischen Flexibilität soll also vorzugsweise keine elastische Komprimierbarkeit des Trennelements verstanden werden, sondern lediglich, dass das Trennelement im Übergangsbereich so ausgebildet ist, dass dieses biegbar unter Erzeugung einer entsprechenden Rückstellkraft ist. Dabei muss das Trennelement nicht notwendigerweise nur im Übergangsbereich elastisch flexibel ausgebildet sein, sondern kann zum Beispiel zusätzlich auch im Randbereich sowie auch insgesamt, zum Beispiel auch im Modulauflagebereich elastisch flexibel ausgebildet sein, wenngleich auch diese elastische Flexibilität im Modulauflagebereich nicht vonnöten ist.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Trennelement als Trennblech, das heißt als ein Blech mit einer maximalen Dicke von einem Millimeter bereitgestellt wird, zum Beispiel mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,8 Millimetern und 1,0 Millimetern. Durch die Ausbildung als ein solch dünnes Blech, zum Beispiel aus Aluminium oder einem anderen Metall oder Legierung, lässt sich auf besonders einfache und kostengünstige Weise die oben beschriebene elastische Flexibilität des Trennelements bereitstellen, und zwar in diesem Fall insgesamt und nicht nur im Übergangsbereich. Dadurch lässt sich auf besonders einfache und kostengünstige Weise ein Toleranzausgleich zwischen dem aufgesetzten Rahmen und dem mindestens einen Batteriemodul bereitstellen, um harte Schraubfälle bei den Schraubverbindungen zwischen dem Batteriemodul und dem Rahmen realisieren zu können. Das Trennelement kann aber auch auf andere Weise im Übergangsbereich elastisch flexibel ausgebildet sein, zum Beispiel im Übergangsbereich eine elastisch flexiblen Kunststoff aufweisen, oder Ähnliches. Der oben genannte Rahmen kann dabei den übrigen Teil eines Batteriegehäuses bereitstellen. Insbesondere kann dieser Rahmen wie eingangs beschrieben ausgebildet sein und die Seitenwände des Batteriegehäuses sowie optionale weitere Trennwände zwischen Aufnahmebereichen mehrerer Batteriemodule zur Befestigung dieser Batteriemodule bereitstellen. Im Übrigen weist die Batterieanordnung vorzugsweise auch mehrere Batteriemodule auf, sodass sich durch die Batterieanordnung zum Beispiel eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, bereitstellen lässt.
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Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn mehrere Batteriemodule im Modulauflagebereich der ersten Seite der Kühleinrichtung aufgeklebt werden, wobei die Batteriemodule, bevor diese im Modulauflagebereich angeordnet werden, in ihrer Anordnung zueinander fixiert werden und die fixierte Anordnung der Batteriemodule auf die erste Seite der Kühleinrichtung aufgesetzt und angeklebt wird. Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise die Batteriemontage deutlich effizienter gestalten, da nicht jedes Batteriemodul einzeln aufgesetzt und befestigt werden muss. Zum Beispiel können vor dem Aufsetzen der Batteriemodule auf das Trennelement zunächst alle Batteriemodule der Batterieanordnung zueinander in ihrer Anordnung fixiert werden. Diese Batterieanordnung kann dann als Ganzes, zum Beispiel von einer geeigneten Greif- und Haltevorrichtung, gegriffen und auf das Trennelement beziehungsweise einen auf dem Trennelement befindlichen Klebstoff, aufgesetzt werden. Die Module lassen sich zueinander deutlich einfacher miteinander verbinden, wenn diese noch nicht auf das Trennelement mit dem darauf befindlichen Klebstoff aufgesetzt sind. Dadurch lässt sich bei der Batteriemontage eine enorme Zeitersparnis erzielen. Weiterhin können für die jeweiligen Batteriemodule auch zugeordneten Modulauflagebereiche auf dem Trennelement vorgesehen sein.
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Weiterhin ist es denkbar, dass alle Batteriemodule der Hochvoltbatterie auf einem gemeinsamen Trennelement, welches also einstückig ausgebildet ist, aufgesetzt und angeklebt werden. Es ist aber auch denkbar, dass zunächst mehrere einzelne Anordnungen aus einem oder mehreren Batteriemodulen und einer zugeordneten Kühleinrichtung wie oben beschrieben bereitgestellt werden, und dann der Rahmen auf diese mehreren Anordnungen aufgesetzt und an den jeweiligen Batteriemodulen befestigt wird. Beispielsweise kann zunächst eine erste Batteriemodulreihe mit mehreren Batteriemodulen, die vorab zueinander fixiert wurden, auf eine zugeordnete Kühleinrichtung, insbesondere deren Trennelement aufgesetzt und angeklebt werden. Dann kann eine zweite solche Batteriemodulreihe auf eine weitere Kühleinrichtung, insbesondere deren Trennelement aufgesetzt werden und angeklebt werden, und so weiter. Die so bereitgestellten Modulreihen mit den zugeordneten Kühleinrichtungen können dann in ihrer gewünschten Anordnung zueinander positioniert und anschließend der Rahmen auf diese Anordnungen aufgesetzt werden und mit den Batteriemodulen verschraubt werden. Damit sind vorteilhafterweise vielzählige flexible Möglichkeiten für die Batteriemontage bereitgestellt, die je nach Erfordernis oder Situation angepasst gewählt werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach dem Aufsetzen des Rahmens der Rahmen mit dem mindestens einen Batteriemodul verschraubt, so dass im verschraubten Zustand von Rahmen und dem mindestens einen Batteriemodul ein Teil des Rahmens, welcher integral mit dem Rahmen ausgebildet ist, an einem Teil des mindestens einen Batteriemoduls direkt kontaktierend anliegt. Der Teil des Batteriemoduls und der Teil des Rahmens können beispielsweise wieder korrespondierende Flansche darstellen, wie dies eingangs beschrieben wurde. Diese Flansche beziehungsweise im Allgemeinen diese beiden Teile des Batteriemoduls und des korrespondierenden Rahmens können nun vorteilhafterweise unter elastischer Verbiegung des Übergangsbereichs des Trennelements direkt zur Auflage gebracht werden, da eventuelle Toleranzen oder Höhen zwischen diesen beiden zu verschraubenden Teilen vorteilhafterweise durch das Trennelement beziehungsweise durch dessen elastisch flexible Ausbildung im Rand- beziehungsweise Übergangsbereich ausgeglichen werden können. Ohne zusätzliche Hilfsmittel wie zusätzliche Ausgleichselemente lassen sich damit vorteilhafterweise besonders stabile und harte Schraubfälle realisieren. Ein jeweiliges Batteriemodul kann dabei zum Beispiel an vier Schraubpunkten mit dem Rahmen verschraubt werden.
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Eine Befestigung des Rahmens an der Kühleinrichtung, insbesondere am Trennelement, ist prinzipiell nicht erforderlich, da der Rahmen an den Batteriemodulen befestigt wird, und die Batteriemodule über die beschriebenen Klebverbindungen wiederum fest an der Kühleinrichtung angeordnet sind. Nichtdestotrotz kann zur Erhöhung der Stabilität der Anordnung dennoch eine Befestigung des Rahmens direkt am Trennelement erfolgen. Dabei ist es jedoch bevorzugt, dass nach dem Aufsetzen des Rahmens, der Rahmen mit dem Trennelement nur im Randbereich des Trennelements verschraubt wird. Eine solche Befestigung nur im Randbereich ist dabei vollkommen ausreichend, da wie beschrieben die Batteriemodule ohnehin fest am Trennelement über die Klebeverbindung befestigt sind und die Batteriemodule andererseits auch über die beschriebenen Schraubverbindungen fest mit dem Rahmen verbunden sind. Damit können vorteilhafterweise zusätzliche Befestigungsmittel eingespart werden. Ein besonders großer Vorteil der Befestigung des Rahmens am Trennelement nur im Randbereich des Trennelements besteht aber vor allem darin, dass sich hierdurch die Kühlungseffizienz weiter steigern lässt. Wenn beispielsweise Schraubverbindungen zwischen dem Trennelement beziehungsweise der Kühleinrichtung und dem Rahmen zusätzlich in Bereichen zwischen den einzelnen Batteriemodulen realisiert werden, so würden auch die Schrauben dieser Schraubverbindungen zusätzlich durch die Kühleinrichtung gekühlt werden, wodurch ein hoher Anteil der Kühlleistung verloren geht und nicht zur Kühlung der Batteriemodule selbst verwendet werden kann. Durch die Befestigung des Rahmens nur im Randbereich des Trennelements können entsprechend vorteilhafterweise die Kühlleistungsverluste auf ein Minimum reduziert werden und die Kühlung der Batteriemodule noch effizienter gestaltet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Rahmen Streben auf, die im auf die Anordnung aus dem mindestens einem Batteriemodul und der Kühleinrichtung aufgesetzten Zustand des Rahmens senkrecht zumindest zum Modulauflagebereich des Trennelements verlaufen, wobei die Streben an einer dem Trennelement abgewandten Seite eine Verbreiterung aufweisen, die einen Überstand bildet, welcher in einer Richtung senkrecht zur Verlaufsrichtung der Streben über zumindest einen Teil des mindesten einen Batteriemoduls übersteht und welcher zumindest ein Schraubloch aufweist, wobei zum Verschrauben des Rahmens mit dem mindestens einen Batteriemodul eine Schraube durch das Schraubloch und zumindest zum Teil in oder durch den Teil des Batteriemoduls geschraubt wird. Mit anderen Worten können die beschriebenen Streben im Querschnitt T-förmig ausgebildet sein und somit zumindest zum Teil mit ihrer entsprechenden Verbreiterung über einen Teil eines Batteriemoduls, insbesondere über einen Randbereich des betreffenden Batteriemoduls, welcher zum Beispiel gleichzeitig einen Anschraubflansch bereitstellen kann, überstehen. Dadurch lässt sich eine Verschraubung des Rahmens mit den jeweiligen Batteriemodulen auf besonders einfache Weise realisieren. Insbesondere lässt sich eine solche Verschraubung dabei vor allem auf besonders bauraumsparende Weise realisieren. Möglich ist es insbesondere auch nur deshalb, weil das mindestens eine Batteriemodul bereits auf der Kühleinrichtung beziehungsweise auf dem Trennelement aufgesetzt ist, wenn auf diese Anordnung der Rahmen von oben aufgesetzt wird. Wäre der Rahmen zunächst an der Kühleinrichtung beziehungsweise dem Trennelement befestigt worden und würden die Module nachträglich eingesetzt werden, so wie dies im Stand der Technik üblich ist, so wäre es nicht möglich, die beschriebenen Streben mit solchen Überständen zu realisieren, da dann die Module nicht mehr eingesetzt werden könnten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in einer Längserstreckungsrichtung des Überstands mehrere Schraublöcher im Überstand in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet, wobei Schraublöcher, die zum Verschrauben des Rahmens mit den Batteriemodulen verwendet werden, aus den mehreren Schraublöchern in Abhängigkeit von den jeweiligen Modulgrößen der Batteriemodule und/oder von einer Anordnung der Batteriemodule zueinander ausgewählt werden. Durch Vorhaltungen im Lochbild der Schraublöcher lässt sich ein flexibles Modulraster bereitstellen, welches flexible, insbesondere unterschiedliche, Modulgrößen erlaubt. Insbesondere kann dabei die Batterieanordnung auch Batteriemodule unterschiedlicher Modulgrößen aufweisen. Damit können vorteilhafterweise in einer Batterie Batteriemodule mit unterschiedlichen Eigenschaften gleichzeitig verwendet werden. Auch können diese Batteriemodule sehr flexibel zueinander angeordnet werden. Dies erlaubt vorteilhafterweise deutlich mehr Flexibilität bei der Bereitstellung einer Hochvoltbatterie.
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Ein besonders großer Vorteil der Erfindung und seiner Ausführungsformen besteht zudem noch darin, dass durch das beschriebene Batteriemontageverfahren auch deutlich größere Batteriemodule verwendet werden können, als bislang möglich. Wird ein Batteriemodul, wie dies im Stand der Technik üblich ist, auf einem mit dem Rahmen bereits verbundenen Gehäuseboden und insbesondere einem darauf befindlichen Gapfiller aufgesetzt, so muss, damit sich der Gapfiller zwischen dem Modulboden und dem Gehäuseboden möglichst gleichmäßig verteilt, das Batteriemodul möglichst stark an den Gehäuseboden angepresst werden. Gleichzeitig muss bei diesem Anpressvorgang gewährleistet sein, dass das Batteriemodul selbst dabei nicht zu Schaden kommt. Eine solche Anpressung ohne Beschädigung des Batteriemoduls ist dabei entsprechend umso schwieriger, je größer das Batteriemodul ist, weshalb typischerweise keine sonderlich großen Modulgrößen bei einem derartigen Montageverfahren eingesetzt werden können. Da es die Erfindung jedoch ermöglicht, Module auf das Trennelement aufzusetzen, ohne dabei hohe Anpresskräfte auf das Modul aufbringen zu müssen, insbesondere teilweise sogar ohne überhaupt zusätzliche Anpresskräfte auf das Modul aufbringen zu müssen, können durch die Erfindung auch deutlich größere Batteriemodule verwendet werden. Auch dies steigert wiederum die Herstellung- und Montageeffizienz und erhöht gleichzeitig die Flexibilität der Einsatzmöglichkeiten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Trennelement uneben ausgebildet, so dass die durch das Trennelement bereitgestellte erste Seite im zentralen Modulauflagebereich für das mindestens eine Batteriemodul gegenüber einem Randbereich dieses Modulauflagebereichs erhöht ist. Unter einer Erhöhung ist dabei eine Wölbung beziehungsweise Niveauänderung in Richtung des auf dem Auflagebereich anzuordnenden Batteriemoduls oder des auf dem Auflagebereich angeordneten Batteriemoduls zu verstehen. Hintergrund ist, dass das Batteriemodul vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass dieses mehrere Batterieeinzelzellen umfasst, welche wiederum durch einen Winkeleisenrahmen eingefasst sind. Eine Einfassung der Batteriemodule kann aber auch durch andere Einfassungselemente erfolgen. Dabei umgreift ein solches Einfassungselement beziehungsweise Rahmen das Batteriemodul insbesondere in einem Randbereich, wodurch das Batteriemodul typischerweise im Randbereich höher ist, als in einem zentralen Bereich, beziehungsweise zumindest die der Kühleinrichtung zugewandte Unterseite des Batteriemoduls im zentralen Bereich gegenüber dem Randbereich des Batteriemoduls erhöht ist. Dadurch, dass das Trennelement nun ebenso geometrisch korrespondierend ausgebildet ist, nämlich im zentralen Auflagebereich gegenüber dem Randbereich des Auflagebereichs erhöht ist, ist die Formgebung dieses Trennelements optimal an die Formgebung der Unterseite des aufzunehmenden Batteriemoduls angepasst. Dies wiederum ermöglicht homogene Spaltbreiten zwischen dem Trennelement und dem Batteriemodul und entsprechend eine homogene Wärmeabfuhr. Zudem lässt sich vor allem durch die Erhöhung des Trennelements im zentralen Auflagebereich gerade der Spalt zwischen dem Batteriemodul und dem Trennelement in diesem zentralen Auflagebereich sowie im zentralen Modulbodenbereich enorm reduzieren, wodurch die Kühleffizienz weiter gesteigert werden kann. Eine solche partielle Erhöhung des Trennblechs im zentralen Auflagebereich beziehungsweise in dem jeweiligen den Batteriemodulen zugeordneten zentralen Auflagebereichen lässt sich auf einfache Weise zum Beispiel durch eine durchlaufende Verprägung des Trennelements realisieren.
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Ist das Batteriemodul andererseits mit einem vollkommen ebenen Modulboden ohne Erhöhung im zentralen Modulbodenbereich ausgebildet, so ist es entsprechend bevorzugt, dass das Trennelement ebenfalls eben ausgebildet ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Randbereich eines Modulbodens des mindestens einen Batteriemoduls und dem Trennelement ein Abstandselement mit einer Dicke von maximal einem Millimeter angeordnet beziehungsweise es wird ein solches Abstandselement angeordnet. Dies hat den Hintergrund, dass beim Kundendienst oder nach Lebensdauer einer Hochvoltbatterie die einzelnen Batteriemodule möglichst einfach wieder aus dem Batteriegehäuse entnommen werden können sollen. Nach Möglichkeit sollte sich entsprechend auch eine Trennung des Batteriemoduls von der Kühleinrichtung, insbesondere vom Trennelement, möglichst einfach realisieren lassen. Dies kann beispielsweise über eine handelsübliche Drahtsäge zum Durchtrennen von zum Beispiel Kunststoff, Metall, Glas, Keramik und so weiter erfolgen. Ein Batteriemodul kann dann entsprechend im Bodenbereich von einer solchen Drahtsäge beziehungsweise vom Draht einer solchen Drahtsäge umschlugen werden und der Draht dann entsprechend zwischen dem Modulboden und dem Trennelement durchgeführt werden und damit die Klebeverbindung zwischen dem Modulboden und dem Trennelement durchschnitten werden. Um vor allem die Einführung eines solchen Drahts im Randbereich eines jeweiligen Modulbodens zu vereinfachen, ist es nun besonders vorteilhaft, gerade dort ein Abstandselement zwischen dem Modulboden und dem Trennelement vorzusehen. Dabei ist ein Abstandselement mit einer Dicke von maximal einem Millimeter vollkommen ausreichend, da sich auch Drahtsägen mit Drähten mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter realisieren lassen. Ein solches Abstandselement mindert damit die Kühleffizienz nicht merklich und gleichzeitig lässt sich hierdurch ein besonders einfaches Recycling der Batterie sowie auch ein Herausnehmen von Modulen im Reparaturfall ermöglichen. Ein solches Abstandselement kann dabei grundsätzlich aus jedem beliebigen Material sein, da typische Drahtsägen zum Zerschneiden vielzähliger verschiedener, auch sehr harten Materialien, wie zum Beispiel Metall, ausgelegt sind. Entsprechend lässt sich das Material des Abstandselements quasi beliebig wählen und kann zum Beispiel ebenfalls mit guten Wärmeleiteigenschaften, also zum Beispiel mit Metall oder Metallpartikeln, ausgebildet sein. Da das Abstandselement ohnehin sehr dünn ausgebildet ist, und auch im Durchmesser sich über einen sehr kleinen Bereich erstrecken kann, so kann auch ein Material gewählt werden, welches sich besonders einfach durchschneiden lässt, wie zum Beispiel ein weicher Kunststoff oder ähnliches. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn das Batteriemodul ein Modulboden aufweist, welcher nach Anordnung des mindestens einen Batteriemoduls auf der Kühleinrichtung der Kühleinrichtung zugewandt ist, und uneben ist, sodass der Modulboden in einem zentralen Bereich gegenüber einem Randbereich des Modulbodens erhöht ist. Wie oben bereits beschrieben kann eine solche Erhöhung durch die Geometrie und Anordnung von Einfassungselementen zum Einfassen der Batteriezellen bedingt sein. Gerade in einem solchen Fall ergeben sich sehr schmale Spaltbreiten zwischen dem Modulboden im Randbereich und dem Trennelement, sodass gerade hier die Anordnung eines Abstandselements besonders von Vorteil ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterieanordnung mindestens ein Batteriemodul, eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Batteriemoduls und einem Rahmen aufweist, wobei das mindestens eine Batteriemodul auf einer ersten Seite der Kühleinrichtung befestigt ist und der Rahmen zumindest an dem mindestens einen Batteriemodul befestigt ist. Dabei ist das mindestens einen Batteriemoduls mittels eine Klebeschicht zwischen dem mindestens einen Batteriemodul und einem Modulauflagebereich der ersten Seite der Kühleinrichtung an der ersten Seite der Kühleinrichtung befestigt, wobei die Kühleinrichtung ein die erste Seite bereitstellendes Trennelement aufweist, welches einen Randbereich und einen Übergangsbereich aufweist, welcher den Randbereich mit dem Modulauflagebereich verbindet, wobei das Trennelement zumindest im Übergangsbereich elastisch flexibel ausgebildet ist und wobei der Rahmen auf die Anordnung aus dem mindestens einem Batteriemodul und der Kühleinrichtung derart aufgesetzt ist, dass zumindest ein Teil des Rahmens auf dem Randbereich des Trennelements aufliegt.
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Des Weiteren gehört zur Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung.
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Die für das erfindungsgemäße Batteriemontageverfahren und seine Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batterieanordnung. Darüber hinaus ermöglichen die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemontageverfahren und seinen Ausführungsformen beschriebenen Verfahrensschritte die Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterieanordnung durch weitere korrespondierende gegenständliche Merkmale.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Darstellung einer Kühleinrichtung und eines auf diese aufgesetzten Batteriemoduls für eine Batterieanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung der Anordnung aus Kühleinrichtung und Batteriemodul aus 2 mit nunmehr auf diese Anordnung aufgesetztem Rahmen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Batteriemontageverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung in einem Querschnitt zur Veranschaulichung des durch die flexiblen Bereiche des Trennelements bereitgestellten Toleranzausgleichs, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Batterieanordnung zur Veranschaulichung der Befestigungsmöglichkeiten zwischen dem Rahmen und einem jeweiligen Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 7 eine schematische Explosionsdarstellung einer Batterieanordnung mit verschieden großen Batteriemodulen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 8 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterieanordnung mit einem im zentralen Modulauflagebereich erhöhten Trennelement der Kühleinrichtung sowie mit Abstandselementen im Randbereich des Modulauflagebereichs zwischen dem Trennelement und dem Batteriemodul zum Bereitstellen einer einfachen Trennmöglichkeit von Batteriemodul und dem Trennelement, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Batterieanordnung 30, insbesondere einer Anordnung aus einem Batteriemodul 32 und einer Kühleinrichtung 36, die zum Beispiel gleichzeitig einen Gehäuseboden 34 eines Batteriegehäuses bereitstellt. 3 zeigt entsprechend die Anordnung aus 1 mit nunmehr aus dieser Anordnung aufgesetztem Rahmen 38, der ebenfalls einen Teil des Batteriegehäuses bereitstellen kann, insbesondere die Seitenwände eines solchen Batteriegehäuses, sowie optionale weitere Trennwände zwischen Batteriemodulen 32.
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Erfindungsgemäß ist es nun vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Batteriemodul 32, insbesondere auch mehrere Batteriemodule 32 gleichzeitig, auf die Kühleinrichtung 36 aufgesetzt und mittels einer Klebeschicht 35 an diese angeklebt werden, bevor eine Befestigung des Rahmens 38 erfolgt. Der Rahmen 38 wird dabei insbesondere an den Batteriemodulen 32 befestigt, wie nachfolgend näher beschrieben, wobei eine Befestigung des Rahmens 38 in der Kühleinrichtung 36 lediglich optional ist. Dadurch, dass also, wenn das Batteriemodul 32 auf die Kühleinrichtung 36 aufgesetzt und angeklebt wird, der Rahmen 38 nicht mit der Kühleinrichtung 36 fest verbunden ist, lassen sich eventuelle Unebenheiten der Kühleinrichtung 36 zum Zeitpunkt vor dem Aufsetzen des Batteriemoduls 32 durch dieses Aufsetzen des Batteriemoduls und eventuelles leichtes Anpressen des Batteriemoduls 32, was durch den Pfeil 39 veranschaulicht ist, ausgleichen. Eine solche Wölbung der Kühleinrichtung 36 vor dem Aufsetzten des Batteriemoduls 32 ist in 2 schematisch durch die mit 34` und 36` bezeichnete gestrichelte Linie veranschaulicht. Weiterhin ist die Kühleinrichtung 36 beim Aufsetzen des Batteriemoduls 32 vorzugsweise auf einer ebenen Auflage 40 angeordnet, welche beim Aufsetzen des Batteriemoduls 32 auf die Kühleinrichtung 36 die Kühleinrichtung 36 von unten abstützt. Dadurch kann vorteilhafterweise die Kühleinrichtung 36 beim Aufsetzen der Batteriemodule 32 geglättet werden, ohne dass hierzu viel Kraft erforderlich ist, da die Kühleinrichtung 36 sich zu den Seiten hin ausdehnen kann, was durch die Pfeile 42 veranschaulicht ist. Dieses Ausdehnen wird dadurch erst ermöglicht, dass die Kühleinrichtung 36 nicht durch Befestigung am Rahmen 38 zum Zeitpunkt des Aufsetzens des Batteriemoduls 32 in ihrer Position fixiert und damit die z-Toleranz des Kühlbodens eingefroren wird. Dadurch, dass sich hierdurch ein besonders ebener Kühlboden beziehungsweise ebene Oberfläche der Kühleinrichtung 36 erzielen lässt, kann auf den eingangs beschriebenen Gapfiller 22 vollständig verzichtet werden oder dieser in seiner erforderlichen Menge deutlich reduziert werden, sowie dieser auch bezüglich seiner Viskosität reduziert werden, was eine deutlich einfachere Batteriemontage auf deutlich kostengünstigere und gewichtssparende Weise ermöglicht. Insbesondere kann zur Befestigung des jeweiligen Batteriemoduls 32 an der Kühleinrichtung 36 zum Beispiel auch nur die beschriebene Klebeschicht 35 verwendet werden, die vorzugsweise auch wärmeleitend ausgebildet ist, zumindest mit einer Wärmeleitfähigkeit, die derjenigen bekannter Gapfiller entspricht.
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Für die Ausbildung der Kühleinrichtung 36 gibt es mehrere Möglichkeiten, die nachfolgend noch näher beschrieben sind. Insbesondere weist die Kühleinrichtung 36 aber in jedem Fall ein Trennelement 44 auf (vergleiche zum Beispiel 4), welches die dem Batteriemodul 32 zugewandte Seite 36a bereitstellt. Dieses Trennelement 44, und entsprechend auch diese erste Seite 36a der Kühleinrichtung 36 lässt sich dabei in mehrere Bereiche untergliedern. Ein erster Bereich 44a des Trennelements 44 stellt dabei einen Modulauflagebereich dar, auf welchen das Batteriemodul 32 aufgesetzt wird beziehungsweise in welchen das Batteriemodul 32 angeordnet beziehungsweise mit seinem Boden über die Klebeschicht 35 angeklebt wird. Ein zweiter Bereich stellt einen Übergangsbereich 44b zu einem Randbereich 44c dar. Dabei wird der Rahmen 38 der Batterieanordnung 30 so auf die Anordnung aus Batteriemodul 32 und der Kühleinrichtung 36 aufgesetzt, dass zumindest ein Teil des Rahmens 38, insbesondere desjenigen Teils des Rahmens 38, welcher gleichzeitig auch die Außenwände des Batteriegehäuses bereitstellt, in diesem Randbereich 44c des Trennelements 44 zur Anlage gebracht wird beziehungsweise auf dieses direkt kontaktierend aufgesetzt wird. Zumindest der Übergangsbereich 44b des Trennelements 44 ist dabei elastisch flexibel ausgebildet. Dies kann auf einfache Weise dadurch bereitgestellt werden, in dem zum Beispiel das Trennelement 44 als dünnes Trennblech, zum Beispiel mit einer Dicke kleiner als 1 Millimeter, ausgebildet ist. Dadurch kann nämlich vorteilhafterweise ein Toleranzausgleich in der dargestellten z-Richtung bereitgestellt werden. Dadurch lässt es sich wieder vorteilhafterweise erreichen, dass ein Teil 38a des Rahmens 38, welcher mit einem Teil 32a des Batteriemoduls 32 verschraubt werden soll, an diesem Teil 32a des Batteriemoduls 32 direkt zur Auflage gebracht werden kann. Diese beiden Teile 38a, 32a des Rahmens 38 und des Batteriemoduls 32 können wiederum durch geeignete Schraubflansche bereitgestellt sein. Somit lassen sich vorteilhafterweise harte Schraubfälle realisieren und die Batteriemontage deutlich vereinfachen, ohne dass hier zusätzlich irgendwelche Abstandselemente zwischen diesen Flanschen 38a, 32a vorgesehen werden müssen. Diese einzelnen Montageschritte sind nochmal detailliert in 4 dargestellt.
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4 zeigt dabei ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens der Batteriemontage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In einem Schritt S10 wird dabei eine Kühleinrichtung 36 bereitgestellt, insbesondere wiederum auf einem planen Werkstückträger 40. Die Kühleinrichtung 36 kann dabei auf unterschiedliche Art und Weise bereitgestellt sein, zum Beispiel als Kühlboden, wie dieser hier exemplarisch auch in den Schritten S10, S12 und S14 veranschaulicht ist. Dabei weist die Kühleinrichtung 36 ein Trennelement 44 auf, welches gleichzeitig auch die erste Seite 36a der Kühleinrichtung 36 bereitstellt, welche dem darauf angeordneten Batteriemodul 32 zugewandt ist. Gleichzeitig bildet in diesem Beispiel der Kühleinrichtung 36 dieses Trennelement 44 auch eine Wand zumindest eines von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanals 36d der Kühleinrichtung 36.
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Auf der diesem Trennelement 44 gegenüberliegenden Seite kann der mindestens eine Kühlkanal 36d durch eine weitere Wand 36b begrenzt sein. Alternativ kann die Kühleinrichtung 36 auch so ausgebildet sein, insbesondere wie dies exemplarisch in den Schritten S16 und S18 veranschaulicht ist, dass die Kühleinrichtung 36 eine separate Kühleinheit 36c aufweist. Diese Kühleinheit 36c kann wiederum als eine Kühlplatte mit darin verlaufenden Kühlkanälen, die hier nicht explizit dargestellt sind, ausgebildet sein. Diese Kühleinheit 36c kann dann entsprechend über eine Klebeschicht 35 an das Trennelement 44 unterseitig angeklebt sein. Sollte für die Batterieanordnung 30 eine derart ausgebildete Kühleinrichtung 36 verwendet werden, so können dem hier beschriebenen Montageschritt S10 auch noch weitere Montageschritte vorausgehen, in welchen zunächst die Kühleinheit 36c bereitgestellt wird, auf diese eine Klebeschicht aufgebracht wird, auf welche dann wiederum das Trennelement 44 aufgesetzt und angeklebt wird, wodurch die Kühleinrichtung 36 bereitgestellt wird, was nun Ausgangspunkt für die weiteren Verfahrensschritte, insbesondere den weiteren Verfahrensschritt S12 ist. In diesem weiteren Verfahrensschritt S12 wird nun oberseitig auf die Kühleinrichtung 36, das heißt auf die oben beschriebene erste Seite 36a, insbesondere in einem Modulauflagebereich 44a (vergleiche 3) des Trennelements 44 eine Klebeschicht 35 aufgebracht. Auf diese Klebeschicht 35 wird im nächsten Schritt S14 nun eine Anordnung aus Batteriemodulen 32 aufgesetzt. Dabei ist es bevorzugt, dass die jeweiligen Batteriemodule 32 dabei nicht einzeln auf die Kühleinrichtung 36 aufgesetzt werden, sondern bereits vorher, zum Beispiel durch geeignete Verschraubungen zueinander in ihrer Anordnung fixiert werden, und dann als Gesamtheit auf die Kühleinrichtung 36, insbesondere auf die darauf befindliche Klebeschicht 35, aufgesetzt und damit mit der Kühleinrichtung 36 verklebt werden. Optional kann hierbei auch eine Andrück- beziehungsweise Kalibriervorrichtung 46 verwendet werden, mittels welcher die Batteriemodule 32 leicht an die Kühleinrichtung 36 angedrückt werden können, zum Beispiel bis der Kleber der Klebeschicht 35 ausgehärtet ist. Anschließend kann diese Andrück- beziehungsweise Kalibriervorrichtung 46 wieder entfernt werden, insbesondere bevor nun in Schritt S16 der Rahmen 38 auf die Anordnung aus Batteriemodulen 32 und Kühleinrichtung 36 aufgesetzt wird. Das Aufsetzen des Rahmens 38 kann dabei mit Hilfe eines geeigneten Werkstückträgers 48 erfolgen, zum Beispiel in der hier dargestellten Fügerichtung 50. Dieser Rahmen 38 stellt nun in diesem Beispiel zum einen Außenwände 38b eines Batteriegehäuses bereit, sowie auch zwischen Batteriemodulen 32 angeordnete Trennwände 38c. Sowohl diese Trennwände 38c als auch die Außenwände 38b des Rahmens 38 weisen dabei wiederum geeignete Schraubflansche 38a auf, die mit geeigneten Schraublöchern versehen sind, um in einem nachfolgenden Schritt S18 den Rahmen 38 mit den Batteriemodulen 32 zu verschrauben, insbesondere mittels hier schematisch dargestellter Schrauben 52. Der Werkstückträgers 48 kann dabei vorher entfernt werden oder aber auch während des Verschraubvorgangs beibehalten werden, um den Rahmen 38 einfacher relativ zu dem Batteriemodul 32 in seiner Position zu halten. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist dieser Werkstückträgers 48 jedoch in Schritt S18 nicht dargestellt. Die Verschraubung des Rahmens 38 mit den Batteriemodulen 32 findet dabei vorzugsweise von oben statt, das heißt die jeweiligen Schrauben 52 werden dabei durch die dargestellten Flansche 38a in korrespondierende Teile, zum Beispiel ebenfalls Flansche 32a der Batteriemodule 32 in eine Richtung von den Batteriemodulen 32 zur Kühleinrichtung 16 eingeführt und verschraubt. Eine Verschraubung von unten, das heißt durch die Kühleinrichtung 16 hindurch, wäre ebenso denkbar, ist jedoch aufwändiger und daher weniger bevorzugt.
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Der Rahmen 38, insbesondere die Seitenwände 38b des Rahmens 38, sitzen dabei auf dem Randbereich 44c des Trennelements 44 auf, welches elastisch und flexibel an den Modulauflagebereich 44a, an welchen das Batteriemodul 32 anliegt, verbunden ist. Hierdurch lässt sich also vorteilhafterweise der beschriebenen Toleranzausgleich in z-Richtung darstellen, wodurch sich harte Schraubfälle bei der Verschraubung des Rahmens 38 mit den Batteriemodulen 32 realisieren lassen, ohne irgendwelche aufwändigen zusätzlichen Elemente. Dieser Toleranzausgleich ist nun nochmal exemplarisch in 5 veranschaulicht.
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5 zeigt dabei eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterieanordnung 30 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Insbesondere kann die Batterieanordnung 30, wie in 5 schematisch dargestellt, das Ergebnis des Verfahrens, wie zu 4 beschrieben, darstellen. Insbesondere sind hierbei noch einmal die jeweiligen Bereiche 44a, 44b, 44c des Trennelements 44 vergrößert dargestellt, um das Prinzip dieses Toleranzausgleichs in einer hier etwas übertriebenen Darstellung zu verdeutlichen. Wie beschrieben weist das Trennelement also einen zentralen Modulauflagebereich 44a auf, auf welchen die jeweiligen Batteriemodule 32 aufliegen. Dabei kann für ein jeweiliges Batteriemodul 32 auch eigens ein solcher Modulauflagebereich 44a vorgesehen sein. An diese Modulauflagebereiche 44a schließt sich dabei zum Rand des Trennelements 44 hin ein Übergangsbereich 44b an, der einen Modulauflagebereich 44a mit dem Randbereich 44c des Trennelements 44 verbindet. Im Randbereich ist wie beschrieben die Seitenwand 38b des Rahmens 38 angeordnet. Dadurch, dass zumindest der Übergangsbereich 44b des Trennelements 44 flexibel ausgebildet ist, kann nun vorteilhafterweise beim Aufsetzen des Rahmens 38 und beim Befestigen des Rahmens 38 an den Batteriemodulen 32 vorteilhafterweise ein Toleranzausgleich bereitgestellt werden, was durch die Biegungen des Trennelements 44 in diesen Übergangsbereich 44b in 5 veranschaulicht ist. Auch hier kann das Trennelement 44 wiederum als dünnes Blech ausgebildet sein, welches einen solchen Toleranzausgleich auf besonders einfache und kostengünstige Weise ermöglicht, da ein solches Blech ohnehin derart elastisch flexible Eigenschaften aufweist. In diesem Beispiel weist die Kühleinrichtung 36 darüber hinaus wiederum eine separate Kühleinheit 36c auf, welche unterseitig am Trennelement 44 angeklebt ist. Die Kühleinheit 36c kann aber auch hier analog wieder als Kühlboden bereitgestellt sein, wie zum Beispiel zu 4, insbesondere Schritt S10 beschrieben.
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Die Klebeschicht 35 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in 5 nicht explizit dargestellt, befindet sich jedoch weiterhin zwischen den jeweiligen Batteriemodulen 32 und der Oberseite des Trennelements 44.
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6 zeigt weiterhin eine schematische und perspektivische Darstellung einer Batterieanordnung 30 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch diese Batterieanordnung 30 umfasst wie beschrieben mehrere Batteriemodule 32, von denen hier exemplarisch nur zwei dargestellt sind. Weiterhin umfasst die Batterieanordnung 30 wiederum einen Rahmen 38, sowie eine Kühleinrichtung 36. Insbesondere kann die Batterieanordnung 30 wie bereits zuvor beschrieben ausgebildet sein.
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Insbesondere sind in dieser Darstellung die Geometrien der Trennwände 38c besonders gut zu erkennen. Diese sind im Querschnitt vorzugsweise T-förmig ausgebildet und weisen in der dargestellten z-Richtung also entsprechend vorzugsweise eine Verbreiterung 38a auf, die gleichzeitig auch wiederum die Schraubflansche 38a bereitstellt. In diesen verbreiterten Bereichen 38a sind also entsprechend Schraublöcher 54 angeordnet, durch welche die Schrauben 52 (vergleiche 4) hindurchführbar sind, um den Rahmen 38 an den jeweiligen Batteriemodulen 32 zu befestigen. Von den Schraublöchern 54 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur manche mit einem Bezugszeichen versehen. Durch diese Geometrie lässt sich eine besonders bauraumeffiziente Anordnung zwischen dem Rahmen 38 und den jeweiligen Batteriemodulen 32 sowie eine besonders einfache Verschraubung bereitstellen. Ein besonders großer Vorteil besteht nun noch zusätzlich darin, dass Vorhaltungen im Lochbild bereitgestellt werden können, um ein flexibles Modulraster zu ermöglichen. Beispielsweise können vielzählige solcher Schraublöcher 54 entlang des durch den Rahmen 38 bereitgestellten Trennstegs 38c im Flanschbereich 38a vorgesehen werden, wovon nicht alle zum Verschrauben beziehungsweise zum Befestigen des Rahmens 38 mit einem jeweiligen Batteriemodul 32 verwendet werden müssen, sondern auch nur manche davon ausgewählt und verwendet werden können, zum Beispiel je nach Anordnung der Batteriemodule 32 zueinander, sowie zum Beispiel auch je nach Größe des jeweiligen Batteriemoduls 32. Dies ermöglicht es nämlich vorteilhafterweise, auch Batteriemodule 32 unterschiedlicher Größen verwenden zu können, ohne dafür irgendwelche zusätzliche Modifikationen am Batteriegehäuse, insbesondere am Rahmen 38 bis auf die vorzusehenden Löcher 54 vornehmen zu müssen. Dies ist in 7 noch einmal detailliierter veranschaulicht.
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7 zeigt dabei eine Explosionsdarstellung der Batterieanordnung 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere zeigt 7 dabei den beschriebenen Rahmen 38 mit seinen Außenwänden 38b, sowie den jeweiligen Trennwänden 38c. Zudem ist auch wieder die Anordnung umfassend die Kühleinrichtung 36 mit darauf aufgeklebten Batteriemodulen 32 zu sehen. Diese Batteriemodule 32 können dabei unterschiedlich groß sein, wie in 7 ebenfalls dargestellt. Insbesondere sind hierbei Batteriemodule 32 in vier verschiedene Größen dargestellt. Die Größen der Batteriemodule 32 können sich dabei zum Beispiel hinsichtlich ihrer Länge unterscheiden, während Breite und Höhe, das heißt Ausdehnung in z-Richtung, vorzugsweise gleich sind. Das kürzeste Batteriemodul ist in diesem Beispiel mit 32C bezeichnet, ein etwas längeres Batteriemodul mit 32A, ein Batteriemodul 32B ist darüber hinaus länger als das mit 32A bezeichnete Batteriemodul, und das größte beziehungsweise längste Batteriemodul 32 ist mit 32D bezeichnet. Durch das zu 6 beschrieben Lochmuster im Rahmen 38 wird also vorteilhafterweise eine Anordnung aus verschieden großen Batteriemodulen 32 ermöglicht.
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8 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterieanordnung 30 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hierbei ist wiederum exemplarisch ein Batteriemodul 32 dargestellt, sowie die Kühleinrichtung 36, welche wiederum das Trennelement 44 sowie eine daran angeordnete und separat ausgeführte Kühleinheit 36c mit Kühlkanälen 36d umfasst. Die Kühleinrichtung 36, insbesondere das Trennelement 44 ist dabei wiederum an die Unterseite des Batteriemoduls 32 durch die Klebeschicht 35 angeklebt. Das Batteriemodul 32 umfasst dabei mehrere Batterieeinzelzellen, die in diesem Beispiel nicht separat dargestellt sind. Diese sind durch eine Fassung 56, wie zum Beispiel einem Winkeleisenrahme zum Einfassen der Einzelzellen, eingefasst. Diese Fassung 56 erstreckt sich dabei in einem Randbereich des Batteriemoduls 32 auch unterhalb der Batteriezellen. Dies bewirkt, dass der Boden des Batteriemoduls 32 in einem zentralen Bereich 60 gegenüber einem Randbereich 58 in z-Richtung erhöht ist. Um dabei gleichzeitig den Spalt zwischen dem Modulboden des Batteriemoduls 32, vor allem im zentralen Bereich 60, und dem Trennelement 44 so gering wie möglich zu halten, kann das Trennelement 44 in seiner Formgebung korrespondierend an die Geometrie des Modulbodens angepasst sein. Entsprechend weist auch das Trennelement 44 vorzugsweise in einem zentralen Bereich, der zum zentralen Bereich 60 des Batteriemoduls 32 korrespondiert, des Modulauflagebereichs 44a des Trennelement 44 eine Erhöhung gegenüber einem Randbereich dieses Modulauflagebereichs 44a auf, wobei dieser Randbereich wiederum zum Randbereich 58 des Batteriemoduls 32 korrespondiert. Eine solche Erhöhung in z-Richtung kann zum Beispiel auf einfache Weise durch eine Verprägung des Trennelements 44 bereitgestellt sein.
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Weiterhin kann zwischen dem Randbereich 58 des Batteriemoduls 32 und dem Trennelement 44 ein jeweiliges Abstandselement 62 angeordnet sein, insbesondere aus beliebigem Material, wobei zwischen solchen Abstandshaltern beziehungsweise Abstandselementen 62 und dem Batteriemodul 32 beziehungsweise dem Trennelement 44 ebenfalls Klebstoff angeordnet sein kann. Dies ermöglicht vorteilhafterweise ein besonders einfaches Heraustrennen der Batteriemodule 32 beziehungsweise Abtrennen dieser vom Trennelement 44, zum Beispiel mittels einer Drahtsäge. Durch diese Abstandselemente 62 kann ein solcher Heißdraht auf besonders einfache Weise zwischen das Batteriemodule 32 und dem Trennelement 44 eingeführt werden, und insbesondere entlang der hier dargestellten Schnittlinie 64 die Verbindung z wischen dem Batteriemodul 32 und dem Trennelement 44 durchtrennen. Durch diese Abstandshalter 62 wird also vorteilhafterweise das Unterfahren mit dem Sägedraht ermöglicht. Im Kundendienstfall oder auch für das Recycling der Batterieanordnung 30 können in vorteilhafterweise die Batteriemodule 32 wieder vom Gehäuse, insbesondere von der Kühleinrichtung 36 getrennt werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein alternatives Batteriekonzept ermöglicht wird, welches es durch die Bereitstellung eines verklebten Modulsets, insbesondere hängend am Trägerrahmen, mit einem außen liegenden Toleranzausgleich ermöglicht, auf die Verwendung von üblichen Gapfillern zum Toleranzausgleich zu verzichten, sowie auf zusätzliche Toleranzausgleichselementen, aufwändige Gapfillerinjektionsverfahren und zusätzliche Schraubverbindungen zwischen Kühlboden und Trägerstruktur. Durch das vorgeschlagene Konzept können flexiblere Modulgrößen, und vor allem auch größere Batteriemodule, flexibel eingesetzt werden und zudem auch die Kühlungseffizienz in vielerlei Hinsicht gesteigert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016009972 A1 [0005]
- WO 2013/171205 A1 [0006]
- DE 102013021549 A1 [0007]
- DE 102012018045 A1 [0008]
