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Die Erfindung betrifft einen Batteriekasten zur Aufnahme von Batteriezellenmodulen mit einem Kastenboden, Kastenseitenwänden und vorzugsweise einem Kastendeckel, der dicht auf den Kastenwänden befestigbar ist, wobei der Batteriekasten mit einer aktiven Kühlung der Batteriezellenmodule mittels eines flüssigen Kühlmittels ausgestattet ist und mit Kühlmittelanschlüssen zur Zuleitung und Abführung des Kühlmittels, die mit einer externen Kühlquelle verbunden oder verbindbar sind.
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Derartige Batteriekästen sind im Stand der Technik bekannt. Hierzu wird beispielsweise auf die
US 2010/0136402 A1 verwiesen.
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Solche Batteriekästen dienen dafür, wieder aufladbare Akkumulatoren für Elektro- oder Hybridfahrzeuge im Fahrzeug lagesicher zu haltern und zu transportieren. Dazu wird der entsprechende Batteriekasten in das Fahrzeug eingebaut und zwar überwiegend im Bodenbereich des Fahrzeugchassis.
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Da solche Batteriekästen, insbesondere bei einem Crash des entsprechend damit ausgerüsteten Fahrzeuges, extrem belastet sind, weil sie beispielsweise von Querimpacts oder auch Längsimpacts beansprucht sind, die nicht von der Karosseriestruktur oder Fahrzeugstruktur aufgenommen sind, besteht ein Bedarf dahingehend, solche Batteriekästen sehr stabil auszubilden, sodass sie einer möglichen Crashbelastung ohne Weiteres Stand halten können. Darüber hinaus besteht der Wunsch, die Kühlung der in dem Batteriekasten untergebrachten Batteriezellenmodule mit einfachen Mitteln aber äußerst zweckmäßig zu realisieren. Schließlich besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine besondere Lösung für einen Batteriekasten zur Verfügung zu stellen, die den Stand der Technik bereichert.
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Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass der Kastenboden aus einer formstabilen Grundplatte und einer darauf zumindest flüssigkeitsdicht befestigten Wanne besteht, deren Wannenraum der Grundplatte zugewandt ist und die die Grundplatte beinahe vollständig überdeckt, wobei zwischen der Grundplatte und dem Boden der Wanne ein Strömungsspalt für Kühlmittel gebildet ist, und dass die Wanne an zwei gegenüberliegenden Endbereichen jeweils ein Kühlmittelbassin mit der Grundplatte bildet, dessen Boden jeweils von der Grundplatte einen Abstand hat, der erheblich größer als der Strömungsspalt ist, vorzugsweise mindestens den dreifachen Abstand, und dass das Kühlmittelbassin jeweils über die gesamte Breite der Wanne verläuft und nur von einem umlaufenden Flanschrand überragt ist, der mit der Grundplatte verbunden ist, und dass eines der Kühlmittelbassins einen Zulaufanschluss für das Kühlmittel und ein anderes Kühlmittelbassin einen Ablaufanschluss für das Kühlmittel aufweist, wobei beide Kühlmittelbassins in den Strömungsspalt einbeziehungsweise ausmünden.
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Demgemäß besteht der Kastenboden des Batteriekastens aus einer formstabilen Grundplatte. Diese formstabile Grundplatte dient dazu, eventuelle Kräfte aus crashbedingten Ereignissen aufzunehmen, ohne dass der Batteriekasten insgesamt zerstört wird, wobei die formstabile Grundplatte auch dazu dient, quasi als Unterfahrschutz eines Fahrzeuges zu verhindern, dass felsiger Untergrund oder dergleichen beim Überfahren in den Kastenboden eindringen kann. Die formstabile Grundplatte soll also eine sehr gute Stabilität und Festigkeit aufweisen, darüber hinaus aber auch eine ausreichende Restdehnung, um Deformationsreserven zur Energieaufnahme zur Verfügung zu stellen, die bei einem Impact auf den Batteriekasten benötigt werden.
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Die auf der Grundplatte flüssigkeitsdicht befestigte Wanne soll möglichst leicht zu fertigen sein und ohne großen Aufwand an der Grundplatte befestigbar sein. Zum Zwecke der Kühlung der Batteriezellenmodule ist zwischen der Grundplatte und dem Boden der Wanne ein Strömungsspalt für Kühlmittel gebildet. Das Kühlmittel wird zunächst über einen Kühlmittelzulauf in den Bereich zwischen Wanne und Grundplatte eingespeist, in welchem sich ein Kühlmittelbassin mit größerem Inhaltsvolumen befindet. Von dort aus kann das Kühlmittel über einen Verbindungsspalt zwischen dem Kühlmittelbassin und dem Strömungsspalt in den Strömungsspalt zwischen Grundplatte und Wannenboden durchströmen und die darauf abgestellten Batteriezellenmodule kühlen. Ablaufseitig läuft das Kühlmittel wiederum über einen Verbindungsspalt zwischen einem weiteren Kühlmittelbassin und dem Strömungsspalt in das entsprechendes Kühlmittelbassin größeren Volumens, welches zwischen der Grundplatte und der Wanne ausgebildet ist, wobei das Kühlmittel von dort über den Kühlmittelablaufanschluss abgeführt wird und wieder zum Kälteerzeuger zurückgeführt werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass der Strömungsspalt für Kühlmittel zwischen dem Boden der Wanne und der Grundplatte sehr eng ist, sodass das Kühlmittel hier homogen durchströmen kann, wobei die beiden Kühlmittelbassins relativ großvolumig sind und einen größeren Abstandsspalt zwischen sich und der Grundplatte herstellen, sodass die Einspeisung des Kühlmittels mit relativ geringem Druck erfolgen kann und das Kühlmittel sich gleichmäßig über den Strömungsspalt verteilt und zum Auslass beziehungsweise zum auslassnahen Kühlmittelbassin geführt wird. Hierdurch wird eine Kühlmitteldurchströmung sichergestellt, ohne dass hohe Arbeitsdrücke für die Zuführung des Kühlmittels erforderlich wären. Die auf der Grundplatte befestigte Wanne weist einen umlaufenden Flanschrand auf, der mit der Grundplatte verbunden ist, wobei aufgrund der Tatsache, dass das Kühlmittel nur mit geringem Druck durch das System geleitet wird, die Verbindung von Grundplatte und Flanschrand der Wanne mit einfachen Mitteln durchgeführt werden kann, da keine hohen Drücke wirken. Beispielsweise kann die Verbindung zwischen den Teilen eine Klebverbindung sein.
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Zum Zuführen und Abführen des Kühlmittels sind entsprechende Anschlüsse im Bereich der beiden Kühlmittelbassins vorgesehen.
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Durch die große für die Wärmeübertragung zur Verfügung gestellte Fläche der Wanne entsteht ein sehr großer Wärmeübergang auf das durchströmende Kühlmedium nach Art eines Vollflächenabsorbers. Dadurch kann eine besonders effektive Kühlung der auf dem Wannenboden aufgestellten Batterien erfolgen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass vom Wannenboden Versteifungssicken abragen, die an der Grundplatte anliegen.
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Hierdurch wird in einfacher Weise eine Versteifung des Wannenbodens erreicht, sodass die Wanne selbst aus relativ dünnwandigem Material hergestellt werden kann oder auch aus Material, welches keine sehr hohe Formstabilität aufweist.
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Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Versteifungssicken an der Grundplatte befestigt sind, zum Beispiel durch Klebung, Schweißung.
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Die Versteifungssicken dienen dabei nicht nur zur Versteifung des Wannenbodens, sondern auch zur Befestigung der Wanne an der Grundplatte, sodass nicht nur die umlaufende Befestigung über einen Flanschrand ermöglicht ist, sondern eine Vielzahl von weiteren Befestigungspunkten zwischen der Wanne und Grundplatte gebildet sind.
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Die Befestigung kann in einfacher Weise durch Klebung aber auch durch Schweißung erfolgen, sofern die Materialien schweißbar sind. Auch ein Löten oder mechanisches Fügen sind möglich.
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Auch ist bevorzugt vorgesehen, dass die Versteifungssicken napfartig geformt sind.
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Die Fertigung napfartiger Sicken ist besonders einfach und kostengünstig möglich. Die napfartigen Sicken weisen eine der Grundplatte zugewandte ebene Fläche auf, mit der die Sicken zumindest an der Grundplatte anliegen oder mit dieser verbunden sind.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Grundplatte als Unterfahrschutz für ein Fahrzeug mit Batteriekasten ausgebildet ist.
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Demgemäß ist die Grundplatte gleichzeitig der Unterfahrschutz für ein Fahrzeug mit Batteriekasten, sodass nicht eine separate Platte zum Unterfahrschutz installiert werden muss, sondern die Grundplatte des Batteriekastens selbst den Unterfahrschutz bildet.
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Auch ist hierbei bevorzugt vorgesehen, dass die Grundplatte mindestens die doppelte Wandstärke der Wanne aufweist.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Grundplatte aus hochfestem Stahlmaterial mit einer hohen Restdehnung besteht.
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Dadurch verfügt die Grundplatte über eine hohe Energieaufnahmefähigkeit.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Grundplatte nach Art einer Sandwichplatte mit mehreren Materiallagen ausgebildet ist.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Wanne aus tiefziehfähigem Werkstoff, insbesondere Stahl, besteht.
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Gemäß diesem Werkstoff ist es in einfacher Weise möglich, die Wanne mit allen Bestandteilen in einfacher Weise im Wege des Tiefziehens zu fertigen.
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Auch ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass die Wanne einen umlaufenden Flanschrand aufweist, mit dem sie am umlaufenden Rand der Grundplatte befestigt ist, insbesondere geklebt oder geschweißt.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Wanne samt Flanschrand, Sicken, Bassins und Zulauf- und Ablaufanschlüssen, insbesondere Anschlussstutzen, einstückig ausgebildet, insbesondere tiefgezogen ist.
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Hierdurch wird die Wanne als komplettes Fertigelement hergestellt und zur Verfügung gestellt, welches lediglich noch auf die Grundplatte aufgebracht und mit dieser verbunden werden muss.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass der Wannenboden von der Grundplatte weggerichtete Versteifungssicken aufweist, die in einem an die Abmessung aufzustellender Batteriezellenmodule angepassten Rastermaß vorgesehen sind.
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Diese Versteifungssicken dienen natürlich ebenfalls zur Versteifung des Wannenbodens, wobei sie aber die zusätzliche Aufgabe erfüllen, quasi im Rastermaß der Batteriezellenmodule entsprechende Positionierhilfen zur Verfügung zu stellen, sodass eine Hilfe für das Anordnen der Batteriezellenmodule gebildet ist und zugleich eine gewisse Arretierung der Batteriezellenmodule aufgrund der angebrachten Versteifungssicken erreicht wird.
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Bevorzugt ist ferner vorgesehen, dass die Grundplatte einstückig mit von dieser randseitig aufragenden Kastenseitenwänden ausgebildet ist.
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Durch eine derartige Ausgestaltung ist der Kasten mit der Grundplatte und den Seitenwänden einstückig ausgebildet. Beispielsweise kann dieses Teil aus einer Blechplatte abgekantet werden und entsprechend fertiggestellt werden, wobei die offenen Stoßkanten miteinander verschweißt werden können.
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Es ist aber auch möglich, die Grundplatte separat herzustellen und auf diese separate Kastenseitenwände auszusetzen und mit der Grundplatte zu verbinden. Alternativ kann die Grundplatte samt Kastenseitenwänden ein Tiefziehteil sein. Dadurch werden zusätzliche Abdichtungen im Bereich von Stoßkanten vermieden.
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Des Weiteren wird als vorteilhaft angesehen, dass zwischen Kastendeckel und den Randkanten der Kastenseitenwände eine Dichtung als Dichtmasse oder als Schnurdichtung aufgebracht ist.
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Eine solche Ausgestaltung ist an sich im Stand der Technik bekannt.
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Des Weiteren ist vorteilhaft, wenn die Kastenseitenwände Anschlüsse für Kühlmittelleitungen aufweisen, die mit den Zulauf- und Ablaufanschlüssen der Kühlmittelbassins verbunden oder verbindbar sind.
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Auch kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Kastenseitenwände elektrische Verbinder oder Durchführungen aufweisen, die mit einer abführenden elektrischen Leitung und den Anschlüssen der Batteriezellenmodule verbunden sind.
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Es ist somit nicht nur möglich, die Kühlmittelleitungen durch die Kastenseitenwände zu führen, sondern ebenfalls können elektrische Leitungen durch die Kastenseitenwände hindurch kontaktiert werden, um die entsprechenden Anschlüsse zu den Batteriezellenmodulen herzustellen beziehungsweise zu einem äußeren Stromabnehmer zu führen.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass der Batteriekasten mit mindestens einem Druckausgleichventil zwischen dessen Innenraum und der Außenluft ausgestattet ist.
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Vorzugsweise ist dabei ein doppelt wirkendes Druckausgleichsventil vorgesehen, welches sowohl einen Überdruck innerhalb des Batteriekastens als auch einen zu großen Unterdruck innerhalb des Batteriekastens ausgleichen kann. Das Druckausgleichventil steht entsprechend mit der Innenatmosphäre des Batteriekastens und der Außenatmosphäre außerhalb des Batteriekastens in Verbindung.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung wird darin gesehen, dass mindestens die Grundplatte oder auch die Kastenseitenwände aus einer Stahlplatte mit einer Dicke von 2,0 mm bis 5 mm, vorzugsweise 2,0 mm bis 2,5 mm, bestehen.
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Zudem ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Wanne aus tiefziehfähigem Stahl einer Dicke von 0,5 mm bis 2 mm, vorzugsweise 0,5 mm bis 1 mm besteht.
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Auch ist bevorzugt vorgesehen, dass ein äußeres Kühlmittelversorgungssystem an die Zulauf- und Ablaufanschlüsse angeschlossen ist, das Kühlmittel mit niedrigem Speisedruck von kleiner 0,4 bar, vorzugsweise kleiner als 0,1 bar einspeist, wobei durch die Kombination von Kühlmittelbassins und Strömungsspalt eine gleichmäßige homogene Strömung des Kühlmittels eingestellt ist.
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Durch die konstruktive Lösung, die die Erfindung zur Verfügung stellt, ist es möglich, das Kühlmittelversorgungssystem mit einem sehr niedrigen Speisedruck zu betreiben und dennoch eine gleichmäßige Kühlung oder gerade deswegen eine gleichmäßige Kühlung zu erreichen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 eine isometrische Ansicht eines Batteriekastens ohne Deckel, rein schematisch;
- 2 eine Variante in gleicher Ansicht;
- 3 die Variante gemäß 2 im Schnitt I/I gesehen;
- 4 die Variante der 2 im Schnitt II/II gesehen;
- 5 eine Einzelheit der 1 in isometrischer Ansicht;
- 6 eine weitere Einzelheit der 1 in isometrischer Ansicht.
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In der Zeichnung ist ein Batteriekasten 1 gezeigt, der zur Aufnahme von Batteriezellenmodulen dient und zum Einbau in ein KFZ, insbesondere in dessen Bodenbereich bestimmt ist.
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Der Batteriekasten 1 weist einen später noch beschriebenen Kastenboden sowie im Ausführungsbeispiel vier Kastenseitenwände 2 auf sowie einen Kastendeckel, der auf die Kastenseitenwände dicht aufgefügt und der in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Batteriekasten 1 rechteckig.
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Der Batteriekasten 1 ist mit einer aktiven Kühlung der Batteriezellenmodule mittels eines flüssigen Kühlmittels ausgestattet und mit Kühlmittelanschlüssen zur Zuleitung und Abführung des Kühlmittels, die mit einer externen Kühlquelle verbunden oder verbindbar sind, ausgestattet.
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Als Besonderheit weist der Batteriekasten einen Kastenboden 3 aus einer formstabilen Grundplatte auf und eine darauf zumindest flüssigkeitsdicht befestigte Wanne 4, deren Wanneninnenraum der Grundplatte 3 in der Montagesolllage zugewandt ist und welche die Grundplatte 3 im Wesentlichen vollständig überdeckt.
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Zwischen der Grundplatte 3 und dem Boden 5 der Wanne 4 ist ein Strömungsspalt 6 für Kühlmittel gebildet. Die Wanne 4 bildet an zwei gegenüberliegenden Endbereichen, wie beispielsweise in 5 ersichtlich, jeweils ein Kühlmittelbassin 7 mit der Grundplatte 3, dessen Boden jeweils von der Grundplatte 3 einen Abstand hat, der erheblich größer als der Strömungsspalt 6 ist. Vorzugsweise beträgt dieser Abstand mindestens die dreifache Größe des Strömungsspaltes 6.
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Jedes Kühlmittelbassin 7 reicht jeweils über die gesamte Breite der Wanne 4 und wird nur von einem umlaufenden Flanschrand 8 der Wanne 4 überragt. Dieser Flanschrand 8 dient dazu, die Wanne 4 mit der Grundplatte 3 zu verbinden, auf welcher der Flanschrand 8 aufliegt.
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Eines der Kühlmittelbassins 7 weist einen Zulaufanschluss 9 und ein anderes Kühlmittelbassin 7 weist einen Ablaufanschluss 10 auf, die in Bezug auf die quadratische oder rechteckige Grundform der Wanne beziehungsweise der Grundplatte 3 diagonal zueinander ausgerichtet sind.
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Zusätzlich ragen vom Boden der Wanne 4 Versteifungssicken 11 ab, die in der Einbausollsituation an der Grundplatte 3 anliegen und vorzugsweise mit dieser durch Klebung oder Schweißung verbunden sind. Diese Versteifungssicken 11 sind vornehmlich napfartig geformt, wie insbesondere aus der Schnittdarstellung ersichtlich, sodass das Durchströmkühlmittel nicht wesentlich durch diese Versteifungssicken behindert wird.
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Die Grundplatte 3 ist so ausgebildet, dass sie als Unterfahrschutz für ein Kraftfahrzeug mit Batteriekasten dient. Dazu hat die Grundplatte 3 mindestens die doppelte Wandstärke der Wanne 4.
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Die Grundplatte 3 besteht vorzugsweise aus hochfestem Stahlmaterial und verfügt gleichzeitig über eine sehr hohe Restdehnung, während die Wanne 4 aus tiefziehfähigem Werkstoff, insbesondere Stahl besteht.
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Es ist aber auch eine Lösung möglich, bei der die Grundplatte 3 nach Art einer Sandwichplatte aus zwei oder mehreren Materiallagen gebildet ist, die fest miteinander verbunden sind.
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Der umlaufende Flanschrand 8 der Wanne 4 ist mit der Grundplatte 3 im Anlagebereich verklebt oder verschweißt.
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Die Wanne 4 ist samt Flanschrand 8, Sicken 11 und Zulauf- und Ablaufanschlüssen 9,10 einstückig ausgebildet, und zwar vorzugsweise im Wege des Tiefziehens. Zusätzlich sind am Wannenboden von der Grundplatte 3 weggerichtete Versteifungssicken 12 ausgebildet, die in einem an die Abmessung aufzustellender Batteriezellenmodule 13 angepasstes Rastermaß vorgesehen sind, wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist. Es ist somit eine Hilfe beim Einbau der Batteriezellenmodule 13 gebildet und auch eine zusätzliche Lagesicherung der Module beim Betrieb des mit einem solchen Batteriekasten ausgerüsteten Fahrzeuges.
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Die Grundplatte 3 ist vorzugsweise einstückig mit von dieser randseitig aufragenden Kastenseitenwände 2 ausgebildet. Zwischen dem nicht dargestellten Kastendeckel und den Randkanten der Kastenseitenwände 2 ist zusätzlich eine Dichtung als Dichtmasse oder als Schnurdichtung aufgebracht. Auch dies ist in der Zeichnung nicht gezeigt. Auch die Kühlmittelleitung bzw. deren Anschlüsse, die die Kastenseitenwände 2 durchgreifen, sind in der Zeichnung nicht gezeigt, ebenso wenig elektrische Verbinder, die die Batteriezellenmodule mit einem äußeren Energieabnehmer verbinden. Auch ein möglicherweise vorzusehendes Druckausgleichventil zwischen Innenraum und Außenluft ist nicht dargestellt. Die Wanne 4 besteht vorzugsweise aus tiefziehfähigem Stahl mit einer Dicke von ca. 1 mm. Vorzugsweise besteht mindestens die Grundplatte 3 oder auch die Kastenseitenwände 2 aus einer Stahlplatte mit einer Dicke von ca. 2 mm oder einer Sandwichplatte mit einer Dicke von ca. 3 mm. Alternativ kann die Grundplatte 3 samt Kastenseitenwänden 2 als eine Tiefziehwanne ausgebildet sein.
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Ein äußeres Kühlmittelversorgungssystem, welches an die Zulauf- und Ablaufanschlüsse 9,10 mittelbar angeschlossen ist, ist nicht gezeigt. Hiermit kann aber das Kühlmittel bei einem niedrigen Speisedruck von beispielsweise 0,2 bar eingespeist werden, wobei hierdurch in Kombination durch die Kühlmittelbassins 7 und den Strömungsspalt 6 eine gleichmäßige homogene Strömung des Kühlmittels erreicht wird, was zu einer sehr effektiven und ausgeglichenen Kühlung der Batteriezellenmodule führt, die sich innerhalb des Batteriekastens befinden und auf der Oberseite der Wanne 4 abgestellt sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
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Alle in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0136402 A1 [0002]
