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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs.
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Eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs verfügt typischerweise über mehrere Batteriemodule. Jedes Batteriemodul der Traktionsbatterie verfügt über mehrere Batteriezellen, die unter Ausbildung eines Batteriezellenstapels nebeneinander angeordnet sind.
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Aus
US 2011/0003185 A1 sind als Pouch-Zellen ausgebildete Batteriezellen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs bekannt. Die Pouch-Zellen sind in einem Dichtungsrahmen aufgenommen.
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Aus der
US 2014/0363730 A1 sind als Pouch-Zellen ausgebildete Batteriezellen bekannt, wobei an einer Seite eines Batteriezellengehäuses der Pouch-Zelle ein Kantenprotektor aus Kunststoff mit dem Batteriezellengehäuse verbunden ist.
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Auch die
US 2007/0154799 A1 offenbart als Pouch-Zellen ausgebildete Batteriezellen, wobei an Längsseiten des Batteriezellengehäuses der Pouch-Zellen Formdichtungen ausgebildet sind.
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Die
DE 10 2012 018 043 A1 offenbart ein Batteriemodul mit einem Batteriemodulgehäuse und mit einem im Batteriemodulgehäuse positionierten Stapel aus Batteriezellen. Jede der Batteriezellen ist entlang ihres äußeren Umfangs von einem Rahmen umschlossen.
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Es besteht Bedarf daran, die Kühlung eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen zu verbessern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs eines Kraftfahrzeugs zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist ein Batteriemodulgehäuse auf. Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist ferner mehrere im Batteriemodulgehäuse aufgenommene, nebeneinander angeordnete Batteriezellen auf. Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist ferner mehrere im Batteriemodulgehäuse aufgenommene, sandwichartig zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen angeordnete Strömungsführungselemente auf, die einen Kühlspalt zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen für eine Kühlmittelführung zwischen den Batteriezellen definieren. Jede Batteriezelle des erfindungsgemäßen Batteriemoduls weist ein Batteriezellengehäuse und elektrische Anschlüsse auf.
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Jede Batteriezelle des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ist an zwei sich gegenüberliegenden Seiten von einer Formdichtung, die mehrere Dichtflächen ausbildet, zumindest abschnittsweise umschlossen. Sich gegenüberliegende erste Dichtflächen der Formdichtungen der Batteriezellen liegen abhängig von der Position der jeweiligen Batteriezelle an entsprechenden ersten Dichtflächen der Formdichtungen einer benachbarten Batteriezelle und/oder an ersten Wänden des Batteriemodulgehäuses dichtend an. Sich gegenüberliegende zweite Dichtflächen der Formdichtungen der Batteriezellen liegen an zweiten Wänden des Batteriemodulgehäuses dichtend an.
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An einer ersten Seite der Batteriezellen und der an der ersten Seite der Batteriezellen angeordneten Formdichtungen ist im Bereich der jeweiligen zweiten Dichtfläche jeweils mindestens eine Aussparung für einen Kühlmittelzulauf eingebracht, wobei an einer gegenüberliegenden zweiten Seite der der Batteriezellen und der an der zweiten Seite der Batteriezellen angeordneten Formdichtungen im Bereich der jeweiligen anderen zweiten Dichtfläche ist jeweils mindestens eine Aussparung für einen Kühlmittelablauf in die Formdichtungen eingebracht, wobei diese Aussparungen jeweils mit den von den Strömungsführungselementen definierten Kühlspalten zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen kommunizieren.
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Beim erfindungsgemäßen Batteriemodul, welches mehrere unter Ausbildung eines Batteriezellenstapels nebeneinander angeordnete Batteriezellen aufweist, zwischen welchen die Strömungsführungselemente angeordnet sind, sind an sich gegenüberliegenden Seiten der Batteriezellen bzw. der Batteriezellengehäuse Formdichtungen ausgebildet, welche das jeweilige Batteriezellengehäuse der Batteriezellen an zwei sich gegenüberliegenden Seiten zumindest abschnittsweise umschließen.
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Diese Formdichtungen stellen mehrere Dichtflächen bereit.
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Die ersten Dichtflächen der Formdichtungen dichten die nebeneinander angeordneten Batteriezellen gegeneinander ab. Im Batteriezellenstapel außenliegende Batteriezellen sind über eine dieser ersten Dichtflächen zusätzlich gegenüber ersten Wänden des Batteriemodulgehäuses abgedichtet. Die zweiten Dichtflächen der Formdichtungen liegen dichtend an zweiten Wänden des Batteriemodulgehäuses an, um die Batteriezellen gegenüber diesen Wänden abzudichten.
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Um den Kühlspalten zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen, die durch die zwischen benachbarten Batteriezellen definierten Strömungsführungselemente definiert sind, Kühlmittel zuzuführen sowie von diesen Kühlspalten Kühlmittel abzuführen, sind an sich gegenüberliegenden Seiten der Batteriezellen und Formdichtungen die Aussparungen eingebracht, und zwar im Bereich Aussparungen für einen Kühlmittelzulauf und Aussparungen für einen Kühlmittelablauf.
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Insgesamt kann hierdurch eine besonders vorteilhafte Führung des Kühlmittels durch den Batteriezellenstapel und damit eine besonders vorteilhafte Kühlung des gesamten Batteriemoduls gewährleistet werden. Sämtliche Bereiche der Batteriezellen können effektiv gekühlt werden.
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Vorzugsweise weisen die Formdichtungen den Strömungsführungselementen zugewandte Rippen auf, die einen Spalt zwischen den Formdichtungen und den Strömungsführungselementen unterbrechen. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls verfügt über den Vorteil, dass Toleranzen der Strömungsführungselemente über die den Strömungsführungselementen zugewandten Rippen der Formdichtungen ausgeglichen werden können. Es besteht keine Gefahr, dass Kühlmittel durch einen Spalt zwischen den Formdichtungen und den Stirnseiten der Strömungsführungselemente strömt und so die Kühlwirkung beeinträchtigt.
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Die Batteriezellen sind insbesondere als prismatische Zellen oder Flach-Zellen, die ein festes Gehäuse in kubischer Form aufweisen, oder als vorzugsweise Pouch-Zellen, die ein flexibles, von einer Folie gebildetes Gehäuse aufweisen, ausgebildet. Die Erfindung kommt insbesondere dann besonders vorteilhaft zum Einsatz, wenn die Batteriezellen als Pouch-Zellen ausgebildet sind.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 einen schematisierte Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Batteriemodul einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs;
- 2 eine schematisierte, perspektivische Ansicht einer Batteriezelle des erfindungsgemäßen Batteriemoduls;
- 3 eine schematisierte, perspektivische Teilansicht eines Stapels mehrerer Batteriezellen des erfindungsgemäßes Batteriemoduls;
- 4 eine schematisierte, perspektivische Teilansicht einer Batteriezelle zusammen mit einem Strömungsführungselement;
- 5 eine weitere schematisierte, perspektivische Teilansicht einer Batteriezelle;
- 6 eine weitere schematisierte, perspektivische Teilansicht einer Batteriezelle.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Batteriemodul 10 einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Das Batteriemodul 10 verfügt über ein Batteriemodulgehäuse 11, von welchem in 1 mehrere Wände 11a, 11b, 11c gezeigt sind. Die obere Wand 11a und die untere Wand 11a erstrecken sich horizontaler Richtung parallel zueinander. Eine vordere Wand 11b und eine hintere Wand 11b erstrecken sich zwischen den oberen und unteren Wänden 11a in vertikaler Richtung. Auch die seitlichen Wände 11c erstrecken sich in vertikaler Richtung zwischen den oberen und unteren Wänden 11a.
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Das Batteriemodulgehäuse 11 definiert einen Innenraum 12, in welchem ein Batteriezellenstapel 13 aus nebeneinander angeordneten Batteriezellen 14 angeordnet ist. Der Batteriezellenstapel 13 besteht nicht nur aus den nebeneinander angeordneten Batteriezellen 14, sondern auch aus sandwichartig zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen 14 angeordneten Strömungsführungselementen 15. Die Strömungsführungselemente 15, die zwischen benachbarten Batteriezellen 14 angeordnet sind, definieren jeweils einen definierten Kühlspalt zwischen jeweils benachbarten Batteriezellen 14 für eine Kühlmittelführung zwischen den Batteriezellen 14.
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In 2 ist eine Batteriezelle 14 in Alleindarstellung gezeigt. Die Batteriezelle 14 verfügt über ein Batteriezellengehäuse 16 sowie über elektrische Anschlüsse 17, 18, die der elektrischen Verschaltung der Batteriezellen 14 innerhalb des Batteriemoduls 10 dienen.
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Im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Batteriezellen 14 um sogenannte Pouch-Zellen, die ein flexibles, von einer Folie gebildetes Batteriezellengehäuse 16 aufweisen. Die Batteriezelle 14 und damit das Batteriezellengehäuse 16 verfügt im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel über zwei sich gegenüberliegende Längsseiten 14a sowie über zwei sich gegenüberliegende Schmalseiten 14b, wobei im Bereich jeder der beiden Schmalseiten 14b ein elektrischer Anschluss 17, 18 ausgebildet ist.
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Jede Batteriezelle 14 ist an zwei sich gegenüberliegenden Seiten, und zwar im Ausführungsbeispiel an den Schmalseiten 14b der Batteriezellen 14, zumindest abschnittsweise von einer Formdichtung 19 umschlossen, wobei die Formdichtungen 19 die elektrischen Anschlüsse 17, 18 freilassen.
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Die Formdichtungen 19 stellen jeweils mehrere Dichtflächen bereit, nämlich jeweils sich gegenüberliegende erste Dichtflächen 20, 21 sowie sich jeweils gegenüberliegende zweite Dichtflächen 22, 23.
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Die sich gegenüberliegenden ersten Dichtflächen 20, 21 der Formdichtungen 19 der Batteriezellen 14 liegen abhängig von der Position der jeweiligen Batteriezelle 14 im Batteriezellenstapel 13 an einer angrenzenden ersten Dichtfläche 20 oder 21 einer benachbarten Batteriezelle 14 und/oder an ersten Wänden des Batteriemodulgehäuses 11, hier an den Seitenwänden 11c, an.
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Bei solchen Batteriezellen 14, die innerhalb des Batteriezellenstapels 13 angeordnet sind, liegen die ersten Dichtflächen 20, 21 der Batteriezellen 14 jeweils an entsprechenden ersten Dichtflächen 20, 21 benachbarter Batteriezellen 14 an. Bei außenliegenden Batteriezellen 14 des Batteriestapels 13 hingegen, liegt jeweils eine der ersten Dichtflächen 20, 21 der jeweils außenliegenden Batteriezelle 14 an einer der ersten Wände 11c des Batteriemodulgehäuses 11 dichtend an, und zwar im gezeigten Ausführungsbeispiel an der in 1 gezeigten Wand 11c und der in 1 nicht gezeigten, dieser ersten Wand 11c gegenüberliegenden weiteren ersten Wand 11c des Batteriemodulgehäuses 11.
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Die sich gegenüberliegenden zweiten Dichtflächen 22, 23 der Formdichtungen 19 liegen an zweiten Wänden des Batteriemodulgehäuses 11 an, und zwar in 1 an den oberen und unteren Wänden 11a. Die zweiten Dichtflächen 22 liegen dichtend an der oberen Wand 11a und die zweiten Dichtflächen 23 dichtend an der unteren Wand 11b des Batteriemodulgehäuses 11 an.
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Um die Kühlkanäle bzw. Kühlspalte zwischen den Batteriezellen 14 des Batteriestapels 13 definiert mit Kühlmittel KM zu versorgen, sind an einer ersten Seite der Batteriezellen 14 und einer ersten Seite der an dieser ersten Seite der Batteriezellen angeordneten Formdichtungen 19, in 1 benachbart zur vorderen Wand 11b und unteren Wand 11a des Batteriezellengehäuses 11, im Bereich der zweiten Dichtflächen 23 der Formdichtungen 19 Aussparungen 25 für einen Kühlmittelzulauf in die Formdichtungen 19 eingebracht.
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An einer gegenüberliegenden zweiten Seite der Batteriezellen 14 und einer zweiten Seite der an dieser zweiten Seite der Batteriezellen angeordneten Formdichtungen 19, in 1 benachbart zur hinteren Wand 11b und oberen Wand 11a des Batteriezellengehäuses 11, sind im Bereich der jeweiligen zweiten Dichtflächen 22 entsprechende Aussparungen 24 für einen Kühlmittelablauf in die Formdichtungen 19 eingebracht.
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Die im Bereich der zweiten Dichtflächen 23 ausgebildeten Aussparungen 25 für den Kühlmittelzulauf ergänzen sich gegenseitig (siehe 3). Ebenso ergänzen sich an den gegenüberliegenden Seiten der Batteriezellen 14 die an den gegenüberliegenden zweiten Dichtflächen 22 ausgebildeten Ausnehmungen für den Kühlmittelablauf.
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Durch die obige Ausgestaltung der an den Schmalseiten 14b ausgebildeten Formdichtungen 19 mit ihren jeweils vier Dichtflächen 20, 21, 22 und 23 und den in die oberen und unteren zweiten Dichtflächen 22, 23 eingebrachten Ausnehmungen 24, 25 für einen Kühlmittelzulauf und Kühlmittelablauf ist es möglich, einen Batteriezellenstapel 13 gegenüber den Wänden des Modulgehäuses 11 abgedichtet im Batteriemodulgehäuse 11 zu positionieren, sodass kein unerwünschter und unkontrollierter Kühlmittelfluss zwischen den Wänden und den Batteriemodulen 14 erfolgt. Auch dichten die Formdichtungen 19 die einzelnen Batteriezellen 14 des Batteriezellenstapels 13 gegeneinander ab, sodass kein unkontrollierter Kühlmittelfluss zwischen den einzelnen Batteriezellen 14 erfolgt.
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Der Kühlmittelfluss erfolgt ausschließlich über die Ausnehmungen 23, 24 im Bereich der zweiten Dichtflächen 22, 23 der Formdichtungen 19. Hierdurch wird ein definierter und kontrollierter Zulauf von Kühlmittel KM in den Batteriezellenstapel 13 hinein, ein kontrollierter Strömungsverlauf des Kühlmittels durch die zwischen Batteriezellen 14 definierten Kühlspalte hindurch und ein definierter und kontrollierter Ablauf des Kühlmittels aus dem Batteriezellenstapel 13 heraus ermöglicht. Über das Kühlmittel KM können auch die elektrischen Anschlüsse 17, 18 der Batteriezellen 14 effektiv gekühlt werden.
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Jede der Batteriezellen 14 ist demnach an zwei sich gegenüberliegenden Seiten von einer jeweiligen Formdichtung 19 abschnittsweise umschlossen, im gezeigten Ausführungsbeispiel an den sich gegenüberliegenden Schmalseiten 14b. Im Unterschied hierzu ist es möglich, dass diese Formdichtungen an den sich gegenüberliegenden Längsseiten 14a ausgebildet sind und hier die Batteriezellen 14 zumindest abschnittsweise umschließen.
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An den benachbart zu den ersten dieser Schmalseiten 14b der Batteriezellen 14 positionierten Formdichtungen 19 sind die Ausnehmungen ausgebildet, welche den Kühlmittelzulauf ermöglichen. An den benachbart zu den zweiten, gegenüberliegenden Schmalseiten 14b positionierten Formdichtungen 19 sind die Ausnehmungen ausgebildet, die den Kühlmittelablauf ermöglichen, und zwar im Bereich sich gegenüberliegenden Längsseiten 14a, nämlich die Ausnehmungen für den Kühlmittelzulauf im Bereich der unteren zweiten Dichtflächen 22 und die Ausnehmungen für den Kühlmittelablauf im Bereich der oberen zweiten Dichtflächen 23.
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Die ersten Dichtflächen 20, 21 der Formdichtungen 19 der Batteriezellen sind in vertikal verlaufenden Ebenen positioniert. Die ersten Dichtflächen 20, 21 der im Batteriestapel 13 außen liegenden Batteriezellen 14 grenzen an die vertikal verlaufenden Seitenwände 11b des Batteriemodulgehäuses 11 an.
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Die zweiten Dichtflächen 22, 23 der Formdichtungen 19 sind hingegen in horizontal verlaufenden Ebenen positioniert und grenzen an die oberen und unteren, horizontal verlaufenden Wände 11a des Batteriemodulgehäuses 11.
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Bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul 10 sind die Batteriezellen 14 direkt gekühlt und vorzugsweise als Pouch-Zellen mit einem flexiblen Batteriezellengehäuse 16 ausgeführt.
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An sich gegenüberliegenden Seiten der Batteriezellen 14, im gezeigten Ausführungsbeispiel an den sich gegenüberliegenden Schmalseiten 14b, sind die Formdichtungen 19 vorgesehen, die vorzugsweise über Spritzgießen an die jeweiligen Seiten des Batteriezellengehäuses 16 angespritzt sind.
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Über diese Formdichtungen 19 können die vorzugsweise als Pouch-Zellen ausgebildeten Batteriezellen 14 vorteilhaft unter Ausbildung eines Batteriezellenstapels 13 gestapelt werden, und zwar unter Zwischenanordnung der Strömungsführungselemente 15 zwischen benachbarten Batteriezellen 14, um einen Kühlmittelspalt zur definierten Kühlmittelführung zwischen benachbarten Batteriezellen 14 bereitzustellen.
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Die an den gegenüberliegenden Seiten 14b ausgebildeten Formdichtungen 19 liegen mit ihren ersten Dichtflächen 20, 21 dichtend aneinander an, und zwar unter Ausbildung einer trennwandartigen Struktur an den beiden sich gegenüberliegenden Seiten 14b der Batteriezellen 14 bzw. des Batteriezellenstapels 13. In die Formdichtungen 19 sind im Bereich der zweiten Dichtflächen 22, 23 der Formdichtungen 19 die Ausnehmungen 24, 25 für den Kühlmittelzulauf und den Kühlmittelablauf für das Batteriezellenpaket 13 eingebracht. Die Ausnehmungen 25 den Kühlmittelzulauf und die Ausnehmungen 24 für den Kühlmittelablauf sind dabei an sich gegenüberliegenden Seiten, im gezeigten Ausführungsbeispiel an sich gegenüberliegenden Längsseiten 14a, der Batteriezellen 14 ausgebildet, um so zu gewährleisten, dass die Batteriezellen 14 vollflächig von Kühlmittel KM zur direkten Kühlung überströmt bzw. umströmt sind.
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Die Formdichtungen 19 verfügen über den Strömungsführungselementen 15 zugewandte Rippen 26. Diese Rippen 26 unterbrechen einen Spalt 27, der zwischen den Formdichtungen 19 und den Formdichtungen 19 zugewandten Stirnseiten der Strömungsführungselemente 15 ausgebildet ist. Hierdurch wird verhindert, dass durch diese Spalte 27 Kühlmittel KM strömt und eine derartige Strömung die Kühlwirkung beeinträchtigt. Das Kühlmittel KM wird über die Strömungsführungselemente 15 und die von den Strömungsführungselementen 15 zwischen den benachbarten Batteriezellen 14 definierten Kühlspalte gezwungen, um die Batteriezellen 14 so effektiv zu kühlen. Die Rippen 26 verschließen demnach mögliche Leckagepfade für das Kühlmittel, die durch Fertigungstoleranzen insbesondere im Bereich der Strömungsführungselemente 15 verursacht werden können.
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In die Wände 11b des Batteriemodulgehäuses 11 sind ein Zulauf und ein Ablauf für das Kühlmittel KM eingebracht, um das Kühlmittel KM in das Batteriemodulgehäuse 11 einzuführen oder aus dem Batteriemodulgehäuse 11 abzuführen. In die vordere Wand 11b ist dabei ein Zulauf für das Kühlmittel KM eingebracht, über den das Kühlmittel KM in den Innenraum 12 einströmt. Von dort aus strömt das Kühlmittel KM über die Ausnehmungen bzw. Aussparungen 25 in den Batteriezellenstapel 13 hinein. Das Kühlmittel KM strömt über die Aussparungen 24 aus dem Batteriezellenstapel 13 heraus und kann anschließend über den in die hintere Wand 11b eingebrachten Ablauf aus dem Innenraum 12 des Batteriemodulgehäuses 11 abströmen.
