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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Energiespeicher eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs.
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Energiespeicher mit hohen elektrischen Speicherkapazitäten produzieren große Wärmemengen. Die Wärmemengen müssen abtransportiert werden, was üblicherweise mittels eines Kühlfluids erfolgt. Die Batteriezellen des Energiespeichers sind typischerweise in einem Gehäuse angeordnet, das mit einer von dem Kühlfluid durchströmten Kühlvorrichtung wärmeleitend gekoppelt ist.
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Einerseits soll der Durchflusskanal des Kühlfluids eine möglichst große Querschnittsöffnung aufweisen, um einen effizienten Wärmeabtransport zu gewährleisten. Die Bereitstellung einer Kühlvorrichtung mit einem einzelnen Durchflusskanal für das Kühlfluid mit verhältnismäßig großer Querschnittsöffnung verursacht aber eine verhältnismäßig komplexe Geometrie der beteiligten Bauteile. Denn die Bauteile weisen typischerweise Oberflächenkrümmungen auf, so dass unterschiedliche Höhenniveaus entstehen. Das wirkt sich nachteilig auf die Passung der beteiligten Bauteile aus. Wenn der Durchflusskanal durch ein einzelnes großes Bauteil, beispielsweise eine Basisplatte, und ein dazu korrespondierendes zweites Bauteil, beispielsweise ein Kanalblech, bereitgestellt werden soll, müssen die Fertigungs- und Fehlertoleranzen gleichzeitig über große laterale Abmessungen hinweg eingehalten werden.
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Andererseits müssen die Einzelteile der Kühlvorrichtung beim Verbindungsprozess über die gesamten lateralen (Längs- und Quer-) Abmessungen (Länge und Breite) hinweg sehr genau ausgerichtet werden. Dadurch wird die Komplexität des Verbindungsprozesses zur Realisierung der Montageverbindungen (beispielsweise Lötverbindungen) nachteilig erhöht. Eine solch komplexe Geometrie der am Durchflusskanal beteiligten Bauteile verursacht daher einen hohen Herstellungsaufwand. Da die lateralen Abmessungen verhältnismäßig groß sind, muss die Fertigung der Einzelbauteile aufeinander abgestimmt sein, um bei der Fügung der Einzelteile die Toleranzebene über die gesamten lateralen Abmessungen hinweg einzuhalten. Die Fertigung der Einzelteile entsprechend aufeinander abzustimmen bedingt zusätzlich einen erhöhten Entwicklungsaufwand. Beispielsweise treten Lufteinschlüsse auf, die die Einhaltung der Toleranzgrenzen über die großen, lateralen Abmessungen hinweg zusätzlich erschweren. Somit ist die Herstellung von bekannten Kühlvorrichtungen in mehreren Aspekten nachteilig beeinflusst.
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Die Komplexität der Geometrie der beteiligten Bauteile kann nochmals nachteilig erhöht sein, wenn die Kühlvorrichtung bestimmte Bauteilabschnitte aufweist, die zu Montagezwecken der Kühlvorrichtung frei von einem Durchflusskanal des Kühlfluids bleiben müssen.
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Auch führt die Realisierung des Durchflusskanals mittels weniger einzelner Bauteile zu einem verhältnismäßig hohen Gewicht, was die Betriebseffizienz eines Fahrzeugs mit einer derartigen Kühlvorrichtung nachteilig beeinflusst. Ein höheres Gewicht des Fahrzeugs führt im Allgemeinen dazu, dass die Reichweite bei vorgegebener Speicherkapazität des Energiespeichers gegenüber leichteren Fahrzeugen reduziert ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kühlvorrichtung für einen Energiespeicher bereitzustellen, die eingerichtet ist, um die Nachteile der bestehenden Kühlvorrichtungen auszuräumen oder zumindest zu verringern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen und dieser Beschreibung aufgeführt. Die jeweiligen Merkmale können einzeln oder in (Sub-)Kombination zur Weiterbildung der Erfindung dienen.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Kühlvorrichtung für einen Energiespeicher bereitgestellt. Der Energiespeicher kann insbesondere ein elektrischer Energiespeicher sein. Die Kühlvorrichtung umfasst mehrere Kühlkanäle, zumindest eine Basisplatte und zumindest zwei separate Kanalbleche. Die Basisplatte weist zumindest Plattenvertiefungen auf. Jedes der zumindest zwei Kanalbleche ist zumindest teilweise innerhalb jeweils einer ihr zugeordneten Plattenvertiefung angeordnet und an der Basisplatte befestigt. Zusammen mit der Basisplatte bildet jedes Kanalblech zumindest einen Kühlkanal aus, indem die jeweilige Kühlkanalwand in Umfangsrichtung abschnittsweise von der Basisplatte und abschnittsweise vom Kanalblech gebildet ist.
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Alternativ kann die Basisplatte anstatt von Plattenvertiefungen auch Plattenerhöhungen aufweisen (je nach Bezugspunkt). In jedem Fall weist die Basisplatte unterschiedliche Höhenniveaus (hervorstehende und zurückstehende Abschnitte) auf. Die Kanalbleche sind dann zumindest teilweise in Abschnitten der Basisplatte angeordnet, die gegenüber anderen Abschnitten ein verschiedenes Höhenniveau aufweisen. Jedes Kanalblech bildet zusammen mit der Basisplatte zumindest einen Kühlkanal aus. Auch dann wird die jeweilige Kühlkanalwand in Umfangsrichtung abschnittsweise von der Basisplatte und abschnittsweise vom Kanalblech gebildet.
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Im Folgenden wird die Erfindung in Bezug auf Plattenvertiefungen erläutert. Sämtliche Aspekte sind aber korrespondierend auf Plattenerhöhungen sinngemäß zu übertragen.
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Im Betriebszustand strömt ein Kühlfluid durch den oder die Kühlkanäle. Die Umfangsrichtung einer Kühlkanalwand verläuft bezüglich der Strömung des Kühlfluids quer zur Längsrichtung der Strömung eines Kühlfluids innerhalb des Kühlkanals.
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Dadurch, dass die Kühlvorrichtung mehrere separate Kanalbleche (Kanalwandteile) umfasst, sind die Anforderungen an die Passung vorteilhaft verringert, weshalb die Herstellung der einzelnen Bauteile der Kühlvorrichtung vereinfacht ist. Beispielsweise können Lufteinschlüsse einfacher ausgeglichen werden oder sie führen zu einer geringeren Ausschlussmenge. Zudem ermöglicht die Unterteilung in mehrere separate Kanalbleche eine vereinfachte Montage, da jedes Kanalblech mit der Basisplatte separat verbunden werden kann. Da die Basisplatte aufgrund der Plattenvertiefungen unterschiedliche Höhenniveaus aufweist, was generell die Komplexität der einzuhaltenden Passungen bei dem Verbindungsprozess erhöht, ist die Montage der separaten Kanalbleche mit der Basisplatte bei der vorliegenden Kühlvorrichtung vereinfacht, wenn die Kanalbleche, wie erfindungsgemäß vorgesehen, geringere Abmessungen aufweisen als das singuläre Kanalblech im Stand der Technik, welches sich über die gesamte Basisplatte erstreckt.
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Die Basisplatte ist zumindest teilweise gekrümmt und/oder gewellt und/oder gestuft ausgebildet. Durch Oberflächenkrümmungen und/oder Stufen der Basisplatte werden die Plattenvertiefungen ausgebildet. Unter einer Plattenvertiefung wird vorliegend ein gegenüber einem anderen Oberflächenabschnitt der Basisplatte eingerückter Oberflächenabschnitt verstanden. Verschiedene Oberflächenabschnitte der Basisplatte weisen insofern unterschiedliche Höhenniveaus auf.
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Optional können unterschiedliche Plattenvertiefungen der Basisplatte ebenfalls unterschiedliche Höhenniveaus im Vergleich zueinander aufweisen.
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Würde lediglich ein einzelnes großes Kanalblech anstatt mehrerer kleinerer separater Kanalbleche vorgesehen sein, müsste das einzelne große Kanalblech bei der Montage an allen Verbindungsstellen gleichzeitig eine akzeptable Passung mit dem jeweiligen Höhenniveau der Basisplatte aufweisen. Dadurch wären die Fertigungstoleranzen sowohl der Basisplatte als auch des einzelnen Kanalblechs wegen der größeren lateralen Abmessungen schwieriger einzuhalten, so dass die Anforderungen an die Herstellung der Grundkomponenten einer solchen Kühlvorrichtung erhöht wären. Die Schwierigkeit, die Passung an allen Verbindungsstellen gleichzeitig einzuhalten, wird durch die unterschiedlichen Höhenniveaus der Basisplatte noch verstärkt. Durch die Bereitstellung mehrerer kleinerer Kanalbleche anstatt eines einzelnen großen, können sowohl die Fertigungstoleranzen einfacher eingehalten werden, als auch die Anforderungen bei der Montage der Komponenten verringert werden. Die Herstellung der Kühlvorrichtung als Ganzes wird deshalb vereinfacht.
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Bevorzugt können die Plattenvertiefungen der Basisplatte eine im Wesentlichen längliche Form aufweisen. Das bedeutet, dass eine Länge einer Plattenvertiefung größer ist als die Breite der Plattenvertiefung. Die Form der Plattenvertiefungen kann aber auch anders sein, beispielsweise quadratisch, sechseckig, rund, oder ähnlich.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Basisplatte zumindest einen Stegabschnitt aufweisen, der zumindest abschnittsweise zwischen den Plattenvertiefungen angeordnet und frei (unbedeckt) von Kanalblechen ist. In anderen Worten kann die Basisplatte Oberflächenzonen aufweisen, die zur Montage und/oder Auflage der Basisplatte dienen. Diese Zonen dürfen aus Montagegründen nicht von den Kanalblechen und/oder etwaigen Kühlkanälen bedeckt sein. Würde nun ein einzelnes Kanalblech bereitgestellt werden, müsste dieses eine hochkomplexe Form aufweisen, damit der Stegabschnitt frei bleibt. Durch die Unterteilung in mehrere separate Kanalbleche werden die Anforderungen an die Form der einzelnen Kanalbleche verringert.
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In einer Weiterbildung kann der Stegabschnitt auch eine im Wesentlichen punktförmige Montagezone sein, wie beispielsweise ein Montagepunkt. Der Stegabschnitt gewährleistet eine strukturelle Stabilität der Basisplatte und/oder der Kühlvorrichtung.
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Vorteilhaft kann jedes der zumindest zwei Kanalbleche an die Basisplatte angelötet sein, um den jeweiligen Kühlkanal umfangsmäßig zu schließen. Durch die umfangsmäßige Schließung wird der Kühlkanal gegenüber einem Außenraum kühlfluiddicht verschlossen. Lötverbindungen sind belastbare aber dennoch effizient zu realisierende Montagemöglichkeiten und weisen zudem eine hohe Belastbarkeit gegenüber wiederholten Temperaturzyklen auf. Ein Flussmittel kann genutzt werden, um jeweilige Verbindungsstellen der Basisplatte und der Kanalbleche für die Bereitstellung von Lötverbindungen zu präparieren, insbesondere um die Benetzung mit dem Lot zu verbessern. Auch hier wirkt sich die Unterteilung in mehrere separate, kleinere Kanalbleche positiv aus, da das Flussmittel für jedes Kanalblech einzeln aufgetragen werden kann und deshalb pro Lötvorgang jeweils nur ein im Verhältnis kleinerer Teil der Basisplatte und/oder des Kanalblechs mit dem Flussmittel bearbeitet werden muss. Dadurch wird die Menge des benötigten Flussmittels reduziert und das Auftragen vereinfacht.
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Alternativ können die zumindest zwei Kanalbleche an der Basisplatte auch mittels anderer Verbindungstechniken (Fügeverfahren) montiert sein, beispielsweise Klebungen oder Schweißungen. Zum Beispiel wird ein Laserschweißverfahren oder ein Ultraschweißverfahren eingesetzt, um die Bauteile miteinander zu verbinden. Alternativ wird beispielsweise ein Epoxidharz oder ein anderer thermisch belastbarer Klebstoff zur Verbindung genutzt.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist jedes der Kanalbleche zumindest abschnittsweise längliche, rinnenförmige Vertiefungen oder Erhöhungen auf (je nach Bezugspunkt), die durch die Basisplatte umfangsmäßig geschlossen sind und mehrere Kühlkanäle und/oder Kühlkanalabschnitte an jedem Kanalblech bilden. Diese Ausgestaltung führt zu einer Unterteilung des jeweiligen Kühlkanals durch jedes Kanalblech. Deshalb wird das Kühlfluid im Betriebszustand gleichmäßiger verteilt. Zudem werden durch die rinnenförmigen Vertiefungen oder Erhöhungen zusätzliche Verbindungspunkte zwischen jedem Kanalblech und der Basisplatte zur Verfügung gestellt, was die Stabilität der Kühlvorrichtung verbessert.
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Im Folgenden werdend die weiteren Aspekte der Kanalbleche und der Erfindung insgesamt nur in Bezug auf rinnenförmige Vertiefungen der Kanalbleche erläutert. Sämtliche Aspekte sind aber korrespondierend auf rinnenförmige Erhöhungen sinngemäß zu übertragen.
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Beispielsweise können die rinnenförmigen Vertiefungen durch eine gekrümmte und/oder gewellte und/oder gestufte Kanalblechoberfläche gebildet sein, sodass hervorstehende Oberflächenabschnitte und zurückstehende Oberflächenabschnitte ausgebildet werden.
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Weiterhin können die rinnenförmigen Vertiefungen der Kanalbleche U-förmig verlaufen (in einer Draufsicht), wobei einzelne Kühlkanalabschnitte an einem Verbindungsabschnitt miteinander strömungsmäßig verbunden sind. Das bedeutet, dass die Kühlkanalabschnitte der Schenkel des U-förmigen Verlaufs an den Schenkelenden miteinander verbunden sind. Dadurch wird vermieden, dass eine erhöhte Anzahl an Ein- und Auslässen für das Kühlfluid benötigt wird. Stattdessen wird jeweils nur ein einzelner Ein- und Auslass pro Kanalblech benötigt. Die U-Form der rinnenförmigen Vertiefungen ermöglicht eine definierte Kühlfluidströmung und verbessert die Stabilität der Kühlvorrichtung. Die U-Form ermöglicht, dass der Einlass und der Auslass für das Kühlfluid verhältnismäßig nahe nebeneinander angeordnet werden können. Dadurch können die Anschlüsse an externe Teile des Kühlfluidkreislaufs (Verschlauchungen zum Fahrzeugkühlkreislauf) kompakt realisiert werden.
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Alternativ können die rinnenförmigen Vertiefungen der Kanalbleche auch eine andere Form aufweisen (in einer Draufsicht). Beispielsweise können die Vertiefungen in einer Draufsicht auch eine I-Form aufweisen. Die I-Form kann auch mehrere parallele Kühlkanalabschnitte aufweisen, die strömungsmäßig an den jeweiligen Enden verbunden sind. Dadurch wäre der Einlass für das Kühlfluid räumlich vom Auslass getrennt. Auch andere Formen, wie beispielsweise ein meanderförmiger Verlauf der Vertiefungen (in einer Draufsicht) sind möglich.
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Es lassen sich auch mehrere parallel verlaufende U-förmige oder anders geformte Kühlkanäle innerhalb einer Plattenvertiefung der Basisplatte ausbilden, so dass die Plattenvertiefung mehrere Kühlkanäle aufweist.
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Zusätzlich lassen sich durch jedes einzelne Kanalblech auch mehrere U-förmige oder anders geformte Kühlkanäle durch mehrere rinnenförmige Vertiefungen ausbilden, die strömungsmäßig nicht verbunden sind. Das würde allerdings eine erhöhte Anzahl an Einlässen und Auslässen für das Kühlfluid erfordern. Deshalb ist die strömungsmäßige Verbindung bevorzugt, da dadurch zusätzliche Einlässe und Auslässe eingespart werden können.
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Optional können die Kanalbleche mit ihrem Rand abschnittsweise in einer jeweiligen Plattenvertiefung angeordnet sein und mit dem Rand an der Basisplatte befestigt sein. Das bedeutet, dass die Kanalbleche zumindest abschnittsweise eine weniger komplexe Geometrie aufweisen, da sie nicht derart geformt zu sein brauchen, dass sie Höhenunterschiede der Basisplatte bezüglich der Plattenvertiefungen ausgleichen müssen. Vielmehr sind die Abmessungen eines Kanalblechs im Wesentlichen korrespondierend zu den Abmessungen einer jeweiligen Plattenvertiefung der Basisplatte. Die Befestigung der Kanalbleche kann deshalb zumindest innerhalb der Plattenvertiefungen der Basisplatte jeweils bei einem einheitlichen Höhenniveau der Basisplatte erfolgen. Dadurch wird die Verbindung in diesem Bereich vereinfacht.
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Entsprechend einer zusätzlichen Ausgestaltung kann die Basisplatte auf der den Kanalblechen zugewandten Seite einen nicht vertieften Abschnitt aufweisen, über den sich die Kanalbleche erstrecken, um zusammen mit dem nicht vertieften Abschnitt zumindest einen Kühlkanalanschluss zu bilden, der zu dem in der Plattenvertiefung liegenden Kühlkanal führt. Dadurch wird ein ausreichender Bauraum für den Kühlkanalanschluss bereitgestellt. Auch wenn die Kanalbleche innerhalb dieses Abschnitts somit einem Höhenunterschied der Basisplatte folgen, kann die notwendige Passung bei der Verbindung (Fügung) des jeweiligen Kanalblechs mit der Basisplatte verhältnismäßig einfach eingehalten werden, da die Kanalbleche reduzierte Abmessungen gegenüber einer Konfiguration mit einem einzelnen Kanalblech aufweisen.
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Weiterhin können pro Plattenvertiefung zumindest zwei Kühlkanalanschlüsse gebildet sein, als Zulauf und Rücklauf für Kühlfluid. Somit wird eine definierte Strömungsrichtung des Kühlfluids bereitgestellt.
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Zudem kann die Basisplatte im nicht-vertieften Abschnitt eine Zulauföffnung und eine Ablauföffnung haben, an die jeweils ein Anschlussstutzen angebracht ist. Die Anschlussstutzen ermöglichen die Verbindung zu standardisierten Rohrleitungsbauteile (Verschlauchungen zum Fahrzeugkühlkreislauf). Die Zulauf- und Ablauföffnungen können mit den Anschlussstutzen beispielsweise mittels einer Lötverbindung verbunden sein.
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Die Anschlussstutzen sind gemäß einer Variante mit der Basisplatte gekoppelt. Dadurch kann die Stabilität der Verbindung zwischen dem jeweiligen Anschlussstutzen und der Basisplatte erhöht werden.
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Außerdem können die Kanalbleche und die Basisplatte aus umgeformtem Blech sein. Die Kanalbleche und/oder die Basisplatte können auch tiefgezogen sein. Somit sind die Grundkomponenten der Kühlvorrichtung, also die Basisplatte und die Kanalbleche, besonders einfach herstellbar.
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Das Kühlfluid kann ein flüssiges oder gasförmiges Medium sein, das geeignet ist, große Wärmemengen abzutransportieren. Vorzugsweise handelt es sich um ein flüssiges Kühlfluid, wodurch die Wärmekapazität üblicherweise erhöht ist. Beispielsweise kann das Kühlfluid Wasser umfassen oder enthalten.
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Das Kühlfluid kann auch Zusätze aufweisen, beispielsweise Salze, die die Wärmekapazität weiter erhöhen. Zudem kann das Kühlfluid mindestens ein Zusatz aufweisen, der den Gefrierpunkt des Kühlfluids herabsetzt, beispielsweise ein Frostschutzmittel.
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Die Basisplatte und die Kanalbleche weisen optional zumindest teilweise das gleiche Material und damit gleiche Wärmeausdehnungseigenschaften auf, wodurch die Langlebigkeit der Verbindungen zwischen der Basisplatte und den Kanalblechen erhöht ist.
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Die Basisplatte und/oder die Kanalbleche können zumindest teilweise eine Anti-Korrosionsbeschichtung haben. Insbesondere sind Oberflächenabschnitte der Basisplatte und/oder der Kanalbleche mit einer Anti-Korrosionsbeschichtung versehen, die nicht in Kontakt zum Kühlfluid stehen. Optional können auch nur die jeweils von den Kühlkanälen wegweisenden Oberflächen eine Anti-Korrosionsbeschichtung aufweisen. Alternativ können auch im Wesentlichen die gesamten Oberflächen der Basisplatte und/oder der Kanalbleche eine Anti-Korrosionsbeschichtung umfassen. Bevorzugt sind die Oberflächen der Basisplatte und/oder der Kanalbleche mit einer Anti-Korrosionsbeschichtung ausgestattet, die externen Nassräumen, beispielsweise einem Fahrzeugboden zugerichtet sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Basisplatte zumindest zwei oder drei, bevorzugt vier Plattenvertiefungen auf. In jeder der Plattenvertiefungen ist dann zumindest ein Kanalblech angeordnet. Die Konfiguration mit vier Plattenvertiefungen hat sich als besonders vorteilhaft in Bezug auf die erforderlichen zwischen den Plattenvertiefungen angeordneten Stegabschnitte und den Abmessungen der Kanalbleche gezeigt. Somit kann einerseits eine hohe strukturelle Stabilität und/oder Montagemöglichkeit der Kühlvorrichtung gewährleistet werden, und andererseits können ausreichende Kühlleistungen der Kühlvorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
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Optional kann die Basisplatte auch mehr als vier Plattenvertiefungen aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Energiespeichervorrichtung bereitgestellt. Die Energiespeichervorrichtung umfasst zumindest eine elektrische Speicherzelle und zumindest eine Kühlvorrichtung der hierin beschriebenen Art. Die Kühlvorrichtung ist bezüglich der zumindest einen elektrischen Speicherzelle derart angeordnet, dass sie Wärme, die in der Speicherzelle entsteht, ableitet. Beispielsweise kann die zumindest eine Kühlvorrichtung einen direkten oder indirekten mechanischen Kontakt mit der Speicherzelle aufweisen. Dadurch wird der Wärmeleitpfad vorteilhaft verkürzt.
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Insbesondere kann eine zweite Plattenoberfläche der Basisplatte, die den Kanalblechen gegenüberliegt, in direktem oder indirektem mechanischem Kontakt mit der Speicherzelle stehen.
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Alternativ kann auch ein erhöhter oder erniedrigter Bereich der Oberfläche der Basisplatte in direktem oder indirektem Kontakt mit der zumindest einen Speicherzelle stehen.
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Optional ist zwischen der Speicherzelle und der zweiten Plattenoberfläche der Basisplatte eine Wärmeleitpaste oder ein anderes wärmeleitendes Medium angeordnet. Dadurch können auch Toleranzen in den jeweiligen Kontaktoberflächen zwischen der Basisplatte und der zumindest einen Speicherzelle ausgeglichen werden.
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Entsprechend einer weiteren Alternative kann die Energiespeichervorrichtung auch ein Gehäuse haben, innerhalb dessen die zumindest eine elektrische Speicherzelle angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung steht dann vorzugsweise in direktem oder indirektem mechanischem Kontakt mit dem Gehäuse.
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Die Energiespeichervorrichtung kann natürlich auch eine Vielzahl an elektrischen Speicherzellen umfassen. Die Vielzahl an Speicherzellen sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet oder stehen in direktem oder indirektem Kontakt mit der Basisplatte. Die zumindest eine Kühlvorrichtung ist insbesondere eingerichtet, um Wärmemengen der Vielzahl von Speicherzellen abzutransportieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Fahrzeug bereitgestellt. Das elektrisch antreibbare Fahrzeug umfasst zumindest eine Energiespeichervorrichtung der hierin beschriebenen Art.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung können zumindest teilweise elektrisch antreibbare Fahrzeuge insbesondere Landfahrzeuge umfassen, nämlich unter anderem Elektroroller, E-Scooter, Zweiräder, Motorräder, Dreiräder, Trikes, Quads, Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), aber auch Wasserfahrzeuge (Boote) und Luftfahrzeuge wie Hubschrauber, Multicopter, Propellerflugzeuge und Strahlflugzeuge, welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können auch Hybridelektrofahrzeuge (HEV), Plug-In-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCHV) umfasst sein.
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Sämtliche im Hinblick auf die unterschiedlichen Aspekte erläuterten Merkmale sind einzeln oder in (Sub-)Kombination auf die jeweils anderen Aspekte übertragbar.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
- - 2 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Teils der Kühlvorrichtung entlang der Schnittlinie A-A wie in 1 indiziert,
- - 3A eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Teils der Kühlvorrichtung entlang der Schnittlinie B-B wie in 1 indiziert,
- - 3B eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils der Kühlvorrichtung wie in 3A indiziert,
- - 4 eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung, und
- - 5 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrisch antreibbaren Fahrzeugs.
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1 ist eine vereinfachte Darstellung einer Kühlvorrichtung 10. Die Kühlvorrichtung 10 umfasst eine Basisplatte 12. Die Basisplatte 12 hat eine erste Plattenoberfläche 14. Die erste Plattenoberfläche 14 umfasst gemäß dieser Ausführungsform vier längliche Plattenvertiefungen 16a, 16b, 16c, 16d. Je nach Bezugspunkt können die Plattenvertiefungen auch als Plattenerhöhungen angesehen werden. Dennoch wird nachfolgend von Plattenvertiefungen gesprochen, obwohl die Aspekte sinngemäß auf Plattenerhöhungen korrespondierend zu übertragen sind.
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Die erste Plattenoberfläche 14 kann generell auch mehr oder weniger Plattenvertiefungen 16a, 16b, 16c, 16d aufweisen.
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Zwischen den Plattenvertiefungen 16a, 16b, 16c, 16d sind Stegabschnitte 17 angeordnet. Diese dienen zumindest teilweise der Montage und/oder als Auflage der Oberseite der Basisplatte 12 zu anderen Fahrzeugteilen, beziehungsweise auf der Unterseite der Kühlvorrichtung 10.
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In jeder Plattenvertiefung 16a, 16b, 16c, 16d der Basisplatte 12 ist ein Kanalblech 18a, 18b, 18c, 18d (auch Kanalwandteil) angeordnet. Die Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d weisen ebenfalls eine längliche, rinnenartige Form auf, die im Wesentlichen korrespondierend zu der länglichen Form der Plattenvertiefungen 16a, 16b, 16c, 16d ausgebildet ist. Die Grundform könnte aber auch quadratisch oder anders sein. An den Stegabschnitten 17 sind vorzugsweise keine Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d vorhanden, um die Montage und/oder Auflage der Kühlvorrichtung 10 zu vereinfachen.
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Die Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d haben generell gleiche Abmessungen. Die Breite der Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d ist deutlich gegenüber der Breite der Basisplatte 12 reduziert. Das bedeutet, dass in einer lateralen Ausdehnung jedes der Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d geringere Abmessungen als die Basisplatte 12 besitzt. Somit sind auf der Basisplatte 12 nicht nur ein einzelnes Kanalblech 18a, sondern mehrere angeordnet, vorliegend insbesondere vier Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d. Dadurch weisen die separaten Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d eine weniger komplexe Geometrie im Vergleich zu einer Konfiguration mit einem einzelnen, großen Kanalblech auf.
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Die Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d sind mit der Basisplatte 12 verbunden, beispielsweise verlötet. Somit werden mehrere separate Kühlkanäle 26 für ein Kühlfluid ausgebildet, die umfangsmäßig, also quer zur Flussrichtung des Kühlfluids, geschlossen sind. Die Kühlkanäle 26 werden deshalb abschnittsweise sowohl von der Basisplatte 12 als auch von dem jeweiligen Kanalblech 18a, 18b, 18c, 18d ausgebildet.
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Die Separierung der Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d ermöglicht auch eine einfachere Montage, da die Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d und die Basisplatte 12 jeweils separat miteinander montiert werden können. Es müssen weniger Verbindungstellen gleichzeitig zueinander ausgerichtet und bearbeitet werden als bei der Konfiguration mit einem einzelnen, großen Kanalblech. Auch die Passung beim Verbindungsprozess ist somit einfacher einzuhalten.
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2 ist eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Teils der Kühlvorrichtung 10 entlang der Schnittlinie A-A wie in 1 indiziert. Eine wiederholte Beschreibung bereits erläuterter Aspekte wird vorliegend vermieden.
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Die Basisplatte 12 weist die erste Plattenoberfläche 14 und eine der ersten Plattenoberfläche 14 entgegengesetzte zweite Plattenoberfläche 20 auf. Generell wird der Wärmeeintrag aus der Richtung der zweiten Plattenoberfläche 20 erfolgen, die beispielsweise in mechanischem Kontakt mit einer elektrischen Speicherzelle stehen kann.
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Die Basisplatte 12 hat zudem entlang der ersten Plattenoberfläche 14 Plattenkrümmungen 21, so dass die erste Plattenoberfläche 14 unterschiedliche Höhenniveaus 22a, 22b ausbildet. Dadurch werden die Plattenvertiefungen 16a, 16b, 16c, 16d gebildet, hier beispielsweise die Plattenvertiefung 16a. Im Gegensatz zur Plattenvertiefung 16a ist die Form der Basisplatte 12 derart, dass die Basisplatte 12 in einem Anschlussbereich 23 keine Vertiefung aufweist.
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Das Kanalblech 18a ist im Wesentlichen innerhalb der Plattenvertiefung 16a angeordnet und umfasst eine erste Oberfläche 24, die der ersten Plattenoberfläche 14 der Basisplatte 12 zugewandt ist. Die erste Oberfläche 24 weist ebenfalls eine Krümmung 25 auf, die zumindest teilweise korrespondierend zur Plattenkrümmung 21 ausgebildet ist. Daher folgt das Kanalblech 18a im Anschlussbereich 23 der Form der Basisplatte 12.
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Die Oberfläche 24 des Kanalblechs 18a ist zumindest abschnittsweise mit der ersten Plattenoberfläche 14 der Basisplatte 12 verbunden. Typischerweise werden hierfür Lötverbindungen genutzt.
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Die erste Oberfläche 24 des Kanalblechs 18a ist zudem derart geformt, dass durch die Montage des Kanalblechs 18a mit der Basisplatte 12 ein Kühlkanal 26 mit einem Öffnungsquerschnitt für ein Kühlfluid ausgebildet wird. Dazu weist das Kanalblech 18a rinnenförmige Vertiefungen 27 auf, so dass das Kanalblech 18a zumindest abschnittsweise von der Basisplatte 12 beabstandet ist. Alternativ können die Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d auch rinnenförmige Erhöhungen (je nach Bezugspunkt) aufweisen. Im Nachfolgenden werden die weiteren Aspekte aber im Hinblick auf rinnenförmige Vertiefungen 27 erläutert, wobei die Aspekte aber jeweils korrespondierend sinngemäß zu übertragen sind.
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Das Kühlfluid dient dem Wärmeabtransport von Wärme, die der Kühlvorrichtung 10 ausgehend von der zweiten Plattenoberfläche 20 der Basisplatte 12 zugeführt wird. Das Kühlfluid kann beispielsweise Wasser sein und optional Zusätze enthalten, die die Wärmekapazität oder den Frostschutz des Kühlfluids erhöhen.
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Die Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d sind zudem mit Anschlussstutzen 28 für den Einlass oder Auslass des Kühlfluids fluidisch gekoppelt. Die Anschlussstutzen 28 umfassen Hülsen, die sich ausgehend von der zweiten Plattenoberfläche 20 der Basisplatte 12 erstrecken. Die Anschlussstutzen 28 sind mechanisch mit der zweiten Plattenoberfläche 20 der Basisplatte 12 verbunden, beispielsweise durch Lötverbindungen mit Hilfe eines Lötrings. Insofern umfasst die Basisplatte 12 Durchgangsöffnungen für die Anschlussstutzen 28 im Anschlussbereich 23. Das Kanalblech 18a ist derart mit der ersten Plattenoberfläche 14 der Basisplatte verbunden, dass ein kontinuierliches Volumen für das Kühlfluid durch den Anschlussstutzen 28, die Durchgangsöffnung der Basisplatte 12 und den durch die Basisplatte 12 und das Kanalblech 18a gebildeten Kühlkanal 26 bereitgestellt wird.
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3A ist eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Teils der Kühlvorrichtung 10 entlang der Schnittlinie B-B wie in 1 indiziert. Eine wiederholte Beschreibung bereits erläuterter Aspekte wird vorliegend vermieden.
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Die Basisplatte 12 weist gemäß der vorliegenden Ausführungsform mehrere Plattenkrümmungen 21 auf, so dass die erste Plattenoberfläche 14 der Basisplatte 12 mehrere unterschiedliche Höhenniveaus 22a, 22b aufweist. Die dadurch bereitgestellte Plattenvertiefung 16a wird im Wesentlichen vollständig durch das Kanalblech 18a ausgefüllt, das innerhalb der Plattenvertiefung 16a angeordnet ist. Das Kanalblech 18a weist also eine im Wesentlichen korrespondierende Form zur Plattenvertiefung 16a der Basisplatte 12 auf. Die Ränder der Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d stehen nicht über die jeweilige Plattenvertiefung 16a, 16b, 16c, 16d hinaus. Zudem weisen die rinnenförmigen Vertiefungen 27 der Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d gemäß dieser Ausführungsform nur einen Abstand von der Basisplatte 12 derart auf, dass ihr Abstand nicht über den Höhenunterschied hinausgeht, der durch die Plattenvertiefung 16a der Basisplatte 12 bereitgestellt wird. Alternativ können die Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d auch Abmessungen (Höhen) aufweisen, so dass sie über die Höhe der Plattenvertiefungen 16a, 16b, 16c, 16d hinausstehen. Das ist im Wesentlichen durch den nutzbaren Bauraum innerhalb des Fahrzeugs vorgegeben.
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3B ist eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils der Kühlvorrichtung 10 wie in 3A indiziert. Eine wiederholte Beschreibung bereits erläuterter Aspekte wird vorliegend vermieden.
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Das Kanalblech 18a ist entlang der Verbindungsstellen 29a, 29b an der ersten Plattenoberfläche 14 der Basisplatte 12 montiert. Dazu werden vorliegend Lötverbindungen unter Einsatz eines Flussmittels genutzt. Da die erste Oberfläche 24 des Kanalblechs 18a Krümmungen 25 aufweist, werden durch die Montage des Kanalblechs 18a mit der Basisplatte 12 mehrere rinnenförmige Vertiefungen 27 gebildet, die den Kühlkanal 26 für das Kühlfluid bereitstellen. Die erste Plattenoberfläche 14 der Basisplatte 12 bildet deshalb zumindest eine Wandung des Kühlkanals 26 aus. Daher steht das Kühlfluid in direktem Kontakt mit der Basisplatte 12, weshalb der Wärmeleitpfad besonders kurz ist, so dass der Wärmeabtransport besonders effizient realisiert wird.
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Wie in 1 gezeigt, weisen die rinnenförmigen Vertiefungen 27 eine U-Form inklusive einer halbkreisförmigen Geometrie (entsprechend einer Draufsicht) auf. Im Anschlussbereich 23 sind jeweils mehrere rinnenförmige Vertiefungen 27 jeweils eines Kanalblechs 18a, 18b, 18c, 18d strömungsmäßig miteinander verbunden. Das bedeutet, wie in 1 zu sehen ist, dass sich der Kühlkanal nach dem Einlass in mehrere, z.B. drei parallel und U-förmig verlaufende Teilkanäle aufteilt, die sich vor dem Auslass wieder vereinigen.
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Die Größe der Querschnittsöffnung des Kühlkanals 26 ist im Wesentlichen durch den benötigten Druckverlust der Kühlvorrichtung 10 vorgegeben. Zusätzliche Einflüsse sind durch Festigkeitsberechnungen abhängig vom maximalen Betriebsdruck des Kühlsystems, der Materialauswahl, der Wandstärke des Wärmetauschers und der Geometrie der Kühlkanäle begründet. Durch Simulationen unter Berücksichtigung der zuvor beschriebenen Anforderungen kann die erforderliche Querschnittsöffnung bestimmt werden.
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Das Material der Basisplatte 12 und/oder der Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d kann gleich sein und beispielweise zumindest teilweise eine Aluminiumlegierung umfassen. Durch die Verwendung gleicher Materialien beidseits der Verbindungsstellen 29a, 29b kann die Belastbarkeit der Montageverbindungen (Lötverbindungen) verbessert werden, da die Bauteile dann gleiche Wärmeausdehnungseigenschaften aufweisen. Somit wird die Lebensdauer der Montageverbindungen, beispielweise der Lötverbindungen, erhöht.
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Aufgrund der unterschiedlichen Höhenniveaus 22a, 22b der ersten Plattenoberfläche 14 der Basisplatte 12 wäre die Montage eines einzelnen Kanalblechs anstatt der Konfiguration mit mehreren separaten Kanalblechen 18a, 18b, 18c, 18d mit einem höheren Aufwand verbunden. Denn dann müssen die Lötverbindungen gleichzeitig bei einer größeren Anzahl an separaten Verbindungsstellen 29a und bei unterschiedlichen Höhenniveaus 22a hergestellt werden. Dies würde sich nachteilig auf die Komplexität des Montageprozesses auswirken. Deshalb führt die Bereitstellung mehrerer separater Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d dazu, dass die Komplexität des Verbindungsprozesses und der Montageaufwand insgesamt vorteilhaft reduziert wird. Zudem ist es einfacher, die Fertigungstoleranzen mehrerer separater aber verhältnismäßig kleiner Kanalbleche 18a, 18b, 18c, 18d einzuhalten.
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4 ist eine vereinfachte Darstellung einer Energiespeichervorrichtung 30. Die Energiespeichervorrichtung 30 umfasst zumindest eine elektrische Speicherzelle 32 und eine Kühlvorrichtung 10 wie hierin beschrieben. Die Speicherzelle 32 steht in Kontakt mit der zweiten Plattenoberfläche 20 der Basisplatte 12. Dadurch wird ein besonders kurzer Wärmeleitpfad bereitgestellt, da die Basisplatte 12 wiederum unmittelbar mit dem Kühlfluid in Kontakt steht.
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Um den Wärmeleitpfad zusätzlich zu verbessern und um Unebenheiten der Kontaktoberflächen auszugleichen, kann eine Wärmeleitsubstanz, beispielsweise eine Wärmeleitpaste 34 zwischen der Speicherzelle 32 und der zweiten Plattenoberfläche 20 der Basisplatte 12 angeordnet sein.
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5 ist eine vereinfachte Darstellung eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs 36. Das Fahrzeug 36 umfasst zumindest eine Energiespeichervorrichtung 30. Die Energiespeichervorrichtung 30 ist vorliegend mit zumindest zwei Antriebsrädern 38a, 38b des Fahrzeugs 36 gekoppelt, um das Fahrzeug 36 zumindest teilweise elektrisch antreiben zu können. Dazu kann eine elektrische Antriebsmaschine genutzt werden, für die Energie aus der Energiespeichervorrichtung 30 bereitgestellt wird.
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Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen dargestellt und beschrieben wurde, werden Fachleute beim Lesen und Verstehen dieser Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen gleichwertige Änderungen und Modifikationen feststellen. Darüber hinaus kann ein bestimmtes Merkmal der Offenbarung zwar in Bezug auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart worden sein, aber dieses Merkmal kann mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden.
