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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrkammer-Batteriemodul, insbesondere für den Einsatz in einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs.
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Hochvolt-Batterien (HV-Batterien) zum Antreiben eines Fahrzeugs weisen nach dem Stand der Technik meist ein metallisches Batteriegehäuse auf, in dem eine Mehrzahl von Batteriemodulen angeordnet ist. Das Batteriegehäuse dient einerseits zur Befestigung der Batterie im Fahrzeug und zum Schutz im Falle eines Unfalls und andererseits stellt es die Mediendichtheit und EMV-Schirmung bereit. Jedes der in der Batterie angeordneten Module weist seinerseits ein Batteriemodulgehäuse aus Metall und/oder Kunststoff auf, in dem eine Anzahl von Batteriezellen angeordnet und verspannt ist.
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Darüber hinaus gibt es neuartige Batteriekonzepte, welche es beispielsweise ermöglichen, Batteriemodule direkt an die Fahrzeugkarosserie anzubringen. Sofern die Batteriemodule eine ausreichende Stabilität aufweisen, kann so Gewicht und Bauraum durch den Wegfall des Batteriegehäuses eingespart werden. Ferner kann die Lage der einzelnen Batteriemodle relativ zueinander in gewissen Grenzen angepasst werden, insbesondere im Hinblick auf eine Optimierung von fahrdynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs.
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Bei heutzutage auf dem Markt erhältlichen Elektrofahrzeugen, die über beachtliche Antriebsleistungen verfügen, spielt bei den verwendeten Traktionsbatterien neben deren struktureller Eigenschaften auch ein gutes Abwärmemanagement mindestens eine ebenso wichtige Rolle. Eines der bekanntesten Risiken für Traktionsbatterien stellt das thermische Durchgehen einer Zelle (thermal runaway) dar. Die Ursache dafür liegt meist in einer Überschreitung der zulässigen Betriebsparameter, also beispielsweise einem zu hohen Lade- oder Entladestrom und einhergehend damit einer zu hohen Zellspannung. Durch diese Effekte kann die zulässige Betriebstemperatur der betroffenen Batteriezelle überschritten werden und es kann zu einem sehr raschen und unkontrollierten Erhitzen der Batteriezelle kommen. Bei einem solchen Vorfall ist es wichtig, eine entsprechend drohende thermische Propagation zu verhindern, also das Übergreifen eines thermischen Ereignisses von der ursprünglich betroffenen Batteriezelle auf benachbarte Batteriezellen. Gelingt das nicht, so kann die Hitze der thermisch durchgegangenen Batteriezelle in Nachbarzellen „infizieren“, so dass innerhalb kürzester Zeit, mitunter binnen Sekunden, die Temperatur des gesamten Batteriemoduls sprunghaft ansteigt. Eine solche Kaskade kann schlimmstenfalls dazu führen, dass sich das ganze Batteriemodul entzündet und ggfs. sogar explodiert.
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Im Lichte des Vorgenannten kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, einen Batterieaufbau bereitzustellen, welcher Vorteile bei der Verschaltung von Zellpaketen (Zellstacks) und eine räumliche Trennung von Zellpaketen bietet, wodurch eine thermische Propagation im Falle eines thermischen Ereignisses eingedämmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mittels der Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein Mehrkammer-Batteriemodul bereitgestellt, welches mit ersten Zellpaketen und zweiten Zellpaketen bestückt ist, wovon jedes eine Anordnung von Batteriezellen aufweist. Bei den Batteriezellen kann es sich beispielsweise um prismatische Zellen handeln. Das Mehrkammer-Batteriemodul weist ein ein Modulgehäuse auf, welches in einer ersten Richtung mittels erster Trennwände in mindestens drei nebeneinander angeordnete Bereiche unterteilt ist, wobei in jedem Bereich in einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung angeordnet ist, mindestens zwei erste oder zweite Zellpakete angeordnet sind. Durch das Vorsehen von mindestens zwei ersten Trennwänden innerhalb des Modulgehäuses, die darin vertikal angeordnet sind, wird der Innenraum in mindestens drei Hauptkammern unterteilt. Die ersten Trennwände fungieren somit als Abstandshalter für die Zellpakete und als Brandschutz-Wände, wobei sie aus einem für diesen Zweck geeigneten Material gefertigt sind.
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Bei einem nachfolgend verwendeten rechtwinkligen Koordinatensystem soll die erste Richtung einer Richtung entlang der x-Achse und die zweite Richtung einer Richtung entlang der y-Achse entsprechen. Die dritte Richtung soll entsprechend einer Richtung entlang der z-Achse entsprechen.
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Um eine vorteilhafte elektrische Verschaltung der im Inneren des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls zu ermöglichen, weisen die in der ersten Richtung außen angeordneten Bereiche erste Zellpaketen auf und der mindestens eine zwischen den außen angeordneten Bereichen liegende Bereich weist die zweiten Zellpakete auf. Die ersten und zweiten Zellpakete weisen zwar beide eine Anordnung von Batteriezellen auf, jedoch unterscheiden sie sich in der Anzahl der darin angeordneten Batteriezellen, was zu einer unterschiedlichen Platzierung der Modulanschlüsse bei beiden führt, ohne das dafür unnötig lange Stromschienen verlegt werden müssen. Konkret weisen die ersten Zellpakete elektrische Anschlüsse auf, die auf der gleichen Seite der Zellpakete angeordnet sind. Hierbei kann es sich um Seiten der Zellpakete handeln, die Stirnseiten der Zellpakete entsprechen und entlang der zweiten Richtung angeordnet sind. Die zweiten Zellpakete hingegen weisen elektrische Anschlüsse auf, die auf gegenüberliegenden Seiten der Zellpakete angeordnet sind. Ferner sind diejenigen Zellpakete, die bereichsübergreifend nebeneinander angeordnet sind, miteinander elektrisch in Reihe verschaltet. Die elektrische Verschaltung der Zellpakete kann durch die ersten Trennwände durchgeführt sein.
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Durch die spezielle Wahl und Anordnung der Zellpakete können innerhalb des Mehrkammer-Batteriemoduls sehr kurze direkte Stromverbindungen zum Zusammenschalten derjenigen Zellpakete verwendet werden, die in einer Reihe verschaltet sind. Insbesondere können die Stromverbindungen des eine Reihenschaltung ausbildenden Zellpaket-Strangs (nachfolgend abgekürzt als Zellpaket-Strang bezeichnet), welcher bereichsübergreifende Zellpakete aufweist (also sowohl erste als auch zweite Zellpakete), in der zweiten Richtung betrachtet an Außenseiten des Batteriemodulgehäuses vorliegen. Die ersten Zellpakete, die in der ersten Richtung betrachtet in außen liegenden Bereichen angeordnet sind, werden verwendet, um die innerhalb eines Zellpaket-Strangs randseitigen elektrischen Anschlüsse zur Mitte des Batteriemodulgehäuses zu verlagern.
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Das erfindungsgemäße Mehrkammer-Batteriemodul ermöglicht eine effiziente Verschaltung der Zellpakete innerhalb des Moduls, welche insbesondere ohne lange Stromschienen auskommt, die mit erhöhten Verlusten, erhöhtem Bauraum und zusätzlichen Ausgaben für ein dafür geeignetes, leitendes Material - üblicherweise Kupfer verbunden sind. Insbesondere durch die kürzeren Stromschienen ergeben sich nicht nur Kosten- sondern auch Gewichtsvorteile und die Batteriezellen innerhalb des ganzen Batteriemoduls können dichter gepackt werden. Durch die räumliche Trennung der Zellpakete mittels der ersten Trennwände ergeben sich Sicherheitsvorteile hinsichtlich thermischer Propagation. Das ist in besonders ausgeprägter Form bei denjenigen Ausführungsformen der Erfindung der Fall (die weiter unten näher erläutert wird), wenn zusätzlich jeder Bereich mittels einer in der ersten Richtung verlaufenden Wand in zwei Subbereiche unterteilt ist, zwischen denen es keine elektrische Verbindung gibt.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls können sich die ersten Trennwände entlang der zweiten Richtung im Wesentlichen durchgängig, also ohne wesentliche Unterbrechung, von einem Ende zum anderen Ende des Modulgehäuses erstrecken. Die Enden des Modulgehäuses können mit jeweils einem Decken verschlossen sein.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls kann jeder Bereich in der zweiten Richtung jeweils mittels einer zweiten Trennwand in mindestens zwei Subbereiche unterteilt sein. Die zweiten Trennwände können im Wesentlichen den ersten Trennwänden entsprechen und ebenfalls als Brandschutz-Wände ausgebildet sein. Jeder Subbereich bildet dann eine Kammer, die brandschutztechnisch das darin angeordnete Zellpaket schützt. Mittels der zweiten Trennwände kann eine mediendichte Trennung des Batteriemodulgehäuses in der ersten Richtung in mindestens zwei mediendicht voneinander getrennte Teile vorgenommen werden.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls kann mindestens ein Modulanschluss zur elektrischen Kontaktierung des Mehrkammer-Batteriemoduls zwischen den in einem außen angeordneten Bereich angeordneten Zellpaketen angeordnet sein. Zusätzlich können die in einem Bereich angeordneten Zellpakete in zweiter Richtung in einem Abstand voneinander angeordnet sein und, wie im vorherigen Absatz angemerkt, mittels einer zweiten Trennwand voneinander mediendicht getrennt sein. Folglich können die Zellpakete innerhalb des Modulgehäuses zu zwei voneinander getrennten Reihenschaltungen verschaltet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform können zwei elektrische und zur Außenseite des Modulgehäuses geführte Anschlussbereiche für die Modulanschlüsse vorgesehen sein, die in der ersten Richtung in einem Abstand zueinander angeordnet sind und in der zweiten Richtung auf etwa der gleichen Höhe liegen können.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls können die ersten und zweiten Zellpakete im Inneren eine unterschiedliche Anzahl von in Reihen nebeneinander angeordneter Zellen aufweisen. Innerhalb der Zellpakete können die Batteriezellen in einer Schlangenlinie alle in einer Reihe verschaltet sein. Dabei kann durch die Anzahl der Reihen bzw. der Batteriezellen, wenn nur eine Batteriezelle pro Reihe angeordnet ist, gesteuert werden, ob der erste Polanschluss der ersten Batteriezelle in der Reihenschaltung und der entgegengesetzte Polanschluss der letzten Batteriezelle in der Reihenschaltung zur selben Seite oder zu entgegengesetzten Seiten des Batteriemoduls herausgeführt werden.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls können im Hinblick auf den vorherigen Absatz die ersten Zellpakete eine ungerade Anzahl von Reihen aufweisen und die zweiten Zellpakete eine gerade Anzahl von Reihen aufweisen. Dadurch kann unter Materialeinsparung für zusätzliche und/oder überflüssige Stromverbindungen gesteuert werden, ob die elektrischen Anschlüsse eines Zellpakets auf der gleichen Seite oder auf entgegengesetzten Seiten (z.B. den beiden Stirnseiten) des jeweiligen Zellpakets angeordnet sind.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls kann diese ferner mindestens eine Befestigungsmittelaufnahme zur Aufnahme eines Befestigungsmittels zum direkten Befestigen des Mehrkammer-Batteriemoduls an einer Fahrzeugkarosserie aufweisen, welche in einem Bereich zwischen zwei Zellpaketen angeordnet ist. Die Befestigungsmittelaufnahme kann beispielsweise entlang der ersten Richtung in einem der nicht außenliegenden Bereiche angeordnet sein und einem Hohlzylinder mit oder ohne Innengewinde entsprechen. Mittels der mindestens einen Befestigungsmittelaufnahme kann das erfindungsgemäße Mehrkammer-Batteriemodul ohne zusätzlichen Batteriekasten direkt mit einer Karosserie eines Fahrzeugs verschraubt werden.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls kann das Modulgehäuse zumindest ein Extrusionsprofil aufweisen, dessen Extrusionsrichtung der zweiten Richtung entspricht. Wie bereits erwähnt, können die enden des mindestens einen Extrusionsprofils mit Deckeln verschlossen sein, so dass das Modulgehäuse generell mediendicht ausgeführt sein kann. Bei Bedarf kann durch Abnahme der die Enden des Modulgehäuses verschließenden Deckeln die Zellpakete und insbesondere deren elektrischen Verbindungen gewartet werden.
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In weiteren Ausführungsformen der Erfindung wird ein Elektrofahrzeug mit einer Traktionsbatterie bereitgestellt, wobei die Traktionsbatterie mindestens ein zuvor beschriebenes Mehrkammer-Batteriemodul aufweist. Das Elektrofahrzeug kann bevorzugt drei Mehrkammer-Batteriemodule der zuvor beschriebenen Art aufweisen.
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In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs kann das mindestens eine Mehrkammer-Batteriemodul im Fahrzeug in Fahrzeugquerrichtung zwischen linkem und rechtem Schweller eingebaut sein.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Gesamtheit der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls in einer Schnittdarstellung von oben.
- 2 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls aus 1 in einer Schnittdarstellung von oben mit Gehäuseverkleidung.
- 3 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls aus 1 in einer Schnittdarstellung von der Seite mit demontiertem Deckel (Ansicht entlang zweiter Richtung).
- 4 veranschaulicht den der Erfindung zugrundeliegenden Ansatz.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls 1 gezeigt in einer Schnittdarstellung von oben betrachtet. Das Mehrkammer-Batteriemodul 1 weiset ein Modulgehäuse 2 auf, in dem eine Mehrzahl von Zellpaketen enthalten ist, nämlich erste Zellpakete 61 und zweite Zellpakete 62. Jedes der beiden Enden des Modulgehäuses 2 ist mit einem Deckel 4 verschlossen.
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Innerhalb des Modulgehäuses 2 sind in einer ersten Richtung (x-Richtung) vertikale erste Trennwände 3 vorgesehen, welche im gezeigten Beispiel den Innenraum des Mehrkammer-Batteriemoduls 1 in vier voneinander abgegrenzte Bereiche 91, 92 unterteilen, wobei in jedem Bereich 91, 92 entlang einer zweiten Richtung (y-Richtung), die senkrecht zur ersten Richtung angeordnet ist, mindestens zwei erste oder zweite Zellpakete 61, 62 angeordnet sind. Die ersten Trennwände 3 verlaufen entlang der zweiten Richtung im Wesentlichen ohne Unterbrechung von einem Ende zum anderen Ende des Modulgehäuses 2, erstrecken sich also im Wesentlichen zwischen den beiden Verschlussdeckeln 4.
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Die Anordnung der Zellpakete 61, 62 ist bewusst so gewählt, dass die elektrischen Verbindungen 7 zwischen den Zellpaketen 61, 62 möglichst kurz ausfallen können. Dazu sind in den in der ersten Richtung außen angeordneten Bereichen 91 jeweils zwei erste Zellpakete 61 angeordnet und in den mittigeren bzw. dazwischen liegenden Bereichen 92 sind jeweils zwei zweite Zellpakete 62 angeordnet. Wie gut zu erkennen ist, weisen die ersten Zellpakete 61 elektrische Anschlüsse 7 auf, die bezüglich der zweiten Richtung auf entgegengesetzten Seiten der ersten Zellpakete 61 angeordnet sind, wohingegen die zweiten Zellpakete 62 elektrische Anschlüsse 7 aufweisen, die bezüglich der zweiten Richtung auf derselben Seite der Zellpakete 62 angeordnet sind. Dadurch reichen die ersten Zellpakete 61 die elektrische Verbindung an die entsprechenden Modulanschlüsse 8 sozusagen von der Mitte des Mehrkammer-Batteriemoduls 1 nach außen und die Zusammenschaltung der auf gleicher Ebene liegenden zweiten Zellpakete 62 zu einem Zellpaket-Strang (in 1 also die unteren vier Zellpakete und die oberen vier Zellpakete) erfolgt über die jeweils gleichen Seiten der Zellpakete 61, 62, so dass sehr bzw. im Rahmen der Möglichkeiten im Wesentlichen maximal kurze Anschlüsse 7 verbendet werden können. Ferner sieht man, dass die elektrischen Verbindungen 7 zwischen den Zellpaketen 61, 62 eines Zellpaket-Strangs dicht an den Deckeln 4 liegen und den Enden des Modulgehäuses 2 zugewendet wird, was eine möglicherweise notwendige Inspektion oder Instandsetzung der im Inneren des Mehrkammer-Batteriemoduls 1 angeordneten Batteriemodule 61, 62 ermöglicht und/oder erleichtert. Jeder Modulanschluss 8 umfasst jeweils zwei Kontakte, so dass die Spannung am unteren Zellpaket-Strang und am oberen Zellpaket-Strang getrennt voneinander abgegriffen werden kann.
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Zusätzlich zu den ersten Wänden 3, welche den Innenraum des Modulgehäuses 2 in die Bereiche 91, 92 unterteilen, ist in jedem dieser Bereiche 91, 92 eine in der ersten Richtung verlaufende zweite Trennwand 5 vorgesehen, welche jeden Bereich 91, 92 in mindestens zwei Subbereiche unterteilt ist. Die Trennwände 5 jedes Bereiches 91, 92 können auch einer einzigen, quer durch die Bereiche 91, 92 verlaufenden Trennwand entsprechen. Die Trennwand 5 erfüllt zum einen die Rolle einer als Brandschutzwand. Da eine Querverbindung zwischen dem unteren und oberen Zellpaket-Strang nicht erforderlich ist, kann das Modulgehäuse 2 durch die Trennwände 5 (oder eben durch eine gemeinsame Trennwand 5) in zwei mediendicht gegeneinander abgetrennte Kompartimente unterteilt werden, wobei in jedem Kompartiment ein Zellpaket-Strang angeordnet ist. Der Freiraum zwischen den gleichnamigen Zellstapeln 61, 62 in einem Bereich 91, 92 kann für die Bereitstellung der Modulanschlüsse 8 verwendet werden. Fener kann in einem dieser Freiräume in einem eher mittig angeordneten Bereich eine Befestigungsmittelaufnahme 10 zur Aufnahme eines Befestigungsmittels zum direkten Befestigen des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls 1 in bzw. an einer Fahrzeugkarosserie vorgesehen sein.
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In 2 ist eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls 1 aus 1 in der gleichen Ansicht gezeigt. Im Unterschied zu der Darstellung in 1, ist jedoch in 2 das Modulgehäuse 2 mit einer Gehäuseverkleidung 10 verschlossen, die in 1 demontiert worden ist. Wie dargestellt, sind auf der Außenseite des Mehrkammer-Batteriemoduls 1 einzig die Modulanschlüsse 8 angeordnet, hier auf gleicher Höhe bezüglich der zweiten Richtung.
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3 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemoduls 1 aus 1 in einer Schnittdarstellung von der Seite mit demontiertem Deckel 4 (Ansicht entlang zweiter Richtung). In der Figur ist die elektrische Verbindung zwischen den Zellstapeln 61, 62 in etwas größerem Detail dargestellt. So umfasst jeder Zellstapel 61, 62 zwei Zellkontakte 71, wobei nur die Zellkontakte 71 der zweiten Zellstapel 62 auf der gleichen Seite des Zellstapels 62 angeordnet sind. Im Falle der ersten Zellstapel 61 ist der jeweils andere Zellkontakt 71 auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Zellstapels 61 angeordnet. Die vier dargestellten Zellstapel 61, 62 sind jeweils paarweise mittels Stromschienen 72 direkt miteinander elektrisch in Reihe verschaltet und bilden so einen Zellstapel-Strang.
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In 4 ist anhand einer speziellen Verschaltungstopologie der der Erfindung zugrundeliegenden Ansatz veranschaulicht. Auf der linken Seite sind zwei Batteriemodule 41 gezeigt. Jedes der Batteriemodule 41 weiset ein Gehäuse 42 auf, in dem zwei erste Zellstapel 61 und zwei zweite Zellstapel 62 angeordnet sind. Hierbei weist jeder erste Zellstapel 61 fünf Reihen von Batteriezellen auf, wobei in jeder Reihe zwei Batteriezellen angeordnet sind. Der zweite Zellstapel 62 weist eine Reihe weniger auf.
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Bei Verwendung prismatischer Zellen in einer 216s Verschaltung sieht man, dass zusätzliche Stromschienen 43 erforderlich sind, um diese gewünschte Topologie zu erhalten. Genauer gesagt sind in jedem der beiden Batteriemodule 41 zwei Stromschienen 43 erforderlich, wovon sich jede über die gesamte Länge eines Zellstapels 61, 62 erstreckt und damit eine relativ große Dimension aufweist.
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Mittels der vorliegenden Erfindung kann unter anderem dieses Problem elegant gelöst werden. Auf der rechten Seite von 4 ist das Mehrkammer-Batteriemodul 1 aus 1 dargestellt, wobei leidglich zwecks verbesserter Veranschaulichung seine Ausrichtung um 90° gedreht worden ist. Man sieht, dass durch eine veränderte Anordnung der Zellstapel 61, 62 aus dem auf der linken Seite der 4 gezeigten Aufbau das gleiche Verschaltungsschema erreicht werden kann, jedoch die beiden zusätzlichen Stromschienen 43 entfallen, die bei den auf der linken Seite gezeigten Batteriemodulen 41 noch erforderlich waren. Zusätzlich ergibt sich eine bessere Abgrenzung der Zellstapel 61, 62 gegeneinander, da bei dem erfindungsgemäßen Mehrkammer-Batteriemodul 1 im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau (4, links) insbesondere keine elektrische Durchführung durch die ersten Trennwände 3 vonnöten ist, welche eine potenzielle Gefahrenstelle für Leckagen darstellt und somit eine absolut und dauerhaft mediendichte Trennung der entsprechenden Zellstapel 61, 62 verhindert.
