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Die Erfindung betrifft eine elektrische Batterie für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen elektrischen Batterie.
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Seit geraumer Zeit werden elektrische Batterien für Kraftfahrzeuge mit einer Kühlplatte ausgestattet, die im Abstand zu einer Gehäusebasis eines Batteriegehäuses einer solchen elektrischen Batterie angeordnet ist, sodass zwischen Kühlplatte und Gehäusebasis ein Zwischenraum ausgebildet ist. Üblicherweise ist dabei wenigstens ein elektrisches Batteriezellmodul einer derartigen elektrischen Batterie von der Gehäusebasis abgewandt mittels einer Vorspannkraft gegen die Kühlplatte gedrückt, um das elektrische Batteriezellmodul thermisch an die Kühlplatte anzubinden. In dem Zwischenraum zwischen Gehäusebasis und Kühlplatte ist üblicherweise wenigstens ein Zwischenelement vorgesehen, welches die Vorspannkraft, die das Batteriezellmodul gegen die Kühlplatte drückt, wenigstens teilweise von der Kühlplatte auf die Gehäusebasis überträgt. Als ein solches Zwischenelement werden dabei typischerweise geschäumte Kunststoffelemente, oft in Plattenform, verwendet. Ein solches geschäumtes Kunststoffelement umfasst dabei eine Matrix aus Kunststoff, in welcher unregelmäßig verteilte Poren - oftmals auch uneinheitlicher Größe - eingebettet sind.
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Nachteilig erweist sich ein solches geschäumtes Kunststoffelement aber als kostenintensiv in der Herstellung, was sich wiederum kostentreibend auf die Herstellung der gesamten elektrischen Batterie mit einem solchen geschäumten Kunststoffelement als Zwischenelement auswirkt. Außerdem neigen derartige geschäumte Kunststoffelemente gewöhnlich zum Kriechen, weshalb sich die das Batteriezellmodul gegen die Kühlplatte drückende Vorspannkraft über eine Lebensdauer der elektrischen Batterie infolge des ungünstigen Kriechverhaltens des geschäumten Kunststoffelements sukzessive abbauen kann. Mit einem derartigen Abbau der Vorspannkraft einhergehend kann sich die thermische Anbindung zwischen der Kühlplatte und dem Batteriezellmodul sukzessive verschlechtern oder sogar vollständig verloren gehen, was auf eine Kühlung des Batteriezellmoduls mittels der Kühlplatte durchschlägt und was somit eine Überhitzung des Batteriezellmoduls im Betrieb sowie eine beschleunigte Alterung des Batteriezellmoduls zur Folge haben kann.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung für eine elektrische Batterie sowie für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen elektrischen Batterie - insbesondere im Hinblick auf die voranstehend genannten Nachteile - neue Wege aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Patentanspruch 1 und durch den nebengeordneten Patentanspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, ein Zwischenelement einer elektrischen Batterie mit einer regelmäßigen Hohlstruktur auszuführen, wobei dieses Zwischenelement in einem Zwischenraum zwischen einer Kühlplatte der elektrischen Batterie und eine Gehäusebasis der elektrischen Batterie angeordnet ist, um eine Vorspannkraft, die ein elektrisches Batteriezellmodul der elektrischen Batterie von der Gehäusebasis abgewandt gegen die Kühlplatte drückt, auf die Gehäusebasis zu übertragen. Die Gehäusebasis kann dabei eine der Vorspannkraft betragsmäßig entsprechende Lagerreaktion bereitstellen bzw. die Vorspannkraft aufnehmen.
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Im Gegensatz zu den herkömmlicherweise als Zwischenelement verwendeten geschäumten Kunststoffelementen erweist sich das Zwischenelement mit der regelmäßigen Hohlstruktur als kostengünstiger in der Herstellung. Außerdem kann bei der elektrischen Batterie mit dem die regelmäßige Hohlstruktur umfassenden Zwischenelement ein besonders großer Anpressdruck des Batteriezellmoduls gegen die Kühlplatte realisiert werden. Darüber hinaus kann durch die regelmäßige Hohlstruktur eine besonders geringe Kriechneigung des Zwischenelements erreicht werden, sodass die thermische Anbindung des Batteriezellmoduls an die Kühlplatte über die Lebensdauer der elektrischen Batterie verbessert gewährleistet werden kann.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Batterie für ein Kraftfahrzeug umfasst ein Batteriegehäuse, das eine Gehäusebasis aufweist. Die elektrische Batterie umfasst ferner eine Kühlplatte, die im Abstand zur Gehäusebasis angeordnet ist, sodass zwischen Kühlplatte und Gehäusebasis ein, insbesondere spaltförmiger, Zwischenraum ausgebildet ist. Darüber hinaus umfasst die elektrische Batterie wenigstens ein elektrisches Batteriezellmodul, welches von der Gehäusebasis abgewandt zu seiner thermischen Anbindung an die Kühlplatte mittels einer Vorspannkraft gegen die Kühlplatte gedrückt ist. Die elektrische Batterie weist außerdem wenigstens ein Zwischenelement auf, das im Zwischenraum angeordnet ist und die das Batteriezellmodul gegen die Kühlplatte drückende Vorspannkraft wenigstens teilweise von der Kühlplatte auf die Gehäusebasis überträgt. Mittels des Zwischenelements kann also die Kühlplatte gegen die Gehäusebasis abgestützt sein. Die Gehäusebasis kann als Widerlager zur wenigstens teilweisen Aufnahme der Vorspannkraft dienen und eine entsprechende Lagerreaktion bereitstellen. Erfindungsgemäß weist das Zwischenelement eine regelmäßige Hohlstruktur auf. Das Zwischenelement kann schwingungsdämpfend ausgebildet sein. Vorteilhaft kann mittels des Zwischenelements die Kühlplatte besonders gut thermisch vom Batteriegehäuse bzw. von der Gehäusebasis des Batteriegehäuses entkoppelt werden. orteilhaft erlaubt das Zwischenelement - wie oben bereits angesprochen - einen besonders großen Anpressdruck des Batteriezellmoduls gegen die Kühlplatte, welcher sich ferner über die Lebensdauer der elektrischen Batterie besonders lange oder sogar dauerhaft aufrechterhalten lässt. Außerdem kann mittels des Zwischenelements die Kühlplatte besonders gut thermisch vom Batteriegehäuse bzw. von der Gehäusebasis des Batteriegehäuses entkoppelt werden.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der elektrischen Batterie erstreckt sich das Zwischenelement von der Gehäusebasis zur Kühlplatte entlang einer, insbesondere senkrecht zur Kühlplatte und zur Gehäusebasis verlaufenden, Dickenrichtung.
Ein Profil der regelmäßigen Hohlstruktur ist entlang der Dickenrichtung oder winkelig zur Dickenrichtung ausgetragen. Das Profil der regelmäßigen Hohlstruktur kann entlang einer Geraden, die parallel oder winkelig zur Dickenrichtung verläuft, ausgetragen sein. Die Hohlstruktur kann ein Extrusionskörper sein. Ein solches Zwischenelement lässt sich besonders kostengünstig herstellen und erweist sich als mechanisch besonders widerstandsfähig, insbesondere bei Belastung auf Druck entlang der Dickenrichtung.
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Zweckmäßig istdie Hohlstruktur waben- oder gitterartig ausgebildet. Das Profil der wabenartig ausgebildeten Hohlstruktur kann zusammengesetzte sechseckige oder andersvieleckige Profilabschnitten umfassen. Ein Zwischenelement mit einer derartigen Hohlstruktur erlaubt die Übertragung einer besonders großen, das Zwischenelement auf Druck belastenden, Vorspannkraft von der Kühlplatte auf die Gehäusebasis.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der elektrischen Batterie weist die Hohlstruktur ein wärmeisolierendes Material auf oder besteht aus einem solchen wärmeisolierenden Material. Ein solches wärmeisolierendes Material kann eine Temperaturleitfähigkeit von höchstens 0,035 W/m K aufweisen. Ein solches wärmeisolierendes Material M kann Polyethylen (PE), Polyurethan (PP) oder Polyphenylenether (PPE) umfassen oder sein. Vorteilhaft lässt sich somit ein unerwünschter Wärmeübergang von Umgebungswärme vom Gehäuse über das Zwischenelement auf die Kühlplatte zumindest eindämmen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der elektrischen Batterie weist die Hohlstruktur ein kriechwiderstandsfähiges Material auf oder besteht aus einem solchen kriechwiderstandsfähigen Material. Ein derartiges kriechwiderstandsfähiges Material kann insbesondere Polyethylen, Polypropylen oder Polyphenylenether, jeweils verstärkt mit Füll- oder/und Verstärkungsstoffen wie beispielsweise Verstärkungsfasern, insbesondere Naturfasern, oder dergleichen sein. Damit lässt sich die Vorspannkraft besonders lange oder sogar über die gesamte Lebensdauer der elektrischen Batterie aufrechterhalten.
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Zweckmäßig ist die Gehäusebasis mittels des Zwischenelements gegenüber der Kühlplatte thermisch isoliert. Entsprechend lässt sich somit ein unerwünschter Wärmeübergang von Umgebungswärme vom Gehäuse her über das Zwischenelement an die Kühlplatte gering halten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der elektrischen Batterie ist das wenigstens eine Batteriezellmodul mittels wenigstens einer thermisch leitfähigen Kopplungseinrichtung der elektrischen Batterie thermisch an die Kühlplatte gekoppelt, wobei die Kopplungseinrichtung zwischen dem Batteriezellmodul und der Kühlplatte angeordnet und durch die Vorspannkraft komprimiert ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der elektrischen Batterie sind das Batteriezellmodul und die Kühlplatte infolge der Vorspannkraft mit einer Flächenpressung von in etwa 0,5 MPa belastet. „In etwa“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der tatsächliche Wert innerhalb einer Toleranz von +/-10 % des genannten Nennwerts liegen kann. Auch dies wirkt sich förderlich auf die Wärmeübertragung zwischen Batteriezellmodul und Kühlplatte aus.
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Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der elektrischen Batterie ist vorgesehen, dass das Zwischenelement ein Füllmittel umfasst, welches wenigstens einen von der Hohlstruktur begrenzten Hohlraum wenigstens teilweise ausfüllt, wobei das Füllmittel ein Gas, insbesondere Luft, oder/und einen, insbesondere geschäumten, Kunststoff umfasst oder ist. Statt des geschäumten Kunststoffs kommen gegebenenfalls auch andere Schäume, wie natürliche oder Metall- oder Keramikschäume, als Füllmittel in Frage. Ein solches Zwischenelement erweist sich als mechanisch besonders widerstandsfähig.
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Zweckmäßig umfasst die Hohlstruktur ein massives Material oder besteht aus einem massiven Material. „Massiv“ kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass das Material der Hohlstruktur im Wesentlichen frei von Poren ist, wobei Komposite ausdrücklich nicht ausgeschlossen sind. Ein Zwischenelement mit einer derartigen Hohlstruktur lässt sich besonders kostengünstig, insbesondere wenigstens teilweise urformend, herstellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der elektrischen Batterie ist die Hohlstruktur dazu ausgebildet, bei örtlich begrenzter, insbesondere punktueller, Belastung, vorzugsweise im Bereich zwischen 10 N/mm2 und 50 N/mm2, unter Absorption von Verformungsenergie zu kollabieren. Das Zwischenelement kann somit vorteilhaft als tauschbare Opfereinheit fungieren, welche infolge der örtlich begrenzten Belastung gezielt als erste Komponente der elektrischen Batterie kollabiert, um so die damit einhergehend absorbierte Verformungsenergie von den übrigen Komponenten, insbesondere den Batteriezellmodulen, der elektrischen Batterie fernzuhalten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der elektrischen Batterie ist vorgesehen, dass zwischen Kühlplatte und Batteriegehäuse kein direkter körperlicher Kontakt vorhanden ist. Somit lässt sich die Kühlplatte besonders wirksam thermisch gegenüber dem Batteriegehäuse isolieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der elektrischen Batterie sind mehrere im Abstand zueinander angeordnete elektrische Batteriezellmodule oder/und mehrere im Abstand zueinander angeordnete Zwischenelemente vorhanden. Eine solche elektrische Batterie besticht in einer großen elektrischen Speicherkapazität.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der elektrischen Batterie sieht vor, dass je einem elektrischen Batteriezellmodul ein Zwischenelement zugeordnet ist, wobei einander zugeordnete Batteriezellmodule und Zwischenelemente in einer gemeinsamen Flucht angeordnet sind. Eine derartige elektrische Batterie erweist sich als mechanisch besonders steif. Alternativ sind die elektrischen Batteriezellmodule und die Zwischenelemente, insbesondere lateral, versetzt zueinander angeordnet, was eine besonders gute thermische Isolation der Kühlplatte gegenüber der Gehäusebasis erlaubt. Gegebenenfalls kann mittels der versetzten Anordnung der Zwischenelemente relativ zu den Batteriezellmodulen auch eine geringfügige elastische Verformung der Kühlplatte gezielt zugelassen werden, welche elastische Verformung Maßtoleranzen ausgleichen kann und eine gefederte Lagerung der Batteriezellmodule am Batteriegehäuse erlaubt.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Batterie wie voranstehend beschrieben. Entsprechend übertragen sich die voranstehend genannten Vorteile der erfindungsgemäßen elektrischen Batterie auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit einer derartigen elektrischen Batterie. Das Kraftfahrzeug umfasst außerdem einen elektrischen Antrieb, der mittels der elektrischen Batterie mit elektrischer Energie speisbar ist. Der elektrische Antrieb kann zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs dienen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend 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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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 entlang einer Dickenrichtung geschnitten, ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Batterie eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
- 2 beispielhaft ein Zwischenelement für die elektrische Batterie der 1 in einer Draufsicht entlang der Dickenrichtung.
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In der 1 ist entlang einer Dickenrichtung D geschnitten ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Batterie 3 gezeigt. Die 1 illustriert außerdem beispielhaft ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 2, welches die elektrische Batterie 1 umfasst. Die elektrische Batterie 1 kann zum Speichern elektrischer Energie dienen. Das Kraftfahrzeug 2 umfasst einen in der 1 nicht erkennbaren elektrischen Antrieb, der mittels der elektrischen Batterie 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist. Der elektrische Antrieb des Kraftfahrzeugs 2 kann zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs 2 dienen.
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Die 1 lässt erkennen, dass die elektrische Batterie 1 ein Batteriegehäuse 3 umfasst. Das Batteriegehäuse 3 weist eine Gehäusebasis 4 auf. Die elektrische Batterie 1 umfasst außerdem eine Kühlplatte 5. Die Kühlplatte 5 ist im Abstand zur Gehäusebasis 4 angeordnet, sodass zwischen der Kühlplatte 5 und der Gehäusebasis 4 ein Zwischenraum 6 ausgebildet ist. Der Zwischenraum 6 kann spaltförmig gestaltet sein. Die elektrische Batterie 1 umfasst darüber hinaus wenigstens ein elektrisches Batteriezellmodul 7. Das Batteriezellmodul 7 ist von der Gehäusebasis 4 abgewandt zu seiner thermischen Anbindung an die Kühlplatte 5 mittels einer Vorspannkraft F gegen die Kühlplatte 5 gedrückt. Die Kühlplatte 5 kann von einem Kühlmittelfluid, beispielweise von einer Kühlflüssigkeit, durchströmbar sein. Die Kühlplatte 5 kann zum Kühlen des Batteriezellmoduls 7 dienen. Prinzipiell ist es aber auch denkbar, dass die Kühlplatte 5 - zeitweise oder dauerhaft - zum Erwärmen des Batteriezellmodul 7 eingesetzt wird.
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Gemäß 1 umfasst die elektrische Batterie 1 außerdem wenigstens ein Zwischenelement 8. Dieses Zwischenelement 8 ist in dem Zwischenraum 6 angeordnet. Dabei überträgt das Zwischenelement 8 die Vorspannkraft F, die das Batteriezellmodul 7 gegen die Kühlplatte 5 drückt, wenigstens teilweise von der Kühlplatte 5 auf die Gehäusebasis 4. Die Gehäusebasis 4 kann somit als Widerlager zur wenigstens teilweisen Aufnahme der Vorspannkraft F dienen. Dabei weist das Zwischenelement 8 der elektrischen Batterie 1 eine regelmäßige Hohlstruktur 9 auf.
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Im Beispiel der 1 erstreckt sich das Zwischenelement 8 von der Gehäusebasis 4 zu Kühlplatte 5 entlang der Dickenrichtung D. Beispielsweise kann die Dickenrichtung D senkrecht zur Kühlplatte 5 und zur Gehäusebasis 4 verlaufen. Dabei weist die regelmäßige Hohlstruktur 9 ein Profil 10 auf, welches entlang der Dickenrichtung D ausgetragen ist. Alternativ kann das Profil 10 winkelig zur Dickenrichtung D ausgetragen sein.
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In der 2 ist in einer Draufsicht entlang der Dickenrichtung D ein Beispiel des Zwischenelements 8 für die elektrische Batterie 1 der 1 gezeigt. Es ist erkennbar, dass die Hohlstruktur 9 wabenartig ausgebildet ist. Das Profil 10 der wabenartig ausgebildeten Hohlstruktur 9 kann zusammengesetzte sechseckige oder andersvieleckige Profilabschnitten umfassen. Alternativ kann die Hohlstruktur 9 gitterartig sein. Beispielsweise weist die Hohlstruktur 9 ein wärmeisolierendes Material M auf oder besteht aus einem wärmeisolierenden Material M. Ein solches wärmeisolierendes Material M kann eine Temperaturleitfähigkeit von höchstens 0,035 W/m K aufweisen. Ein solches wärmeisolierendes Material M kann Polyethylen (PE), Polyurethan (PP) oder Polyethylensesther (PPE) umfassen oder sein. Die Hohlstruktur 9 weist beispielsweise ein kriechwiderstandsfähiges Material M auf oder besteht aus einem solchen kriechwiderstandsfähigen Material M. Das kriechwiderstandsfähige Material kann beispielsweise PE, PP oder PPE, jeweils verstärkt mit Füll- oder/und Verstärkungsstoffen wie beispielsweise Verstärkungsfasern, insbesondere Naturfasern, oder dergleichen sein.
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Gemäß 1 ist die Gehäusebasis 4 mittels des Zwischenelements 8 gegen über der Kühlplatte 5 thermisch isoliert. Beispielsweise ist zwischen der Kühlplatte 5 und dem Batteriegehäuse 4 kein direkter körperlicher Kontakt vorhanden. Dabei ist das wenigstens eine Batteriezellmodul 7 mittels wenigstens einer thermisch leitfähigen Kopplungseinrichtung 11 der elektrischen Batterie 1 thermisch an die Kühlplatte 5 gekoppelt. Auch das Zwischenelement 8 und die Kühlplatte 5 können durch die Vorspannkraft F komprimiert sein. In Folge der Vorspannkraft F sind das Batteriezellmodul 7 und die Kühlplatte 5 beispielsweise mit einer Flächenpressung p von in etwa 0,5 MPa belastet. „In etwa“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der tatsächlich vorherrschende Wert innerhalb einer Toleranz von +/-10 % des Nennwerts von dem Letzteren abweichen kann.
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Den 1 und 2 ist ferner zu entnehmen, dass das Zwischenelement 8 beispielsweise ein Füllmittel 12 umfasst, welches wenigstens einen von der Hohlstruktur 9 begrenzten Hohlraum 13 des Zwischenelements 8 wenigstens teilweise ausfüllt. Der Hohlraum 13 kann an einander entlang der Dickenrichtung D gegenüberliegenden Stirnseiten des Zwischenelements 8 offen oder geschlossen sein. Das Füllmittel 12 kann ein Gas, beispielsweise Luft, sowie - alternativ oder zusätzlich - einen Kunststoff umfassen oder sein, wobei dieser Kunststoff geschäumt sein kann. Dabei umfasst die Hohlstruktur 9 ein massives, also im Wesentlichen porenfreies, Material M oder besteht aus einem solchen massiven Material M. Die Hohlstruktur 9 ist beispielsweise dazu ausgebildet, bei örtlicher begrenzter Belastung unter Absorption von Verformungsenergie zu kollabieren. Eine solche örtliche Belastung kann eine punktuelle Belastung sein. Eine derartige örtliche Belastung kann typischerweise bei einem Unfall des die elektrische Batterie 1 umfassenden Kraftfahrzeugs 2 oder beim Aufsitzen eines Unterbodens des Kraftfahrzeugs 2 auf einem Poller kollisionsbedingt entstehen. Dabei kann das Zwischenelement 8 als Opfereinheit fungieren, welche infolge der örtlich begrenzten Belastung gezielt als erste Komponente der elektrischen Batterie 1 kollabiert, um so die damit einhergehend absorbierte Verformungsenergie von den übrigen Komponenten - vor allem vom Batteriezellmodul 7 - der elektrischen Batterie 1 fernzuhalten.
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Die elektrische Batterie 1 umfasst beispielsweise mehrere - gemäß 1 drei - im Abstand zueinander angeordnete elektrische Batteriezellmodule 7. Alternativ oder zusätzlich umfasst die elektrische Batterie 1 beispielsweise mehrere - gemäß 1 drei - im Abstand zueinander angeordnete Zwischenelemente 8. Die mehreren elektrischen Batteriezellmodule 7 bzw. die mehreren Zwischenelemente 8 können quer zur Dickenrichtung D im Abstand zueinander angeordnet sein. Die Batteriezellmodule 7 bzw. die mehreren Zwischenelemente 8 jeweils können äquidistant zueinander angeordnet sein.
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Im Beispiel der 1 ist je einem der elektrischen Batteriezellmodul 7 ein Zwischenelement 8 zugeordnet, wobei die einander zugeordneten Batteriezellmodule 7 und Zwischenelemente 8 in einer gemeinsamen Flucht angeordnet sind. Beispielsweise entspricht diese Flucht der Dickenrichtung D. Alternativ - und in den Figuren nicht gezeigt - können die elektrischen Batteriezellmodule 7 und die Zwischenelemente 8 versetzt zueinander angeordnet sein. Bei dieser Alternative können die elektrischen Batteriezellmodule 7 und die Zwischenelement 8 quer zur Dickenrichtung D versetzt zueinander, beispielsweise auf Lücke, angeordnet sein.
