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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen Energiespeicher zum beidseitigen Kühlen zumindest einer ersten Zellgruppe des Energiespeichers, wobei die Kühleinrichtung eine Kühlplattenanordnung mit einer ersten von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühleinheit zur Anordnung auf einer ersten Seite der ersten Zellgruppe und mit einer zweiten von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühleinheit zur Anordnung auf einer zweiten Seite der ersten Zellgruppe aufweist, die der ersten Seite bezüglich einer ersten Richtung gegenüber liegt. Weiterhin weist die Kühleinrichtung eine Verteileranordnung auf, die mindestens einen mit der Kühlplattenanordnung fluidisch gekoppelten Zuführanschluss zur Zuführung eines Kühlmittels zur Kühlplattenanordnung aufweist und mindestens einen mit der Kühlplattenanordnung fluidisch gekoppelten Abführanschluss zur Abführung des der Kühlplattenanordnung zugeführten Kühlmittels aus der Kühlplattenanordnung. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Energiespeicher mit einer solchen Kühleinrichtung und ein Verfahren zum beidseitigen Kühlen zumindest einer ersten Zellgruppe eines Energiespeichers mittels einer Kühleinrichtung.
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Nach heutigem Stand sind Batteriekühlungen, insbesondere für Hochvolt-Batterien in Elektrofahrzeugen, meist einseitig ausgeführt. Dies bedeutet, dass eine solche Batteriekühlung entweder oben oder unten am Batteriesystem untergebracht ist, insbesondere bezogen auf die bestimmungsgemäße Einbaulage einer solchen Hochvolt-Batterie in einem Kraftfahrzeug. Eine solche Kühlung ist dann also zum Beispiel entweder als Deckelkühlung ausgeführt oder als Bodenkühlung. Teilweise werden schon mehrseitige Kühlungen umgesetzt. Diese können sich zum Beispiel oben und unten an einem Hochvolt-Speichersystem befinden. Die Kühlungen werden in der Regel von einem geeigneten Verteilersystem, zum Beispiel mit Schläuchen, Rohren, Wellrohren, und so weiter, entsprechend der Anforderungen verteilt.
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Dabei besteht grundsätzlich immer das Bestreben, die zu kühlenden Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule möglichst gleichmäßig und homogen zu kühlen. Das Problem dabei besteht vor allem darin, dass das über einen Zuführanschluss zugeführte Kühlmittel deutlich kühler ist als das nach Durchlaufen einer solchen Kühleinrichtung aus dieser über einen Abführanschluss abgeführte Kühlmittel. Je nach Verlauf der Kühlkanäle zwischen diesem Zuführanschluss und dem Abführanschluss ergeben sich also Bereiche des Energiespeichers, die mehr oder weniger stark gekühlt sind. Bislang wird versucht, durch sehr komplexe Führungen von Kühlkanälen derartige Inhomogenitäten zu vermeiden.
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Die
DE 102 38 235 A1 beschreibt einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Wärmetauscherstruktur und mehreren elektrochemischen Speicherzellen in Form von Rundzellen, die in Reihen nebeneinander angeordnet sind. Zwischen den Rundzellen sind Kanalbauteile angeordnet, die je in zwei benachbarten Reihen Wärmetauscherkanäle aufweisen, die nebeneinander angeordnet sind. Die Kühlmediumszufuhr zu den Wärmetauscherkanälen ist so ausgebildet, dass in je zwei nebeneinander in der gleichen Reihe und in je zwei in benachbarten Reihen angeordneten Wärmetauscherkanälen einander entgegen gerichtete Strömungen des Kühlmediums entstehen, wodurch in den Speicherzellen weitgehend homogene Temperaturen erreicht werden.
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Derartige Konzepte führen oftmals zu einer extrem bauraumaufwendigen und komplexen Kühleinrichtung. Außerdem besteht bei solchen Konzepten das Problem, dass viel Kühlleistung dadurch verloren geht, dass sich die Kühlmitteltemperaturen durch die Positionierung von „warmen“ Kanälen neben „kalten“ Kanälen viel mehr zwischen diesen Kanälen ausgleichen, anstatt hierdurch homogene Temperaturen in den Zellen zu erreichen. So wird beispielsweise das Kühlmittel in einem kalten Kühlkanal durch den benachbarten warmen Kühlkanal erwärmt, bevor die Kühlwirkung des kalten Kühlmittels zur Kühlung der Zellen genutzt werden konnte. Zudem erfordert es viel Bauraum, Kühlstrukturen zwischen den Zellreihen vorzusehen, da durch eine solche Kühleinheit immer nur die Zellen der angrenzenden Zellreihen gekühlt werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühleinrichtung, einen Energiespeicher und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, eine Zellgruppe des Energiespeichers auf möglichst homogene und einfache Weise zu kühlen, insbesondere so dass sich innerhalb der Zellen der Zellgruppe eine möglichst homogene Temperaturverteilung einstellt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühleinrichtung, durch einen Energiespeicher und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung für einen Energiespeicher zur beidseitigen Kühlung zumindest einer ersten Zellgruppe des Energiespeichers weist eine Kühlplattenanordnung mit einer ersten von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühleinheit zur Anordnung auf einer ersten Seite der ersten Zellgruppe und mit einer zweiten von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühleinheit zur Anordnung auf einer zweiten Seite der ersten Zellgruppe auf, die der ersten Seite bezüglich einer ersten Richtung gegenüber liegt. Weiterhin weist die Kühleinrichtung eine Verteileranordnung auf, die mindestens einen mit der Kühlplattenanordnung fluidisch gekoppelten Zuführanschluss zur Zuführung eines Kühlmittels zur Kühlplattenanordnung aufweist und mindestens einen mit der Kühlplattenanordnung fluidisch gekoppelten Abführanschluss zur Abführung des der Kühlplattenanordnung zugeführten Kühlmittels aus der Kühlplattenanordnung. Weiterhin weist die erste Kühleinheit einen ersten Kühlbereich auf, der nur der ersten Zellgruppe zugeordnet ist und der bezüglich einer zweiten Richtung in einen vom Kühlmittel durchströmbaren ersten Teilbereich und einen vom Kühlmittel durchströmbaren zweiten Teilbereich gegliedert ist, wobei die zweite Kühleinheit einen zweiten Kühlbereich aufweist, der ebenfalls nur der ersten Zellgruppe zugeordnet ist, und der bezüglich der zweiten Richtung in einen vom Kühlmittel durchströmbaren dritten Teilbereich und einen vom Kühlmittel durchströmbaren vierten Teilbereich gegliedert ist. Weiterhin liegt der erste Teilbereich bezüglich der ersten Richtung dem dritten Teilbereich gegenüber und der zweite Teilbereich liegt bezüglich der ersten Richtung dem vierten Teilbereich gegenüber, wobei der erste und vierte Teilbereich mit dem mindestens einen Zuführanschluss gekoppelt sind und der zweite und dritte Teilbereich mit dem mindestens einen Abführanschluss gekoppelt sind, so dass der erste und vierte Teilbereich in Strömungsrichtung näher am mindestens einen Zuführanschluss gelegen sind als der zweite und dritte Teilbereich.
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Der erste und zweite Kühlbereich sind also der gleichen Zellgruppe, zum Beispiel einem von mehreren Batteriemodulen, zugeordnet, jedoch auf unterschiedlichen, insbesondere gegenüber liegenden Seiten dieser Zellgruppe angeordnet. Jeder dieser beiden dieser gemeinsamen Zellgruppe zugeordneten Kühlbereiche ist dabei in zwei Teilbereich gegliedert. Dabei liegen sich also bezüglich der ersten Richtung der erste und vierte Teilbereich gegenüber, sowie der zweite und dritte Teilbereich, wobei jedoch der erste und vierte Teilbereich in Strömungsrichtung näher am Zuführanschluss gelegen sind als der zweite und dritte Teilbereich. Zur Vereinfachung werden im Folgenden die dem Zuführanschluss nähergelegenen Teilbereich auch als „kalte“ Teilbereiche bezeichnet und die dem Abführanschluss nähergelegenen Teilbereich entsprechend als „warme“ Teilbereiche. Die Teilbereiche sind nunmehr so angeordnet beziehungsweise können so von einem Kühlmittel durchströmt werden, dass ein warmer Teilbereich jeweils einem kalten Teilbereich bezüglich der ersten Richtung gegenüber liegt. Die zwei warmen Teilbereiche und die zwei kalten Teilbereiche liegen sich sozusagen diagonal gegenüber. Durch diese Überkreuzung können nun vorteilhafterweise gleichzeitig zwei sehr vorteilhafte Effekte erzielt werden: Zum einen kann hierdurch eine deutlich bessere Homogenisierung der Temperaturverteilung innerhalb einer Zelle der ersten Zellgruppe erreicht werden. Ein Temperaturausgleich zwischen warmen und kalten Teilbereichen findet durch dieses Durchströmungskonzept nämlich weniger zwischen den Teilbereichen selbst statt, sondern vielmehr durch die erste Zellgruppe, wenn diese in ihrer bestimmungsgemäßen Position zwischen der ersten und zweiten Kühleinheit angeordnet ist. Außerdem erfolgt dieser Temperaturausgleich durch die Zellgruppe nicht einfach parallel zur ersten Richtung, sondern durch die sich überkreuzende Anordnung der warmen und kalten Teilbereiche wie beschrieben ebenfalls überkreuzend. Es sind also nicht einfach warme Teilbereiche oberhalb der ersten Zellgruppe angeordnet und kalte Teilbereiche unterhalb der Zellgruppe, sondern eben sowohl ein warmer als auch ein kalter Teilbereich oberhalb und unterhalb der Zellgruppe, so dass zusätzlich auch ein warmer Teilbereich einem kalten Teilbereich gegenüber liegt. Neben dieser deutlich besseren Homogenisierung der Temperatur innerhalb einer Zelle der ersten Zellgruppe kann jedoch noch ein weiterer Effekt erzielt werden: Insbesondere im Vergleich zu beidseitigen Kühlanordnungen, bei welchen ein warmer Teilbereich einem weiteren Teilbereich in der ersten Richtung gegenüberliegend angeordnet ist und ein kalter Teilbereich einem anderen kalten Teilbereich in dieser ersten Richtung gegenüberliegend angeordnet ist, lässt sich zudem noch eine Reduktion der in einer Zelle auftretenden maximalen Temperatur erreichen. Dies ist dadurch bedingt, dass nunmehr die Zellpole einer Zelle näherungsweise gleich weit von je einem kalten Teilbereich entfernt angeordnet sind, während bei anderen Konzepten üblicherweise ein Zellpol einen größeren Abstand zu einem kalten Teilbereich aufweist als der andere Zellpol. Dies führt dazu, dass sich die primär im Bereich der Zellpole entwickelnde Wärme von dem schlechter gekühlten Zellpol nur sehr schwer abtransportieren lässt, was zu sehr hohen maximalen Temperaturen im Bereich dieses schlechter gekühlten Zellpols führt. Auch dies lässt sich dieses überkreuzende Strömungskonzept vorteilhafterweise vermeiden und ein deutlich effizienterer Wärmeabtransport, vor allem von beiden Zellpolen, realisieren. So kann nicht nur eine deutlich homogenere Temperaturverteilung der Zellgruppe erreicht werden, was wiederum deren Lebensdauer stark fördert, sondern zudem auch eine deutlich effizientere Kühlung bereitgestellt werden, wodurch Energie gespart werden kann.
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Wie später näher erläutert soll zur Erfindung auch ein Energiespeicher mit einer solchen Kühleinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen gehören, wobei ein solcher Energiespeicher entsprechend noch die erste Zellgruppe aufweisen kann, sowie auch weitere Zellgruppen. Eine solche Zellgruppe umfasst dabei mindestens eine Batteriezelle, vorzugsweise jedoch mehrere Batteriezellen. Diese können grundsätzlich beliebig ausgebildet sein, zum Beispiel als Rundzellen, Pouchzellen oder prismatische Zellen. Bevorzugt im Rahmen der Erfindung ist jedoch eine Ausbildung als prismatische Zellen. Darüber hinaus können die Batteriezellen zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Eine Zellgruppe kann dabei mehrere Batteriezellen umfassen, die in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind. Diese Stapelrichtung korrespondiert dabei zu einer später näher definierten dritten Richtung, die zur ersten Richtung senkrecht ist. Die erste Richtung entspricht bevorzugt einer Fahrzeughochrichtung bezogen auf eine bestimmungsgemäße Einbaulage der Kühleinrichtung in einem Kraftfahrzeug. Die erste Kühleinheit kann zum Beispiel eine oberseitige Kühlplatte darstellen und die zweite Kühleinheit zum Beispiel eine untere Kühlplatte. Die obere Kühlplatte kann zum Beispiel auch durch einen Gehäusedeckel eines Batteriegehäuses bereitgestellt sein und die untere Kühlplatte durch einen Boden eines solchen Batteriegehäuses. Die Kühleinheiten können aber auch als separate Bauteile bereitgestellt sein. Die beiden Kühleinheiten sind zudem so ausgebildet, dass sie jeweils alle vom Energiespeicher umfassten Zellen gleichzeitig überdecken bzw. kühlen können, zumindest alle vom Energiespeicher umfassten in einer Ebene angeordnete Zellen. Die Kühleinheiten verlaufen also nicht zwischen Zellen oder Zellreihen einer Zellebene, die z.B. senkrecht zur ersten Richtung definiert sein kann. Die Kühleinheiten können entsprechend im Wesentlichen eben ausgebildet sein, z.B. als Kühlplatten, wobei die Kühlkanäle geringfügige Erhebungen gegenüber dieser Ebene darstellen können. Die den Zellen zugewandten Seiten der Kühleinheiten sind vorzugsweise flach bzw. eben und ohne Erhebungen. Dies vereinfacht die thermische Anbindung an die Zellen.
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Die Zellgruppe kann des Weiteren ein Batteriemodul definieren. Der Energiespeicher kann dabei nicht nur ein solches Batteriemodul aufweisen, sondern beispielsweise auch mehrere. Diese sind dann zum Beispiel in einer zweiten Richtung nebeneinander angeordnet, die senkrecht zur ersten und dritten Richtung ist. Optional können auch mehrere Batteriemodule in der dritten Richtung nebeneinander angeordnet sein, bevorzugt jedoch nicht in der ersten Richtung. Damit kann für mehrere Batteriemodule eine gemeinsame erste und zweite Kühleinheit zum Kühlen dieser Batteriemodule genutzt werden. Die erste und zweite Kühleinheit kann also beispielsweise einen gemeinsamen Gehäusedeckel und einen gemeinsamen Gehäuseboden für die mehreren Batteriemodule bereitstellen. Jedenfalls ist es bevorzugt, dass die erste und zweite Kühleinheit nicht zwischen zwei Batteriemodulen oder im Allgemeinen zwischen zwei Zellgruppen angeordnet ist. Dadurch kann enorm Bauraum gespart werden und die Ausbildung der Kühleinrichtung vereinfacht sich stark. Zudem ist es bevorzugt, dass die Zellpole einer jeweiligen Batteriezelle einer Zellgruppe auch bezüglich der zweiten Richtung auf sich gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle angeordnet sind. Die Zellpole sind also nicht oben oder unten angeordnet, was eine ober- und unterseitige Anordnung der jeweiligen Kühleinheiten deutlich vereinfacht. Hierdurch gestaltet sich die beidseitige Kühlung der Zellgruppe besonders effizient.
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Dass der erste und vierte Teilbereich in Strömungsrichtung näher am mindestens einen Zuführanschluss gelegen sind als der zweite und dritte Teilbereich, bezieht sich dabei auf eine Strömungsrichtung, die vom mindestens einen Zuführanschluss zum mindestens einen Abführanschluss entlang der von den jeweiligen Teilbereichen bereitgestellten Kühlkanälen bzw. Kühlkanalabschnitten verläuft. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Kühleinrichtung sind z.B. die zweiten und dritten Teilbereiche stromabwärts der ersten und zweiten Teilbereiche angeordnet. Die Bezeichnungen „stromabwärts“ und „stromaufwärts“ beziehen sich also im Allgemeinen auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels im bestimmungsgemäßen Betrieb der Kühleinrichtung.
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Der erste und vierte Teilbereich kann dabei unmittelbar mit dem mindestens einen Zuführanschluss gekoppelt sein, d.h. direkt an diesen angeschlossen sein. Dabei kann die Verteileranordnung auch mehrere Zuführanschlüsse aufweisen, wobei der erste und vierte Teilbereich jeweils mit einem dieser mehreren Zuführanschlüsse gekoppelt bzw. direkt an diesen angeschlossen sein können. Der zweite und dritte Teilbereich sind dagegen nicht direkt mit einem Zuführanschluss der Verteileranordnung verbunden, sondern lediglich mittelbar über einen weiteren Teilbereich der Kühlplattenanordnung, zum Beispiel über den ersten beziehungsweise vierten Teilbereich. Dagegen ist es bevorzugt, dass der zweite und dritte Teilbereich direkt und unmittelbar mit dem mindestens einen Abführanschluss gekoppelt sind bzw. an diesen angeschlossen sind. Auch hierbei ist es wiederum denkbar, dass die Verteileranordnung mehrere solcher separaten Abführanschlüsse aufweist und der zweite und dritte Teilbereich jeweils mit einem solchen Abführanschluss gekoppelt sind und direkt an diese angeschlossen sind. Es ist aber auch denkbar, dass der erste und vierte Teilbereich an einem gemeinsamen Zuführanschluss angebunden sind und/oder der zweite und dritte Teilbereich an einem gemeinsamen Abführanschluss angeschlossen sind. In jedem Fall ist die Kühleinrichtung bevorzugt so ausgestaltet, dass wenn über den mindestens einen Zuführanschluss der Kühlplattenanordnung ein Kühlmittel zugeführt wird, dieses zuerst in den ersten und vierten Teilbereich eintritt und diese durchströmt, bevor dieses in den zweiten und dritten Teilbereich eintritt und diese durchströmt und wieder aus diesen durch den mindestens einen Abführanschluss abgeführt wird. Vor Eintritt des Kühlmittels in den jeweiligen dritten und vierten Teilbereich hat das Kühlmittel also bereits mindestens einen dem Zuführanschluss nähergelegenen Teilbereich der Kühlplattenanordnung durchlaufen, zum Beispiel den ersten und vierten Teilbereich. Das Kühlmittel, welches also den ersten und vierten Teilbereich durchströmt, ist zumindest im Mittel kühler als zum Zeitpunkt, wenn dieses den zweiten und dritten Teilbereich durchströmt.
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Dies gilt zumindest, wenn die Kühleinrichtung zur Kühlung der ersten Zellgruppe eingesetzt wird. Grundsätzlich ist es auch denkbar, die Kühleinrichtung allgemein als Temperiereinrichtung zu betreiben. Im Zuge dessen kann durch die Kühleinrichtung nicht nur eine Kühlfunktion umgesetzt sein, sondern beispielsweise bei Bedarf auch eine Heizfunktion. Ein Beheizen eines Energiespeichers kann zum Beispiel im Rahmen einer Vorkonditionierung des Energiespeichers vor einem Ladevorgang oder auch im Winter bei kalten Umgebungstemperaturen sinnvoll sein. In diesem Fall weist dann das die Kühleinrichtung durchströmende Kühlmittel eine höhere Temperatur auf als der Energiespeicher beziehungsweise die erste Zellgruppe, um diese Zellgruppe aufzuwärmen. Im Rahmen der Umsetzung einer solchen Heizfunktion würden dann entsprechend der erste und vierte Teilbereich die wärmeren Teilbereiche darstellen und entsprechend die zweiten und dritten Teilbereiche die kühleren Teilbereich, da das Kühlmittel zu dem Zeitpunkt, wenn dieses den zweiten und dritten Teilbereich durchströmt, bereits Wärme an die Batteriezellen abgegeben hat. Ansonsten sind die durch die Kühleinrichtung erzielbaren Effekte die gleichen wie im Zuge der Kühlfunktion beschrieben. Das heißt, auch in diesem Fall, wenn also eine Heizfunktion bereitgestellt werden soll, kann durch die beschriebene Kühleinrichtung eine deutlich homogenere Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezellen erreicht werden.
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Wenn also im Folgenden die Kühleinrichtung weiterhin primär im Hinblick auf ihre Kühlfunktion beschrieben wird, so lassen sich die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen analog auf eine durch die Kühleinrichtung ausführbare Heizfunktion übertragen.
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Dabei stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der erste Teilbereich fluidisch mit dem zweiten Teilbereich verbunden ist, so dass der zweite Teilbereich stromabwärts des ersten Teilbereichs angeordnet ist, und der dritte Teilbereich fluidisch mit dem vierten Teilbereich verbunden ist, so dass der dritte Teilbereich stromabwärts des vierten Teilbereichs angeordnet ist. Da der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich an der gleichen Kühleinheit, nämlich der ersten Kühleinheit, zugeordnet sind, die insbesondere in Form einer Kühlplatte bereitgestellt sein kann, kann eine fluidische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Teilbereich besonders einfach umgesetzt werden. Die vom ersten Teilbereich umfassten Kühlkanäle können einfach fluidisch mit den Kühlkanälen des zweiten Teilbereichs gekoppelt sein. Insbesondere können diese Kühlkanäle als unterschiedliche Kühlkanalabschnitte eines gleichen den ersten und zweiten Teilbereich durchlaufenden Kühlkanals aufgefasst werden. Gleiches gilt auch für den dritten und vierten Teilbereich. Das Kühlmittel kann also über den mindestens einen Zuführanschluss zunächst dem ersten Teilbereich zugeführt werden, diesen durchströmen, durch die fluidische Verbindung zum zweiten Teilbereich diesem zugeführt werden, diesen durchströmen und anschließend über den mindestens einen Zuführanschluss wieder aus der ersten Kühleinheit und insbesondere aus der Kühlplattenanordnung abgeführt werden. Gleiches gilt für den dritten und vierten Teilbereich. Das Kühlmittel kann also zunächst über den mindestens einen Zuführanschluss dem vierten Teilbereich zugeführt werden, anschließend in den dritten Teilbereich strömen, diesen durchströmen und über den mindestens einen Abführanschluss wieder aus der Kühlplattenanordnung abgeführt werden.
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Beim Kühlmittel kann es sich zum Beispiel um Wasser oder ein wasserbasiertes Kühlmittel, zum Beispiel Wasser mit Glykol und/oder anderen Zusätzen zum Zwecke des Frostschutzes, oder Ähnliches handeln. Grundsätzlich sind aber auch andere Kühlmittel denkbar, im Allgemeinen flüssige oder auch gasförmige Kühlmittel, wobei ein flüssiges Kühlmittel aufgrund seiner effizienteren Kühlwirkung bevorzugt ist.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem ersten und vierten Teilbereich eine erste Hauptströmungsrichtung zugeordnet und dem zweiten und dritten Teilbereich eine zweite Hauptströmungsrichtung zugeordnet ist, die der ersten Hauptströmungsrichtung entgegengesetzt ist. Dadurch lässt sich der Aufbau der Teilbereiche und der Kühlplattenanordnung an sich besonders einfach gestalten. Die Hauptströmungsrichtungen können dabei im Wesentlichen parallel zu einer dritten Richtung verlaufen, die senkrecht zur ersten und zweiten Richtung ist. Diese dritte Richtung kann zu einer Stapelrichtung eines durch die Zellgruppe bereitgestellten Zellstapels definiert sein. Damit strömt das Kühlmittel beispielsweise zunächst in den ersten Teilbereich und durch diesen in der ersten Hauptströmungsrichtung entlang und somit über alle Zellen des Zellstapels hinweg. Am Ende des Zellstapels kann das Kühlmittel vom ersten Teilbereich in den zweiten Teilbereich, zum Beispiel über einen Umlenkkanalabschnitt, eingeleitet werden und in der entgegengesetzten Richtung, nämlich der zweiten Hauptströmungsrichtung, wieder über alle Zellen hinweg zurückströmen. Gleiches gilt auch wieder analog für den dritten und vierten Teilbereich. Hier wird zunächst der vierte Teilbereich in der ersten Hauptströmungsrichtung vom Kühlmittel durchlaufen, dieses wird dann in den dritten Teilbereich eingeleitet und läuft entgegen der ersten Hauptströmungsrichtung, also in der zweiten Hauptströmungsrichtung, wieder zurück. Auf diese Weise kann die Verteileranordnung mit ihren Anschlüssen, das heißt dem mindestens einen Zuführanschluss und dem mindestens einen Abführanschluss auf einer Seite der Zellgruppe angeordnet sein, die insbesondere zu einer Stirnseite eines durch die Zellgruppe bereitgestellten Zellstapels bereitgestellt ist. Dies ermöglicht einen besonders bauraumsparenden Aufbau.
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Als Hauptströmungsrichtung wird dabei insbesondere eine Richtung bezeichnet, in welcher das Kühlmittel beim Durchströmen der betreffenden Teilbereiche zumindest im Mittel oder hauptsächlich strömt. Die den jeweiligen Teilbereichen zugeordneten Kühlkanäle müssen dabei nicht notwendigerweise ausschließlich parallel zu dieser Hauptströmungsrichtung verlaufen, sondern können theoretisch, wenn auch weniger bevorzugt, wellenförmig verlaufen oder zickzackförmig oder Ähnliches. Außerdem wird das Kühlmittel beim Umleiten vom ersten in den zweiten Teilbereich und vom vierten in den dritten Teilbereich in eine Richtung gelenkt, die nicht parallel zu einer der Hauptströmungsrichtungen ist, sondern zu diesen im Wesentlichen senkrecht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Verteileranordnung eine den mindestens einen Zuführanschluss bereitstellende Zuführverteilereinrichtung auf, die einen Hauptzuführanschluss zum Zuführen eines Kühlmittels zur Zuführverteilereinrichtung aufweist, und eine den mindestens einen Abführanschluss bereitstellende Sammelverteilereinrichtung, die einen Hauptabführanschluss zum Abführen eines Kühlmittels aus der Sammelverteilereinrichtung aufweist, insbesondere wobei die Zuführverteilereinrichtung mehrere mit der Kühlplattenanordnung fluidisch verbundene Zuführanschlüsse bereitstellt und die Sammelverteilereinrichtung mehrere mit der Kühlplattenanordnung fluidisch verbundene Abführanschlüsse bereitstellt.
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Die Verteileranordnung kann sich also grundsätzlich in eine Zuführverteilereinrichtung und eine Sammelverteilereinrichtung gliedern. Diese können zum Beispiel in Form von Rohren, Schläuchen, Wellrohren oder Ähnlichem bereitgestellt sein. Jede dieser Verteilereinrichtungen kann wiederum einen Hauptanschluss umfassen, nämlich einen Hauptzuführanschluss und einen Hauptabführanschluss. Hier wird das Kühlmittel zentral der Kühleinrichtung zugeführt, z.B. mittels einer Kühlmittelpumpe, und aus dieser wieder abgeführt. Das der Zellverbindungseinrichtung über diesen Zuführhauptanschluss zugeführte Kühlmittel wird über die Zuführverteilereinrichtung verteilt, und zwar auf die jeweiligen mehreren Zuführanschlüsse, die mit der Kühlplattenanordnung verbunden sind. Das aus der Kühlplattenanordnung abgeführte Kühlmittel wird über die mehreren Abführanschlüsse in die Sammelverteilereinrichtung eingeführt und entsprechend durch diese gesammelt und aus dem Hauptabführanschluss wieder abgeführt.
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Dies ermöglicht einen besonders vorteilhaften, einfachen und bauraumeffizienten Aufbau der Verteileranordnung. Hierbei ist noch anzumerken, dass nicht notwendigerweise jedem Teilbereich der Kühlplattenanordnung eigens ein Zuführanschluss oder Abführanschluss zugeordnet sein muss. Manche Teilbereiche können zum Beispiel an den gemeinsamen Zuführanschluss und/oder manche Teilbereiche an einen gemeinsamen Abführanschluss gekoppelt sein. Dies stellt mehr Flexibilität bezüglich der Auslegung der Kühlplatten bereit.
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Die jeweiligen Teilbereiche sind zudem von einem Kühlmittel durchströmbar ausgebildet. Zu diesem Zweck können die entsprechenden Teilbereiche mit Kühlkanälen ausgebildet sein, die von diesem Kühlmittel durchströmbar sind. Entsprechend ist es weiterhin sehr vorteilhaft, wenn zum Beispiel der erste Teilbereich mindestens einen ersten Kühlkanalabschnitt aufweist und der zweite Teilbereich mindestens einen zweiten Kühlkanalabschnitt aufweist, der über einen ersten Umlenkabschnitt fluidisch mit dem ersten Kühlkanalabschnitt verbunden ist, wobei der erste Teilbereich mehrere nebeneinander verlaufende erste Kühlkanalabschnitte aufweist und der zweite Teilbereich mehrere nebeneinander verlaufende zweite Kühlkanalabschnitte aufweist, die über jeweilige erste Umlenkabschnitte mit den jeweiligen ersten Kühlkanalabschnitten fluidisch verbunden sind. Mit anderen Worten können der erste und der zweite Teilbereich jeweils mindestens einen Kühlkanalabschnitt oder auch mehrere parallel zueinander verlaufende Kühlkanalabschnitte aufweisen. Weist der erste Teilbereich zum Beispiel mehrere solcher Kühlkanalabschnitte auf, so durchströmt ein dem ersten Teilbereich zugeführtes Kühlmittel diese ersten Kühlkanalabschnitte parallel. Mit anderen Worten wird das dem ersten Teilbereich zugeführte Kühlmittel entsprechend auf diese mehrere ersten Kühlkanalabschnitte aufgeteilt und durchströmt entsprechend diese Kühlkanalabschnitte auch zeitlich parallel. Dann wird das Kühlmittel über die jeweiligen ersten Umlenkabschnitte in die mehreren jeweiligen zweiten Kühlkanalabschnitte des zweiten Teilbereichs umgelenkt und durchströmt diese ebenso wieder parallel bis zum mindestens einen Abführanschluss. Eine Ausgestaltung der Teilbereiche mit jeweils mehreren Kühlkanalabschnitten ist vor allem für zumindest eine der beiden Kühleinheiten sehr vorteilhaft. Diese Kühleinheit kann entsprechend als Hauptkühleinheit fungieren. Im vorliegenden Beispiel stellt diese die erste Kühleinheit dar, die zur Anordnung auf der ersten Seite der Zellgruppe vorgesehen ist. Die erste Seite der Zellgruppe stellt dann in diesem Fall bevorzugt diejenige Seite dar, an welcher sich keine Entgasungsöffnungen beziehungsweise Ventingöffnungen der Zellen dieser Zellgruppe befinden. Eine solche Ventingöffnung kann durch eine Sollbruchstelle, zum Beispiel eine Berstmembran, bereitgestellt sein, die im Zellgehäuse angeordnet ist, und die im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle durch den Innendruck der Zelle öffnet, um ein definiertes Entweichen von Gasen aus der Zelle zu ermöglichen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn entsprechend in diesem Bereich einer solche Ventingöffnung keine Kühlkanalabschnitte verlaufen. Die Ventingöffnungen können zum Beispiel der zweiten Seite der Zellgruppe zugeordnet sein beziehungsweise auf dieser zweiten Seite angeordnet sein. Entsprechend kann die zweite Kühleinheit, die zur Anordnung auf dieser zweiten Seite der Zellgruppe vorgesehen ist, so ausgestaltet sein, dass dieser Bereich dieser Ventingöffnungen keine Kühlkanalabschnitte aufweist. Mit anderen Worten sollen diesen Ventingöffnungen bezogen auf die erste Richtung keine Kühlkanalabschnitte der zweiten Kühleinheit gegenüberliegen. Die zweite Kühleinheit kann entsprechend weniger Kühlkanalabschnitte aufweisen. Beispielsweise kann jeder Teilbereich der zweiten Kühleinheit, also zum Beispiel der dritte und vierte Teilbereich, jeweils nur mit einem Kühlkanalabschnitt ausgebildet sein, die über einen korrespondierenden Umlenkabschnitt miteinander verbunden sind. Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der dritte Teilbereich mindestens einen dritten Kühlkanalabschnitt aufweist, vorzugsweise nur einen dritten Kühlkanalabschnitt aufweist, und der vierte Teilbereich mindestens einen vierten Kühlkanalabschnitt, vorzugsweise nur einen vierten Kühlkanalabschnitt, aufweist, der über einen zweiten Umlenkabschnitt fluidisch mit dem dritten Kühlkanalabschnitt verbunden ist. Dabei können der dritte und vierte Kühlkanalabschnitt in der zweiten Richtung einen größeren Abstand zueinander aufweisen als beispielsweise der Abstand zwischen den ersten und zweiten Kühlkanalabschnitten. Dieser größere Abstand stellt dann einen Freibereich bereit, der bezüglich der ersten Richtung den Ventingöffnungen der Zellen gegenüberliegen kann.
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Wie eingangs bereits erwähnt, ist es bevorzugt, dass ein Energiespeicher nicht nur ein Batteriemodul, welches vorliegend im Allgemeinen als erste Zellgruppe bezeichnet wird, aufweist, sondern mehrere Batteriemodule. Entsprechend kann auch die Kühleinrichtung mit mehreren korrespondierenden Kühlbereichen der ersten und zweiten Kühleinheit ausgebildet sein. Die erste und zweite Kühleinheit weisen also wie beschrieben einen ersten und zweiten Kühlbereich auf, die zur ersten Zellgruppe korrespondieren. Bei weiteren Zellgruppen können die erste und zweite Kühleinheit beispielsweise einen korrespondierenden dritten und vierten Kühlbereich aufweisen, die zu einer solchen zweiten Zellgruppe korrespondieren, oder auch einen fünften und sechsten Kühlbereich, die zu einer dritten Zellgruppe korrespondieren, und so weiter. Der Aufbau kann dabei grundsätzlich genauso sein wie mit Bezug auf den ersten und zweiten Kühlbereich und die erste Zellgruppe beschrieben.
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Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die erste Kühleinheit einen dritten Kühlbereich aufweist, der einer zweiten Zellgruppe zugeordnet ist, und der bezüglich der zweiten Richtung in einen vom Kühlmittel durchströmbaren ersten und zweiten Teilbereich gegliedert ist, wobei die zweite Kühleinheit weiterhin einen vierten Kühlbereich aufweist, der der zweiten Zellgruppe zugeordnet ist, und der bezüglich der zweiten Richtung in einen vom Kühlmittel durchströmbaren dritten und vierten Teilbereich gegliedert ist, wobei der erste Teilbereich des dritten Kühlbereichs bezüglich der ersten Richtung dem dritten Teilbereich des vierten Kühlbereichs gegenüberliegt und der zweite Teilbereich des dritten Kühlbereichs bezüglich der ersten Richtung dem vierten Teilbereich des vierten Kühlbereichs gegenüberliegt. Darüber hinaus sind der erste und vierte Teilbereich mit dem mindestens einen Zuführanschluss gekoppelt und der zweite und dritte Teilbereich mit dem mindestens einen Abführanschluss gekoppelt, so dass der erste und vierte Teilbereich in Strömungsrichtung näher am mindestens einen Zuführanschluss gelegen sind als der zweite und dritte Teilbereich. In diesem Fall beziehen sich also der erste, zweite, dritte und vierte Teilbereich auf den dritten und vierten Kühlbereich der ersten und zweiten Kühleinheit. Auch in diesem Fall, das heißt für den dritten und vierten Kühlbereich, stellen die ersten und vierten Teilbereiche die dem Zuführanschluss näher gelegenen Teilbereiche dar und die zweiten und dritten Teilbereiche entsprechend die dem Abführanschluss näher gelegenen Teilbereiche. Damit lassen sich ganz analog wie zur ersten Zellgruppe beschrieben auch für weitere Zellgruppen die gleichen Vorteile erzielen und insbesondere eine besonders homogene Temperaturverteilung in den Zellen dieser weiteren Zellgruppen bereitstellen, sowie auch die maximalen in den Zellen auftretenden Temperaturen erniedrigen.
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Dabei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn der erste Teilbereich des ersten Kühlbereichs in der zweiten Richtung benachbart zum ersten Teilbereich des dritten Kühlbereichs angeordnet ist, und der dritte Teilbereich des zweiten Kühlbereichs in der zweiten Richtung benachbart zum dritten Teilbereich des vierten Kühlbereichs angeordnet ist. Dies vereinfacht den Aufbau der Kühlmittelzu- und -abfuhr. Beispielsweise wird zuerst den ersten Teilbereichen das Kühlmittel über den mindestens einen Zuführanschluss zugeführt. Sind diese beiden ersten Teilbereiche, die zwei unterschiedlichen Kühlbereichen der ersten Kühleinheit zugeordnet sind, nebeneinander angeordnet, so kann dies beispielsweise über einen gemeinsamen Zuführanschluss erfolgen und/oder die benachbart zueinander angeordneten dritten Teilbereiche können mit einem gemeinsamen Abführanschluss gekoppelt sein. Wenngleich durch diese Anordnung dann zwei „warme“ Teilbereiche und zwei „kalte“ Teilbereiche nebeneinander angeordnet sind, so hat dies dadurch, dass diese Teilbereiche unterschiedlichen Zellgruppen zugeordnet sind, keine nachteiligen Auswirkungen auf die Temperaturverteilung innerhalb dieser jeweiligen Zellgruppen.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der dritte Teilbereich des zweiten Kühlbereichs und der dritte Teilbereich des vierten Kühlbereichs mit einem gemeinsamen Abführanschluss der Verteileranordnung verbunden, insbesondere der Sammelverteilereinheit. Wie oben bereits erwähnt, vereinfacht dies vorteilhafterweise den Aufbau der Verteileranordnung, insbesondere der Sammelverteilereinheit, die somit weniger separate Abführanschlüsse bereitstellen muss. Für die Anschlüsse der ersten Kühleinheit, das heißt also zum Beispiel der oberen Kühlplatte, ist es jedoch bevorzugt, dass jedem Teilbereich ein eigener Anschluss, das heißt Zuführanschluss oder Abführanschluss, zugeordnet ist. Dass es sich bei der ersten Kühleinheit wie oben erwähnt um die Hauptkühleinheit handelt, wird dieser Kühleinheit pro Zeiteinheit auch mehr Kühlmittel zugeführt und aus dieser abgeführt, so dass separate Anschlüsse von Vorteil sind, insbesondere da pro Teilbereich der ersten Kühleinheit mehrere Kühlkanalabschnitte, die parallel zueinander verlaufen, bevorzugt sind, die sich dann ohnehin einen gemeinsamen Zu- oder Abführanschluss teilen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung oder eine ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Kühleinrichtung und ihre Ausgestaltungen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für den erfindungsgemäßen Energiespeicher. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Energiespeicher beispielsweise auch die oben beschriebene erste Zellgruppe umfassen. Vorzugsweise umfasst der Energiespeicher auch die zweite Zellgruppe. Diese Zellgruppen können zum Beispiel als Batteriemodule ausgebildet sein. Im Übrigen kann der Energiespeicher auch mehr als zwei solcher Zellgruppen umfassen, zum Beispiel auch drei oder vier.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die erste und zweite Zellgruppe jeweils mehrere in einer dritten Richtung nebeneinander angeordnete Batteriezellen auf, insbesondere prismatische Batteriezellen, wobei die erste und zweite Zellgruppe in der zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind, insbesondere in einem Aufnahmebereich eines vom Energiespeicher umfassten Batteriegehäuses, welches einen den Aufnahmebereich bezüglich der ersten Richtung begrenzenden Gehäuseboden und einen Gehäusedeckel aufweist, wobei die erste Kühleinheit Teil des Gehäusedeckels ist oder am Gehäusedeckel angerordnet ist und wobei die zweite Kühleinheit Teil des Gehäusebodens ist oder am Gehäuseboden angeordnet ist. Somit lässt sich auf besonders effiziente und bauraumsparende Weise eine beidseitige Kühlung für Batteriemodule eines Energiespeichers bereitstellen.
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Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energiespeicher als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung kann ebenso auch bei stationären Energiespeichern Anwendung finden, d.h. beim erfindungsgemäßen Energiespeicher und seinen Ausführungsformen kann es sich auch um einen stationären Energiespeicher handeln.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum beidseitigen Kühlen zumindest einer ersten Zellgruppe eines Energiespeichers mittels einer Kühleinrichtung. Insbesondere kann diese Kühleinrichtung als erfindungsgemäße Kühleinrichtung oder eine ihrer Ausgestaltungen ausgebildet sein. Entsprechend umfasst auch hier die Kühleinrichtung eine Kühlplattenanordnung mit einer ersten von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühleinheit zur Anordnung auf einer ersten Seite der ersten Zellgruppe und mit einer zweiten von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühleinheit zur Anordnung auf einer zweiten Seite der ersten Zellgruppe, die der ersten Seite bezüglich einer erste Richtung gegenüberliegt. Weiterhin weist die Kühleinrichtung eine Verteileranordnung auf, die mindestens einen mit der Kühlplattenanordnung fluidisch gekoppelten Zuführanschluss zur Zuführung eines Kühlmittels zur Kühlplattenanordnung aufweist und mindestens einen mit der Kühlplattenanordnung fluidisch gekoppelten Abführanschluss zur Abführung des der Kühlplattenanordnung zugeführten Kühlmittels aus der Kühlplattenanordnung. Weiterhin weist die erste Kühleinheit einen ersten Kühlbereich auf, der der ersten Zellgruppe zugeordnet ist, und der bezüglich einer zweiten Richtung in einen vom Kühlmittel durchströmbaren ersten Teilbereich und einen vom Kühlmittel durchströmbaren zweiten Teilbereich gegliedert ist, wobei die zweite Kühleinheit einen zweiten Kühlbereich aufweist, der der ersten Zellgruppe zugeordnet ist, und der bezüglich der zweiten Richtung in einen vom Kühlmittel durchströmbaren dritten Teilbereich und einen vom Kühlmittel durchströmbaren vierten Teilbereich gegliedert ist, wobei der erste Teilbereich bezüglich der ersten Richtung dem dritten Teilbereich gegenüberliegt und der zweite Teilbereich bezüglich der ersten Richtung dem vierten Teilbereich gegenüberliegt, wobei der erste und vierte Teilbereich mit dem mindestens einen Zuführanschluss gekoppelt sind, und der zweite und dritte Teilbereich mit dem mindestens einen Abführanschluss gekoppelt sind, so dass der erste und vierte Teilbereich in Strömungsrichtung näher am mindestens einen Zuführanschluss gelegen sind als der zweite und dritte Teilbereich. Weiterhin wird der Kühlplattenanordnung über die Verteileranordnung das Kühlmittel zugeführt, und der erste und vierte Teilbereich werden vom Kühlmittel durchströmt, bevor der zweite und dritte Teilbereich vom Kühlmittel durchströmt werden.
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Die für die erfindungsgemäße Kühleinrichtung und ihre Ausgestaltungen sowie die für den erfindungsgemäßen Energiespeicher und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung und des erfindungsgemäßen Energiespeichers beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Batteriezelle mit einer Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittsdarstellung der Batteriezelle und der daran angeordneten Kühleinrichtung aus 1 in einem Querschnitt senkrecht zu einer ersten Richtung;
- 3 eine schematische Querschnittsdarstellung der Batteriezelle mit der daran angeordneten Kühleinrichtung aus 1 in einem Querschnitt senkrecht zu einer zweiten Richtung;
- 4 eine schematische Darstellung eines Teils eines Energiespeichers mit einer Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht von oben;
- 5 eine schematische Darstellung eines Teils eines Energiespeichers mit einer Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht von unten;
- 6 eine schematische und perspektivische Darstellung der Verteileranordnung für eine Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils eines Energiespeichers 10 mit einer Kühleinrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist insbesondere der Querschnitt durch eine prismatische Batteriezelle 14 des Energiespeichers 10 dargestellt. Die Batteriezelle 14 ist dabei Teil einer als Zellmodul 16 ausgebildeten Zellgruppe. Ein solches Zellmodul 16, welches im Folgenden auch als Batteriemodul 16 bezeichnet wird, kann dabei mehrere solcher Batteriezellen 14 aufweisen, die in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind, die vorliegend zur hier dargestellten y-Richtung korrespondiert. Der in 1 dargestellte Querschnitt stellt dabei einen Querschnitt senkrecht zu dieser Stapelrichtung y dar. Im Rahmen der vorhergehenden Beschreibung wurde diese y-Richtung auch als dritte Richtung bezeichnet. Das Batteriemodul 16 sowie die von diesem umfassten Batteriezellen 14 weisen jeweils entsprechend eine erste Seite 14a, 16a auf sowie eine bezüglich der dargestellten z-Richtung gegenüberliegende zweite Seite 14b, 16b auf. Diese z-Richtung wird im Rahmen der vorhergehenden Beschreibung auch als erste Richtung bezeichnet. Entsprechend wurde die hier dargestellte x-Richtung in der vorhergehenden Beschreibung als zweite Richtung bezeichnet. Weiterhin weist die Batteriezelle 14 zwei Zellpole 18 auf, von denen einer als positiver Zellpol und der andere als negativer Zellpol ausgebildet ist. Die Zellpole 18 sind hier vorteilhafterweise auf Seiten 14c der Batteriezelle 14 angeordnet, die von der ersten und zweiten Seite 14a, 14b verschieden sind. Dies ermöglicht auf besonders vorteilhafte Weise eine sehr effiziente beidseitige Kühlung einer solchen Batteriezelle 14 und von aus solchen Batteriezellen 14 aufgebauten Zellmodulen 16.
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Zur Kühlung dieser Batteriezellen 14 umfasst der Energiespeicher 10 wie bereits erwähnt eine Kühleinrichtung 12. Diese umfasst wiederum eine erste Kühleinheit 12a zur Anordnung auf der ersten Seite 16a des Batteriemoduls 16 und eine zweite Kühleinheit 12b zur Anordnung auf der zweiten Seite 16b des Batteriemoduls 16. Die erste und zweite Kühleinheit 12a, 12b können dabei eine Kühlplattenanordnung 20 bilden. Da der Energiespeicher 10 vorzugsweise noch weitere Batteriemodule 16 aufweist, die zum Beispiel in x-Richtung nebeneinander angeordnet sein können, so kann entsprechend die erste und zweite Kühleinheit 12a, 12b in x-Richtung ebenfalls weiter ausgedehnt ausgestaltet sein, um auch die entsprechenden ersten und zweiten Seiten 16a, 16b dieser weiteren Batteriemodule in korrespondierender Weise zu überdecken. In 1 ist also exemplarisch von der ersten Kühleinheit 12a lediglich ein erster Bereich 22 dargestellt, welcher genau diesem ersten Batteriemodul 16 zugeordnet ist. Entsprechend ist auch von der zweiten Kühleinheit 12b lediglich ein zweiter Kühlbereich 24 dargestellt, welcher diesem ersten Batteriemodul 16 zugeordnet ist. Die erste Kühleinheit 12a kann also neben diesem ersten Kühlbereich 22 noch weitere Kühlbereiche aufweisen, die weiteren Batteriemodulen zugeordnet sind, und auch die zweite Kühleinheit 12b kann weitere Kühlbereiche aufweisen, die weiteren Batteriemodulen zugeordnet sind. Die Funktionsweise der Kühleinrichtung 12 wird vorliegend mit Bezug auf dieses eine dargestellte Batteriemodul 16 erläutert, kann aber für weitere Batteriemodule ganz analog ausgestaltet sein.
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Der erste Kühlbereich 22 gliedert sich in einen ersten Teilbereich 22a und einen zweiten Teilbereich 22b. Die Grenze zwischen den beiden Teilbereichen 22a, 22b kann zum Beispiel durch eine gedachte Mittelebene M verlaufen, die parallel zur y-z-Ebene mittig in Bezug auf die x-Richtung durch das Zellmodul 16 verläuft. Weiterhin gliedert sich auch der zweite Kühlbereich 24 in einen dritten Teilbereich 24a und einen vierten Teilbereich 24b. Diese Teilbereiche 22a, 22b, 24a, 24b sind nun so zueinander angeordnet, dass der erste Teilbereich 22a bezüglich der z-Richtung dem dritten Teilbereich 24a gegenüberliegt und der zweite Teilbereich 22b bezüglich der z-Richtung dem vierten Teilbereich 24b gegenüberliegt. Weiterhin ist jeder Teilbereich 22a, 22b, 24a, 24b mit mindestens einem von einem Kühlmittel 25 durchströmbaren Kühlkanalabschnitt ausgebildet.
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Exemplarisch weist hierbei der erste Teilbereich 22a mehrere parallel zueinander verlaufende erste Kühlkanalabschnitte 26a auf, und der zweite Teilbereich 22b weist ebenfalls eine korrespondierende Anzahl an Kühlkanalabschnitten 26b auf. Der dritte Teilbereich 24a ist mit nur einem Kühlkanalabschnitt 28a ausgebildet, und auch der vierte Teilbereich 24b ist mit nur einem Kühlkanalabschnitt 28b ausgebildet. Dabei sind die ersten Kühlkanalabschnitte 26a des ersten Teilbereichs 22a durch einen vorliegend nicht dargestellten Umlenkabschnitt fluidisch mit den zweiten Kühlkanalabschnitten 26b des zweiten Teilbereichs 22b verbunden. Dabei ist je ein erster Kühlkanalabschnitt 26a mit je einem zweiten Kühlkanalabschnitt 26b fluidisch verbunden. Auch der dritte Kühlkanalabschnitt 28a des dritten Teilbereichs 24a ist fluidisch mit dem vierten Kühlkanalabschnitt 28b des vierten Teilbereichs 24b über einen entsprechend vorliegend ebenfalls nicht dargestellten Umlenkabschnitt fluidisch verbunden. Kühlmittel 25, welches also beispielsweise zuerst dem vierten Teilbereich 24b zugeführt wird, durchströmt also zunächst diesen vierten Kühlkanalabschnitt 28b und strömt danach automatisch in den dritten Kühlkanalabschnitt 28a des dritten Teilbereichs 24a. An der zweiten Seite 14b der Batteriezelle 14 ist zudem eine Ventingöffnung 14d angeordnet. Bezüglich der z-Richtung unterhalb dieser Ventingöffnung 14d ist entsprechend kein Kühlkanalabschnitt 28a, 28b positioniert. Dies erleichtert den Gasaustritt im Entgasungsfall. Entsprechend weisen die Kühlmittelabschnitte 28a, 28b des zweiten Kühlbereichs 24 einen größeren Abstand zueinander auf als im ersten Kühlbereich 22 der ersten Kühleinheit 12a. So kann direkt unterhalb der Ventingöffnung 14d ein Freibereich 17 bereitgestellt werden.
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Weiterhin umfasst die Kühleinrichtung 12 eine in 6 schematisch und perspektivisch dargestellte Verteileranordnung 30. Diese gliedert sich in eine Zuführverteilereinheit 32 und eine Sammelverteilereinheit 34. Die Zuführverteilereinheit 32 weist dabei einen Hauptzuführanschluss 36 auf, über welchen der Kühleinrichtung 12 das Kühlmittel 25 zugeführt werden kann, während die Sammelverteilereinheit 34 einen Hauptabführanschluss 38 aufweist, über welchen das Kühlmittel 25 nach Durchlaufen der Kühleinrichtung 12 aus dieser wieder abgeführt werden kann. Der Hauptzuführanschluss 36 stellt den Zulauf des kalten Kühlmediums 25 von der Fahrzeugseite dar, und der Hauptabführanschluss 25 den fahrzeugseitigen Kühlmittelrücklauf. Diese Verteileranordnung 30 ist dabei mit der zu 1 beschriebenen Kühlplattenanordnung 20 fluidisch verbunden, insbesondere über mindestens einen Zuführanschluss 40, über welchen das Kühlmittel 25 der Kühlplattenanordnung 20 zuführbar ist, und mindestens einen Abführanschluss 42a, 42b, über welchen das Kühlmittel 25 aus der Kühlplattenanordnung 20 ausführbar und insbesondere in die Sammelverteilereinheit 34 einführbar ist. Die Kopplung dieser Anschlüsse 40, 42a, 42b mit der Kühlplattenanordnung 20 wird nun wiederum näher mit Bezug auf 1 erläutert.
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Dabei ist die Kühleinrichtung 12 nun so ausgestaltet, dass der erste Teilbereich 22a und der vierte Teilbereich 24b in Strömungsrichtung näher an dem mindestens einen Zuführanschluss 40 gelegen sind als der zweite Teilbereich 22b und der dritte Teilbereich 24a. Diese sind dagegen dem mindestens einen Abführanschluss 42a, 42b näher gelegen. Mit anderen Worten wird das Kühlmittel 25 im Betrieb der Kühleinrichtung 12 über die beschriebene Verteileranordnung 30 mittels mindestens eines Zuführanschlusses 40 zunächst dem ersten und vierten Teilbereich 22a, 24b zugeführt, insbesondere den von diesen umfassten Kühlkanalabschnitten 26a, 28b, durchströmt diese Teilbereiche 22a, 24b, wird anschließend in den zweiten und dritten Teilbereich 22b, 24a geleitet, durchströmt diese und wird anschließend aus mindestens einem der Abführanschlüsse 42a, 42b abgeführt. Wenn das Kühlmittel 25 dabei die entsprechenden Teilbereiche durchströmt, erwärmt sich dieses. Daher ist dieses Kühlmittel 25 zum Zeitpunkt, zu welchem dieses in den ersten und vierten Teilbereich 22a, 24b eingeleitet wird, kühler als zum Zeitpunkt, zu welchem dieses nach Durchlaufen des ersten und vierten Teilbereichs 22a, 24b in den zweiten und dritten Teilbereich 22b, 24a eintritt. Durch die beschriebene Anordnung dieser Teilbereiche 22a, 22b, 24a, 24b und der beschriebenen Zu- und Abführung des Kühlmittels 25 sind somit die warmen Teilbereiche 22b, 24a und die kalten Teilbereiche 22a, 24b bezüglich der Batteriezelle 14 wie in 1 dargestellt über Kreuz angeordnet. Dadurch ergibt sich über die Zelle 14 hinweg eine deutlich homogenere Temperaturverteilung als beispielsweise im Fall, wenn die wärmeren Teilbereiche bezüglich der x-Richtung auf einer Hälfte der Batteriezelle 16 angeordnet werden und die kälteren Teilbereiche auf der anderen Hälfte.
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Zur besseren Veranschaulichung sind in 1 zudem auch unterschiedliche Temperaturbereiche dargestellt, wie sich diese während der Kühlung mittels der beschriebenen Kühleinrichtung 12 für den Energiespeicher 10 und seine Komponenten ergeben. Exemplarisch sind hierbei sechs verschiedene Temperaturbereiche T1, T2, T3, T4, T5, T6 mit einem Bezugszeichen versehen. Der erste Temperaturbereich T1 stellt dabei den Bereich mit der höchsten Temperatur, zum Beispiel 38,3°C dar, und der sechste Temperaturbereich T6 stellt den Bereich mit der niedrigsten Temperatur, zum Beispiel 15°C dar. Der fünfte Temperaturbereich T5 ist dabei etwas höhere und liegt zum Beispiel im Bereich von ca. 20°C. Wie in diesem Beispiel zu sehen ist, sind die ersten und vierten Teilbereiche 22a, 24b etwas kühler als die zweiten und dritten Teilbereiche 22b, 24a. Da diese Teilbereiche wie dargestellt über Kreuz angeordnet sind, ergibt sich eine sehr homogene Temperaturverteilung innerhalb der Zelle 16. Mit 44 sind im Übrigen die Temperatursensoren bezeichnet, auf Basis von welchen diese Temperaturverteilung, wie in 1 dargestellt, erfasst wurde. Weiterhin bezeichnet 46 die Stelle mit der höchsten Temperatur und 48 die Stelle mit der niedrigsten Temperatur. Der Abstand zwischen diesen beiden Positionen 46, 48 ist gegenüber anderen Strömungs- und Kühlkonzepten deutlich reduziert. Dies führt auch dazu, dass die der Stelle 46 zugeordnete maximale Temperatur gegenüber anderen Kühlkonzepten deutlich erniedrigt ist. So kann nicht nur eine homogenere Kühlung und Temperaturverteilung innerhalb einer Zelle 14 erreicht werden, sondern auch eine Absenkung der Zelltemperatur im Allgemeinen.
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1 zeigt im Übrigen eine Darstellung der Temperaturverteilung, wie diese sich für eine Zelle 14 ergibt, die sehr nahe an der Verteileranordnung 30 (vgl. 6) angeordnet ist. Für eine andere Zelle 14, die sehr weit von dieser Verteileranordnung 30 entfernt ist, ist die Temperaturdifferenz zwischen dem fünften und sechsten Teilbereich T5, T6 verringert. Mit anderen Worten ergibt sich im Bereich nahe der Umlenkabschnitte 50 (vergleiche 5), in welchen das Kühlmittel 25 von einem Teilbereich in den anderen Teilbereich geleitet wird, näherungsweise für alle Teilbereiche 22a, 22b, 24a, 24b die gleiche Temperatur. Die Temperaturverteilung über die Zelle 14 hinweg bleibt davon näherungsweise unberührt. Mit anderen Worten lässt sich durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der Kühleinrichtung 12 sowohl für weit von der Verteileranordnung 30 entfernte Zellen 14 als auch für nahe an der Verteileranordnung 30 angeordnete Zellen 14 in gleicher Weise eine sehr homogene Temperaturverteilung erzielen. Eine inhomogene Wärmeverteilung innerhalb der Zelle 14, wie dies bei bisherigen Kühlkonzepten der Fall war, kann somit vorteilhafterweise vermieden werden oder zumindest im Ausmaß deutlich verringert werden. Erreicht wird dies, indem der Kühlmittelverteiler beziehungsweise die Kühleinrichtung 12 kreuzdurchströmt wird. Dies bedeutet, dass zum Beispiel auf der unteren Seite der kalte Kühlmittelstrom auf der einen Seite die Zelle 14 und auf der oberen Seite auf der anderen. So wird über die Zelle 14 und über die gesamte Batterie 10 hinweg eine homogenere Temperaturverteilung erreicht, was sich positiv auf den Temperaturhaushalt und infolgedessen auf die gesamte Leistungsfähigkeit des Speichers 10, zum Beispiel Ladezeit, Performance und so weiter, auswirkt.
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2 zeigt nochmal den Energiespeicher 10 in einem Querschnitt entlang der in 1 dargestellten Querschnittslinie I-I, und 3 den entsprechenden Querschnitt entlang der in 1 dargestellten Linie II-II. Durch die beschriebene Kreuzverschaltung innerhalb des Kühlmittelverteilers am Vorlauf ergibt sich eine homogene Temperaturverteilung.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils des Energiespeichers 10 in einer Draufsicht von oben gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei sind insbesondere wieder der erste Kühlbereich 22 der ersten Kühleinheit 12a zu sehen, der dem Batteriemodul 16 zugeordnet ist, sowie ein Teil der Verteileranordnung 30. Die Ausdehnung des ersten Kühlbereichs 22 in y-Richtung korrespondiert dabei im Wesentlichen zur Ausdehnung des Batteriemoduls 16. Hierbei ist nunmehr auch der Verlauf der einzelnen Kühlkanalabschnitte 26a, 26b des ersten und zweiten Teilbereichs 22a, 22b zu sehen. Der erste Teilbereich 22a ist dabei fluidisch mit einem Zuführanschluss 40 verbunden beziehungsweise direkt an diesen angeschlossen, und der zweite Teilbereich 22b ist direkt an einem der Abführanschlüsse 42a angeschlossen. Für die erste Kühleinheit 12a ist pro Kühlbereich 22 genau ein Zuführanschluss 40 und ein Abführanschluss 42a vorgesehen. Damit ist jedem Teilbereich 22a, 22b der ersten Kühleinheit 12a genau ein Anschluss, das heißt entweder ein Zuführanschluss 40 oder ein Abführanschluss 42a zugeordnet. Dies gilt im Übrigen auch für weitere Kühlbereiche der ersten Kühleinheit 12a. In dieser Darstellung sind insbesondere auch die Umlenkabschnitte 52 zu erkennen, die die ersten Kanalabschnitte 26a jeweils mit einem der zweiten Kanalabschnitte 26b verbinden. Die Hauptströmungsrichtung H1, welche dem ersten Teilbereich 22a zugeordnet ist, ist der zweiten Hauptströmungsrichtung H2, welche dem zweiten Teilbereich 22b zugeordnet ist, entgegengesetzt.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils des Energiespeichers 10 in einer Draufsicht von unten. Hierbei ist also ein Teil der zweiten Kühleinheit 22b der Kühleinrichtung 12 dargestellt. Insbesondere sind hierbei nicht nur der zweite Teilbereich 24 der zweiten Kühleinheit 12b zu sehen, sondern noch weitere Kühlbereiche 24`, 24", die weiteren Batteriemodulen 16 zugeordnet sind, die wie zum ersten Batteriemodule 16 beschreiben ausgebildet sein können. Diese Batteriemodule 16 sind also in x-Richtung nebeneinander angeordnet. Jeder Kühlbereich 24, 24`, 24" weist dabei zwei Teilbereiche 24a, 24b auf. Jeder dieser Teilbereiche 24a, 24b weist wiederum wie zuvor beschrieben einen Kühlkanalabschnitt 28a, 28b auf. Für jeden Kühlbereich 24, 24`, 24" sind die entsprechenden Kühlkanalabschnitte 28a, 28b über einen Umlenkabschnitt 50 miteinander fluidisch verbunden.
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Dabei sind nunmehr die Teilbereiche 24a, 24b der entsprechenden Kühlbereiche 24, 24`, 24" so zueinander angeordnet, dass die zwei dritten Teilbereiche 24a zweier benachbarter Kühlbereiche 24, 24` nebeneinander angeordnet sind und die beiden vierten Teilbereiche 24b zweier benachbarter Kühlbereiche 24`, 24" ebenfalls nebeneinander angeordnet sind. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, zumindest zum Teil gemeinsame Anschlüsse für die Zu- oder Abführung des Kühlmittels 25 zu nutzen. Im vorliegenden Beispiel sind die beiden dritten Teilbereiche 24a der beiden Kühlbereiche 24, 24` an einen gemeinsamen Abführanschluss 42b angeschlossen. Für die zweite Kühleinheit 12b ist es insbesondere vorgesehen, dass je zwei dritte Teilbereiche 24a einen gemeinsamen Abführanschluss 42b nutzen. Bei vier Zellmodulen 16 und entsprechend vier solcher zwei Kühlbereiche 24, 24`, 24" sind entsprechend zwei gemeinsame Abführanschlüsse 42b bereitgestellt. Dies ist nochmal in 6 detaillierter dargestellt.
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Die gemeinsamen Abführanschlüsse sind in 6 vorliegend mit 42b bezeichnet. Die Abführanschlüsse, die mit 42a bezeichnet sind, sind jeweils nur einem Teilbereich 22b der Kühlplattenanordnung 20 zugeordnet, ebenso wie die jeweiligen Zuführanschlüsse 40. Die Pfeile 54 veranschaulichen dabei die Strömungsrichtung des Kühlmittelstroms bzw. die Durchströmungsrichtungen des Kühlmittelverteilers 30. Jedem solchen Strömungspfeil 54 ist also genau ein Kühlbereich 22, 24, 24`, 24" der ersten und zweiten Kühleinheit 12a, 12b zugeordnet. Die Pfeile 54 stellen also die systematisch dargestellte Strömungsrichtung in den angeschlossenen Kühlplatten bzw. der Kühlpfade der oberen und unteren Kühlseite dar, d.h. der oberen Kühleinheit 12a und der unteren Kühleinheit 12b. Die untere Seite, also die Kühleinheit 12b, ist als große Kühlplatte mit vier Pfaden umgesetzt, d.h. einer pro Batteriemodul 16, wobei sich jeweils zwei dieser Pfade einen Rücklauf teilen. Die Oberseite, also die Kühleinheit 12a, ist zum Beispiel als Modulkühlung umgesetzt, bei der jedes Kühlmodul, insbesondere jeder genau einem Modul 16 zugeordnete Kühlbereich 22 eigene Anschlüsse für Vor- und Rücklauf aufweist. Deutlich zu erkennen sind die sich überkreuzenden Einlässe 40 beziehungsweise Auslässe 42a, 42b der Kühlanschlüsse 40, 42a, 42b.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein kreuzdurchströmter Kühlmittelverteiler eines mehrseitig gekühlten Hochvoltspeichersystems bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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