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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Stromspeicherbatterien, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
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Derartige Batterien umfassen üblicherweise ein oder mehrere Module, wobei jedes Modul selbst mehrere Stromspeicherzellen umfasst. Diese Zellen sind elektrisch miteinander verbunden.
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Wenn es sich bei diesen Zellen um Taschenzellen handelt, erfolgt die elektrische Verbindung der Zellen miteinander und die Aufnahme der Zellen in die Batterie mittels komplexer Formteile. Die Module müssen mit der Batteriehülle verschraubt werden, um der Batterie eine gewisse mechanische Festigkeit zu verleihen.
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Problematisch kann die Stoßfestigkeit der Batterie sein.
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In diesem Zusammenhang zielt die Erfindung darauf ab, ein Modul für eine Stromspeicherbatterie bereitzustellen, das mehrere Taschenzellen umfasst und einfacher in die Batterie zu integrieren ist.
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Zu diesem Zweck bezieht sich die Erfindung auf ein Modul für eine Stromspeicherbatterie, wobei das Modul mehrere Stromspeichertaschenzellen umfasst, die jeweils eine Tasche und eine erste und eine zweite Elektrode umfassen, die aus der Tasche herausragen, wobei die Taschenzellen längs einer Hauptrichtung nebeneinander angeordnet sind und einen Stapel bilden, der in ein Harz eingebettet ist.
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Das Modul kann ferner eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen, die einzeln oder in jeder technisch möglichen Kombination betrachtet werden:
- - die ersten Elektroden der Taschenzellen erstecken sich in zueinander parallelen Ebenen und sind in einer ersten Reihe längs der Hauptrichtung angeordnet, wobei zwei benachbarte erste Elektroden in der ersten Reihe durch einen elektrischen Verbinder miteinander verbunden sind, der einen zu mindestens 60% massiven Block bildet;
- - die zweiten Elektroden der Taschenzellen erstrecken sich in zueinander parallelen Ebenen und sind in einer zweiten Reihe längs der Hauptrichtung angeordnet, wobei zwei benachbarte zweite Elektroden in der zweiten Reihe durch einen elektrischen Verbinder miteinander verbunden sind, der einen zu mindestens 60% massiven Block bildet;
- - jeder elektrische Verbinder weist ein elektrisch leitendes Blech auf, das im Wesentlichen U-förmig gefaltet ist und benachbarte erste oder zweite Elektroden elektrisch miteinander verbindet, wobei das U-förmig gefaltete Blech im Inneren ein mit einem Kunststoffmaterial gefülltes Volumen begrenzt;
- - jeder elektrische Verbinder weist einen internen Kanal für die Zirkulation eines Wärmeträgerfluids auf;
- - das Harz definiert eine erste und eine zweite Fläche, die einander gegenüberliegen, wobei externe Kanäle für die Fluidzirkulation auf der ersten und zweiten Fläche vorgesehen sind, wobei jeder interne Kanal einen externen Kanal der ersten Fläche mit einem externen Kanal der zweiten Fläche fluidisch verbindet;
- - in jeder Taschenzelle sind die erste und zweite Elektrode auf gegenüberliegenden Seiten der Tasche längs einer sekundären Richtung angeordnet, wobei sich die externen Kanäle längs der sekundären Richtung erstrecken;
- - wärmeleitende Platten sind in dem Stapel zwischen den Taschenzellen angeordnet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Stromspeicherbatterie, die Folgendes umfasst:
- - mindestens ein Modul mit den obigen Merkmalen;
- - eine Hülle, die im Inneren ein Volumen zur Aufnahme des mindestens einen Moduls begrenzt; und
- - einen Kreislauf zum Kühlen der Taschenzellen, der einen Einlassverteiler, der ein Wärmeträgerfluid in die externen Kanäle der zweiten Fläche verteilt, und einen Auslasssammler umfasst, der das Wärmeträgerfluid sammelt, das aus den externen Kanäle der ersten Fläche austritt.
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Gemäß einem dritten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls für eine Stromspeicherbatterie, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Ausbilden von mehreren Stromspeichertaschenzellen, die jeweils eine Tasche und eine erste und eine zweite Elektrode umfassen, die aus der Tasche herausragen;
- - Aneinanderlegen der Taschenzellen längs einer Hauptrichtung unter Bildung eines Stapels;
- - Umspritzen mit einem Harz, wobei der Stapel in das Harz eingebettet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung, die beispielhaft und in keiner Weise einschränkend mit Bezug auf die beigefügten Figuren gegeben ist. Darin zeigen:
- - 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterie, wobei ein Teil der Abdeckung nicht gezeigt ist, so dass die Fächer zur Aufnahme der Module sichtbar sind;
- - 2 eine perspektivische Ansicht der Batterie aus 1, wobei die Abdeckung nicht gezeigt ist und eines der Module aus seinem Fach herausgezogen gezeigt ist;
- - 3 eine perspektivische Ansicht, die die verschiedenen internen Komponenten eines Moduls, die voneinander getrennt sind, und das Harz, in das diese Komponenten eingebettet sind, zeigt;
- - 4 eine perspektivische Ansicht der in 3 gezeigten internen Komponenten im zusammengebauten Zustand;
- - 5 eine perspektivische Ansicht des Moduls aus den 1 bis 4; und
- - 6 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des Moduls aus 5, wobei das Harz, das die elektrischen Verbinder bedeckt, zur Veranschaulichung der Zirkulation des Wärmeträgerfluids durch das Modul nicht gezeigt ist.
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Bei der in 1 gezeigten Batterie 1 handelt es sich um eine Stromspeicherbatterie. Sie ist für die Ausstattung eines Fahrzeugs vorgesehen.
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Bei diesem Fahrzeug handelt es sich üblicherweise um ein Kraftfahrzeug, z. B. um einen Pkw, einen Bus, einen Lkw usw.
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Das Fahrzeug weist beispielsweise einen elektrischen Antriebsmotor auf, der von der Stromspeicherbatterie 1 mit Strom versorgt wird. Das Fahrzeug wird ausschließlich über den Elektromotor angetrieben.
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Alternativ ist das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug und weist somit einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor auf, der von der elektrischen Batterie mit Strom versorgt wird.
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Gemäß einer weiteren Variante wird das Fahrzeug von einem Verbrennungsmotor angetrieben, wobei die elektrische Batterie zur elektrischen Versorgung anderer Einrichtungen des Fahrzeugs vorgesehen ist, z. B. des Anlassers, der Beleuchtung usw.
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Die Stromspeicherbatterie 1 umfasst, wie in den 1 und 2 zu sehen, mindestens ein Modul 3, wobei das Modul 3 selbst mehrere Stromspeichertaschenzellen 5 umfasst (3).
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Jede Taschenzelle 5 umfasst eine Tasche 7 und eine erste und eine zweite Elektrode 9, 11, die aus der Tasche 7 herausragen.
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Der Tasche 7 ist von jeder geeigneten Art.
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Der Tasche 7 umfasst in der Regel einen Beutel aus flexiblem Kunststoff, eine Anode und eine Kathode, die in dem Beutel untergebracht sind, sowie einen Elektrolyten, der die Tasche füllt. Der Tasche ist gegenüber dem Elektrolyten versiegelt.
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Der Tasche 7 ist üblicherweise ein paar mm dünn. Ihre Dicke, gemessen in einer Hauptrichtung P, ist gering im Vergleich zu ihrer Länge, gemessen in einer sekundären Richtung S, und ihrer Höhe, gemessen in einer Höhenrichtung E.
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Die Hauptrichtung P, die Höhenrichtung E und die sekundäre Richtung S stehen senkrecht zueinander. Sie sind in 3 gezeigt.
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In dem gezeigten Beispiel ist die Tasche 7 rechteckig und längs der sekundären Richtung S langgestreckt.
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Die erste und die zweite Elektrode 9, 11 befinden sich auf der einen und anderen Seite der Tasche 7 längs der sekundären Richtung S. Die erste und die zweite Elektrode 9, 11 stehen in elektrischem Kontakt mit der Anode und der Kathode.
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Die erste und die zweite Elektrode 9, 11 sind flache Metallteile, die im Wesentlichen in einer Mittelebene der Tasche 7 enthalten sind.
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Die Taschenzellen 5 sind längs der Hauptrichtung P nebeneinander angeordnet. Sie bilden somit einen Stapel.
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Die Hauptrichtung P, in der die Taschenzellen 5 gestapelt sind, verläuft daher im Wesentlichen senkrecht zu den Ebenen, in denen die Taschenzellen 5 liegen.
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Die Taschenzellen 5 sind parallel zueinander, in dem Sinne, dass sie in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind.
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Die Tasche 7 weist zwei große Flächen 13 auf, die einander gegenüberliegen. Die großen Flächen 13 sind durch vier Ränder miteinander verbunden, zwei Ränder 15, die einander gegenüberliegen und sich im Wesentlichen in der sekundären Richtung S erstrecken, und zwei Ränder 17, die im Wesentlichen einander gegenüberliegen und sich im Wesentlichen in Höhenrichtung E erstrecken. Die erste und die zweite Elektrode 9, 11 ragen durch die Ränder 17 aus der Tasche 7 heraus.
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In dem Stapel sind zwischen den Taschenzellen 5 wärmeleitende Platten 19 angeordnet.
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Die Platten 19 bestehen in der Regel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wie etwa Aluminium der Serie 1000.
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Die Taschenzellen 5 sind z.B. thermisch in Paaren gruppiert, wobei eine Platte 19 zwischen den Taschenzellen 5 ein und desselben Paares angeordnet ist.
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So ist eine Platte 19 zwischen der ersten und der zweiten Taschenzelle 5 im Stapel angeordnet, eine weitere zwischen der dritten und der vierten, eine weitere zwischen der fünften und der sechsten usw.
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Vorteilhafterweise sind in dem Stapel zwischen den Taschenzellen 5 Lagen 21 aus einem komprimierbaren Material eingelegt.
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Die Lagen 21 bestehen beispielsweise aus einem offenzelligen Schaumstoff.
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In dem gezeigten Beispiel ist alle vier Taschenzellen 5 im Stapel eine Lage 21 eingelegt.
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Die Platte 19 erstreckt sich in einer zur Hauptrichtung P senkrechten Ebene. Sie hat im Wesentlichen die gleiche Größe wie die Tasche 7. Sie liegt an den großen Flächen 13 der beiden Taschenzellen 5, zwischen denen sie eingefügt ist, an.
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Die Lage 21 erstreckt sich auch in einer zur Hauptrichtung P senkrechten Ebene. Sie hat im Wesentlichen die gleiche Größe wie die Tasche 7. Sie ist an den großen Flächen 13 der beiden Taschenzellen 5, zwischen denen sie eingefügt ist, gehalten.
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Die ersten Elektroden 9 der Taschenzellen 5 erstrecken sich in zueinander parallelen Ebenen.
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Diese Ebenen stehen senkrecht zur Hauptrichtung P.
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Die ersten Elektroden 9 sind in einer ersten Reihe L1 längs der Hauptrichtung P angeordnet (3).
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Die in der ersten Reihe L1 benachbarten ersten Elektroden 9 sind durch elektrische Verbinder 23 miteinander verbunden, die in 3 zu sehen sind.
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Vorteilhafterweise bildet jeder elektrische Verbinder 23 einen Block, der zu mindestens 60 %, vorzugsweise zu mindestens 80 %, massiv ist.
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Darunter ist zu verstehen, dass die leeren Bereiche im Inneren des Blocks zwischen 0% und 40% des Gesamtvolumens dieses Blocks, vorzugsweise zwischen 0% und 20% ausmachen.
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Die ersten Elektroden 9 sind also durch massive Elemente miteinander verbunden, was die mechanische Kohärenz des Moduls 3 erhöht.
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Jeder elektrische Verbinder 23 weist ein elektrisch leitendes Blech 25 auf, das U-förmig gefaltet ist und die ersten Elektroden 9, die daran angrenzen, elektrisch miteinander verbindet. Das U-förmig gefaltete Blech 25 begrenzt im Inneren ein Volumen, das mit einem Kunststoffmaterial 27 gefüllt ist.
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Das Blech 25 ist z. B. ein Aluminiumblech. Das Blech 25 ist ein langgestrecktes Profil in Höhenrichtung E. Es weist U-förmige Abschnitte senkrecht zur Höhenrichtung 5 auf. Seine Höhe in Höhenrichtung E entspricht im Wesentlichen der des Randes 17 der Tasche 7.
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Der U-förmige Abschnitt 25 weist zwei Seitenflügel 29 und einen Kern 31 auf, der die beiden Flügel 29 miteinander verbindet.
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Die Flügel 29 haben in der sekundären Richtung S eine Breite, die im Wesentlichen derjenigen der Elektroden 9 entspricht. Der Kern 31 hat in der Hauptrichtung P eine Breite, die im Wesentlichen dem Abstand zwischen den beiden ersten Elektroden 9 entspricht, die ihn flankieren.
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Das Kunststoffmaterial 27 ist üblicherweise Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polyvinylchlorid (PVC).
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Jeder elektrische Verbinder 23 wird von den beiden Flügeln 29 sowie von dem Kern 31 begrenzt.
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Gegenüber dem Kern 31 wird der elektrische Verbinder 23 durch die Oberfläche 32 des Kunststoffmaterials 27 begrenzt. Diese Oberfläche 32 ist flach und liegt im Wesentlichen zwischen den Rändern der Flügel 29. Sie steht im Wesentlichen senkrecht zur sekundären Richtung S.
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Der elektrische Verbinder 23 ist an seinen beiden gegenüberliegenden Enden in Höhenrichtung E weiterhin von den Oberflächen 33 des Kunststoffmaterials 27 begrenzt. Die Oberflächen 33 liegen auch im Wesentlichen zwischen den Rändern der Flügel 29. Sie sind flach und stehen im Wesentlichen senkrecht zur Höhenrichtung E.
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Somit hat jeder elektrische Verbinder 23 insgesamt die Form eines Parallelepipeds.
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Jeder elektrische Verbinder 23 weist einen internen Kanal 34 für die Zirkulation eines Wärmeträgerfluids auf (siehe insbesondere 4 und 6). Der interne Kanal 34 erstreckt sich in Höhenrichtung E betrachtet über die gesamte Höhe des elektrischen Verbinders 23. Er ist an seinen beiden Enden offen und mündet auf Höhe der beiden Oberflächen 33 aus.
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Der interne Kanal 34 ist auf einer Seite durch den Kern 31 des elektrisch leitenden Blechs 25 begrenzt. Außerdem ist er durch eine Rille 35 im Kunststoffmaterial 27 begrenzt, wie in 6 deutlich zu sehen ist.
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Somit steht das durch den internen Kanal 34 zirkulierende Wärmeträgerfluid in direktem Kontakt mit dem Kern 31 des Blechs 25.
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Die zweiten Elektroden 11 der Taschenzellen 5 sind wie die ersten Elektroden 9 angeordnet.
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Die zweiten Elektroden 11 erstrecken sich in zueinander parallelen Ebenen. Diese Ebenen stehen senkrecht zur Hauptrichtung P.
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Die zweiten Elektroden 11 sind in einer zweiten Reihe L2 längs der Hauptrichtung P angeordnet (3).
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Die zweite Reihe L2 ist parallel zur ersten Reihe L1.
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Die benachbarten zweiten Elektroden 11 in der zweiten Reihe L2 sind durch einen elektrischen Verbinder 23 miteinander verbunden, der zu mindestens 60%, vorzugsweise zu mindestens 80% massive Blöcke bildet.
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Die elektrischen Verbinder 23 der zweiten Elektroden 11 sind identisch mit denen, die die ersten Elektroden 9 miteinander verbinden.
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Die Stapelung der Taschenzellen 5 ist in 4 genauer dargestellt. Die großen Flächen 13 jeder Tasche 7 sind entweder direkt oder unter Zwischenschaltung einer wärmeleitenden Platte 19 oder einer Lage aus komprimierbarem Material 21 aneinander gehalten.
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Im zusammengebauten Zustand füllen die elektrischen Verbinder 23 den Raum zwischen den ersten Elektroden 9 vollständig und im Wesentlichen spielfrei aus.
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Die elektrischen Verbinder 23 füllen den Raum zwischen den zweiten Elektroden 11 vollständig und ohne Spiel aus.
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Wie in den 3 und 4 gezeigt, erstrecken sich die Elektroden 9, 11 in der Mittelebene der Tasche 7. Mit anderen Worten hat die Tasche 7 hat auf einer Seite der Mittelebene eine Dicke e/2 und auf der anderen Seite der Mittelebene eine Dicke e/2.
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Dabei ist e die Dicke der Tasche 7 längs der Hauptrichtung P. Die Mittelebene steht senkrecht zur Hauptrichtung P.
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Die elektrischen Verbinder 23 sind zwischen die ersten Elektroden 9 eingesetzt.
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Die Flügel 29 sind an den ersten Elektroden 9 gehalten. Der Kern 31 ist an den Rändern 17 der Tasche 7 der beiden Zellen 5, zwischen denen der elektrische Verbinder 23 angeordnet ist, gehalten.
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Die elektrischen Verbinder 23 haben längs der Hauptrichtung P eine Dicke, die im Wesentlichen gleich e ist.
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Auf die gleiche Weise sind die elektrischen Verbinder 23 zwischen die zweiten Elektroden 11 eingesetzt.
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Die Flügel 29 sind an den zweiten Elektroden 11 gehalten und der Kern 31 an den Rändern 17 der Taschen 7 der Zellen 5 gehalten, zwischen denen der elektrische Verbinder 23 angeordnet ist.
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An beiden Enden der ersten Reihe L1 sind Endverbinder 37 mit einer Dicke e/2 angebracht.
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Diese Endverbinder 37 weisen jeweils ein elektrisch leitendes Blech 39 und ein Kunststoffmaterial 41 auf. Das Blech 39 ist in eine asymmetrische U-Form gefaltet.
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Es umfasst einen ersten Flügel 43, der an der ersten Elektrode 9 am Ende der ersten Reihe L1 gehalten ist. Dieser erste Flügel 43 hat die gleiche Größe wie die Flügel 29 der elektrischen Verbinder 23.
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Das asymmetrische U-förmige Blech 39 weist einen zweiten Flügel 45 auf, dessen Breite geringer ist als die des ersten Flügels 43. Der zweite Flügel 45 erstreckt sich in Höhenrichtung E über die gesamte Höhe des Endverbinders 37. Seine Breite in der sekundären Richtung S beträgt üblicherweise zwischen 0 % und 40 %, vorzugsweise zwischen 0 % und 20 % der Breite des ersten Flügels 43.
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Der erste Flügel 43 und der zweite Flügel 45 sind durch einen Kern 46 miteinander verbunden. Der Kern 46 ist am Rand 17 der Tasche 7 gehalten, der sich am Ende des Stapels befindet.
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Das Kunststoffmaterial 41 der Endverbinder 37 bildet eine Schicht, die die gesamte, dem Inneren des U zugewandte Fläche des ersten Flügels 43 bedeckt. Sie weist die Flächen 32 und 33 auf, die eine Verlängerung der Flächen 32 und 33 der elektrischen Verbinder 23 sind. Sie weist eine freie Fläche 47 auf, die dem ersten Flügel 43 gegenüberliegt und nicht von dem zweiten Flügel 45 bedeckt ist.
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Der Endverbinder 37 weist einen internen Zirkulationskanal 34 für das Wärmeträgerfluid auf. Dieser interne Kanal 34 erstreckt sich bis zum Boden des U-förmigen Abschnitts des Blechs 39. Genauer gesagt ist er durch den Kern 46 des Blechs 39 und durch die Abschnitte des ersten und zweiten Flügels 43, 45 begrenzt, die mit dem Kern 46 verbunden sind. Er ist durch die Kunststoffschicht 41 der Endverbinder 37 verschlossen.
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Die Endverbinder 37 sind auch an beiden Enden der zweiten Reihe L2 angeordnet.
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Diese Endverbinder 37 sind identisch mit denen der ersten Reihe L1. Sie werden hier nicht ausführlich beschrieben.
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Einer der beiden Endverbinder 37 der ersten Reihe L1 trägt eine Lasche 48, die einen der elektrischen Pole des Moduls 3 bildet. Diese Lasche 48 ist eine Verlängerung des ersten Flügels 43 und ragt in Höhenrichtung E relativ zu den Verbindern 23 und 37 der ersten Reihe L1 nach oben.
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In ähnlicher Weise trägt einer der Endverbinder 37 der zweiten Reihe L2 eine Lasche 49, die den zweiten Pol des Moduls 3 bildet. Die Lasche 49 ist durch eine Verlängerung des ersten Flügels 43 gebildet und ragt in Höhenrichtung E relativ zu den Verbindern 23, 37 der zweiten Reihe L2 nach oben.
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Im gezeigten Beispiel befinden sich die Laschen 48, 49 an gegenüberliegenden Enden der ersten und zweiten Reihe L1, L2.
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Die wärmeleitenden Platten 19 weisen vorzugsweise an ihren gegenüberliegenden Enden in Höhenrichtung E gefaltete Ränder 51 auf. Die Ränder 51 sind in 3 sichtbar. Die gefalteten Ränder 51 erstrecken sich in Ebenen senkrecht zur Höhenrichtung E. Die gefalteten Ränder 51 folgen dem oberen und unteren Rand 15 einer der Taschen 7 entsprechend der sekundären Richtung S. Sie sind an den Rändern 15 gehalten.
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Wie in 4 gezeigt, bilden der Stapel der Taschenzellen 5, die elektrischen Verbinder 23 und die Endverbinder 37 zusammen einen kompakten Block. Dieser Block hat die Form eines Parallelepipeds.
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Eine obere Fläche 53 dieses Blocks ist durch die Flächen 33 der elektrischen Verbinder 23 und der Endverbinder 37, durch die Ränder 15 der Taschenzellen 5 und die möglichen gefalteten Ränder 51 der Platten 19 definiert. Eine untere Fläche 55 dieses Blocks ist durch die Flächen 33 sowie die Ränder 15 und die möglichen gefalteten Ränder 51 gegenüber definiert.
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Eine Seitenfläche 57 dieses Blocks ist durch die große Fläche 13 der am Ende des Stapels befindlichen Taschenzelle 5 und durch die großen Flächen 47 der an einem Ende der ersten und zweiten Reihe L1, L2 liegenden Endverbinder 37 definiert. Eine weitere Seitenfläche 59 ist durch die große Fläche 13 der Taschenzelle 5, die sich am anderen Ende des Stapels befindet, und durch die großen Flächen 47 der Endverbinder 37, die sich am anderen Ende der ersten und zweiten Reihe L1, L2 befinden, definiert.
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Eine Endfläche 61 des Blocks ist durch die Flächen 32 der elektrischen Verbinder 23 und der Endverbinder 37 der ersten Reihe L1 definiert. Eine andere Endfläche 63 des Blocks ist durch die Flächen 32 der elektrischen Verbinder 23 und der Endverbinder 37 der zweiten Reihe L2 definiert.
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Der Taschenzellenstapel 5 ist in ein Harz 65 eingebettet.
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Genauer gesagt, sind der Stapel der Taschenzellen 5 und die elektrischen Verbinder 23 vollständig in das Harz 65 eingebettet.
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Auch die Endverbinder 37 sind mit Ausnahme der Laschen 48, 49 vollständig in das Harz 65 eingebettet.
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Vorteilhafterweise bedeckt das Harz 65 zumindest die obere und untere Fläche 53, 55 des oben beschriebenen Blocks.
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Üblicherweise bedeckt es auch die Seitenflächen 57, 59 und die Endflächen 61, 63 dieses Blocks.
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Somit ist jede der Flächen 53, 55, 57, 59, 61, 63 vollständig mit einer Schicht aus Harz 65 bedeckt.
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Diese Schicht ist üblicherweise zwischen 0,5 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,6 und 3 mm dick.
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Das Harz ist ein Kunststoff, z.B. Polyurethan (PU), Polyvinylchlorid (PVC) oder ein anderes elastisches und flexibles Kunststoffharz.
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Vorteilhafterweise enthält das Harz 65 ein Dotierungselement für die Wärmeleitfähigkeit, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Harzes zwischen 1 und 10 W/m.°K, vorzugsweise zwischen 2 und 4 W/m.°K liegt.
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In Abwesenheit von Dotierungselementen hat das Harz 65 üblicherweise eine Leitfähigkeit von 0,2 W/m.°K.
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Das Dotierungselement ist z.B. Aluminiumoxid (Al2O3).
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Das Harz 65 definiert eine erste und eine zweite Fläche 67, 69, die einander gegenüberliegen (5 und 6). An der ersten und zweiten Fläche 67, 69 des Harzes 65 sind externe Fluidzirkulationskanäle 71 vorgesehen.
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Die erste und zweite Fläche 67, 69 sind durch die Harzschichten definiert, die die obere und untere Fläche 53, 55 bedecken.
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Die externen Fluidzirkulationskanäle 71 sind parallel zueinander, gerade und erstrecken sich über die gesamte Länge der ersten und zweiten Fläche 67, 69 des Harzes 65. Sie erstrecken sich in der sekundären Richtung S. Die externen Fluidzirkulationskanäle 71 sind an beiden Enden offen.
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Sie sind in regelmäßigen Abständen längs der Hauptrichtung P im Wesentlichen über die gesamte Breite der ersten und zweiten Fläche 67, 69 des Harzes 65 angeordnet.
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Die internen Kanäle 34 der Verbinder 23, 37, die zwischen den ersten Elektroden 9 liegen, verbinden jeweils einen externen Flüssigkeitszirkulationskanal 71 der ersten Fläche 67 mit einem externen Flüssigkeitszirkulationskanal 71 der zweiten Fläche 69 fluidisch.
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Mit anderen Worten münden diese internen Kanäle 34 an ihren gegenüberliegenden Enden jeweils in einen externen Fluidzirkulationskanal 71 der ersten Fläche 67 und in einen externen Fluidzirkulationskanal 71 der zweiten Fläche 69.
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In ähnlicher Weise verbinden die internen Kanäle 34 der Verbinder 23, 37, die die zweiten Elektroden 11 miteinander verbinden, jeweils einen externen Fluidzirkulationskanal 71 der ersten Fläche 67 mit einem externen Fluidzirkulationskanal 71 der zweiten Fläche 69.
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Das Harz 65 definiert auch die dritte und vierte Fläche 73, 75, die einander gegenüberliegen und im Wesentlichen flach sind. Die dritte und vierte Fläche 73, 75 sind durch die Harzschichten begrenzt, die die Oberflächen 57, 59 bedecken.
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In ähnlicher Weise definiert das Harz 65 die fünfte und sechste Fläche 77, 79. Die fünfte und sechste Fläche 77, 79 werden durch die Harzschichten definiert, die die Endflächen 61, 63 bedecken.
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Die Flächen 67, 69, 73, 75, 77, 79 des Harzes 65 bilden die Außenfläche des Moduls 3. Diese hat im Allgemeinen die Form eines Parallelepipeds.
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Wie in 1 zu sehen ist, umfasst die Stromspeicherbatterie 1 neben den Modulen 3 auch eine Hülle 81, die im Inneren ein Volumen zur Aufnahme der Module 3 begrenzt.
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Die Hülle 81 weist üblicherweise eine Grundplatte 83 und eine Abdeckung 85 auf (1 und 2).
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In dem gezeigten Beispiel ist die Grundplatte 83 eine im Wesentlichen flache Platte, die einen Rahmen bildet, der das Gewicht der Module 3 trägt.
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Die Abdeckung 85 hat eine zur Grundplatte 83 hin konkave Form. Sie umfasst eine im Wesentlichen flache Oberseite 87, einen die Oberseite 87 umgebenden Umfangsrand 89 und einen vorstehenden Flansch 91. Der Umfangsrand 89 erstreckt sich von der Oberseite 87 zur Grundplatte 83. Der Flansch 91 verlängert den Umfangsrand 89. Er ist an der Grundplatte 83 gehalten.
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Im gezeigten Beispiel ist die Grundplatte 83 der Hülle 81 rechteckig, wobei die Oberseite 87 der Abdeckung 85 auch rechteckig ist.
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Die Stromspeicherbatterie 1 weist außerdem Träger 93, 95 auf, die an der Grundplatte 83 der Hülle 81 befestigt sind. Diese Träger 93, 95 definieren Aufnahmeräume 97 für die Module 3.
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Bei den Trägern 93, 95 handelt es sich um Metallplatten.
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Jedes Gehäuse 97 ist durch zwei Querträger 93 und zwei Längsträger 95 begrenzt.
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Jedes Gehäuse 97 ist im gezeigten Beispiel für die Aufnahme von zwei Modulen 3 ausgelegt, die in der Verlängerung zueinander in Querrichtung angeordnet sind.
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Die Module 3 sind so in das Gehäuse 97 eingesetzt, dass die zweite Fläche 69 der Grundplatte 83 der Hülle 81 und die erste Fläche 67 der Oberseite 87 der Abdeckung 85 zugewandt ist.
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Die dritte und vierte Fläche 73, 75 des Harzes 65 sind den Querträgern 93 zugewandt.
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Bei einem der beiden Module 3 liegt die Fläche 77 gegenüber einem der Längsträger 95 und die Fläche 79 gegenüber der Fläche 77 des anderen Moduls. Dieses andere Modul 3 liegt mit seiner Fläche 79 dem anderen Längsträger 95 gegenüber.
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Die externen Flüssigkeitszirkulationskanäle 71, die in die ersten Flächen 67 der beiden Module 3 eingearbeitet sind, liegen in der Verlängerung zueinander.
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Mit anderen Worten ist jeder externe Fluidzirkulationskanal 71 des ersten Moduls 3 durch einen Kanal 71 des anderen Moduls 3 verlängert, so dass das Wärmeträgerfluid kontinuierlich von einem Kanal zum anderen zirkulieren kann.
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In ähnlicher Weise sind die externen Fluidzirkulationskanäle 71 der zweiten Flächen 69 der beiden Module in Verlängerung zueinander angeordnet. Somit ist jeder externe Fluidzirkulationskanal 71 des ersten Moduls 3 durchgehend mit einem der externen Fluidzirkulationskanäle 71 des zweiten Moduls 3 angeordnet, so dass das Wärmeträgerfluid kontinuierlich von einem Kanal zum anderen zirkuliert.
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Die Stromspeicherbatterie 1 weist außerdem einen Zellkühlkreislauf 99 auf.
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Der Kühlkreislauf 99 umfasst einen Einlassverteiler 101, der das Wärmeträgerfluid in die externen Flüssigkeitszirkulationskanäle 71 der zweiten Flächen 69 der Module 3 verteilt.
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Er umfasst auch einen Auslasssammler 103, der das aus den externen Fluidzirkulationskanälen 71 der ersten Flächen 67 der Module 3 austretende Wärmeträgerfluid sammelt.
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Üblicherweise weist die Hülle 81 einen Einlass 105 für das Wärmeträgerfluid auf, durch den das Wärmeträgerfluid in den Kühlkreislauf 99 eintritt. Sie weist auch einen Auslass 107 für das Wärmeträgerfluid auf, durch den das Wärmeträgerfluid den Kühlkreislauf 99 verlässt.
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Der Einlass 105 für das Wärmeträgerfluid und der Auslass 107 für das Wärmeträgerfluid sind zur Verbindung mit einem Kühlkreislauf an Bord des Fahrzeugs ausgelegt, der üblicherweise eine Zirkulationseinheit für das Wärmeträgerfluid und einen Wärmetauscher umfasst. Der Wärmetauscher ist so ausgelegt, dass er die von den Taschenzellen 5 erzeugte Wärme abführt. Die Zirkulationseinheit setzt das Wärmeträgerfluid in Bewegung. Ihre Zuführleitung ist mit dem Einlass 105 für das Wärmeträgerfluid und ihre Rücklaufleitung mit dem Auslass 107 für das Wärmeträgerfluid strömungstechnisch verbunden.
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Alternativ können der Wärmetauscher und die Zirkulationseinheit in die Stromspeicherbatterie integriert sein. In diesem Fall ist der Auslasssammler mit einem Einlass des Wärmetauschers strömungsverbunden, wobei der Einlassverteiler mit der Zuführleitung der Zirkulationseinheit strömungsverbunden ist. Die Rücklaufleitung der Zirkulationseinheit ist mit dem Auslass des Wärmetauschers verbunden.
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Bei dem Wärmeträgerfluid handelt es sich in der Regel um eine dielektrische Flüssigkeit, z. B. ein Öl. Alternativ ist das Wärmeträgerfluid ein Gas.
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Im dargestellten Beispiel ist der Umfangsrand 89 der Abdeckung 85 rechteckig und umfasst zwei quer ausgerichtete Abschnitte 109 und zwei längs ausgerichtete Abschnitte 111.
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Die Längsabschnitte 111 erstrecken sich parallel zu den Längsträgern 95 und diesen gegenüber.
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Die Querträger 93 sind in einer Reihe und parallel zueinander angeordnet. Die Querabschnitte 109 sind parallel zu und gegenüber den Querträgern 93 angeordnet, die an beiden Enden der Reihe angeordnet sind.
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Der Einlass und der Auslass 105, 107 für das Wärmeträgerfluid sind in einem der Querabschnitte 109 angeordnet.
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Der Einlassverteiler 101 weist einen ersten Teil 113 mit Querausrichtung auf, der zwischen dem Querabschnitt 109, der den Ein- und Auslass 105, 107 für das Wärmeträgerfluid trägt, und dem gegenüberliegenden Querträger 93 angeordnet ist. Dieser erste Abschnitt 113 erstreckt sich vom Einlass 105 für das Wärmeträgerfluid bis zum Ende des Querträgers 93.
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Der Einlassverteiler 101 weist außerdem einen zweiten Abschnitt 115 auf, der den ersten Abschnitt 113 verlängert und sich in Längsrichtung auf einer Seite der Stromspeicherbatterie 1 zwischen einem der Längsabschnitte 111 und dem gegenüberliegenden Längsträger 95 erstreckt.
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Die Längsträger 95 weisen im unteren Abschnitt eine Öffnung 116 für das Wärmeträgerfluid auf. Die Längsträger 95 weisen so viele Öffnungen 116 auf, wie es externe Fluidzirkulationskanäle 71 gibt. Diese Öffnung ist bündig mit der Grundplatte 83 der Hülle 81 angeordnet. Jede Öffnung 116 stellt eine Verbindung zwischen dem Einlassverteiler 101 und den externen Fluidzirkulationskanälen 71 her, die sich auf der zweiten Fläche des Moduls 3 befinden, die dem Längsträger 95 am nächsten liegt.
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Der Auslasssammler 103 weist einen Längsabschnitt 117 auf, der sich längs einer Seite der elektrischen Stromspeicherbatterie 1 gegenüber dem zweiten Abschnitt 115 erstreckt. Der Auslasssammler 103 weist ferner einen quer ausgerichteten Abschnitt 119 auf, der den Längsabschnitt 117 mit dem Auslass für das Wärmeträgerfluid 107 fluidisch verbindet.
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Der Längsabschnitt 117 erstreckt sich zwischen dem Längsabschnitt 111 des Umfangsrandes 89 der Abdeckung 85 und den Längsträgern 95, die dem zweiten Abschnitt 115 des Einlassverteilers 101 gegenüberliegen. Der Querabschnitt 119 erstreckt sich zwischen dem Querabschnitt 109 des Umfangsrandes 89, der den Einlass und den Auslass für das Wärmeträgerfluid 105, 107 trägt, und dem gegenüberliegenden Querträger 93.
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Im Folgenden wird die Zirkulation des Wärmeträgerfluids in der Stromspeicherbatterie 1 beschrieben.
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Das Wärmeträgerfluid tritt durch den Einlass 105 für das Wärmeträgerfluid in den Kühlkreislauf 99 ein. Es folgt zunächst dem Einlassverteiler 101, genauer gesagt dem ersten Abschnitt 113 dieses Verteilers und dann dem zweiten Abschnitt 115 dieses Einlassverteilers 101. Ausgehend vom zweiten Abschnitt 115 des Einlassverteilers 101 wird es in die Öffnungen 116 verteilt, die an der Basis der Längsträger 95 vorgesehen sind. Ausgehend von jeder Öffnung 116 wird es in die externen Zirkulationskanäle 71 verteilt, die in der zweiten, dem Längsträger 95 am nächsten gelegenen Fläche des Moduls 3 vorgesehen sind.
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Das Wärmeträgerfluid folgt den externen Zirkulationskanälen 71. Ein erster Teil des Wärmeträgerfluids fließt durch die internen Kanäle 34, die an dem Ende des Moduls 3 vorgesehen sind, das der Öffnung 116 am nächsten liegt. Dieser erste Teil des Wärmeträgerfluids folgt den internen Kanälen 34 und mündet in die externen Zirkulationskanäle 71, die sich an der ersten Fläche des Moduls 3 befinden.
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Durch das Strömen durch die internen Kanäle 34, die in den elektrischen Verbindern 23 angeordnet sind, kühlt das Wärmeträgerfluid die Elektroden, die sich auf der einen und auf der anderen Seite dieser elektrischen Verbinder 23 befinden, durch jedes Blech 25 hindurch. Da das Blech 25 auf den Rändern 17 der beiden Taschen 7 gegenüber dem elektrischen Verbinder 23 aufliegt, kühlt das Wärmeträgerfluid auch die Elektrode und die Kathode, die in den Taschen 7 untergebracht sind.
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Wie oben angegeben, wird nur ein erster Teil des durch die Öffnung 116 eintretenden Wärmeträgerfluids in die der Öffnung 116 nächstgelegenen internen Kanäle 34 abgeleitet. Der Rest des Wärmeträgerfluids folgt den externen Zirkulationskanälen 71 jenseits der internen Kanäle 34. Ein zweiter Teil dieses Wärmeträgerfluids wird in die internen Kanäle 34 des ersten Moduls 3 geleitet, die am weitesten von der Öffnung 116 entfernt sind. Ein dritter Teil des Wärmeträgerfluids folgt den externen Zirkulationskanälen 71 jenseits dieses zweiten Satzes interner Kanäle 34 und speist die externen Zirkulationskanäle 71 des zweiten Moduls 3, die in der Verlängerung der externen Zirkulationskanäle 71 des ersten Moduls 3 liegen. Das Wärmeträgerfluid wird in die internen Kanäle 34 des zweiten Moduls 3 verteilt.
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Das aus den internen Kanälen 34 des ersten und zweiten Moduls 3 austretende Wärmeträgerfluid wird in den externen Zirkulationskanälen 71 der ersten Flächen 67 des ersten Moduls 3 und des zweiten Moduls 3 gesammelt. Sie folgen diesen externen Zirkulationskanälen 71 bis zum Auslasssammler 103. Sie verlaufen nacheinander durch den Längsabschnitt 117 des Auslasssammlers 103 und dann durch den Querabschnitt 119 des Auslasssammlers 103 zum Auslass 107 für das Wärmeträgerfluid.
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Ein Teil der Wärme wird durch die Platten 19 zu den oberen und unteren gefalteten Rändern 51 und dann durch die dünne Harzschicht zwischen dem gefalteten Rand 51 und dem Boden des externen Zirkulationskanals 71 zum Wärmeträgerfluid geleitet.
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Es wird nun das Verfahren zur Herstellung eines Moduls für eine Stromspeicherbatterie beschrieben.
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Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung des oben beschriebenen Moduls. Umgekehrt ist das oben beschriebene Modul speziell für die Herstellung mit dem obigen Verfahren ausgelegt.
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Das Herstellungsverfahren umfasst folgende Schritte:
- - Ausbilden von mehreren Stromspeichertaschenzellen 5, die jeweils eine Tasche 7 und eine erste und eine zweite Elektrode 9, 11 umfassen, die aus der Tasche 7 herausragen;
- - Aneinanderlegen der Taschenzellen 5 längs einer Hauptrichtung P unter Bildung eines Stapels;
- - Umspritzen mit einem Harz 65, wobei der Stapel in das Harz 65 eingebettet ist.
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Die Taschenzellen 5 sind wie oben beschrieben.
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Ihre ersten und zweiten Elektroden 9, 11 sind wie oben beschrieben durch elektrische Verbinder 23 elektrisch verbunden.
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Der Stapel von Taschenzellen 5 mit den elektrischen Verbindern 23 bildet einen Block, wie oben beschrieben und in 4 dargestellt.
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Dieser Block weist Endverbinder 37 der oben beschriebenen Art auf.
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Das Harz 65 ist von der oben beschriebenen Art. Es ist um den in 4 dargestellten Block herum angeordnet, wie oben beschrieben.
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Der Schritt des Umspritzens wird in der Regel durch Einlegen des Stapels von Taschenzellen 5, die mit den Verbindern 23 und 37 versehen sind, in eine Form realisiert. In die Form wird eine Harzschicht 65 eingespritzt, so dass diese Anordnung mit Ausnahme der Platten 48, 49, die die Pole des Moduls 3 bilden, und der Enden der internen Kanäle 34 bedeckt ist.
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Das oben beschriebene Modul 3 hat zahlreiche Vorteile.
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Da der Stapel von Taschenzellen in ein Harz eingebettet ist, hat das Modul eine ausgezeichnete mechanische Kohärenz. Es lässt sich auch besonders leicht in einer Stromspeicherbatterie anordnen.
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Es hat auch eine hohe thermische Kohärenz, mit vernünftigen Temperaturgradienten, üblicherweise in der Größenordnung von 5°C.
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Dieses Modul lässt sich leicht in die Batterie 1 einbauen und aus dieser entfernen.
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Da das Harz ein Dotierungsmittel für die Wärmeleitfähigkeit enthält, wird der Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträgerfluid und den Taschenzellen erleichtert.
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Da die elektrischen Verbinder, die die ersten Elektroden des Moduls miteinander verbinden, massive Blöcke sind, wird die mechanische Kohärenz des Moduls verstärkt. Dies gilt auch für die zweiten Elektroden.
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Die Tatsache, dass jeder elektrische Verbinder die Form eines elektrisch leitenden, U-förmig gefalteten Blechs hat, dessen Inneres mit einem Kunststoffmaterial gefüllt ist, ermöglicht eine bequeme Herstellung dieses elektrischen Verbinders. Dies ist besonders wirtschaftlich.
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Die Verwendung von wärmeleitenden Platten, die in den Stapel von Taschenzellen eingesetzt sind, ermöglicht eine hervorragende Kühlung der Taschenzellen. Diese Platten stehen über die gefalteten Ränder in thermischem Kontakt mit den externen Fluidzirkulationskanälen.
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Die Tatsache, dass jeder Block einen internen Kanal für die Zirkulation eines Wärmeträgerfluids aufweist, ermöglicht eine effiziente Kühlung der Elektroden und allgemeiner der Taschenzellen. Diese internen Kanäle sind einfach herzustellen und aufgrund des Aufbaus jedes Blocks aus einem U-förmig gefalteten Blech und einem Kunststofffüllmaterial.
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Das umspritzte Harz wird vorteilhaft zur Herstellung von externen Kanälen auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Moduls verwendet. Auf diese Weise lässt sich die Zirkulation des Wärmeträgerfluid auf einfache und bequeme Weise gestalten.
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Die Zirkulation des Wärmeträgerfluids in den externen Kanälen trägt zusätzlich zur Zirkulation in den internen Kanälen zur Kühlung der Taschenzellen bei.
