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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieeinrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug und umfasst wenigstens ein Gehäuse mit wenigstens einem Gehäuseraum und in dem Gehäuseraum untergebrachte Batteriezellen. Die Batteriezellen weisen jeweils ein Zellengehäuse mit jeweils wenigstens einer Zellentgasungsöffnung auf. Das Gehäuse weist wenigstens eine Gehäusewandung mit Gehäuseentgasungsöffnungen auf. Die Gehäuseentgasungsöffnungen sind wenigstens abschnittsweise gegenüber liegend zu jeweils wenigstens einer korrespondierenden Zellentgasungsöffnung angeordnet.
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Im Falle eines Störfalls und beispielsweise bei einem sogenannten thermischen Durchgehen (sog. Thermal Runaway bzw. thermisches Ereignis) der Batteriezellen entsteht in der Regel viel Gas, welches aus den Batteriezellen und aus dem Gehäuse geleitet werden muss. Die Ausleitung der Gase aus dem ansonsten abgedichteten Batteriesystem erfolgt über die Zellentgasungsöffnungen und die Gehäuseentgasungsöffnungen, die dadurch eine entsprechend große Querschnittsöffnung aufweisen sollten. Diese Anforderung steht allerdings im Konflikt mit der Anforderung an ein stabiles und sicheres Gehäuse. Das ist besonders kritisch, wenn das Gehäuse eine betriebsbedingte Volumenzunahme der Batteriezellen abfangen muss (sog. Cell-Swelling bzw. Schwellkräfte).
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterieeinrichtung mit einer zuverlässigen Möglichkeit zur Entgasung im Störfall zur Verfügung zu stellen, welche zugleich keinen unerwünschten Einfluss auf die Stabilität des Gehäuses mit sich bringt. Dabei soll die Lösung vorzugsweise besonders stabil und zugleich konstruktiv unaufwendig und Bauraum sparend umsetzbar sein.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterieeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
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Die erfindungsgemäße Batterieeinrichtung ist für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug vorgesehen. Die Batterieeinrichtung ist insbesondere als eine Hochvoltbatterie und vorzugsweise als eine Traktionsbatterie ausgebildet. Die Batterieeinrichtung umfasst wenigstens ein Gehäuse mit wenigstens einem Gehäuseraum und in dem Gehäuseraum untergebrachte Batteriezellen. Die Batteriezellen weisen jeweils ein Zellengehäuse mit jeweils wenigstens einer (vorzugsweise nur einer) Zellentgasungsöffnung auf. Das Gehäuse weist wenigstens eine Gehäusewandung mit Gehäuseentgasungsöffnungen auf. Die Gehäuseentgasungsöffnungen sind wenigstens abschnittsweise gegenüberliegend zu jeweils wenigstens einer korrespondierenden Zellentgasungsöffnung angeordnet. Dabei sind die Gehäuseentgasungsöffnungen jeweils in einer ersten Erstreckungsebene länger als in einer zweiten Erstreckungsebene ausgebildet. Die Gehäuseentgasungsöffnungen sind jeweils mit wenigstens einem quer zur ersten Erstreckungsebene verlaufenden Stegelement ausgestattet. Das Stegelement unterteilt die Gehäuseentgasungsöffnung in wenigstens zwei Öffnungsabschnitte.
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Die erfindungsgemäße Batterieeinrichtung bietet viele Vorteile. Einen erheblichen Vorteil bieten die länglich ausgebildeten Gehäuseentgasungsöffnungen. Das ermöglicht eine zuverlässige Abführung von Gasen auch bei sehr schlanken Batteriezellen mit entsprechend schmalen Zellentgasungsöffnungen. Besonders vorteilhaft sind auch die quer zur ersten Erstreckungsebene verlaufenden Stegelemente. Diese ermöglichen eine wirksame und zugleich konstruktiv unaufwendige und Bauraum sparende Stabilisierung der länglichen Gehäuseentgasungsöffnungen. Dadurch können die Stegelemente auf die Gehäusewandung einwirkende und insbesondere in Richtung der zweiten Erstreckungsebene verlaufende Kräfte auffangen. Solche Kräfte sind insbesondere durch eine betriebsbedingte Volumenzunahme der Batteriezellen bedingt. Solche Kräfte könnten sonst zu einer unerwünschten Belastung und beispielsweise einer Streckung des Gehäuses bzw. der Gehäuseentgasungsöffnungen in Richtung der zweiten Erstreckungsebene führen.
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Vorzugsweise sind die Batteriezellen zu wenigstens einem Zellstapel in dem Gehäuseraum aufgereiht. Insbesondere ist die Aufreihung im Zellstapel in Richtung der zweiten Erstreckungsebene ausgeführt. Insbesondere erfolgt die Aufreihung im Zellstapel in die Richtung, in welche sich auch die Stegelemente erstrecken. Insbesondere werden dadurch die durch ein betriebsbedingtes Anschwellen der Batteriezellen entstehenden und auf das Gehäuse einwirkenden Kräfte in die Stegelemente eingeleitet bzw. von diesen abgefangen. Insbesondere verlaufen diese Kräfte zu einem überwiegenden Teil in Richtung der Längsachse der Stegelemente. Insbesondere sind die Batteriezellen gegen betriebsbedingtes Anschwellen im Gehäuse verspannt. Insbesondere überträgt sich das betriebsbedingte Anschwellen der Batteriezellen auf das Gehäuse und die Stegelemente.
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Es ist bevorzugt und vorteilhaft, dass die Stegelemente jeweils fest und vorzugsweise einstückig mit der Gehäusewandung verbunden sind. Insbesondere sind Stegelemente integraler Bestandteil der Gehäusewandung. Insbesondere sind die Stegelemente an gegenüberliegenden Seiten der Gehäuseentgasungsöffnung fest mit der Gehäusewandung verbunden. Insbesondere erstrecken sich die Stegelemente durch die jeweilige Gehäuseentgasungsöffnung. Insbesondere verbindet das Stegelement die gegenüberliegenden Seiten der Gehäuseentgasungsöffnung (nach dem Prinzip eines Zugankers). Es möglich, dass die Stegelemente in den Werkstoff der Gehäusewandung integriert sind. Die Stegelemente können kraftschlüssig oder formschlüssig oder stoffschlüssig mit der Gehäusewandung verbunden sein.
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Es ist möglich und vorteilhaft, dass die Gehäuseentgasungsöffnungen jeweils in der ersten Erstreckungsebene wenigstens doppelt so lang wie in der zweiten Erstreckungsebene ausgebildet sind. Eine solche Dimensionierung ist besonders vorteilhaft bei schmalen Batteriezellen mit einer hohen Energie- bzw. Leistungsdichte, da diese dadurch entsprechend lang gestreckte Zellentgasungsöffnungen aufweisen.
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Insbesondere sind die Gehäuseentgasungsöffnungen mittels (jeweils) wenigstens eines Überdruckelements verschlossen und insbesondere mediendicht verschlossen. Vorzugsweise ist das Überdruckelement dazu geeignet und ausgebildet, die Gehäuseentgasungsöffnung druckinitiiert und/oder temperaturinitiiert wenigstens teilweise freizugeben. Das Überdruckelement ist dabei insbesondere auf die bei einem Störfall zu erwartenden Temperaturen und Druckverhältnisse ausgelegt. Es ist möglich, dass ein Überdruckelement für mehrere Gehäuseentgasungsöffnungen dient. Möglich ist auch, dass für die Gehäuseentgasungsöffnungen jeweils wenigstens ein Überdruckelement vorgesehen ist.
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In einer besonders bevorzugten und vorteilhaften Weiterbildung sind wenigstens die zu jeweils einer Gehäuseentgasungsöffnung gehörenden Öffnungsabschnitte durch wenigstens ein gemeinsames Überdruckelement verschlossen. Ein solches gemeinsames Überdruckelement kann für mehrere Gehäuseentgasungsöffnungen dienen. Es ist aber auch möglich, dass für die Gehäuseentgasungsöffnungen jeweils wenigstens ein gemeinsames Überdruckelement vorgesehen ist.
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Es ist möglich und vorteilhaft, dass das Überdruckelement (insbesondere umlaufend um die Gehäuseentgasungsöffnung) stoffschlüssig mit der Gehäusewandung verbunden und vorzugsweise verschweißt oder verklebt ist. Das Überdruckelement kann auch in einer anderen geeigneten Weise an der Gehäusewandung befestigt sein.
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Es ist bevorzugt und vorteilhaft, dass das Überdruckelement wenigstens abschnittsweise mit dem Stegelement verbunden ist. Vorzugsweise ist das Überdruckelement in solcher Weise mit dem Stegelement verbunden, wie es auch mit der Gehäusewandung verbunden ist. Es kann für die Verbindung mit dem Stegelement aber auch eine andere Verbindungsart vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass das Überdruckelement nicht an dem Stegelement befestigt ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Überdruckelement dazu geeignet und ausgebildet, sich druckinitiiert und/oder temperaturinitiiert wenigstens teilweise von der Gehäusewandung und/oder von dem Stegelement zu lösen. Dazu ist das Überdruckelement insbesondere mit einer gezielt lösbaren Klebeverbindung und/oder Schweißverbindung befestigt. Insbesondere ist das Überdruckelement als ein Klebepad (Klebepflaster) oder Schweißpad (Schweißpflaster) ausgeführt.
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Möglich und vorteilhaft ist auch, dass das Überdruckelement dazu geeignet und ausgebildet ist, sich druckinitiiert und/oder temperaturinitiiert zu reißen. Dazu weist das Überdruckelement vorzugsweise wenigstens eine Sollbruchstelle auf. Beispielsweise ist das Überdruckelement dazu als ein aufreißbares Folienelement ausgeführt. Unter Reißen wird insbesondere auch Brechen verstanden.
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In einer bevorzugten und vorteilhaften Weiterbildung sind die Stegelemente dadurch hergestellt, dass bei der Herstellung der Gehäuseentgasungsöffnungen ein Materialabtrag gezielt im Bereich der Öffnungsabschnitte erfolgt. Vorzugsweise erfolgt der Materialabtrag durch Wasserstrahlschneiden und/oder Laserstrahlschneiden und/oder ein Zerspanungsverfahren (beispielsweise Fräsen). Insbesondere werden die Stegelemente dabei herausgearbeitet. Insbesondere erfolgt der Materialabtrag von der Gehäusewandung bzw. deren Rohling. Vorzugsweise erfolgt eine Bearbeitung eines Hohlprofils mit einer oder mehrerer Hohlkammern und vorzugsweise eines Strangpressprofils.
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Vorzugsweise wird das Gehäuse durch wenigstens ein Hohlprofil mit einer oder mehrerer Hohlkammern und vorzugsweise durch ein Strangpressprofil bereitgestellt. Es ist möglich, dass der Gehäuseraum durch eine Hohlkammer und vorzugsweise eine zentrale Hauptkammer bereitgestellt wird. Möglich ist auch, dass das Gehäuse aus mehreren Hohlprofilen gebildet wird. Dann wird insbesondere die wenigstens eine Gehäusewandung durch wenigstens ein Hohlprofil bereitgestellt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Gehäuseentgasungsöffnungen wenigstens teilweise in Richtung der zweiten Erstreckungsebene fluchtend (und beabstandet voneinander) aufgereiht. Möglich und bevorzugt ist, dass die Stegelemente wenigstens teilweise (insbesondere die Stegelemente der in einer Reihe aufgereihten Gehäuseentgasungsöffnungen) entlang einer gemeinsamen, in Richtung der zweiten Erstreckungsebene verlaufenden Längsachse angeordnet sind. Insbesondere sind die Gehäuseentgasungsöffnungen in Richtung der Aufreihung im Zellstapel aufgereiht. Möglich ist auch, dass die Stegelemente versetzt zu ihrer gemeinsamen Längsachse angeordnet sind.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Gehäuse ein Modulgehäuse für ein Batteriemodul. Insbesondere weist die Batterieeinrichtung wenigstens ein Batteriemodul und vorzugsweise eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf. Insbesondere ist das wenigstens eine Batteriemodul in einem Hauptgehäuse eingehaust.
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Insbesondere verlaufen die Stegelemente in Bezug auf ihre Längsachse in Richtung der zweiten Erstreckungsebene. Insbesondere weisen die Stegelemente eine Längsachse auf, welche parallel zur zweiten Erstreckungsebene und/oder zur Aufreihung im Zellstapel verläuft. Die Angaben zur Erstreckungsebene beziehen sich insbesondere auf einen Öffnungsquerschnitt der Gehäuseentgasungsöffnungen.
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Insbesondere korrespondieren die Gehäuseentgasungsöffnungen jeweils mit nur einer Zellentgasungsöffnung. Insbesondere liegt jeweils eine Zellentgasungsöffnung nur einer Gehäuseentgasungsöffnung gegenüber. Insbesondere weisen die Gehäuseentgasungsöffnungen eine wenigstens abschnittsweise abgerundete Außenkontur auf. Dadurch können die Belastungen durch das Anschwellen der Batteriezellen noch besser vom Gehäuse aufgefangen werden.
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Vorzugsweise korrespondieren die Gehäuseentgasungsöffnungen wenigstens näherungsweise in Form und/oder Größe mit den Zellentgasungsöffnungen. Insbesondere weicht die Querschnittsfläche jeweils einer Gehäuseentgasungsöffnung um nicht mehr als 25 % und vorzugsweise um nicht mehr als 10 % und besonders bevorzugt um nicht mehr als 5 % von der Querschnittsfläche der korrespondierenden Zellentgasungsöffnung ab. Insbesondere sind auch die Zellentgasungsöffnungen jeweils in einer ersten Erstreckungsebene länger als in einer zweiten Erstreckungsebene ausgebildet.
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Die Batteriezellen sind insbesondere plattenartig bzw. beutelartig ausgebildet. Insbesondere sind die Batteriezellen im Gehäuseraum elektrisch verschaltet. Insbesondere umfassen die Batteriezellen jeweils zwei gegenüberliegende Hauptseiten und quer zu den Hauptseiten verlaufende Schmalseiten. Insbesondere erstrecken sich die Schmalseiten zwischen den Hauptseiten. Insbesondere ist die wenigstens eine Zellentgasungsöffnung einer Batteriezelle in wenigstens einer ihrer Schmalseiten ausgebildet.
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Insbesondere sind die Batteriezellen so im Zellstapel aufgereiht, dass die Hauptseiten zueinander gewandt sind. Insbesondere liegen die Hauptseiten im Zellstapel. Insbesondere weisen die Hauptseiten in Richtung der zweiten Erstreckungsebene. Insbesondere weisen die Schmalseiten der im Zellstapel angeordneten Batteriezelle nach außen. Insbesondere verlaufen die Schmalseiten quer zu den Hauptseiten.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
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In den Figuren zeigen:
- 1 eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterieeinrichtung in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben auf einer Unterseite;
- 2 die Batterieeinrichtung der 1 in einer teilweise transparenten perspektivischen Ansicht;
- 3 eine weitere Darstellung der Batterieeinrichtung der 1 in einer perspektivischen Ansicht; und
- 4 eine Darstellung der Batterieeinrichtung der 1 in einer geschnittenen Seitenansicht.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Batterieeinrichtung 1 mit einem Gehäuse 2, welches hier als Modulgehäuse 62 eines Batteriemoduls 10 ausgebildet ist. Die Batterieeinrichtung 1 kann weitere, hier nicht dargestellte Batteriemodule 10 umfassen, welche zum Beispiel zur Bereitstellung einer Hochvoltbatterie für den Antrieb eines wenigstens teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs miteinander verschaltet sein können. Nachfolgend wird die Batterieeinrichtung 1 mit Bezug zu den 1 bis 4 näher beschrieben.
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Im Gehäuseraum 12 des Gehäuses 2 sind eine Mehrzahl von Batteriezellen 3 untergebracht, welche in der transparenten Darstellung der 2 gut zu erkennen sind. Die Batteriezellen 3 sind hier als Li-lonen-Batteriezellen vom Typ „Prismatisch“ ausgebildet und umfassen jeweils ein Zellengehäuse 13 mit jeweils einer Zellentgasungsöffnung 23 (sog. Zellvent) zum Abführen von Gasen bei einem thermischen Ereignis. In dem Zellengehäuse 13 sind die elektrochemischen Komponenten der Batteriezelle 3 untergebracht.
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Die Batteriezellen 3 weisen zwei gegenüberliegende Hauptseiten 43 und quer zu den Hauptseiten verlaufende Schmalseiten 53 auf. Die Batteriezellen 3 sind hier zu insgesamt vier Zellstapeln 33 im Gehäuseraum 12 aufgereiht. Dabei sind die Batteriezellen 3 so aufgereiht, dass ihre Hauptseiten 43 zueinander im Zellstapel 33 angeordnet sind. Die Schmalseiten 53 weisen nach außen. Die Zellentgasungsöffnungen 23 sind jeweils an einer der Schmalseiten 53 ausgebildet.
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Die aufgereihten Batteriezellen 3 sind im Gehäuse 2 vorgespannt, sodass sich durch ein betriebsbedingtes Anschwellen auch der Druck auf das Gehäuse 2 erhöht.
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Die Menge an Gas, welches im Falle eines thermischen Events einer Batteriezelle 3 pro Zeit aus der Batteriezelle 3 strömt, ist in der Regel abhängig von der verwendeten Zellchemie. In der Regel führen größere Leistungs- und Energiedichten zu einer erhöhten Gasmenge. Je größer die abzuführende Gasmenge pro Zeiteinheit ist, desto größer muss die Entgasungsöffnung dimensioniert sein. Aufgrund der hier verwendeten entsprechend schmalen Batteriezellen 3 sind dadurch auch die Zellentgasungsöffnungen 23 besonders schmal und lang gestreckt ausgeführt.
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Wie in der Zusammenschau von 1 und 2 gut zu erkennen, sind die Zellentgasungsöffnungen 23 von einer Gehäusewandung 22 des Gehäuses 2 überdeckt. Dabei sind in der Gehäusewandung 22 Gehäuseentgasungsöffnungen 32 ausgebildet, welche zu jeweils einer Zellentgasungsöffnung 23 korrespondierend dimensioniert und angeordnet sind. Die Gehäuseentgasungsöffnungen 32 und auch die Zellentgasungsöffnungen 23 sind hier in einer ersten Erstreckungsebene 14 länger und beispielsweise wenigstens doppelt so lang als in einer zweiten Erstreckungsebene 24 ausgebildet.
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Um zuverlässig zu verhindern, dass die hier eingesetzten länglichen Gehäuseentgasungsöffnungen 32 zu einer unerwünschten Schwächung der Gehäusewandung 22 und somit auch des gesamten Gehäuses 2 führen, sind die Gehäuseentgasungsöffnungen 32 mit Stegelementen 4 ausgestattet. Die Stegelemente 4 erstrecken sich quer zur ersten Erstreckungsebene 14 und teilen die Gehäuseentgasungsöffnung 32 in zwei Öffnungsabschnitte 42. Die hier eingesetzten Stegelemente 4 haben den Vorteil, dass sie auch bei entsprechend großen bzw. länglichen Zellentgasungsöffnungen 23 den Erhalt der Gehäusestabilität gewährleisten, ohne den Öffnungsquerschnitt der Zellentgasungsöffnungen 23 unvorteilhaft einzuengen.
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Die Stegelemente 4 dienen zur Stabilisierung des Gehäuses 2 insbesondere gegen eine Belastung des Gehäuses 2 bei einer betriebsbedingten Volumenzunahme der Batteriezellen 3. Die durch das Anschwellen der Batteriezellen 3 bedingte Belastung hat, die hier durch die Pfeile skizzierte Kraftrichtung 6. Dabei erstrecken sich die Stegelemente 4 hier parallel zu dieser Kraftrichtung 6.
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Die Gehäuseentgasungsöffnungen 32 sind im Normalbetrieb mittels Überdruckelementen 5 verschlossen. Die Überdruckelemente 5 öffnen bei einem thermischen Event durch den im Gehäuseraum 12 entstehenden Überdruck. Dabei sind die beiden Öffnungsabschnitte 42 jeweils einer Gehäuseentgasungsöffnung 32 mit einem gemeinsamen Überdruckelement 5 verschlossen (wie in der 3 gut zu erkennen). Die Überdruckelemente 5 sind hier beispielsweise als aufreißbare Folien oder als sich ablösende Klebepads oder Schweißpads ausgeführt.
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Die Stegelemente 4 sind hier integraler Bestandteil der Gehäusewandung 22 und beispielsweise einstückig mit der Gehäusewandung 22 ausgebildet. Dazu werden die Gehäuseentgasungsöffnungen 32 beispielsweise durch Materialabtrag im Bereich der Öffnungsabschnitte 42 hergestellt, sodass die Stegelemente 4 herausgearbeitet werden. Das Gehäuse 2 kann beispielsweise durch ein Hohlprofil 52 bereitgestellt werden oder zumindest zum Teil aus einem oder mehreren Hohlprofilen 52 zusammengesetzt sein.
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Mit zukünftigen elektrochemischen Komponenten werden sich höhere Energie- und Leistungsdichten für die Batteriezellen 3 ergeben, sodass diese immer größere Zellentgasungsöffnungen 23 benötigen. Je länger die Zellentgasungsöffnung 23 ausgeführt ist, desto größer ist in der Regel auch die Schwächung des Gehäuses 2. Das kann zu ungünstigen Belastungen führen, die durch das Anschwellen der Batteriezellen 3 auf das Gehäuse 2 wirken. Mit der hier vorgestellten Erfindung kann dieser Schwächung des Gehäuses 2 konstruktiv unaufwendig und zugleich besonders zuverlässig entgegengewirkt werden. Zudem ergibt sich durch die Verbesserung der Modulgehäusestabilität auch ein Gewichtsvorteil, welcher sich beispielsweise auf die Reichweite eines Elektrofahrzeugs auswirkt.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Batterieeinrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Batteriezelle
- 4
- Stegelement
- 5
- Überdruckelement
- 6
- Kraftrichtung
- 10
- Batteriemodul
- 12
- Gehäuseraum
- 13
- Zellengehäuse
- 14
- Erstreckungsebene
- 22
- Gehäusewandung
- 23
- Zellentgasungsöffnung
- 24
- Erstreckungsebene
- 32
- Gehäuseentgasungsöffnung
- 33
- Zellstapel
- 42
- Öffnungsabschnitt
- 43
- Hauptseite
- 52
- Hohlprofil
- 53
- Schmalseite
- 62
- Modulgehäuse