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Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung mit einem Vakuumelement und ein Batteriemodul mit wenigstens zwei erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnungen.
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Als elektrochemischer Energiespeicher, der bei seiner Entladung die gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umwandelt, bietet sich eine Batterie sowohl in stationären Systemen wie Kraftwerken erneuerbarer Energien als auch in mobilen Systemen wie einem Kraftfahrzeug wichtige Anwendungsmöglichkeiten.
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Batterien für industrielle Anwendungen setzen sich dabei meist aus mehreren Batteriezellen zusammen. Im Rahmen dieser Anmeldung wird die Verbindung von wenigstens zwei Batteriezellen als Batterieanordnung bezeichnet, wobei mehrere Batterieanordnungen wiederum zu einem Batteriemodul (Batterie) zusammengeschlossen werden.
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Bei der Fertigung derartiger Batteriezellenanordnungen ist darauf zu achten, dass zum einen eine ausreichende Kühlung der Batteriezellen während des Betriebes sichergestellt ist und zum anderen die Batteriezellen derart angeordnet und befestigt sind, dass eine Ausdehnung (auch Zellswelling genannt) senkrecht zum Schichtaufbau der Zelle, bestehend aus Anode, Elektrode und Isolationsschichten, gewährleistet ist.
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Gemäß der Lehre des Stands der Technik, wie beispielsweise dem Dokument
DE 10 2016 225 175 A1 oder dem Dokument
DE 10 2016 225 184 A1 werden Batteriezellen auf Kühlplatten angeordnet, um die erforderliche Kühlungswirkung zu erzielen. Die genannten Dokumente offenbaren Batteriezellenanordnungen mit zumindest zwei Batteriezellen, insbesondere Pouchzellen, wobei die Batteriezellenanordnung eine bewegungsflexible Umhüllung aufweist, die das gesamte Batteriezellsystem sowie den Spannungsabgriff des Batteriemoduls umhüllt.
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Weiterhin offenbart das Dokument
US 2013 052 492 A1 eine Zelle für eine Lithiumlonenbatterie mit einem druckresistenten, gasdichten Gehäuse, welches insbesondere ein Vakuum im Inneren aufweist.
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Das Dokument
US 2013 337 304 A1 offenbart Pouchzellen für Lithium-Ionen-Batterien, wobei ein Volumen der Pouchzelle leer ist und einen Unterdruck (ein Vakuum) aufweist. Der Vakuum-Bereich der Zelle wird bspw. genutzt, um von der Zelle gebildetes Gas aufzunehmen und ein Aufblähen der Zelle (Zellswelling) zu vermeiden. Die Zelle ist dazu von einer flexiblen Hülle umschlossen.
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Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es, eine Batteriezellenanordnung bereitzustellen, welche eine einfache Art der Verbindung zwischen Batteriezellen und Kühlplatte bereithält und dabei keine Beeinträchtigung der Kühlwirkung besteht, wobei weiterhin eine Möglichkeit zur Ausdehnung der Zelle (Zellswelling) senkrecht zum Schichtaufbau sichergestellt ist.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung weist wenigstens zwei Batteriezellen auf, welche auf gegenüberliegenden Seiten einer Kühlplatte an dieser anliegen. Sie weist weiterhin ein Vakuumelement auf, welches druckdicht mit Abschnitten der Kühlplatte verbunden ist und zumindest um einen Teil der Oberfläche der Batteriezellen und der Kühlplatte angeordnet ist. Innerhalb des Vakuumelements ist dabei ein Vakuum ausgebildet, welches dazu ausgebildet ist, mittels des Vakuumelements die Batteriezellen von gegenüberliegenden Seiten der Kühlplatte an diese zu pressen. Die Kühlplatte weist dabei in ihrem Randbereich wenigstens ein Stegelement auf, welches in Richtung der Verpressung der Batteriezellen mit der Kühlplatte über die Batteriezellen hinaussteht.
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Unter dem Begriff „verpressen“ bzw. „Verpressung“ ist zu verstehen, dass die Batteriezellen gegen die Kühlplatte gedrückt werden. Die dazu notwendige Kraft wird durch das Vakuumelement ausgeübt, welches aufgrund des Vakuums die Batteriezellen gegen die Kühlplatte drückt. Die Richtung der Verpressung steht somit senkrecht auf die Oberfläche Kühlplatte und verläuft parallel zur Kraft, welche die Batteriezellen an die Kühlplatte drückt.
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Unter der Formulierung „druckdicht“ ist im Rahmen dieser Anmeldung zu verstehen, dass zwischen zwei „druckdicht“ abgegrenzten Volumen kein Druckausgleich stattfindet. Dabei ist es nicht notwendig ein vollständiges Vakuum (Hochvakuum) auszubilden. Der Begriff Vakuum beschreibt dabei lediglich, dass in dem Volumen in dem ein „Vakuum“ herrscht ein im Vergleich zum Umgebungsdruck geringerer Druck vorliegt. Der Druckunterschied ist dabei jedoch so hoch, dass die Batteriezellen mit der Kühlplatte verpresst werden, auch gegen das Eigengewicht einer Batteriezelle.
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Durch den Überstand des wenigstens einen Stegelements im Randbereich der Kühlplatte, können mehrere erfindungsgemäße Batterieanordnungen aufeinander gestapelt werden, sofern stets die überstehenden Stegelemente als Abstandshalter zwischen den Batteriezellenanordnungen angeordnet werden. Somit kann ein Kontakt der Batteriezellen miteinander verhindert werden, da durch die überstehenden Stegelemente stets ein Spalt zwischen den übereinander angeordneten Batteriezellen unterschiedlicher Batterieanordnungen besteht. Durch diesen Spalt kann sich die Batteriezelle im Rahmen des Zellswellings ausbreiten, wobei durch das Vakuum stets ein Kontakt der Batteriezelle mit der Kühlplatte gesichert ist.
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Darüber hinaus sind keine weiteren Befestigungselemente oder ähnliches notwendig, um den Kontakt der Batteriezellen an der Kühlplatte sicher zu stellen. Dies bedeutet zum einen eine Vereinfachung bei der Fertigung der Batterieanordnungen sowie einen verminderten Materialeinsatz.
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Als Randbereich der Kühlplatte wird der umlaufende Teil der Kühlplatte bezeichnet, welcher den Rand der Kühlplatte darstellt und insbesondere zwischen den Batteriezellen über deren Grundfläche hinausragt.
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Vorzugsweise weist das Stegelement Verbindungsabschnitte auf, um eine Verbindung verschiedener Batteriezellenanordnungen miteinander über die entsprechenden Stegelemente zu ermöglichen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Vakuumelement druckdicht mit dem wenigstens einen Stegelement der Kühlplatte verbunden. Insbesondere vorteilhaft ist dabei die Verbindung an der Stelle des wenigstens einen Stegelements, welche sich am weitesten entfernt von dem Abschnitt der Kühlplatte befindet, welcher zwischen den Batteriezellen angeordnet ist. Auf diese Weise ist das unter Vakuum zu setzende Volumen möglichst gering und das Vakuumelement umschließt lediglich die Abschnitte der Batteriezellenanordnung, welche zur Verpressung der Batteriezellen mit der Kühlplatte notwendig sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei Stegelemente der Kühlplatte an sich gegenüberliegenden Randbereichen der Kühlplatte angeordnet. Dadurch kann eine einfache Geometrie hergestellt werden, welche sich für eine Stapelung mehrerer Batteriezellenanordnungen besonders eignet, da diese durch die Stapelung der Stegelemente aufeinander erfolgt. Durch zwei gegenüberliegend angeordnete Stegelemente kann ebenfalls erreicht werden, dass eine Batteriezellenanordnung auf einem ebenen Untergrund angeordnet werden kann, da durch die beiden gegenüberliegenden Stegelemente eine Beabstandung der Batteriezelle zum Untergrund sichergestellt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kühlplatte wenigstens einen Kühlkanal auf, in welchem Kühlmedium zirkuliert. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar die Kühlleistung der Kühlplatte zu verbessern.
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Weiterhin vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl ein Kühlkanaleingang als auch ein Kühlkanalausgang des Kühlkanals auf der gleichen Seite der Kühlplatte angeordnet sind. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auf der gegenüberliegenden Seite der Kühlplatte keine Vorkehrung getroffen werden muss, um ein Kühlmedium abzuleiten, wodurch auch keine besondere Vorkehrung wie beispielsweise ein Durchgang für den Kühlkanalausgang im Vakuumelement vorgesehen werden muss.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung führt ein Kühlkanaleingang und/oder ein Kühlkanalausgang des Kühlkanals durch das Vakuumelement, wobei das Vakuumelement ringsum den Kühlkanaleingang beziehungsweise den Kühlkanalausgang druckdicht abgedichtet ist.
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Vorzugsweise ist das Vakuumelement als Schlauch ausgebildet. Dabei ist es an den Stirnseiten der Kühlplatte bzw. der Batteriezellen offen ausgebildet. Dies stellt insbesondere für die Fertigung erfindungsgemäßer Batteriezellen eine einfache Möglichkeit dar ein Vakuum auszubilden, welches die Batteriezellen mit der Kühlplatte verpresst, da lediglich an zwei Enden eine druckdichte Verbindung zwischen Kühlplatte und Vakuumelement hergestellt werden muss, während die Druckdichtigkeit in Umfangsrichtung zwischen den Stirnseiten durch das schlauchförmige Vakuumelement gewährleistet ist.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Vakuumelement als Sack ausgebildet und umschließt damit neben den Seiten wie beim schlauchförmigen Vakuumelement ebenso eine Stirnseite der Batterieanordnung. Somit muss lediglich auf einer Stirnseite der Batterieanordnung eine druckdichte Verbindung zwischen Vakuumelement und Kühlplatte hergestellt werden, was den Herstellungsprozess einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung vereinfacht.
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Insbesondere bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung mit einem sackförmigen Vakuumelement, bei der die Batteriezellen einer Batterieanordnung auf einer Stirnseite mittels Zelltabs miteinander verbunden sind und die Verbindungsstelle der Zelltabs innerhalb des als Sack ausgebildeten Vakuumelements angeordnet ist. Darunter ist zu verstehen, dass die Verbindungsstelle also auf der Seite der Batterieanordnung angeordnet ist, auf der sich die geschlossene Seite des sackförmigen Vakuumelements befindet. Somit kann die Verbindungsstelle der Zelltabs und die entsprechenden Zelltabs selbst gleichzeitig durch das Vakuumelement gegen die Umgebung elektrisch isoliert werden.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist wenigstens zwei erfindungsgemäße Batteriezellenanordnungen auf, wobei die Batteriezellenanordnungen derart aufeinandergestapelt sind, dass die Stegelemente der Batteriezellenanordnungen als Abstandhalter zwischen zwei benachbarter Batteriezellen unterschiedlicher Batteriezellenanordnungen fungieren. Somit kann stets ein ausreichender Platz für die Aufnahme des Zellswellings der Batteriezellen sichergestellt werden.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen und vorteilhafte Aspekte der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Sie zeigen:
- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 100, welches zwei unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batterieanordnung 1, 2 zeigt
- 2 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang des Schnitts A-A aus 1
- 3 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang des Schnitts B-B aus 1
- 4 zeigt eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung 1
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 100, welches zwei unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batterieanordnung 1, 2 zeigt. Zwei Batteriezellen 10 liegen auf gegenüberliegenden Seiten an einer Kühlplatte 20 an. Dabei weist die Kühlplatte 20 an axial gegenüberliegenden Seiten Randbereiche auf, die über die Grundfläche der Batteriezellen 10, welche sich in die Zeichnungsebene der 1 erstreckt, überstehen. Auf diesen Randbereichen sind Stegelemente 21 angeordnet, welche die Stirnseiten der Batteriezellen 10 bedecken und über die Batteriezellen 10 in Zeichnungsebene nach oben bzw. unten überstehen. Zelltabs 11, welche zur elektrischen Verbindung der Batteriezellen 10 vorgesehen sind, erstrecken sich durch die Stegelemente 21 aus den Stirnflächen der Batteriezellen 10.
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An den Stegelementen 20 ist sowohl bei der Batteriezellenanordnung 1 als auch an der Batteriezellenanordnung 2 jeweils ein Vakuumelement 30 angeordnet. Diese erstrecken sich jeweils von einem Stegelement 21 auf der einen zum Stegelement 21 auf der anderen axialen Seite (in Zeichenebene links und rechts) der Batteriezellenanordnungen 1, 2, wo sie mit den entsprechenden Stegelementen 21 druckdicht verbunden sind. Dabei ist die druckdichte Verbindung an den Abschnitten der Stegelemente 21 vorgesehen, welche am weitesten entfernt sind von dem Abschnitt der entsprechenden Kühlplatte, der zwischen den Batteriezellen 10 angeordnet ist. Die Vakuumelemente 30 sind schlauchförmig ausgebildet und schließen somit jeweils ein Volumen zwischen den jeweiligen Stegelementen 21 der Batteriezellenanordnungen 1, 2 ein. In diesen Volumen ist ein Vakuum vorgesehen, welches ausreichend stark ist, um die Batteriezellen 10 gegen die entsprechende Kühlplatte 20 zu pressen. Durch diese Verpressung ist ein ständiger Kontakt der Batteriezellen 10 mit den Kühlplatten 20 sichergestellt. Somit erfolgt die Befestigung der Batteriezellen 10 an den Kühlplatten 20 lediglich durch das Vakuum und es werden keine weiteren Befestigungsmittel benötigt.
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Die obere Batteriezellenanordnung 1 weist dabei eine Kühlplatte 20 auf, welche über einen einfach axialverlaufenden Kühlkanal 22 verfügt, durch welchen ein Kühlmedium 40 von einem Kühlkanaleingang 221 auf der einen axialen Seite der Batteriezellenanordnung 1 zu einem Kühlkanalausgang 222 auf der anderen axialen Seite der Batteriezellenanordnung 1 strömt.
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Die untere Batteriezellenanordnung 2 weist ebenfalls eine Kühlplatte 20 auf, welche über einen Kühlkanal 22 verfügt. Dieser weist den Kühlkanaleingang 221 und den Kühlkanalausgang 222 auf der gleichen axialen Seite auf, sodass sich der Kühlkanal 22 innerhalb der Kühlplatte 20 um 180° dreht.
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Der Vorteil des Kühlkanals 22 aus der ersten Batteriezellenanordnung 1 ist, dass die Kühlleistung durch den hohen Durchsatz an kaltem Kältemittel höher ist. Der Vorteil des Kühlkanals 22 aus der zweiten Batteriezellenanordnung 2 ist, dass die Kühlmediumversorgung lediglich auf einer Seite gewährleistet werden muss, und die Ausnutzung der eingesetzten Energie zum Kühlen des Kühlmediums 40 aufgrund der längeren Kontaktzeit des Kühlmediums 40 in der Kühlplatte 20 höher ist. Zudem ermöglicht der Kühlkanal 22 der zweiten Batteriezellenanordnung 2, dass die Zelltabs 11 der Batteriezellen 10 aus der zweiten Batteriezellenanordnung 2 auf einer Seite direkt elektrisch verbunden werden können und nicht um einen Kühlkanalausgang herum vorgesehen werden müssen.
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Erfindungsgemäß werden die Batteriezellenanordnungen 1, 2 zur Bildung eines Batteriemoduls 100 derart übereinandergestapelt, dass die einzelnen Batteriezellen 10 unterschiedlicher Batterieanordnungen 1, 2 voneinander beabstandet sind. In der in 1 gezeigten Ausführungsform werden dazu die Stegelemente 21 aufeinandergestapelt und miteinander verbunden. Durch die über die Batteriezellen 10 in Zeichenebene vertikaler Richtung (Verpressungsrichtung) überstehenden Stegelemente 21 entsteht bei der Stapelung der Batteriezellenanordnungen 1, 2 ein Spalt 50 zwischen den Batteriezellen 10 unterschiedlicher Batterieanordnungen 1, 2. Kommt es während des Betriebs und der Alterung der Batteriezellen 10 zum sogenannten Zellswelling, ist sichergestellt, dass die Batteriezellen 10 nicht aufeinander drücken, sondern sich in den Spalt 50 ausbreiten können. Dadurch können Beschädigungen in den Batteriezellen 10 vermieden und die Funktionssicherheit aufrechterhalten werden. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich Batteriezellenanordnungen 1, 2 gleicher Ausführungsform übereinander zu stapeln, um ein Batteriemodul 100 zu bilden.
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Das Material der Kühlplatten 20 ist elektrisch leitendend oder elektrisch nichtleitend, in letzterem Fall jedoch zumindest im Bereich der Zelltabs 11 isoliert, um einen Kurzschluss zu verhindern.
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2 zeigt einen Querschnitt entlang der durch die Buchstaben A-A gekennzeichneten Schnittlinie in der unteren Batteriezellenanordnung 2 aus 1. Erkennbar ist, dass der Kühlkanal 22 das Kühlmedium 40 in einer Kühlkanalschlange befördert, die sich parallel zu den Batteriezellen 10 erstreckt. Die Kühlkanalschlange ist dabei aus der Verpressungsrichtung nebeneinander und nicht hintereinander (übereinander wie in 1 dargestellt) ausgebildet, um somit eine gleichmäßige Kühlung der beiden an der Kühlplatte 20 anliegenden Batteriezellen 10 zu gewährleisten und nicht eine Batteriezelle 10 stärker zu kühlen als die andere. Sowohl der Kühlkanaleingang 221 als auch der Kühlkanalausgang 222 sind seitlich aus der Kühlplatte 20 und nicht in axialer Richtung (in Zeichenebene horizontale Richtung in 1 und 2) angeordnet und führen ebenfalls durch das Vakuumelement 30. Um das Vakuum innerhalb des Vakuumelements 30 sicherzustellen, ist das Vakuumelement 30 ringsum den Kühlkanaleingang 221 und den Kühlkanalausgang 222 gegen die Kühlplatte 20 druckdicht abgedichtet.
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3 zeigt einen Querschnitt der oberen Batteriezellenanordnung 1 aus 1 entlang der Schnittlinie B-B. Die Kühlplatte 20 weist einen zweigeteilten Kühlkanal 22 auf, bei dem beide Teile schlitzartig und parallel zueinander in der Kühlplatte 20 verlaufen und das Kühlmedium 40 führen. Abgesehen von den hier anhand der Figuren dargestellten Ausführungsformen der Kühlkanalführungen sind ebenso andere Führungen denkbar. Dies umschließt ebenfalls unterschiedliche Querschnitte der Führungen.
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Das Vakuumelement 30 umschließt im gezeigten Querschnitt die Batteriezellen 10 und die Kühlplatte 20 vollständig, wodurch die bereits im Hinblick auf 1 angesprochene schlauchartige Form des Vakuumelements 30 deutlich wird. Zudem weist die Batterieanordnung 1 zusätzlich zu den axialen Stegelementen 21, welche in 1 zu erkennen sind, auch entlang der Seite, also in Zeichenebene der 1 von links nach rechts erstreckende Stegelemente 21 auf, wie in 3 erkennbar ist. Somit sind in der gezeigten Ausführungsform die Batteriezellen 10 in allen seitlichen Richtungen durch Stegelemente 21 der Kühlplatte 20 begrenzt und lediglich in Richtung der Verpressung nicht durch die Kühlplatte 20 begrenzt, um so ein Zellswelling zu gewährleisten. Dabei liegt die Batteriezelle 10 nicht zwangsläufig an den Stegelementen 21 an. Es kann also durchaus zwischen Batteriezelle 10 und Stegelementen 21 ein Spalt vorgesehen sein.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung 1. Anders als in den bisher gezeigten Ausführungsformen ist das Vakuumelement 30 hier sackförmig ausgebildet, wobei die Batteriezellen 10 samt dazwischenliegender Kühlplatte 20 von der offenen Seite in das sackförmige Vakuumelement 30 eingelegt sind. Somit ist das Vakuumelement 30 auf der einen axialen Seite der Kühlplatte 20 (in Zeichenebene rechts) verschlossen, wobei die Zelltabs 11 innerhalb des Vakuumelements 30 angeordnet sind und somit gegen die Umgebung isoliert sind. Das Vakuumelement 30 muss somit lediglich an der offenen Seite mit den Stegelementen 21 der Kühlplatte 20 druckdicht verbunden werden, was den Herstellungsaufwand reduziert. Im Übrigen entspricht der Aufbau den bisher bereits beschriebenen Ausführungsformen, sodass an dieser Stelle auf eine erneute Beschreibung verzichtet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016225175 A1 [0005]
- DE 102016225184 A1 [0005]
- US 2013052492 A1 [0006]
- US 2013337304 A1 [0007]
