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Stand der Technik:
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Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Ein Batteriemodul weist eine Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen auf, welche jeweils einen positiven Spannungsabgriff und einen negativen Spannungsabgriff aufweisen, wobei zu einer elektrisch leitenden seriellen und/oder parallelen Verbindung der Mehrzahl an Batteriezellen untereinander die jeweiligen Spannungsabgriffe elektrisch leitend miteinander verbunden werden und somit zu dem Batteriemodul zusammengeschaltet werden können. Insbesondere können die Batteriezellen jeweils einen ersten Spannungsabgriff, insbesondere einen positiven Spannungsabgriff, und einen zweiten Spannungsabgriff, insbesondere einen negativen Spannungsabgriff, aufweisen, die miteinander mittels Zellverbindern elektrisch leitend verbunden sind, sodass eine elektrisch serielle und/oder parallele Verschaltung ausgebildet ist.
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Batteriemodule ihrerseits werden ferner zu Batterien bzw. zu gesamten Batteriesystemen zusammengeschaltet.
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Lithium-Ionen-Batteriezellen oder Lithium-Polymer-Batteriezellen erwärmen sich bedingt durch chemische Wandlungsprozesse in ihrem Inneren vor allem bei der schnellen Energieabgabe bzw. Energieaufnahme in Batteriesystemen.
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Je leistungsfähiger ein Batteriesystem ist, desto größer ist auch seine Erwärmung und damit einhergehend ein effizientes aktives Thermomanagementsystem notwendig. Hierdurch kann die Mehrzahl an Batteriezellen temperiert, also gekühlt und/oder beheizt werden.
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Überwiegend ist die Mehrzahl an Batteriezellen jedoch zu kühlen.
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Offenbarung der Erfindung:
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Ein Batteriemodul mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass eine zuverlässige Entwärmung einer Mehrzahl an Batteriezellen des Batteriemoduls und einer Schalteinrichtung des Batteriemoduls ausgebildet werden kann.
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Insbesondere ist es möglich, eine beispielsweise wärmeleitend mit einem Gehäuse des Batteriemoduls verbundene Schalteinrichtung zuverlässig an ein Temperierelement als Wärmesenke anzubinden und zudem einen minimierten Weg eines thermischen Pfads zwischen der Schalteinrichtung und dem Temperierelement auszubilden, sodass eine optimale Temperierung der Schalteinrichtung ausbildbar ist. Ferner kann zusätzlich eine direkte thermische Kopplung der Mehrzahl an Batteriezellen und der Schalteinrichtung minimiert werden.
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Dazu wird erfindungsgemäß ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen zur Verfügung gestellt. Die Batteriezellen sind dabei insbesondere jeweils als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet. Weiterhin sind die Batteriezellen jeweils elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander verschaltet. Zudem umfasst das Batteriemodul eine Schalteinrichtung, welche einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist. Dabei ist der erste Anschluss mit einem Spannungsabgriff einer endständig angeordneten Batteriezelle elektrisch leitend verbunden und ist der zweite Anschluss mit einem Spannungsabgriff des Batteriemoduls elektrisch leitend verbunden. Ferner umfasst das Batteriemodul auch ein Temperierelement, welches eine Mehrzahl an Temperierrippen aufweist. Die Temperierrippen sind hierbei von Temperierfluid umströmbar ausgebildet. Insbesondere ist das Temperierfluid als ein Temperiergas ausgebildet. Weiterhin ist das Temperierelement mit der Mehrzahl an Batteriezellen und der Schalteinrichtung wärmeleitend verbunden. Zudem weist das Temperierelement einen ersten Bereich auf, welcher unmittelbar benachbart zu der Mehrzahl an Batteriezellen angeordnet ist und weist das Temperierelement einen zweiten Bereich auf, welcher unmittelbar benachbart zu der Schalteinrichtung angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist eine Längsrichtung einer Temperierrippe parallel zu einer Längsrichtung des Batteriemoduls angeordnet.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Insgesamt bietet eine Anordnung der Längsrichtung einer Temperierrippe parallel zu der Längsrichtung des Batteriemoduls den Vorteil, dass eine Entwärmung der Mehrzahl an Batteriezellen vor der Entwärmung der Schalteinrichtung ausgebildet ist. Eine solche Entwärmung ist mittels einer Strömung bzw. Unterströmung senkrecht zu einer größten Seitenfläche einer Batteriezelle ausgebildet.
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Durch die unmittelbar benachbarte Anordnung des ersten Bereichs zu der Mehrzahl an Batteriezellen bzw. des zweiten Bereichs zu der Schalteinrichtung ist eine Länge des thermischen Pfades zwischen der zu kühlenden Mehrzahl an Batteriezellen bzw. der zu kühlenden Schalteinrichtung und dem Temperierfluid reduziert. Weiterhin sei an dieser Stelle angemerkt, dass das von Temperierfluid umströmbar ausgebildete Temperierelement während eines normalen Betriebs des Batteriemoduls unterhalb der Mehrzahl an Batteriezellen und unterhalb der Schalteinrichtung angeordnet ist. Insbesondere ist der erste Bereich unterhalb der Mehrzahl an Batteriezellen angeordnet und der zweite Bereich unterhalb der Schalteinrichtung.
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Insgesamt bietet eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Batteriemoduls den Vorteil, dass eine optimale Entwärmung der Schalteinrichtung mit einer geringen Temperaturdifferenz zwischen dem Temperierfluid und der Schalteinrichtung ausgebildet werden kann. Insbesondere bedeckt der zweite Bereich den Bereich der Anordnung der Schalteinrichtung vollständig, sodass die gesamte Schalteinrichtung von Temperierfluid unterströmbar ausgebildet ist. Hierdurch kann ein vergleichbar kurzer thermischer Pfad ausgebildet werden. Insbesondere kann der Wärmestrom ohne eine großflächige Wärmeleitung beispielsweise in Querrichtung zum Gehäuseboden unmittelbar und direkt an das Temperierfluid übertragen werden, sodass die Mehrzahl an Batteriezellen und die Schalteinrichtung thermisch entkoppelt sind.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass eine Schalteinrichtung grundsätzlich dazu dient, einen Stromkreis dahingehend zu schalten, dass dieser entweder offen oder geschlossen ist. Hierdurch kann ein Batteriemodul insbesondere dahingehend geregelt werden, dass ein Spannungsabgriff des Batteriemoduls bspw. der positive Spannungsabgriff des Batteriemoduls spannungsfrei gestellt werden kann. Solche Schalteinrichtungen führen somit den maximalen Strom des jeweiligen Batteriemoduls. Die Schalteinrichtung kann hierbei bspw. als Halbleiterschalter, welche auch als Transistoren, Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren (oder kurz MOSFET) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (oder kurz IGBT) bekannt sind, ausgebildet sein. Weiterhin kann die Schalteinrichtung hierbei bspw. auch als Relais ausgebildet sein, welches grundsätzlich ein durch elektrischen Strom betriebener Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen ist, und in welchem ein elektrischer Kontakt bspw. durch eine elektromagnetische Kraft geöffnet und geschlossen werden kann.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Batteriezellen dabei jeweils als prismatische Batteriezellen ausgebildet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass prismatisch ausgebildete Batteriezellen jeweils ein Batteriezellengehäuse mit insgesamt sechs Seitenflächen umfassen, welche paarweise einander gegenüberliegend und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Weiterhin sind benachbart zueinander angeordnete Seitenflächen rechtwinklig zueinander angeordnet. In einem Inneren des Batteriezellengehäuses sind die elektrochemischen Komponenten der jeweiligen Batteriezelle aufgenommen. Üblicherweise sind an einer als Deckelfläche bezeichneten oberen Seitenfläche zwei Spannungsabgriffe, wie insbesondere ein positiver Spannungsabgriff und ein negativer Spannungsabgriff, angeordnet. Die der oberen Seitenfläche gegenüberliegend angeordnete untere Seitenfläche ist als Bodenfläche bezeichnet.
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Bevorzugt ist die Schalteinrichtung unmittelbar benachbart zu einer endständig angeordneten Batteriezelle angeordnet. Hierdurch ist es möglich, eine vergleichbar kurze Verbindung zwischen der Schalteinrichtung und der endständig angeordneten Batteriezelle auszubilden.
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Es ist zweckmäßig, wenn zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen und dem Temperierelement und/oder wenn zwischen der Schalteinrichtung und dem Temperierelement jeweils ein thermisches Ausgleichsmaterial angeordnet ist. Hierdurch kann eine zuverlässige thermische Anbindung der Mehrzahl an Batteriezellen bzw. der Schalteinrichtung an das Temperierelement ausgebildet werden. Das thermische Ausgleichsmaterial kann hier beispielsweise als sogenanntes gap pad, als sogenannter gap filler oder als thermisch leitfähiger Klebstoff ausgebildet sein.
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Besonders bevorzugt bildet das Gehäuse des Batteriemoduls das Temperierelement aus. Insbesondere sind die Temperierfluid führenden Bereiche außerhalb des Gehäuses des Batteriemoduls ausgebildet. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass Temperierfluid nicht in einem Innenraum des Gehäuses, in welchem die Mehrzahl an Batteriezellen aufgenommen ist, geführt wird. Insgesamt ist es dadurch möglich, auf ein zusätzliches Temperierelement, wie beispielsweise Kühlplatten, zu verzichten. Ein solches Gehäuse des Batteriemoduls kann beispielsweise als Druckgussgehäuse ausgebildet sein. Hierbei kann die Mehrzahl an Temperierrippen während des Druckgussprozesses ausgebildet werden. Insbesondere kann die Angussrichtung des Druckgusswerkzeuges gleich der Längsrichtung der Temperierrippen sein, sodass eine vergleichbar gute Gießbarkeit ausgebildet werden kann.
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Insgesamt ist es dadurch möglich, dass Temperierfluid außerhalb eines Innenraums des Batteriemoduls geführt ist, sodass beispielsweise Undichtigkeiten nicht zu einem Kontakt zwischen dem Temperierfluid und der Mehrzahl an Batteriezellen führen. Hierdurch ist es auch möglich, eine wärmeübertragende Fläche des Temperierelements in der Art zu optimieren, dass eine besonders zuverlässige Wärmeabfuhr der Mehrzahl an Batteriezellen sowie der Schalteinrichtung an ein das Temperierelement umströmendes Temperierfluid ermöglicht ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass Temperierrippen im Wesentlichen dazu ausgebildet sind, das Temperierfluid zu führen. Weiterhin ist hierdurch auch eine wärmeübertragende Oberfläche vergrößert.
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Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, wenn der erste Bereich eine erste Art an Temperierrippen und/oder eine erste Anordnungsdichte an Temperierrippen aufweist und wenn der zweite Bereich eine zweite Art an Temperierrippen und/oder eine zweite Anordnungsdichte an Temperierrippen aufweist. Bevorzugt sind die erste Art und die zweite Art und/oder die erste Anordnungsdichte und die zweite Anordnungsdichte voneinander verschieden. Insbesondere können dadurch der erste Bereich, welcher ausgebildet ist, die Mehrzahl an Batteriezellen zu temperieren, und der zweite Bereich, welcher ausgebildet ist, die Schalteinrichtung zu temperieren, unabhängig voneinander optimiert und an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. Die Art der Temperierrippen umfasst dabei beispielsweise eine geometrische Form, eine Breite und/oder eine Höheeiner jeweiligen Temperierrippe sowie einen Abstand zwischen benachbarten Temperierrippen. Die Anordnungsdichte beschreibt hierbei die Anzahl an Temperierrippen innerhalb einer bestimmten Fläche. Beispielsweise kann die Anordnungsdichte auch über einen Abstand einzelner Temperierrippen zueinander beeinflusst werden.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, wenn der erste Bereich und der zweite Bereich hinsichtlich der Art an Temperierrippen und der Anordnungsdichte an Temperierrippen identisch ausgebildet sind.
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Zudem ist es auch zweckmäßig, wenn das Batteriemodul einen Einlass aufweist, welcher zu einem Einströmen von Temperierfluid insbesondere an das Temperierelement heran ausgebildet ist, und wenn das Batteriemodul einen Auslass aufweist, welcher zu einem Ausströmen von Temperierfluid insbesondere von dem Temperierelement weg ausgebildet ist. Insbesondere können der Einlass und der Auslass fahrzeugseitig ausgeführt sein. Ferner sind der Einlass und der Auslass in der Art ausgebildet, dass eine gleichmäßige Verteilung über der Längsrichtung des Batteriemoduls ausgebildet ist.
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Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung sind benachbarte Temperierrippen in der Art durch einen Abstand voneinander beabstandet, dass Temperierfluid zwischen benachbarten Temperierrippen strömen kann. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist hiermit zwischen benachbarten Temperierrippen ein Strömungskanal ausgebildet.
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Dabei weisen benachbarte Temperierrippen des ersten Bereichs einen ersten Abstand auf und weisen benachbarte Temperierrippen des zweiten Bereichs einen zweiten Abstand auf. Dabei sind der erste Abstand und der zweite Abstand bevorzugt voneinander verschieden.
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Insbesondere ist das Batteriemodul in der Art ausgebildet, dass eine Strömung des Temperierfluids in der Art ausgebildet ist, dass Temperierfluid den ersten Bereich vor dem zweiten Bereich durchströmt. Hierdurch ist es möglich, dass Temperierfluid zunächst die Mehrzahl an Batteriezellen temperiert, ohne bereits durch von der Schalteinrichtung abgegebene Wärme erwärmt worden zu sein.
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Ferner ist es auch zweckmäßig, wenn die Schalteinrichtung als ein mechanisches Relais ausgebildet ist.
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Ferner sei an dieser Stelle auch noch angemerkt, dass die Mehrzahl an Batteriezellen, welche insbesondere bevorzugt prismatisch ausgebildet sind, bevorzugt in einer Längsrichtung des Batteriemoduls nebeneinander angeordnet sind. Bei einer Anordnung der Batteriezellen in einer Längsrichtung des Batteriemoduls nebeneinander sind die Batteriezellen mit ihren jeweils größten Seitenflächen, welche jeweils insbesondere rechtwinklig zu der oberen Seitenfläche und der unteren Seitenfläche angeordnet sind, benachbart zueinander angeordnet. An dieser Stelle sei bemerkt, dass die Längsrichtung des Batteriemoduls in diesem Fall demnach senkrecht zu den größten Seitenflächen der Batteriezellen angeordnet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 in einer perspektivischen Ansicht eine Unterseite einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Batteriemoduls,
- 2 in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Batteriemoduls,
- 3a eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Batteriemoduls,
- 3b eine Untersicht der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Batteriemoduls,
- 4 in einer perspektivischen Ansicht eine Untersicht der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Batteriemoduls und
- 5 eine Ausführungsform möglicher Temperierrippen.
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1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Unterseite einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Batteriemoduls 1.
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Hierbei ist ein Gehäuse 8 des Batteriemoduls 1 zu erkennen, welches bevorzugt als Druckgussgehäuse 80 ausgebildet ist.
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Ferner ist auch ein Temperierelement 6 zu erkennen, welches eine Mehrzahl an Temperierrippen 10 umfasst.
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Dabei weisen die Temperierrippen 10 eine Längsrichtung 24 auf, welche parallel zu einer Längsrichtung 25 des Batteriemoduls 1 angeordnet ist.
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2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Batteriemoduls 1.
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Das Batteriemodul 1 umfasst eine Mehrzahl an Batteriezellen 2, welche insbesondere jeweils als Lithium-Ionen-Batteriezellen 20 ausgebildet sind. Weiterhin sind die Batteriezellen 2 insbesondere als prismatische Batteriezellen 200 ausgebildet. Die Batteriezellen 2 können dabei beispielsweise mittels in 2 nicht zu erkennenden Zellverbindern elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sein.
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Weiterhin umfasst das Batteriemodul 1 eine Schalteinrichtung 3, welche insbesondere als ein mechanisches Relais 30 ausgebildet ist.
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Die Schalteinrichtung 3 ist dabei unmittelbar benachbart zu einer endständig angeordneten Batteriezelle 21 angeordnet.
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Die Schalteinrichtung 3 weist dabei einen ersten Anschluss 31 auf, welcher mit einem Spannungsabgriff 41 der endständig angeordneten Batteriezelle 21 elektrisch leitend verbunden ist. Insbesondere umfasst das Batteriemodul 1 hierzu ein erstes Verbindungselement 13. Das erste Verbindungselement 13 ist aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet und ist dabei mit einem endständig angeordneten Zellverbinder 100 und mit dem ersten Anschluss 31 elektrisch leitend verbunden, sodass der Spannungsabgriff 41 der endständig angeordneten Batteriezelle 21 elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss 31 verbunden ist.
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Weiterhin weist die Schalteinrichtung 3 einen zweiten Anschluss 32 auf, welcher mit einem Spannungsabgriff 51 des Batteriemoduls 1 elektrisch verbindbar ist. Insbesondere umfasst das Batteriemodul 1 hierzu ein zweites Verbindungselement 12. Das zweite Verbindungselement 12 ist aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet und ist dabei mit dem zweiten Anschluss 32 verbunden und mit dem Spannungsabgriff 51 des Batteriemoduls 1 verbindbar. Weiterhin ist in der 2 gezeigt, dass ein Sicherungselement 15 zwischen dem zweiten Verbindungselement 12 und dem Spannungsabgriff 51 des Batteriemoduls 1 angeordnet sein kann.
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Weiterhin sind das erste Verbindungselement 13 und das zweite Verbindungselement 12 wärmeleitend mit dem Gehäuse 8 verbunden. Insbesondere ist diese Verbindung unmittelbar benachbart zu dem Temperierelement 6 ausgebildet.
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In der 2 ist auch das Temperierelement 6 zu erkennen, welches zu einer Umströmung mit einem Temperierfluid 71, insbesondere einem Temperiergas 72 ausgebildet ist. Das Temperierelement 6 ist dabei weiterhin wärmeleitend mit der Mehrzahl an Batteriezellen 2 und der Schalteinrichtung 3 verbunden.
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Aus der 2 ist weiterhin zu erkennen, dass zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen 2 und dem Temperierelement 6 sowie zwischen der Schalteinrichtung 3 und dem Temperierelement 6 ein thermisches Ausgleichsmaterial 9 angeordnet ist.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Gehäuse 8 des Batteriemoduls 1 das Temperierelement 6 ausbildet.
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Insbesondere bildet das Gehäuse 8 des Batteriemoduls 1 eine Mehrzahl an Temperierrippen 10 aus.
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Auch zu erkennen ist, dass das Batteriemodul 1 einen Einlass 63 aufweist, welcher zu einem Einströmen von Temperierfluid 71 in das Temperierelement 6 hinein ausgebildet ist, und dass das Batteriemodul 1 einen Auslass 64 aufweist, welcher zu einem Ausströmen von Temperierfluid 71 aus dem Temperierelement 6 heraus ausgebildet ist.
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Die 3a zeigt eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Batteriemoduls 1 und die 3b zeigt eine Untersicht der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Batteriemoduls 1. Die beiden 3a und 3b sind im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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Zu erkennen ist, dass das Temperierelement 6 einen ersten Bereich 61 aufweist, welcher unmittelbar benachbart zu der Mehrzahl an Batteriezellen 2 angeordnet ist und dass das Temperierelement 6 einen zweiten Bereich 62 aufweist, welcher unmittelbar benachbart zu der Schalteinrichtung 3 angeordnet ist.
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Insbesondere aus der 3b ist zu erkennen, dass das Gehäuse 8 des Batteriemoduls eine Mehrzahl an Temperierrippen 10 ausbildet bzw. aufweist.
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Die 4 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Untersicht der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Batteriemoduls 1.
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Dabei ist zu erkennen, dass eine parallel ausgebildete Strömungsführung ausgebildet ist. Insbesondere ist die Strömungsführung parallel zu der Längsrichtung 25 des Batteriemoduls 1 ausgebildet.
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5 zeigt eine Ausführungsform möglicher Temperierrippen 10.
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Hierbei soll insbesondere auch eine Anordnungsdichte der Mehrzahl an Temperierrippen 10 verdeutlicht sein. Die Anordnungsdichte beschreibt dabei die Anzahl an Temperierrippen 10 beispielsweise innerhalb eines bestimmten Bereichs.
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Hierbei ist auch zu erkennen, dass die Temperierrippen 10 durch einen Abstand 103 beabstandet voneinander angeordnet sind. Mittels einer Variation dieses Abstandes 103 kann auch die Anordnungsdichte verändert werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Temperierrippen 10 des ersten Bereichs 61 durch einen ersten Abstand 131 beabstandet sein können und dass die Temperierrippen 10 des zweiten Bereichs 62 durch einen zweiten Abstand 132 beabstandet sein können.
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Hierbei soll insbesondere auch die Art der Mehrzahl an Temperierrippen 10 verdeutlicht sein.
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Die Art einer Temperierrippe 10 ist insbesondere durch dessen geometrische Form, und hierbei beispielsweise durch eine Breite 101, eine Höhe 102 und/oder einen Abstand 103 charakterisiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021200040 [0007]
- DE 102018220937 [0007]
- DE 102020206338 [0007]
- DE 102020206339 [0007]
