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Stand der Technik:
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Die Erfindung geht aus von einem Gehäuseverbund einer Batterie nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Batterie mit einem solchen Gehäuseverbund.
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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. 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. Je leistungsfähiger das Batteriesystem ist, desto größer ist auch seine Erwärmung und damit einhergehend ein effizientes aktives Thermomanagementsystem notwendig.
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Stand der Technik sind beispielsweise die Druckschrift
DE 10 2018 220 937 sowie die unveröffentlichte Druckschrift
DE 10 2021 200 040 , welche jeweils einen Gehäuseverbund einer Batterie beschreiben, welcher einer Temperierung einer Mehrzahl an Batteriezellen dient.
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Ferner ist auch die Druckschrift
DE 10 2019 214 199 hierzu Stand der Technik, welche eine Batterie mit zwei Kühlebenen offenbart. Insbesondere sind die beiden Kühlebenen mittels eines Verbindungsstücks fluidtechnisch verbunden, sodass eine gemeinsame Temperierung ermöglicht ist. Eine Versorgung der Temperierung ist beispielsweise über Anschlussstutzen zu einer Fahrzeugschnittstelle und damit zum Kühlkreislauf des Fahrzeugs möglich.
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Weiterhin beschreibt die Druckschrift
DE 10 2021 201 922 eine hinsichtlich eines Druckverlusts und einer wärmeübertragenden Oberfläche optimiert ausgeführte Kühlstruktur. Insbesondere ist eine solche Kühlstruktur an einem Aluminiumdruckgussgehäuse eines Batteriemoduls ausgebildet.
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Offenbarung der Erfindung:
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Ein Gehäuseverbund einer Batterie mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass eine optimierte Temperierung eines Elements einer Batteriesteuerung zur Verfügung gestellt werden kann. Insbesondere kann eine optimiert ausgebildete wärmeübertragende Fläche bei einem gleichzeitig minimierten Druckverlust zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin kann über eine gesamte Länge eines Strömungsraumes eine optimiert ausgebildete Strömungsfläche zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann die Temperierung somit hinsichtlich des Druckverlusts des Kühlmittels, des Wärmeübergangs und der Entlüftbarkeit eines Strömungsraums optimiert werden.
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Dazu wird erfindungsgemäß ein Gehäuseverbund einer Batterie zur Verfügung gestellt. Der Gehäuseverbund umfasst dabei ein Gehäuseelement, welches dazu ausgebildet ist, mit einem weiteren Gehäuseelement unter Ausbildung eines gemeinsam ausgebildeten Innenraums verbunden zu werden. In diesem Innenraum ist dabei eine Mehrzahl an Batteriezellen aufnehmbar.
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Weiterhin ist ein Abdeckelement in der Art mit dem Gehäuseelement verbunden, dass ein von Temperierfluid durchströmbarer Strömungsraum fluiddicht begrenzt ist. Dabei bildet das Gehäuseelement eine erste Temperierstruktur aus, welche eine Mehrzahl an ersten Strömungsstörelementen umfasst, und/oder bildet das Abdeckelement eine zweite Temperierstruktur aus, welche eine Mehrzahl an zweiten Strömungsstörelementen umfasst. Hierbei sind die Mehrzahl an ersten Strömungsstörelementen und/oder die Mehrzahl an zweiten Strömungsstörelementen jeweils innerhalb des Strömungsraums und zudem von Temperierfluid umströmbar angeordnet. Ferner sind die Mehrzahl an ersten Strömungsstörelementen und/oder die Mehrzahl an zweiten Strömungsstörelementen in einer Mehrzahl an Reihen angeordnet. Benachbarte Reihen sind hierbei beabstandet voneinander angeordnet. Des Weiteren ist ein Element einer Batteriesteuerung thermisch leitend an dem Gehäuseelement und/oder an dem Abdeckelement angeordnet.
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Dabei sind erste Längsrichtungen erster Reihen eines ersten Bereichs und zweite Längsrichtungen zweiter Reihen eines zweiten Bereichs unter einem Winkel zueinander angeordnet, wobei der Winkel einen Wert zwischen 45° und 135° aufweist. Bevorzugt kann der Winkel auch einen Wert zwischen 60° und 120° aufweisen, wie beispielsweise zwischen 80° und 100°.
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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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An dieser Stelle sei angemerkt, dass Strömungsstörelemente grundsätzlich dazu ausgebildet sind, sowohl eine wärmeübertragende Fläche zu vergrößern als auch einen Wärmeübergang zu erhöhen bzw. zu verbessen. Insbesondere dienen Strömungsstörelemente dazu, eine Strömung eines strömenden Temperierfluids zu stören und hierdurch eine Turbulenz dieses strömenden Temperierfluids zu erhöhen und somit insbesondere einen Übergang einer laminaren Strömung in eine turbulente Strömung zu ermöglichen, wodurch der Wärmeübergang deutlich erhöht werden kann.
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Es ist zweckmäßig, wenn benachbarte erste Strömungsstörelemente und/oder benachbarte zweite Strömungsstörelemente erster Reihen jeweils einen selben Abstand aufweisen und/oder wenn benachbarte erste Strömungsstörelemente und/oder benachbarte zweite Strömungsstörelemente zweiter Reihen jeweils einen selben Abstand aufweisen.
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Ferner ist es auch zweckmäßig, wenn erste Reihen und/oder zweite Reihen jeweils gerade ausgebildet sind. Mit anderen Worten ausgedrückt, sind alle jeweiligen Strömungsstörelemente einer Reihe auf einer Geraden angeordnet.
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Besonders zweckmäßig ist es auch, wenn benachbarte erste Reihen und/oder benachbarte zweite Reihen jeweils versetzt zueinander angeordnet sind. Durch eine versetzte Anordnung der ersten Reihen zueinander bzw. der zweiten Reihen zueinander kann eine Strömung des Temperierfluids durch den Strömungsraum zwischen den einzelnen Reihen zuverlässig gestört werden, wodurch der Wärmeübergang erhöht ist. Insbesondere ist es hierbei möglich, die Strömung angepasst an die Ausbildung des Strömungsraumes sowohl in Richtung der Länge des Strömungsraumes als auch in Richtung der Breite des Strömungsraumes zu stören.
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Von Vorteil ist es insbesondere, wenn der Winkel einen Wert von 90° aufweist. Insbesondere kann hierdurch eine optimierte Umlenkung der Strömung innerhalb des Strömungsraumes ausgebildet werden.
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Gemäß eines Aspekts der Erfindung sind die ersten Strömungsstörelemente und/oder die zweiten Strömungsstörelemente des ersten Bereichs sowie die ersten Strömungsstörelemente und/oder die zweiten Strömungsstörelemente des zweiten Bereichs voneinander verschieden ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, durch die Ausbildung der jeweiligen Strömungsstörelemente einen optimierten Wärmeübergang zur Verfügung zu stellen.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, die ersten Strömungsstörelemente und/oder die zweiten Strömungsstörelemente des ersten Bereichs sowie die ersten Strömungsstörelemente und/oder die zweiten Strömungsstörelemente des zweiten Bereichs identisch auszubilden. Somit ist es möglich, im ersten Bereich und im zweiten Bereich vergleichbare Strömungsverhältnisse auszubilden und dadurch einen optimiert ausgebildeten Druckverlust und einen optimiert ausgebildeten Wärmeübergang über den gesamten Strömungsraum zur Verfügung zu stellen.
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An dieser Stelle sei zudem angemerkt, dass jeweils randständig angeordnete Strömungsstörelemente eines ersten Bereichs durch einen ersten Randabstand zu einer Strömungsbegrenzung angeordnet sind und dass jeweils randständig angeordnete Strömungsstörelemente eines zweiten Bereichs durch einen zweiten Randabstand zu einer Strömungsbegrenzung angeordnet ist. Bevorzugt sind der erste Randabstand und der zweite Randabstand identisch ausgebildet, sodass in dem ersten Bereich und in dem zweiten Bereich vergleichbare Strömungsverhältnisse ausgebildet sind.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der erste Randabstand und der zweite Randabstand unterschiedlich ausgeführt sind, sodass die Temperierung angepasst werden kann.
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Es ist zweckmäßig, wenn das Element einer Batteriesteuerung unmittelbar benachbart zu der ersten Temperierstruktur und/oder zu der zweiten Temperierstruktur angeordnet ist. Hierdurch kann eine besonders zuverlässige und optimiert ausgebildete Wärmeübertragung ausgebildet werden.
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Insbesondere ist das Element einer Batteriesteuerung an einer dem Abdeckelement abgewandten Seite des Gehäuseelements angeordnet oder ist das Element einer Batteriesteuerung an einer dem Innenraum zugewandten Seite des Abdeckelements angeordnet oder ist das Element einer Batteriesteuerung an einer dem Gehäuseelement abgewandten Seite des Abdeckelements angeordnet. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass beispielsweise auf einer Oberseite des Gehäuseelements und an einer Unterseite des Abdeckelements jeweils eine Temperierebene ausgebildet ist. Auf dieser Oberseite und/oder auf dieser Unterseite kann hierbei beispielsweise das Element einer Batteriesteuerung angeordnet sein.
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Zudem kann bevorzugt zu einer verbesserten thermischen Anbindung des Elements einer Batteriesteuerung an das Gehäuseelement bzw. an das Abdeckelement ein thermisches Ausgleichsmaterial angeordnet sein, welches insbesondere jeweils zwischen dem Element einer Batteriesteuerung und dem Gehäuseelement bzw. zwischen dem Element einer Batteriesteuerung und dem Abdeckelement angeordnet ist. Ein solches thermisches Ausgleichsmaterial kann bevorzugt ein sogenanntes gap pad, ein sogenannter gap filler oder ein thermisch leitfähig ausgebildeter Klebstoff sein.
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Es ist zweckmäßig, wenn das Element einer Batteriesteuerung ein elektrischer Spannungswandler, insbesondere ein Gleichspannungswandler ist, und/oder wenn das Element einer Batteriesteuerung eine Überstromschutzeinrichtung ist.
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Ein Gleichspannungswandler ist auch als DC/DC-Wandler bekannt und dient dazu, eine an einem Eingang zugeführte Gleichspannung in eine geregelte oder ungeregelte Gleichspannung umzuwandeln, deren Spannungsniveau an einem Ausgang höher, niedriger, invertiert oder isoliert zur zugeführten Gleichspannung sein kann.
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Eine Überstromschutzeinrichtung ist auch als DC-Breaker bekannt und dient dazu, einen elektrischen Stromkreis zu unterbrechen, wenn der elektrische Strom darin eine festgelegte Stromstärke insbesondere über eine vorgegebene Zeit überschreitet. Solche Überstromschutzeinrichtungen können bspw. als Schmelzsicherung oder als Leitungsschutzschalter ausgebildet sein.
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Insbesondere können sowohl der Gleichspannungswandler als auch die Überstromschutzeinrichtung jeweils auf einer eigenen Leiterplatte angeordnet sein. An dieser Stelle sei angemerkt, dass eine Leiterplatte (zu Englisch Printed Circuit Board bzw. kurz PCB) oder auch bekannt als Platine grundsätzlich ein Trägerelement elektronischer Elemente ist, welches insbesondere zu deren mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung untereinander dient. Elektronische Elemente dienen hierbei dazu, den elektrischen Strom zu regeln und zu überwachen. Hierzu umfassen Leiterplatten ein elektrisch isolierendes Material, an welchem oder in welchem weiterhin elektrisch leitende Verbindungen, sogenannte Leiterbahnen, welche bevorzugt aus Kupfer ausgebildet sind, angeordnet sind. Insbesondere sind die elektronischen Elemente stoffschlüssig, wie besonders bevorzugt gelötet, mit der Leiterplatte verbunden, sodass überdies eine elektrisch leitende Verbindung mit den Leiterbahnen ausgebildet ist.
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Ferner können diese elektronischen Bauteile, wie beispielsweise der Gleichspannungswandler oder die Überstromschutzeinrichtung, jeweils mehrere einzelne Schalteinrichtungen umfassen. Eine Schalteinrichtung dient hierbei grundsätzlich dazu, einen Stromkreis dahingehend zu schalten, dass dieser entweder offen oder geschlossen ist. Diese Schalteinrichtungen können 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. Insbesondere sind solche Schalteinrichtungen in Gruppen und an unterschiedlichen Positionen angeordnet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Element einer Batteriesteuerung mehrere einzelne Schalteinrichtungen umfassen kann.
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Solche Schalteinrichtungen erwärmen sich insbesondere während eines Betriebes der Batterie und sind daher zu entwärmen. Hierdurch sind mehrere Bereiche ausgebildet, welche unterschiedlichen Erwärmungen ausgesetzt sind und somit unterschiedliche Entwärmungsanforderungen aufweisen.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass beispielsweise auch ein Gleichspannungswandler und eine Überstromschutzeinrichtung unterschiedliche Anforderungen an die Entwärmung aufweisen. Insgesamt kann mittels einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Gehäuseverbundes der Batterie eine Entwärmung zur Verfügung gestellt werden, welche den eben dargestellten unterschiedlichen Anforderungen optimiert Rechnung tragen kann.
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Insbesondere weisen die ersten Strömungsstörelemente und die zweiten Strömungsstörelemente jeweils eine kreisrunde Querschnittsfläche auf.
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Besonders bevorzugt ist das Gehäuseelement als Druckgussgehäuse ausgebildet. Insbesondere ist auch das Abdeckelement als Druckgussbauteil ausgebildet. Insbesondere können dabei während des jeweiligen Druckgussprozesses die ersten Strömungsstörelemente und die zweiten Strömungsstörelemente ausgebildet werden.
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Zweckmäßig ist es auch, wenn der Gehäuseverbund weiterhin einen Einlass, welcher zu einem Einströmen von Temperierfluid in den Strömungsraum hinein ausgebildet ist, und einen Auslass, welcher zu einem Ausströmen von Temperierfluid aus dem Strömungsraum heraus ausgebildet ist, aufweist. Insbesondere ist es hierbei möglich, eine im Wesentlichen U-förmig ausgebildete Strömungsführung zu ermöglichen.
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Insgesamt bietet eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Gehäuseelements der Batterie den Vorteil, dass mittels einer gleichmäßigen Strömungsführung ein Druckverlust minimiert werden kann, ein Wärmeübergang vereinheitlicht werden kann und auch eine homogene, verbesserte Entlüftung zur Verfügung gestellt werden kann.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Batterie umfassend einen eben beschriebenen Gehäuseverbund. Dabei ist das Gehäuseelement mit einem weiteren Gehäuseelement unter Ausbildung eines Innenraums verbunden. In dem Innenraum ist dabei eine Mehrzahl an Batteriezellen aufgenommen.
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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 Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie,
- 2 in einer Untersicht eine Ausführungsform eines Gehäuseelements eines erfindungsgemäßen Gehäuseverbunds und
- 3 in einer perspektivischen Draufsicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gehäuseverbundes.
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Die 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie 100.
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Die Batterie 100 weist dabei ein Gehäuseelement 2 auf, welches dazu ausgebildet ist, mit einem weiteren Gehäuseelement 3 unter Ausbildung eines zur Aufnahme einer Mehrzahl an Batteriezellen 20 gemeinsam ausgebildeten Innenraums 4 verbunden zu werden. In der 1 ist dabei gezeigt, dass das Gehäuseelement 2 und das weitere Gehäuseelement 3 miteinander verbunden sind. Der Innenraum 4 und die Mehrzahl an Batteriezellen 2 sind in den 1 bis 3 nicht dargestellt.
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Ferner ist in der 1 ein Einlass 141 dargestellt, welcher zu einem Einströmen von Temperierfluid 7 in einen Strömungsraum 5 hinein ausgebildet ist. Zudem ist in der 1 ein Auslass 142 dargestellt, welcher zu einem Ausströmen von Temperierfluid 7 aus diesem Strömungsraum 5 heraus ausgebildet ist.
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Aus der 1 ist weiterhin zu erkennen, dass ein Element 8 einer Batteriesteuerung thermisch leitend an dem Gehäuseelement 2 angeordnet ist.
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Die 2 zeigt in einer Untersicht eine Ausführungsform eines Gehäuseelements 2 eines erfindungsgemäßen Gehäuseverbunds 1.
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Das Gehäuseelement 2 ist dabei insbesondere als Druckgussgehäuse 200 ausgebildet.
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Das Gehäuseelement 2 ist hierbei mit einem in der 2 nicht gezeigten Abdeckelement 6 weiterhin in der Art verbindbar, dass ein von Temperierfluid 7 durchströmbarer Strömungsraum 5 fluiddicht begrenzt ist.
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Das Gehäuseelement 2 bildet dabei eine erste Temperierstruktur 51 aus, welche eine Mehrzahl an ersten Strömungsstörelementen 71 umfasst.
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Weiterhin ist es auch möglich, dass das Abdeckelement 6 eine zweite Temperierstruktur 52 ausbildet, welche eine Mehrzahl an zweiten Strömungsstörelemente 72 umfasst. In den 1 bis 3 ist dies nicht gezeigt.
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Die Mehrzahl an ersten Strömungsstörelementen 71 bzw. die Mehrzahl an zweiten Strömungsstörelementen 72 sind dabei weiterhin jeweils innerhalb des Strömungsraums 5 angeordnet und sind zudem von Temperierfluid 7 umströmbar angeordnet.
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Die Mehrzahl an ersten Strömungsstörelementen 71 ist dabei in einer Mehrzahl an Reihen 9 angeordnet. Hierbei sind benachbarte Reihen 9 beabstandet voneinander angeordnet.
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Weiterhin weist der Gehäuseverbund 1 gemäß 2 zwei erste Bereiche 41 sowie einen zweiten Bereich 42 auf. Die zwei ersten Bereiche 41 weisen dabei erste Reihen 91 auf und der zweite Bereich 42 weist dabei zweite Reihen 92 auf. Die ersten Reihen 91 weisen dabei jeweils eine erste Längsrichtung 10 auf und die zweiten Reihen 92 weisen dabei jeweils eine zweite Längsrichtung 11 auf. Die erste Längsrichtung 10 und die zweite Längsrichtung 11 sind dabei unter einem Winkel 12 zueinander angeordnet. Gemäß dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Winkel 12 einen Wert von 90° auf.
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Benachbarte erste Strömungsstörelemente 71 erster Reihen 91 weisen jeweils einen selben Abstand 93 auf und benachbarte erste Strömungsstörelemente 71 zweiter Reihen 92 weisen jeweils einen selben Abstand 94 auf. Insbesondere sind gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 die Abstände 93 der ersten Reihen 41 und die Abstände 94 der zweiten Reihen 42 jeweils identisch.
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Ferner ist aus der 1 auch zu erkennen, dass erste Reihen 91 und zweite Reihen 92 jeweils gerade ausgebildet sind.
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Benachbarte erste Reihen 91 und benachbarte zweite Reihen 92 sind dabei jeweils versetzt zueinander angeordnet.
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Gemäß dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die ersten Strömungsstörelemente 71 des ersten Bereichs 41 und die ersten Strömungsstörelemente 71 des zweiten Bereichs 42 jeweils identisch ausgebildet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass diese selbstverständlich auch verschieden ausgebildet sein können.
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Zwischen den ersten Bereichen 41 sowie dem zweiten Bereich 42 sind weiterhin zwei Übergangsbereiche 43 ausgebildet. Diese zwei Übergangsbereiche 43 weisen hier beispielsweise eine geringere Dichte an ersten Strömungsstörelementen 71 bzw. an zweiten Strömungsstörelementen 72 auf. Hierdurch kann eine bessere Umlenkung der Strömung des Temperierfluids 7 zwischen einem ersten Bereich 41 und einem zweiten Bereich 42 erreicht werden.
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Zudem sind auch der Einlass 141 sowie der Auslass 142 zu erkennen.
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Die 3 zeigt in einer perspektivischen Draufsicht eine Ausführungsform eines Gehäuseverbunds 1.
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Dabei ist zunächst insbesondere zu erkennen, dass das Element 8 einer Batteriesteuerung unmittelbar benachbart zu der ersten Temperierstruktur 51 angeordnet ist.
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Das Element 8 einer Batteriesteuerung ist dabei beispielsweise ein elektrischer Spannungswandler 81, insbesondere ein Gleichspannungswandler 810, oder eine Überstromschutzeinrichtung 82.
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Weiterhin sind auch die zwei ersten Bereiche 41 und der zweite Bereich 42 sowie die zwei Übergangsbereich 43 zu erkennen. Zu erkennen ist weiterhin, dass innerhalb des Übergangsbereich 43 keine Bauteile positioniert sind, welche einer intensiven Temperierung bedürfen.
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Die Position des Abdeckelements 6 ist hierbei angedeutet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018220937 [0004]
- DE 102021200040 [0004]
- DE 102019214199 [0005]
- DE 102021201922 [0006]
