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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul zur Ausbildung einer Antriebsbatterie, insbesondere für ein Fahrzeug, wobei das Batteriemodul mehrere zylindrische Batteriezellen umfasst.
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Stand der Technik
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Batteriesysteme für Elektro- und Hybridfahrzeuge sowie Fahrzeuge mit Brennstoffzellen sind Gegenstand aktueller Forschung und Entwicklung. Typischerweise werden mehrere zylindrische Batteriezellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst. Aus einem oder mehreren Batteriemodulen werden dann Antriebsbatterien für Fahrzeuge aufgebaut. Die Batteriezellen werden im Batteriemodul sowohl mechanisch gehalten, als auch am positiven und negativen Terminal elektrisch kontaktiert und zusammengefasst, so dass das Batteriemodul üblicher Weise einen gemeinsamen positiven und einen gemeinsamen negativen Anschluss bereitstellt.
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Die Batteriezellen eines Batteriemoduls können parallel zueinander und aufrecht stehend angeordnet sein. So beschreiben die
DE 10 2014 210 570 A1 und die
US 2013/0337310 A1 Batteriemodule mit senkrecht zu einer Bodenplatte angeordneten Batteriezellen. Es ist auch bekannt, Batteriezellen geneigt anzuordnen, wie beispielsweise aus der
EP 2 626 922 A1 ,
US 2017/0244074 A1 und
US 2018/0040862 A1 hervorgeht.
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Die leistungsbezogenen Parameter eines Batteriemoduls, wie etwa Lebensdauer und Kapazität, hängen erheblich von der Anwendungsumgebung ab. Sowohl bei der Bereitstellung und Abgabe elektrischer Leistung als auch beim Aufladen sind die in der Batterie ablaufenden elektrochemischen Prozesse beispielsweise von der Umgebungstemperatur abhängig. Ferner ist die Höhe des Batteriemoduls bei der senkrechten Anordnung der Batteriezellen durch deren Länge und etwaige Anbauten (Elektroden, Halterungen usw.) fest vorgegeben und kann nicht beliebig variiert werden. Bei einer Kühlung der Batteriezellen über eine Bodenplatte ist außerdem die Fläche zur thermischen Anbindung am unteren Terminal begrenzt.
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Darstellung der Erfindung
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Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Batteriemodul bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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Entsprechend wird ein Batteriemodul, insbesondere zum Aufbau einer Antriebsbatterie für ein Fahrzeug, vorgeschlagen, wobei das Batteriemodul mehrere jeweils eine Längserstreckung aufweisende Batteriezellen mit jeweils zwei Terminalflächen zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Batteriezelle aufweist. Das Batteriemodul umfasst weiterhin einen ersten und einen zweiten jeweils eine Halterebene ausbildenden Zellenhalter, wobei die Halterebenen im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und die Zellenhalter auf ihren einander zugewandten Innenseiten paarweise gegenüberliegende Aussparungen aufweisen, in denen jeweils eine Batteriezelle gehalten ist. Die jeweils paarweise gegenüberliegenden Aussparungen sind dabei so angeordnet, dass die Längserstreckungen der darin gehaltenen Batteriezellen parallel zueinander verlaufen und um einen Winkel relativ zu einer senkrecht auf den Halterebenen stehenden Halternormalen geneigt sind.
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Das Batteriemodul ist insbesondere zur Verwendung als Antriebsbatterie in einem Fahrzeug, vorzugsweise einem Elektro- oder Hybridfahrzeug oder einem Fahrzeug mit Brennstoffzelle, eingerichtet.
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Die Terminalflächen der Batteriezellen können sich an der Grundfläche und Deckfläche der Batteriezelle befinden oder diesen entsprechen.
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Die Aussparungen in den Zellenhaltern dienen gewissermaßen als Taschen zur Aufnahme, Positionierung und Ausrichtung der Batteriezellen. Jene Seiten der Zellenhalter, welche die Aussparungen aufweisen, sind im montierten Zustand einander zugewandt und werden hierin als „Halterinnenseiten“ oder „Innenseiten“ bezeichnet.
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Die Zellenhalter können einen Teil eines Gehäuses des Batteriemoduls ausbilden - beispielsweise einen Boden oder eine Oberseite des Gehäuses des Batteriemoduls. Die Zellenhalter können aus Kunststoff, Metall oder einem anderen Material sowie einer Kombination verschiedener Materialien gefertigt sein. Bevorzugt weist das zur Ausbildung des Zellenhalters verwendete Material eine gute Wärmeleitfähigkeit auf.
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Die Batteriezellen werden durch die Zellenhalter so gehalten, dass deren Längserstreckungen parallel zueinander verlaufen und um einen Winkel α (ungleich null) relativ zu den Halternormalen geneigt sind. Der Neigungswinkel oder Kippwinkel der Batteriezellen wird vorzugsweise durch die Form beziehungsweise Ausrichtung der paarweise gegenüberliegenden Aussparungen vorgegeben.
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Durch die Schrägstellung der Batteriezellen um den Winkel α kann die Höhe des Batteriemoduls in der Z-Richtung, d.h. jener Richtung, die senkrecht auf den Halterebenen steht, angepasst werden. Dies bedeutet, dass die Höhe des Batteriemoduls während der Entwicklung unabhängig von der axialen Länge der Batteriezellen gewählt werden kann. Dabei bleibt das grundlegende Konstruktionsprinzip des Batteriemoduls erhalten, die Höhe kann aber flexibel an die jeweilige Bauraumanforderung angepasst werden.
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Vorzugsweise ist die Höhe des Batteriemoduls in der Richtung, die senkrecht auf den Zellenhaltern steht, kleiner als die Abmessung der Batteriezellen entlang ihrer Zylinderachsen. Durch das Kippen können geringere Maße in der z-Richtung als in der aufrechten Variante realisiert werden. Dies kommt typischen Bauräumen für Fahrzeugbatterien, die oft in der z-Richtung limitiert sind, entgegen.
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Vorzugsweise sind die Batteriezellen in den Batteriehaltern in einem kubischen oder hexagonalen Raster positioniert. Durch die Schrägstellung der Batteriezellen können die oben genannten und weitere technische Wirkungen erzielt werden, ohne dass die ursprüngliche rasterartige Lagerung der Batteriezellen aufgegeben werden muss. Auf diese Weise lassen sich der Entwicklungs- und Fertigungsaufwand weiter verringern und es kann eine besonders dichte Packung der Batteriezellen erreicht werden.
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Die Batteriezellen können zylindrisch ausgebildet sein, wobei die Längserstreckung dann der Zylinderachse entspricht. „Zylindrisch“ ist hier weit zu verstehen. Umfasst sind hierin nicht nur Kreiszylinder, sondern Zylinder verschiedener Formen, insbesondere Querschnittsformen, solange eine Längserstreckung entlang einer Zylinderachse sinnvoll definierbar ist. Dies gilt beispielsweise für Zylinder mit einem elliptischen oder anderweitig ein geschlossenes Polygon ausbildenden Querschnitt.
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Vorzugsweise sind die Batteriezellen zumindest teilweise in ein thermisch leitfähiges Material, vorzugsweise ein Wärmeleitpad oder eine Wärmeleitpaste oder eine Vergussmasse, eingebettet, so dass zumindest eine Terminalfläche über das thermisch leitfähige Material mit zumindest einem der Zellenhalter thermisch in Kontakt steht. Durch die thermische Anbindung der Batteriezellen an einen oder beide Zellenhalter kann eine thermisch wohldefinierte Umgebung für die Batteriezellen geschaffen und aufrechterhalten werden. Ferner weisen die Batteriezellen durch die Schrägstellung einen zusätzlichen Kontakt mit dem thermischen Material am Mantel und damit eine verbesserte thermische Anbindung an zumindest einen der Zellenhalter auf.
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Vorzugsweise sind die Aussparungen zumindest eines der Zellenhalter mit dem thermisch leitfähigen Material versehen. Besonders bevorzugt sind sie im Wesentlichen vollständig mit dem thermisch leitfähigen Material gefüllt. In anderen Worten, gemäß dieser Ausführungsform sind die Aussparungen bis zu dessen Rand mit dem thermisch leitfähigen Material gefüllt, wodurch der Grad der thermischen Anbindung der Batteriezellen durch die Beschaffenheit, insbesondere Tiefe, der Aussparungen bestimmbar ist.
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Vorzugsweise weist zumindest einer der Zellenhalter Fluidkanäle auf, die mit einem Fluid durchströmbar sind, um eine Kühlung und/oder Heizung der Batteriezellen zu ermöglichen. Auf diese Weise kann die thermische Umgebung der Batteriezellen präziser angepasst und aufrecht erhalten werden, wodurch eine Schwankung der leistungsbezogenen Parameter des Batteriemoduls, wie etwa Lebensdauer und Kapazität, verringert werden kann.
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Zwischen mindestens einem der Zellenhalter und den Batteriezellen kann auch zumindest ein Ventingkanal zum Abführen von Verbrennungsgasen im Havariefall angeordnet sein. So können etwa Reaktionsgase im Fall eines thermischen Events, beispielsweise durch einen internen Kurzschluss oder auch extern bedingt, freigesetzt werden, die dann auf kontrollierte Weise über den Ventingkanal abgeführt werden können. Der Ventingkanal ist bevorzugt so ausgebildet, dass er im oberen Zellenhalter angeordnet ist und besonders bevorzugt mit Abblasöffnungen der Batteriezellen kommuniziert beziehungsweise über eine Berstscheibe oder einen Berstbereich mit diesen Abblasöffnungen der Batteriezellen in Kommunikation gebracht werden kann.
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Das Batteriemodul weist vorzugsweise ferner eine oder mehrere elektrische Kontaktierungen auf, die sich zwischen den Zellenhaltern und den entsprechenden Terminalflächen der Batteriezellen befinden und mit den Terminalflächen der jeweiligen Batteriezelle in Kontakt stehen, um mindestens zwei Batteriezellen elektrisch miteinander zu verbinden. Durch eine Kontaktierung an den Terminalflächen kann die elektrische Verbindung der Batteriezellen platzsparend realisiert werden, insbesondere lässt sich der Raum zwischen den Mänteln der Batteriezellen minimieren.
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Vorzugsweise sind die Kontaktierungen aus einem oder mehreren leitfähigen Kontaktblechen gefertigt, wodurch die elektrische Verbindung der Batteriezellen platzsparend durchführbar und flexibel anpassbar ist. Zu diesem Zweck können die Kontaktbleche gekantet und/oder gebogen werden.
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Vorzugsweise verbinden die Kontaktbleche die Batteriezellen zickzackförmig oder geradlinig, in einer Projektion senkrecht zu der Längserstreckung (A) der Batteriezelle gesehen. Die Verbindung insbesondere benachbarter Batteriezellen erfolgt bevorzugt auf diese Weise, wodurch der thermische Kontakt zwischen dem Zellenhalter über den Mantel und/oder die entsprechende Terminalfläche möglichst wenig beeinträchtigt ist.
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Die Kontaktbleche können einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Zudem kann es erforderlich sein, dass die Kontaktbleche in der Z-Richtung gebogen oder abgekantet sind, um Höhenunterschiede aufgrund der Aussparungen zu überwinden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
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Figurenliste
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Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines Batteriemoduls mit darin aufgenommenen Batteriezellen; und
- 2a und 2b schematische Draufsichten unterschiedlicher Varianten der Kontaktierung von Batteriezellen.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
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Die 1 ist eine schematische Seitenansicht eines Batteriemoduls 1. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 10 ist zum Aufbau des Batteriemoduls 1 zwischen zwei Zellenhaltern 20, 30 gehalten. Die Zellenhalter 20, 30 definieren durch ihre Erstreckung jeweils eine Halterebene 200, 300, deren Ausrichtung auch durch die jeweils darauf stehenden Halternormalen 210, 310 beschrieben werden kann. Die Halternormalen 210, 310 liegen parallel zu einander. Die Halternormalen 210, 310 bestimmen typischerweise auch die Einbaulage des Batteriemoduls 1 - sie zeigen in der Einbaulage üblicherweise senkrecht nach oben.
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Die Batteriezellen 10 weisen jeweils eine Längserstreckung A auf, welche um einen Winkel α relativ zu den Halternormalen 210, 310 geneigt sind.
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Der Winkel α wird hierin auch als „Kippwinkel“ der Batteriezellen 10 bezeichnet. Der Winkel α bestimmt maßgeblich die Höhenabmessung z des Batteriemoduls 1.
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Die Batteriezellen 10 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weisen jeweils einen Mantel 11 und eine erste und zweite Terminalfläche 12 und 13 auf, über welche die jeweilige Batteriezellen 10 elektrisch zu kontaktieren ist.
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Um die jeweilige Batteriezelle 10 in der gewünschten Position und in der gewünschten Lage sicher zu halten, weist das Batteriemodul 1 den genannten ersten und zweiten Zellenhalter 20 und 30 auf. Die Zellenhalter 20 und 30 sind im Wesentlichen plattenförmige Elemente, die im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind - mit anderen Worten sind die Halternormalen 210, 310 parallel zueinander ausgerichtet.
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Die Zellenhalter 20, 30 weisen auf ihren einander zugewandten Innenseiten paarweise gegenüberliegende Aussparungen 21 und 31 auf, welche als Taschen zur Aufnahme jeweils einer Batteriezelle 10 fungieren. Jene Seiten der Zellenhalter 20 und 30, welche die Aussparungen 21 und 31 aufweisen, werden hierin als „Halterinnenseiten“ oder „Innenseiten“ 22 und 32 bezeichnet, da sie im montierten Zustand des Batteriemoduls 1 nach innen zeigen. Die Beschaffenheit und Orientierung der Aussparungen 21 und 31 geben die Schräglage der Batteriezellen 10, d.h. den Kippwinkel α vor.
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Der erste Zellenhalter 20 und/oder der zweite Zellenhalter 30 können Fluidkanäle (in den Figuren nicht gezeigt) aufweisen, die mit einem Fluid durchströmbar sind, um eine Kühlung und/oder Heizung der Batteriezellen 10 zu ermöglichen.
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Zusätzlich oder alternativ kann an einem oder an beiden Enden der Batteriezellen 10 Platz für einen Ventingkanal vorgesehen sein, um im Havariefall ein Ableiten von heißen Verbrennungsgasen aus dem Batteriemodul 1 heraus zu ermöglichen. Der Ventingkanal ist in den Figuren nicht gezeigt, ist aber typischerweise im oberen Zellenhalter 20 angeordnet und steht bevorzugt mit Abblasöffnungen der Batteriezellen 10 in Kommunikation. Der Ventingkanal entlüftete typischerweise in die Umgebung. Um im Normalbetrieb keine Kontaminierung des Innenraums des Batteriegehäuses und des Batteriemoduls 1 hervorzurufen, kann der Ventingkanal über Berstscheiben oder Berstbereiche von den Batteriezellen 10 getrennt sein. Nur im Falle einer Havarie birst die Berstscheibe durch den aus dem Abblasbereich der Batteriezelle 10 austretenden Gasstrahl und stellt damit eine Kommunikation zwischen dem Ventingkanal und der Batteriezelle her.
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Die Batteriezellen 10 können in den Zellenhaltern 20, 30 beispielsweise in einem kubischen oder hexagonalen Raster positioniert sein.
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Für eine thermische Anbindung der Batteriezellen 10 an einen oder beide Zellenhalter 20, 30 können die Batteriezellen 10 zumindest teilweise in ein thermisch leitfähiges Material 40 eingebettet werden, das beispielsweise ein Wäremleitpad oder eine Wärmeleitpaste oder eine Vergussmasse ist.
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Die thermische Anbindung der Batteriezellen 10 an die Zellenhalter 20, 30 erfolgt über zumindest eine Terminalfläche 13 und kann auch über einen Teil des Mantels 11 der jeweiligen Batteriezelle 10 hergestellt werden. Der Mantel 11 liegt hierbei vorzugsweise über das thermisch leitfähige Material 40 an einer Flanke der Aussparung 31 an.
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Wenn, wie im Beispiel der 1 gezeigt, das thermisch leitfähige Material 40 so bereitgestellt ist, dass es die Aussparungen 31 des zweiten (in der 1 unteren) Zellenhalters 30 gemeinsam mit den Batteriezellen 10 im Wesentlichen vollständig ausfüllt, kann durch die Schrägstellung der Batteriezellen 10 der thermische Kontakt am Mantel 11 reguliert, insbesondere optimiert werden.
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Zwischen den Batteriezellen 10 und den Zellenhaltern 20, 30 können jeweils elektrische Kontaktierungen vorgesehen sein. Die Kontaktierungen sind vorzugsweise aus leitfähigen Kontaktblechen 50 gefertigt. Die Kontaktbleche 50 können so ausgestanzt und/oder gekantet und/oder gebogen sein, dass sie eine Form aufweisen, die eine geeignete Kontaktierung der Terminalflächen 12 und 13 ermöglicht.
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Die 2a und 2b zeigen als schematische Draufsichten unterschiedliche Varianten der Kontaktierung der Batteriezellen 10.
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Gemäß der in 2a gezeigten Variante verbinden die Kontaktbleche 50 die Terminalflächen 12, 13 benachbarter Batteriezellen 10 zickzackförmig. Im Beispiel der 2b sind die Terminalflächen 12, 13 benachbarter Batteriezellen 10 geradlinig miteinander verbunden, wobei die Kontaktbleche 50 parallel verlaufen.
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Die Kontaktbleche 50 können einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein.
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Zudem kann es erforderlich sein, dass die Kontaktbleche 50 in der Höhenrichtung, die der Z-Richtung in der 1 entspricht, gebogen oder abgekantet sind, um Höhenunterschiede aufgrund der Aussparungen 21, 31 zu überwinden. Die Gestalt der Kontaktbleche 50 in der Z-Richtung geht aus der Draufsicht der 2a und 2b nicht hervor.
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Die elektrische Kontaktierung über die Kontaktbleche 50 ist vorzugsweise so ausgeführt, dass der thermische Kontakt zwischen der Batteriezelle 10 und dem jeweiligen Zellenhalter 20, 30 über den Mantel 11 und/oder die entsprechende Terminalfläche 12, 13 möglichst wenig beeinträchtigt ist.
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Durch die Schrägstellung der Batteriezellen 10 um den Winkel α kann die Höhe des Batteriemoduls 1 in der Z-Richtung angepasst werden. Dabei bleibt das grundlegende Konstruktionsprinzip des Batteriemoduls 1, insbesondere die rasterartige Lagerung der Batteriezellen 10, erhalten.
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Durch das Kippen der Längserstreckung A der Batteriezellen 10 können geringe Maße in der Z-Richtung realisiert werden. Dies kommt typischen Bauräumen für Fahrzeugbatterien, die oft in der Z-Richtung limitiert sind, entgegen.
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Ferner weisen die Batteriezellen 10 über den zusätzlichen Kontakt mit dem thermischen Material 40 am Mantel 11 eine verbesserte thermische Anbindung auf, wobei das Prinzip von einem unteren und einem oberen Zellenhalter 20, 30 beibehalten werden kann.
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Außerdem schafft das Kippen der Batteriezellen 10 zusätzlichen Raum in den Zellenhaltern 20, 30, der beispielsweise für die Ausbildung eines platzsparenden Ventingkanals genutzt werden kann.
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Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriemodul
- 10
- Batteriezelle
- 11
- Mantel
- 12
- Terminalfläche
- 13
- Terminalfläche
- 20
- erster Zellenhalter
- 21
- Aussparung
- 22
- Halterinnenseite
- 200
- Halterebene
- 210
- Halternormale
- 30
- zweiter Zellenhalter
- 31
- Aussparung
- 32
- Halterinnenseite
- 300
- Halterebene
- 310
- Halternormale
- 40
- thermisch leitfähiges Material
- 50
- Kontaktblech
- α
- Kippwinkel
- z
- Höhe des Batteriemoduls
- A
- Längserstreckung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014210570 A1 [0003]
- US 2013/0337310 A1 [0003]
- EP 2626922 A1 [0003]
- US 2017/0244074 A1 [0003]
- US 2018/0040862 A1 [0003]
