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Diese Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit
zumindest einer Batteriezelle, die ein Batteriezellengehäuse aufweist,
einem Gehäuseträger, der
außerhalb
des Batteriezellengehäuses
ist, wobei der Gehäuseträger aufweist
eine elektrische Isolierschicht, die eine äußere Fläche des Batteriezellengehäuses kontaktiert,
einen Wärmeleiter,
der eine Vielzahl von Wärme
leitenden Fasern aufweist, die die elektrische Isolierschicht kontaktieren,
wobei jeder der Wärme
leitenden Fasern ein Senken-Ende besitzt, und eine strukturelle
Trägerschicht,
die über
der Vielzahl von Wärme
leitenden Fasern liegt, wobei die strukturelle Trägerschicht
aus einem faserverstärkten Verbundmaterial
gemacht ist, einer Wärmesenke,
in Wärmekontakt
mit den Senken-Enden der Vielzahl von Wärme leitenden Fasern und einer
strukturellen Basis, mit der die strukturelle Trägerschicht verbunden ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
auch ein Verfahren zum Bereitstellen eines solchen Batteriesystems.
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Weltraumfahrzeuge, wie beispielsweise Kommunikationssatelliten
oder Satelliten anderen Typs, tragen bordeigene Energieerzeugungssysteme und
Batterien zum Speichern der erzeugten Energie für Spitzenverbrauchssituationen
und zum Einsatz dann, wenn das Leistungserzeugungssystem eine reduzierte
Ausgangs leistung besitzt. Beispielsweise hat ein die Erde umlaufender
Kommunikationssatellit mit Solarzellen zur Elektrizitätserzeugung
Batterien, um Energie bereitzustellen, wenn die Solarzellen im Schatten
sind oder in Bezug auf die Sonne so ausgerichtet sind, dass die
Ausgangsleistung unterhalb der zum Betrieb des Satelliten erforderlichen
Leistung liegt.
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Die Batterien, die aus einer Vielzahl
von einzelnen Batteriezellen hergestellt sind, sind Teil eines Batteriesystems,
das einen strukturellen Träger
und eine thermische Steuerung für
die Batterien und ein elektrisches Steuerungs- und Verteilungssystem
aufweist. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem strukturellen
Träger
und dem Wärmemanagement
der Batterien. Obgleich die Batterien im Weltraum schwerelos sind,
müssen
sie gegenüber
den Belastungen und Vibrationen gut gestützt sein, die sie während des
Tests, des Transports und des Starts erfahren, und der innere Druck,
der innerhalb der Batteriezelle während des Betriebs erzeugt
wird, muss strukturell aufgenommen werden. Wenn die Batterien im
Weltraum benutzt werden, erzeugen die chemischen Reaktionen, die
während
des Lade/Entladezyklus stattfinden, Wärme. Die Batterien müssen in
einer Weise geschützt
werden, dass die Batterien durch strukturelle Belastungen und Vibrationen
nicht beschädigt
werden und auch so, dass die innerhalb der Batteriezellen erzeugte
innere Wärme
weg zu einer Wärmesenke
geleitet wird, so dass die Zellen nicht über ihre Betriebsgrenzen hinweg
erhitzt werden.
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Einige Lösungswege für den strukturellen Träger und
ein Wärmemanagement
der Batterien sind bekannt. Am häufigsten
sind die Batteriezellen an einen Wärmeflansch aus Aluminium angebracht, der
mit dem Radiator des Weltraumfahrzeugs verbunden ist, der als Wärmesenke
dient. Die Zellen und die Wärmeflansche
werden mechanisch auf Aluminiumträgern getragen. In neueren Entwicklungen
wurden Kompositmaterialien eingesetzt, um die Wärmeflansche auszubilden. Obgleich
Aluminium ein Metall mit niedriger Dichte ist, reduziert die Herstellung
der Wärmeflansche
aus Kompositmaterialien das Gewicht der Struktur sogar noch weiter.
Das Gewicht des Weltraumfahrzeugs ist ein kritischer Punkt, da die
Startkosten des Weltraumfahrzeugs in Tausende von Dollar pro Pound
gehen. Die Komposit-Lösungswege,
die zuvor vorgeschlagen wurden, vermindern das Gewicht, aber erreichen
nicht ein Minimalgewicht und eine akzeptable mechanische Leistung
durch Integration der thermischen und strukturellen Komponenten.
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Ein Batteriesystem, wie es zu Beginn
erwähnt
wurde, ist aus
EP 0
704 919 A1 bekannt. Dieses Dokument offenbart eine Batteriezellen-Rohranordnung
mit einem einzelnen thermischen Rohr, das zwischen einem Paar von
strukturellen Rohren liegt. Die Rohranordnung ist mit einer Vielzahl
von Klemmvorrichtungen zur Befestigung der Batteriezelle in der Vertiefung
versehen. Die Rohranordnung selbst ist an einem ringförmigen Flansch
eines zylindrischen Basisbauteils angebracht. Das äußere strukturelle Rohr
ist an einer inneren Fläche
des obenstehenden zylindrischen Teils des Basisbauteils angebracht.
Die distalen Enden der ersten Fasern des thermischen Rohrs gehen
in den ringförmigen
Flansch über,
so dass der ringförmige
Flansch als Wärmebereiche zum
Abziehen von Wärme
aus dem thermischen Rohr dient, indem eine Leitung zwischen den
Fasern und dem ringförmigen
Flansch erreicht wird.
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US
5,310,141 offenbart eine zylindrische Batterie zur Benutzung
in einem Weltraumfahrzeug. Die Batterie ist aus einer Vielzahl von
Nickelwasserstoff-Batteriezellen hergestellt, von denen jede in
einem Druckgussgehäuse
eingeschlossen ist, um innere Drücke
aufzunehmen. Die Wärme
wird in jeder Zelle während
des Ladens und Entladens erzeugt. Das Batteriezellendruckgehäuse besitzt
einen Metallkörper
in Form eines Zylinders. Um ein thermisch leitendes Element zu tragen,
ist eine erste und eine zweite Rohrgruppe vorgesehen und so dimensioniert,
dass sie dicht um das Äußere des
zylindrischen Druckgehäusekörpers passen.
Die Rohrgruppe besitzt eine monolithische einheitliche, elektrisch
isolierende Struktur. Beide Rohrgruppen sind aus einem kohlefaserverstärkten Harz
hergestellt, wobei die Richtungen der Achse von zumindest einigen
der Fasern längs
und parallel zu der Längsachse
verlaufen. Um beide Hälften
zusammenzuhalten, ist eine Schrauben-Mutter-Verbindung vorgesehen.
Die Anordnung mit zwei Rohren wird an einer abstrahlenden Platte
klebend befestigt, die als Wärmesenke
und als Trägermittel
dient, um die Rohre zusammenzuhalten.
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Es gibt ein Bedürfnis nach einem Batteriesystem
mit einer ausreichenden strukturellen Abstützung der Batteriezelle und
ebenfalls einem guten Wärmetransport.
Ein solches Batteriesystem kann direkt im Weltraumfahrzeug Anwendung
finden sowie auch in anderen Batterieanwendungen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung liefert
ein Batteriesystem, das durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert
ist. Es benutzt einen Verbund-Batteriezellen-Gehäuseträger, der ausgezeichnete strukturelle Trägereigenschaften
der Batteriezelle erreicht und ebenfalls eine große Wärmeabführeffizienz
aus der Batteriezelle besitzt, und geringeres Gewicht im Vergleich
mit früheren
Lösungen
hat. Der Batteriezellengehäuseträger ist
ein strukturelles Bauteil und hilft ebenfalls bei der Aufnahme des
Drucks innerhalb des Batteriezellengehäuses, so dass die Wanddicke
und damit das Gewicht der Batteriezelle reduziert werden kann. Das
Batteriezellengehäuse
selbst dient als strukturelle Komponente sowie als Behälter für die aktiven
Energiespeicher-Elemente, so dass das Gewicht des Gehäuseträgers reduziert
werden kann. Strukturelle Träger-
und Wärmemanagement-Parameter
werden ausgewählt,
um die jeweils optimalen Eigenschaften zu erzielen, ohne auf Eigenschafts-Kompromisse
eingehen zu müssen,
die zu teiloptimaler Leistung führen
würden.
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Die vorliegende Erfindung liefert
ebenfalls ein Verfahren, das durch die Merkmale in Anspruch 8 definiert
wird.
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Entsprechend der Erfindung umfasst
ein Batteriesystem eine Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse und
einem Gehäuseträger, der
außerhalb
des Batteriezellengehäuses
ist. Der Gehäuseträger weist
eine elektrische Isolierschicht auf, die eine äußere Fläche des Batteriezellengehäuses kontaktiert,
vorzugsweise ohne Klebemittel zwischen der äußeren Fläche des Batteriezellengehäuses und
der elektrischen Isolierschicht (bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist die elektrische Isolierschicht ein Glasfasermaterial, das aus
Glasfasern in einer Epoxidmatrix ausgebildet ist. Mit „ohne Klebemittel
zwischen der äußeren Oberfläche des
Batteriezellengehäuses
und der elektrischen Isolierschicht" ist gemeint, dass keine zusätzlichen
Klebemittel getrennt von jeglichem klebemittelähnlichen Material verwendet
wird, das Teil der elektrischen Isolierschicht sein kann.) Der Gehäuseträger umfasst
zusätzlich
einen Wärmeleiter,
der eine Vielzahl von Wärme
leitenden Fasern aufweist, die die elektrische Isolierschicht kontaktieren.
Die Wärme
leitenden Fasern haben jeweils ein Senken-Ende. Eine strukturelle
Trägerschicht
liegt über
der Vielzahl von Wärme
leitenden Fasern. Die strukturelle Trägerschicht ist aus einem faserverstärkten Kompositmaterial
hergestellt. Eine Wärmesenke
ist in Wärmekontakt
mit den Senken-Enden der Vielzahl von Wärme leitenden Fasern. Die Wärmesenke
ist an einem Ende der Batteriezelle platziert, und die strukturelle
Basis, an der die strukturelle Trägerschicht angebracht ist,
ist an dem anderen Ende der Batteriezelle angeordnet.
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Die elektrische Isolierschicht ist
vorzugsweise ein elektrisch isolierendes Kompositmaterial bzw. Verbundmaterial,
wie Glasfaser. Die Wärme
leitenden Fasern sind vorzugsweise aus einem hoch Wärme leitenden
Kohlenstoff. Diese Wärme
leitenden Fasern leiten die in der Batteriezelle erzeugte Wärme zu der
Wärme-Senke.
Sie stellen eine gewisse längsgerichtete
Festigkeit dem Batteriesystem bereit, sind aber nicht prinzipiell
strukturelle Träger.
Die strukturelle Trägerschicht
ist vorzugsweise aus einer hochfesten kohlenstofffaserverstärkten Polymermatrix hergestellt,
die auf die äußere Fläche mittels
einer achsversetzten Aufwicklung oder einem Auflegevorgang angewendet
werden, der kontrollierbare Umfangs- und Achs-Komponenten der Festigkeit liefert, die
für bestimmte
Anwendungen ausgewählt
werden kann.
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Der Gehäuseträger dient zur Positionierung und
zum Tragen der Batteriezelle, nimmt aber auch einiges der Ringspannungsbe lastung
des Batteriezellengehäuses
auf, und hilft dem Batteriezellengehäuse hiermit, einer Deformation
und einem Bruch zu widerstehen, was sich möglicherweise aus den inneren
Drücken
ergeben könnte,
die während
des Lade-Abschnitts des Lade/Entladezyklusses erzeugt werden. Die
Wand des Batteriezellengehäuses
kann dünner
gemacht werden und damit leichter, als dies andernfalls der Fall
wäre, was
zu deutlichen Gewichtseinsparungen für das Weltraumfahrzeug führt. Das Batteriezellengehäuse nimmt
ebenfalls eine gewisse strukturelle Belastung auf, wenn mehre Batteriezellen
in einem Stapel angeordnet sind.
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Das Batteriezellengehäuse ist
vorzugsweise in Form eines länglichen
Zylinders mit elektrochemischen Elektroden innerhalb des Gehäuses ausgebildet.
Somit weist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Batteriesystem
eine Batteriezelle mit einem im Allgemeinen zylindrischen Batteriezellengehäuse auf,
das eine Zylinderachse und eine zylindrische äußere Fläche besitzt, und einem Gehäuseträger, der außerhalb
der zylindrischen äußeren Fläche des
Batteriezellengehäuses
liegt. Der Gehäuseträger weist eine
elektrische Isolierschicht auf, die die zylindrische äußere Fläche des
Batteriezellengehäuses kontaktiert,
und einen Wärmeleiter,
der eine Vielzahl von Wärme
leitenden Fasern aufweist, die über
der elektrischen Isolierschicht liegen und diese kontaktieren und
im Allgemeinen parallel zu der Zylinderachse des Gehäuses ausgerichtet
sind. Jede der wärme
leitenden Fasern ist aus einem hoch Wärme leitenden Kohlenstoff hergestellt
und besitzt ein Senken-Ende. Eine strukturelle Trägerschicht
liegt über
der Vielzahl von Wärme
leitenden Fasern und bringt die elektrische Isolierschicht in Kontakt
mit dem Batteriezellengehäuse,
ohne dass ein Klebemittel zwischen dem elektrischen Isolator und
dem Gehäuse
vorhanden ist. Die strukturel le Trägerschicht ist aus einem faserverstärkten Kompositmaterial
hergestellt. Eine Wärmesenke
ist in thermischem Kontakt mit den Senken-Enden der Vielzahl von
Wärme leitenden
Fasern an einem ersten Ende des Batteriezellengehäuses. Vorzugsweise
ist eine strukturelle Basis, mit der die strukturelle Trägerschicht
verbunden ist, an einem zweiten Ende des zylindrischen Gehäuses der
Batteriezelle positioniert.
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Es ist nicht ungewöhnlich,
dass ein Kommunikationssatellit eine große Anzahl an Batteriezellen, typischerweise
24 – 60
Batteriezellen in aktuellen Kommunikationssatelliten, einsetzt,
um die erforderliche Batteriesystem-Ausgangsleistung und Speicherkapazität bereitzustellen.
Die vielen Batteriezellen sind in Batteriepaketen geeigneter Größe zusammengefasst.
Beispielsweise erfordert ein Satellitensystem 32 Batteriezellen,
die in vier Batteriepaketen von jeweils acht Batteriezellen zusammengefasst sind.
Die vorliegende Erfindung kann bei solchen Batteriepaketen von Batteriezellen
eingesetzt werden, wobei ein größerer Vorteil
erreicht wird, als in Verbindung mit einzelnen Batteriezellen.
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Gemäß diesem Gesichtspunkt der
Erfindung weist ein Batteriesystem eine Vielzahl von Batteriezellen
auf, wobei jede Batteriezelle ein Batteriezellengehäuse besitzt.
Ein entsprechender Gehäuseträger ist
außerhalb
jedes Batteriezellengehäuses
und liegt über
diesem. Jeder Gehäuseträger weist
eine elektrische Isolierschicht auf, die eine äußere Fläche des jeweiligen Batteriezellengehäuses ohne
Klebemittel zwischen der äußeren Fläche des
jeweiligen Batteriezellengehäuses
und der elektrischen Isolierschicht kontaktiert, und einen Wärmeleiter,
der eine Vielzahl von Wärme
leitenden Fasern besitzt, die die elektrische Isolierschicht kontaktieren,
wobei jede Wärme
leitende Faser ein Senken-Ende hat. Eine strukturelle Trägerschicht
liegt über
der Vielzahl von Wärme
leitenden Fasern in jedem der Gehäuseträger, wobei die strukturelle
Trägerschicht
aus einem faserverstärkten
Kompositmaterial hergestellt ist. Eine Wärmesenke ist in thermischem
Kontakt mit den Senken-Enden der Vielzahl von Wärme leitenden Fasern jedes
Gehäuseträgers, und
mit einer strukturellen Basis, mit der die strukturelle Trägeraußenschicht jedes
Gehäuseträgers verbunden
ist.
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In einem solchen Batteriepaket mit
einer Vielzahl von Batteriezellen tragen die individuellen Trägergehäuse etwas
von den Ringspannungsbelastungen ihrer jeweiligen Batteriezellengehäuse in einer
Weise, die zuvor diskutiert wurde, was eine Reduzierung des Gewichts
der Batteriezellengehäuse ermöglicht.
Zusätzlich
liefern die Batteriezellengehäuse
und die Trägergehäuse, die
sich zwischen der Wärmesenke
und der strukturellen Basis erstrecken, der Struktur eine Festigkeit,
die Belastungen und Deformationen widersteht. Folglich sind separate Last-Aufnahmeträger, die
sich zwischen der Wärmesenke
und der strukturellen Basis erstrecken, in der Gesamtträgerstruktur
des Batteriepakets nicht erforderlich, so dass das Gewicht der Trägerstruktur
des Batteriepakets reduziert werden kann. Die Verwendung von rohrförmigen Komposit-Gehäusen, die über den
einzelnen Batteriezellen liegen, erlauben somit eine Gewichtsreduktion
des Batteriesystems auf zwei Wegen: durch Verstärken der einzelnen Batteriezellen
gegen Deformation und Ausfall aufgrund ihres inneren Drucks, und
durch Bereitstellen einer strukturellen Verbindung zwischen der
Wärmesenke und
der strukturellen Basis, so dass die strukturelle Verbindung, die
sonst erforderlich wäre,
weggelassen werden kann. Anders ausgedrückt dient das Batteriezellengehäuse und
das Trägergehäuse als Last-Aufnahmekomponenten
des strukturellen Trägersystems,
und der strukturelle Träger
dient zum Tragen einer gewissen inneren Druckbelastung des Batteriezellengehäuses. Dadurch,
dass die Komponenten so vielen Funktionen dienen, die noch separat optimiert
werden können,
erlaubt der Lösungsweg der
vorliegenden Erfindung eine signifikante Gewichtsreduktion des Batteriepakets,
ohne das Design der Batteriezellen selbst zu verändern (mit Ausnahme der Reduzierung
der Wanddicken).
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Der Befestigungs-Lösungsweg
der vorliegenden Erfindung liefert eine große Flexibilität bei der Auswahl
der Ausrichtung der Batteriezellen innerhalb des Batteriepakets
sowie der Zwischenverdrahtung zwischen den Batteriezellen. Die Möglichkeit,
diese Designparameter innerhalb des Rahmens der Befestigungsstruktur
auszuwählen,
ermöglicht
es dem Weltraumfahrzeug-Entwickler,
das Dipolmoment des Batteriepakets in gewissem Umfang zu steuern
und damit das Dipolmoment des Weltraumfahrzeugs.
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Das Batteriesystem der Erfindung
liefert eine deutliche Verbesserung bei der Erzielung der erforderlichen
strukturellen Abstützung
und der thermischen Abstrahlung, die bei einem Weltraumfahrzeug-Batteriesystem
gefordert wird, bei reduziertem Gewicht. Andere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierteren
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit
den begleitenden Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der
Erfindung darstellen. Der Umfang der Erfindung ist jedoch nicht
auf diese bevorzugte Ausführungsform beschränkt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle und deren thermischer
struktureller Abstützung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht ähnlich
der von 1, wobei ein
Abschnitt von einem Ende des thermischen/ strukturellen Trägers aufgebrochen
ist, um die Batteriezelle darzustellen;
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3 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
des Batteriesystems von 1,
wobei der Schnitt entlang der Linien 3-3 von 1 genommen wurde;
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4 ist
eine vergrößere Querschnittsansicht
des Batteriesystems von 1,
wobei der Schnitt entlang der Linie 4-4 von 1 genommen wurde;
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5 ist
eine perspektivische Ansicht eines Batteriepakets, das mehrere Batteriezellen
verwendet, wobei ein Bereich der strukturellen Basis und der Seitenwände entfernt
ist, um das Innere des Batteriesystems darzustellen; und
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6 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bereitstellung des Batteriesystems.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 und 2 zeigen ein Batteriesystem 20 mit einer
Batteriezelle 22, die vorzugsweise eine Nickel-Wasserstoff-Batteriezelle ist.
Die Batteriezelle 22 hat ein Batteriezellen gehäuse 24,
das aus einem Metall, beispielsweise der nickelbasierten Legierung Inconell,
gefertigt ist, und einen Gehäuseträger 26, der
außerhalb
des Batteriezellengehäuses 24 ist. Das
Batteriezellengehäuse 24 umfasst
eine allgemein zylindrische Oberfläche 28 mit einer Zylinderachse 30 und
einer orthogonalen Umfangsrichtung 31, und einander gegenüberliegend
angeordnete gewölbte
Enden 32, die sich an die Zylinderoberfläche 28 anschließen. Diese
Zylinderkonfiguration ist bevorzugt, allerdings ist die vorliegende
Erfindung nicht auf eine solche Form begrenzt und ist viel breiter
anwendbar. Elektrische Kontakte 34 entgegengesetzter Polarität erstrecken
sich von den beiden gewölbten Enden 32.
Die äußere und
die innere Struktur der Batteriezelle 22 (aber nicht diejenige
des Trägers 26) sind
im Stand der Technik bekannt und beispielsweise in den US-Patenten
4,683,178; 4,369,212; 4,283,844; 4,262,061; 4,250,235; 4,000,350;
und 3,669,744 offenbart. Die vorliegende Erfindung betrifft nicht
die inneren strukturellen Merkmale der Batteriezelle 22 oder
deren Arbeitsweise.
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3 und 4 zeigen Schnitte durch das
Batteriesystem 20, wobei 3 senkrecht
zu der Zylinderachse 30 aufgenommen und 4 senkrecht zu der Umfangsrichtung 31 aufgenommen
wurde. 3 und 4 sind nicht maßstabsgetreu
gezeichnet.
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Der Gehäuseträger 26 liegt über der
Zylinderoberfläche 28 und
berührt
diese auf der Außenseite der
Batteriezelle 22. Unmittelbar benachbart zu der Zylinderoberfläche 28 des
Batteriezellengehäuses 24 ist
eine elektrische Isolierschicht 36 vorgesehen. Die Elektroden
und elektrischen Leiter innerhalb der Batteriezelle sind gegenüber den
Wänden
des Batteriezellengehäuses 24 isoliert,
die elektrische Isolierschicht 36 ist jedoch vorgesehen,
um das Batteriezellengehäuse 24 außen zu isolieren,
um einen Kurzschluss der Batteriezelle 22 während des
Zusammenbaus, des Tests, des Transports und des Starts zu verhindern.
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Die elektrische Isolierschicht 36 ist
vorzugsweise aus Glasfasern 38 hergestellt, die in einer
Polymermatrix 40 eingebettet sind, was als Glasfaser bezeichnet
wird. Die Glasfasern 38 werden nicht zur Aufnahme wesentlicher
struktureller Kräfte
vorgesehen, aber sie sind so ausgerichtet, dass sie eine Komponente
parallel zu der Umfangsrichtung 31 besitzen, um der Isolierschicht 36 ein
gewisses Maß an Ringfestigkeit
zu verleihen. Die Glasfasern 38 können auch in einem Winkel zwischen
der Umfangsrichtung 31 und der axialen Richtung 30 ausgerichtet sein,
oder sogar parallel zu der axialen Richtung 30. Ein bevorzugtes
Glasfasermaterial ist eine E-Glas-basierte Glasfaser, die kommerziell
von J. P. Stevens Glass Fabrics, Slater, NC., erhältlich ist.
Dieses Material besitzt etwa 60 Volumenprozent E-Glasfasern in einer
Polymermatrix, wie beispielsweise einem Epoxid oder Cyanatester,
die Polymermatrix ist aber nicht auf dieses Material begrenzt. Die
Glasfaser-Isolierschicht 36 ist vorzugsweise von etwa 0,003 Inch
bis etwa 0,005 Inch dick (1 Inch = 24,4 mm). Deren Dicke ist wünschenswerterweise
klein, um den thermischen Widerstand zu reduzieren, der sich der Isolierschicht 36 darstellt.
Solche kleinen gut kontrollierten Dicken der Isolierschicht können erreicht
werden, indem Glasfasermaterial verwendet wird.
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Es gibt vorzugsweise kein Klebemittel
zwischen der elektrischen Isolierschicht 36 und der Wand
des Batteriezellengehäuses 24 abgesehen von
dem Material der Isolierschicht. Klebe schichten sind typischerweise
etwa 0,007–0,015
Inches dick. Eine solche dickere Klebeschicht würde zusätzlich Gewicht hinzufügen und
als thermischer Widerstand bezüglich
dem Abtransport von Wärme
aus der Zylinderoberfläche 28 des
Batteriezellengehäuses 24 der Batteriezelle 22 wirken.
Die Struktur und das Verfahren zur Herstellung des Gehäuseträgers 26 vermeidet
das Erfordernis eines solchen Klebemittels.
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Eine Wärme leitende Schicht 32 liegt über der
elektrischen Isolierschicht 36 und berührt diese. Die Wärme leitende
Schicht 32 weist Wärme
leitende Fasern 44 auf, die allgemein parallel zu der Zylinderachse 30 ausgerichtet
sind. Die Wärme
leitenden Fasern 44 können
um etwa 10 Grad oder mehr weg von der Zylinderachse 30 ausgerichtet
sein, um dennoch ihre Wärme
leitende Funktion ausreichend zu erfüllen. Die Wärme leitenden Fasern 44 sind
vorzugsweise aus einem hoch Wärme
leitenden Kohlenstoffmaterial eines bekannten Typs hergestellt.
Wie hier eingesetzt muss eine solche hoch Wärme leitende Faser eine Wärmeleitfähigkeit
von größer als
etwa 160 Watt/Meter-°K
haben. Diese Definition wird ausgewählt, da die Wärmeleitfähigkeit
der hoch Wärme
leitenden Faser größer sein
soll als die von herkömmlichen
Aluminiumlegierungen, die in Luftfahrtanwendungen eingesetzt werden,
und typischwerweise etwa 160 Watt/Meter-°K beträgt. Ein solches hoch Wärme leitendes
Kohlenstoffmaterial ist kommerziell als XN70A-Material von Nippon
Graphite oder als P100-Material
von Amoco erhältlich.
Die Wärmeleitfähigkeit
solcher Fasern beträgt
etwa 193 Watt/Meter-°K
und liegt damit weit über
der von Aluminiumlegierungen. Die Fasern 44 sind in einer
Polymermatrix 46 eingebettet, wie beispielsweise Epoxidharz,
aber die Polymermatrix ist nicht auf dieses Material beschränkt. Die
Fasern 44 sind vorzugsweise in einem möglichst hohen Volumenan teil
der Wärme
leitenden Schicht 42 vorhanden, um einen hohen Wärmefluss durch
die Schicht zu erreichen. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Fasern 44 in einem Volumenanteil von 60 Volumenprozent
der Schicht 42 vorhanden, allerdings sind 70 Volumenprozent
von Fasern in manchen Fällen
möglich.
Die Wärme
leitende Schicht 42 ist vorzugsweise mindestens 0,040 Inches
dick, kann aber wenn gewünscht
dicker sein. Eine übermäßige Dicke
würde unnötiges Gewicht
zufügen.
Aus praktischer Sicht ist eine bevorzugte maximale Dicke der Wärme leitenden
Schicht 42 von 0,060 Inches bevorzugt.
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Eine strukturelle Trägerschicht 48 liegt über der
Wärme leitenden
Schicht 42 und berührt
diese. Die strukturelle Trägerschicht 48 ist
aus einem Kompositmaterial, vorzugsweise umfasst sie in einer Polymermatrix 52 eingebettete
Fasern 50. Die strukturellen Fasern 50 sind vorzugsweise
aber nicht notwendigerweise aus einem hochfesten Kohlenstoffmaterial
gemacht. (Die strukturellen Fasern 50 können aus dem gleichen Material
sein wie die Wärme leitenden
Fasern 44, falls sie beide fest sind und eine große thermische
Leitfähigkeit
besitzen.) Ein solches hochfestes Kohlenstoffmaterial ist kommerziell
als M40J-Faser von Toray of Tokyo, Japan oder IM7-Faser von Hercules
erhältlich.
Die Polymermatrix 52 ist vorzugsweise Epoxidharz, die Polymermatrix
ist aber nicht auf dieses Material begrenzt. Der Volumenanteil der
Fasern 50 in der Matrix 52 wird ausgewählt, um
die für
das spezielle Batteriesystem gewünschten mechanischen
Eigenschaften herzustellen. Bei einer momentan bevorzugten Lösung sind
die Fasern 50 in der Matrix 52 in einer Menge
von etwa 60 Volumenprozent vorhanden. Die strukturelle Trägerschicht 48 besitzt
vorzugsweise eine Dicke von mindestens 0,030 Inches, kann aber falls
gewünscht
dicker sein. Ein Erhö hen
der Dicke fügt
unnötiges
Gewicht hinzu. In praktischer Hinsicht ist eine bevorzugte maximale Dicke
der strukturellen Trägerschicht 48 etwa
0,1 Inch.
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Die strukturellen Fasern 50 sind
in 3 und 4 als sich allgemein parallel zu der
Umfangsrichtung 31 erstreckend dargestellt, um eine hohe
Ringfestigkeit der strukturellen Trägerschicht 48 als
bevorzugte Lösung
zu liefern. Die strukturellen Fasern 50 können auch
in einem Winkel ausgerichtet sein, der zwischen der Umfangsrichtung 31 und
der axialen Richtung 30 liegt, beispielsweise 45 Grad bezüglich der
Zylinderachse 30, wie dies erforderlich ist, um die ausgewählte Steifheits-
und Festigkeits-Eigenschaften des Gehäuseträgers 26 herzustellen.
Bei einer bevorzugten Herstellungslösung werden die strukturellen
Fasern 50 durch Faserabwicklung aufgebracht, so dass sie zwischen
der Umfangsrichtung 31 und der axialen Richtung 30 liegend
ausgerichtet sind. Die strukturellen Fasern 50 halten somit
die Ringdeformation zurück
(d. h. die Deformation parallel zur Umfangsrichtung 31),
die sie in dem Batteriezellengehäuse 24 erfahren,
wenn es im Inneren während
des Aufladens der Batteriezelle unter Druck gesetzt wird. Da das Trägergehäuse 26 die
Ringdeformation des Batteriezellengehäuse 24 zurückhält, kann
das Batteriezellengehäuse 24 aus
einem dünneren
Metall hergestellt werden und ist damit leichter als es bei sonstiger
Herstellung wäre,
was ein sehr signifikanter Vorteil ist, der von der vorliegenden
Erfindung erreicht wird.
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Die Wärme leitenden Fasern 44 der
Wärme leitenden
inneren Schicht 42 leiten die Wärme von der Wand des Batteriezellengehäuses 24 und
parallel zu der Zylinderachse 30, wie durch die Wärmeflusspfeile 54 in 4 angedeutet. Die Wärme fließt in Richtung
eines Senken-Endes 55 der Wärme leitenden Fasern 44,
die mit einer Wärmesenke 56 verbunden
sind, die vorzugsweise an einem Ende des Zylindergehäuses 24 und
des Gehäuseträgers 26 angeordnet
sind. Die Wärmesenke 56 besitzt
eine radiale Fläche 57 auf
einer Seite entfernt von den Wärme
leitenden Fasern 44, so dass die Wärme, die zu der Wärmesenke 56 fließt, in den
Raum gestrahlt wird, was durch die Strahlungspfeile 58 angedeutet ist.
Vorzugsweise ist eine metallische Schicht 59 auf der Wärmesenke 56 als
abstrahlende Oberfläche 57 positioniert,
um als Teil der Faraday'ischen
Abschirmung zu wirken, die die Batteriezellen und andere Weltraumfahrzeug-Komponenten
umgibt.
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Die Wärmesenke 56 kann aus
einem geeigneten Material hergestellt sein. Sie ist bevorzugt aus einem
Faserverbundmaterial des gleichen Typs wie die strukturelle äußere Trägerschicht 48 hergestellt, obgleich
sie auch aus einem anderen Faserverbundmaterial, wie das Faserverbundmaterial
der Wärme leitenden
Schicht 42, hergestellt sein kann. Das Senken-Ende 55 der
Wärme leitenden
Fasern 44 ist großzügig geglättet und
mit der Wärmesenke 56 über eine
geeignete Technik verbunden, die einen relativ niedrigen Wärmewiderstand
besitzt. Die bevorzugte Lösung
ist eine thermische Unterlegscheibe 53, die aus einem hoch
Wärme leitenden
Material mit geringer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt ist. Die
bevorzugte thermische Unterlegscheibe 53 ist aus einem
faserverstärkten
Elastomer mit dem Namen CHOTHERM, hergestellt von der Firma Chomerics, Inc.,
gefertigt. Falls nur eine hohe thermische Leitfähigkeit (aber keine geringe
elektrische Leitfähigkeit) gefordert
ist, kann die thermische Unterlegscheibe 53 aus einem Grafoil
GTA-Verbundmaterial mit Kohlenstoff, verfügbar von Union Carbide, Cleveland, Ohio,
hergestellt sein, könnte
aber auch aus anderen Materialien, wie Kupfer oder Aluminium hergestellt sein.
Schrauben (nicht gezeigt) halten die Wärme leitende Schicht 52 und
die äußere strukturelle
Trägerschicht 58 an
der Wärmesenke 56,
wobei die thermische Unterlegscheibe 53 dazwischen liegt.
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Eine strukturelle Basis 60 ist
an einem gegenüberliegenden
Ende der Batteriezelle 22 und dem Gehäuseträger 26 bezüglich der
Wärmesenke 56 angeordnet.
Die strukturelle Trägerschicht 48 ist mit
der strukturellen Basis 60 verbunden. Die strukturelle
Basis 60 kann aus jedem betriebsfähigen Material hergestellt
sein, sie ist aber bevorzugt aus einem Kompositmaterial hergestellt,
wie beispielsweise das Kompositmaterial der strukturellen Trägerschicht 48, um
die hohe Festigkeit und das geringe Gewicht zu erreichen. Die strukturelle
Trägerschicht 48 ist
mit der strukturellen Basis 60 mittels jeder möglichen
Lösung verbunden,
vorzugsweise über
Schrauben (nicht gezeigt).
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Die strukturelle Basis 60 ist
eine strukturelle Komponente, die hauptsächlich zum Stützen des
Gewichts, der Torsions- und
Vibrationskräfte
des Batteriesystems 20 entworfen ist. Die Wärmesenke 56 ist andererseits
hauptsächlich
entworfen, um Wärme abzuleiten
und abzustrahlen. Nichtsdestotrotz kann die strukturelle Basis 60 dazu
dienen, etwas Wärme abzugeben,
und die Wärmesenke 56 kann
eine strukturelle Last tragen, wie beispielsweise eine Scheer-Belastung.
Entsprechend ist die Wärme
leitende Schicht 42 in die strukturelle Basis 60 eingepasst
und an dieser angebracht, oder an der Seite der strukturellen Trägerschicht 48 entfernt
von der strukturellen Basis 60 (wie in 4 gezeigt). In ähnlicher Weise ist die strukturelle
Trägerschicht 48 in die
gleiche Seite der Wärmesenke 56 eingepasst und mit
dieser verbunden, mit der die Wärme
leitende Schicht 42 verbunden ist.
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Der relative Grad der Wärmeleitung
und der Lastübertragung
in die strukturelle Basis und in die Wärmesenke können selektiv während der
Herstellung eingestellt werden, indem die Natur der Endverbindung
der Schichten in der in 4 gezeigten
Weise variiert wird. Beispielsweise überträgt die auf der rechten Seite
von 4 gezeigte Lösung mehr
Last und weniger Wärme
in die strukturelle Basis 60, da der Befestigungsmodus
der strukturellen Trägerschicht 48 teilweise
die Wärme
leitende innere Schicht 42 gegenüber der strukturellen Basis 60 isoliert.
Die auf der linken Seite von 4 gezeigte
Lösung überträgt weniger
Last und mehr Wärme
in die Wärmesenke 56,
da die Wärme
leitende innere Schicht 42 sich von der Wärmesenke 56 erstreckt und
es ein relativ kleines Scheergebiet gibt, wo die strukturelle Trägerschicht 48 mit
der Wärmesenke 56 verbunden
ist. Die spezifische Geometrie dieser geklebten Verbindungen kann
variieren, um den relativen Wärmefluss
und die strukturellen Lasten, die in die strukturelle Basis und
die Wärmesenke übertragen
werden, zu steuern, womit der Weltraumfahrzeug-Designer eine größere Flexibilität bei der
Designwahl erhält.
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Indem die Funktionen der Wärme leitenden Schicht 42 und
der strukturellen Trägerschicht 48 getrennt
werden, können
diese Schichten separat optimiert werden. Bei einigen früheren Verbundträgern für Batterien
waren die Wärmeleitung
und die strukturelle Trägerfunktion
in einem einzigen Element kombiniert, und das Design dieses Elements
stellte einen Kompromiss zwischen der strukturellen Festigkeit und
der Wärmeleitung
dar. Bei der vorliegenden Lösung
ist ein solcher Kompromiss nicht erforderlich und die Funktionen
der Schichten 42 und 48 werden getrennt optimiert.
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Die strukturelle Basis 60 und
die Wärmesenke 56 sind
in 1–4 zur
Verwendung mit einer einzelnen Batteriezelle 22 gezeigt.
Wie in 5 gezeigt, werden
jedoch in vielen Anwendungen mehrere Batteriezellen 22 zwischen
einer einzelnen strukturellen Basis und einer einzelnen Wärmesenke
getragen. Bei dem Batteriepaket 62 der 5 erstrecken sich acht Batteriezellen 22 und
ihre jeweiligen Gehäuseträger 26 zwischen
der strukturellen Basis 60 und der Wärmesenke 56. Die Struktur
der Elemente und ihre Befestigung sind in Bezug mit den 1–4 wie
zuvor beschrieben.
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Die acht Batteriezellen 22 und
ihre jeweiligen Gehäuseträger 26 dienen
als nahezu steife strukturelle Elemente, die die strukturelle Basis 60 und
die Wärmesenke 56 des
Batteriepakets 62 miteinander verbinden. Die Batteriezellen 22 und
ihre Gehäuseträger 26 liefern
einen Deformationswiderstand in axialer Richtung 30. In
dem Maße,
wie sie zueinander in zwei Dimensionen seitlich versetzt werden, verleihen
sie dem Batteriepaket 62 auch Scheerfestigkeit. Für einige
Anwendungen sind getrennte strukturelle Bauteile erforderlich, die
die Verbindung der strukturellen Basis und der Wärmesenke liefern und der Struktur
Scheerfestigkeit verleihen, so dass das Gewicht des Batteriepakets
im Wesentlichen geringer ist als es in sonstigem Fall wäre. Die
Seitenwände 64,
die auf den seitlichen Seiten des Batteriepakets 62 vorgesehen
sind, dienen hauptsächlich
als Vorhänge,
um Trümmer
aus dem Inneren des Batteriepakets 62 fernzuhalten und
nicht als strukturelle Elemente. In anderen Anwendungen liefern
die Seitenwände
strukturelle Funktionen und können
Verstärkungsbauelemente
besitzen, wie beispielsweise daran angebrachte Querriemen. Die Seitenwände oder
die Enden des Batteriepakets können
verwendet werden, um zusätzliches
Gerät,
wie Schalter, Relais, Verdrahtung, Sensoren, etc. anzubringen.
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6 zeigt
ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Batteriesystems der
Erfindung. Die Batteriezelle 22 wird unter Verwendung bekannter Techniken
bereitgestellt und ausgerüstet,
Bezugszeichen 70. Die elektrische Isolierschicht 36 wird über die
Zylinderoberfläche 28 des
Gehäuses 24 aufgetragen,
Bezugszeichen 72, nachdem zuerst die Fläche 28 mit einem Lösungsmittel,
wie beispielsweise Methyl-Ethyl-Keton gereinigt wurde. Das Glasfasermaterial
wird durch Wickeln und Auflegen in einer nassen, ungehärteten Form
aufgetragen.
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Keine getrennten Klebemittel werden
verwendet, um die elektrisch isolierende Schicht 36 mit dem
Gehäuse 24 bei
dieser bevorzugten Ausführungsform
zu verkleben.
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Die Wärme leitende Schicht 42 wird über die elektrisch
isolierende Schicht bzw. elektrische Isolierschicht 36 aufgetragen,
Bezugszeichen 74. Da die Hauptfunktion der Schicht 42 darin
besteht, Wärme von
dem Gehäuse 24 und
entlang der Länge
der Fasern 44 zu der Wärmesenke 56 zu
leiten, sind die Fasern 44 so gut wie möglich parallel zu der Zylinderachse 30 ausgerichtet,
sie können
jedoch um 10 Grad oder mehr von der Zylinderachse abweichen. Die
Fasern 44 müssen
nicht perfekt zu der Zylinderachse ausgerichtet werden, und Abweichungen
sind erlaubt. Die hoch Wärme
leitenden Kohlestofffasern und die Polymermatrix sind vorzugsweise
durch Auflegen oder Aufwickeln in einer nassen ungehärteten Form
aufgetragen. Um die Form des Gehäuseträgers 26 an
den gewölbten
Enden der Batteriezelle 22 zu definieren, wird zuerst eine
weibliche Gussform mit der gewünschten
endgültigen
inneren Form der Wärme
leitenden Schicht 42 präpariert.
Diese Gussform lässt
Platz an den Enden der Batteriezelle 22, um den Zugriff
auf die Enden zu ermöglichen.
Der Raum wird mit einer plastischen Masse gefüllt. Nachdem die plastische
Masse gehärtet
ist, wird die weibliche Gussform entfernt und das Kompositmaterial
der Wärme
leitenden Schicht 42 wird über die Zylinderoberfläche 28 und
die plastische Masse gewunden.
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Die strukturelle Trägerschicht 48 wird über die
Wärme leitende
Schicht 42 aufgetragen, Bezugszeichen 76. Die
Hauptfunktion der Schicht 48 besteht darin, die Ringspannung
des Batteriezellengehäuses 24 aufzunehmen
und die Belastung, die auf die Batteriezelle 22 wirkt,
auf die strukturelle Basis 60 zu übertragen. Die strukturelle
Trägerschicht 48 ist
deshalb mit Faserverläufen
entworfen, die hinsichtlich struktureller Gesichtspunkte optimiert
sind. Die Optimierung und die Details der Faserausrichtung in der Schicht 48 sind
für ein
bestimmtes Batteriezellendesign spezifisch. Allgemein sind die Fasern
jedoch positioniert, um eine wesentliche Komponente parallel zu
der Umfangsrichtung 31 zu besitzen, um eine Ringfestigkeit
zu liefern, aber ebenso eine Komponente besitzen, die nicht parallel
zu der Umfangsrichtung ist. Gekreuzte Schichten, die in einem Winkel von ±45 Grad
zu der Zylinderachse 30 ausgerichtet sind, werden typischerweise
benutzt, um die Schicht 48 zu bilden, um ausgeglichene
Belastungen zu erreichen. Die Schicht 42 kann entweder über Faserwickeltechnik
oder eine Nassauflegetechnik aufgetragen werden.
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Die Struktur der elektrisch isolierenden Schicht 36,
der Wärme
leitenden Schicht 42 und der strukturellen Trägerschicht 48 wird
auf dem Batteriezellengehäuse 24 ausgehärtet, Bezugszeichen 78. Bei
der bevorzugten Lösung
wird das Aushärten
bei Raumtemperatur in einer Zeit von zumindest acht Stunden erreicht.
Die Matrizen der Schichten 36, 42 und 48 werden
ausgewählt,
um für
eine gemeinsame Aushärtungs-Prozedur
kompatibel zu sein, und diese Auswahl spiegelt sich bei den bevorzugten
Konstruktionsmaterialien wieder, wie zuvor diskutiert. Bei dem Aushärtungsvorgang
verklebt die Schicht 36 mit dem Gehäuse 24, die Schicht 42 verklebt
mit der Schicht 36, und die Schicht 48 verklebt
mit der Schicht 42. Die ausgehärtete Struktur wird soweit
notwendig für die
nachfolgenden Zusammenbauschritte bearbeitet, Bezugszeichen 80.
Bei diesem Bearbeitungsvorgang werden Fenster durch die Schichten 36, 42 und 48 geschnitten
und das plastische Gießmaterial
wird entfernt.
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Die Schritte 70, 72, 74, 76, 78 und 80 werden für jede der
Batteriezellen 22 und Gehäuseträger 26 ausgeführt, wenn
wie in der Ausführungsform
von 5 ein Mehrzellen-Batteriepaket
gefertigt wird.
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Die Wärmesenke 56 wird der
Wärme leitenden
Schicht zugeführt
und an dieser angebracht, Bezugszeichen 82. Die strukturelle
Basis 60 wird geliefert und an der strukturellen Trägerschicht 48 befestigt,
Bezugszeichen 84.
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Die Reihenfolge der Schritte 78, 80, 82 und 84 kann
entsprechend den Details des Aufbaus des Batteriesystems geändert werden.
In einigen Fällen, wie
dargestellt, werden die Wärmesenke
und die strukturelle Basis nach dem Aushärten befestigt.
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In anderen Fällen beispielsweise können die Wärmesenke
und/oder die strukturelle Basis vor dem Aushärten befestigt werden.
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Ein einzelner struktureller Träger wurde
erfolgreich hergestellt, indem die Lösung verwendet wurde, die hier
in den Schritten 70, 72, 74, 76, 78, und 80 beschrieben
wurde, bei einer Flugtyp-Nickel-Wasserstoffzelle mit einem Durchmesser
von etwa 5-1/2 Inches und einer Länge von etwa 14 Inches. Basierend
auf dieser Herstellung wird geschätzt, dass die Lösung der
Erfindung das Gewicht des Batteriepakets eines Weltraumfahrzeugs
um etwa 82 Pounds (1 Pound = 0,454 kg) reduzieren wird.
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Obgleich eine bestimmte Ausführungsform der
Erfindung im Detail zu Darstellungszwecken beschrieben wurde, können verschiedene
Modifikationen und Verbesserungen ausgeführt werden, ohne den Rahmen
der Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.