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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinheit, aufweisend
mehrere in Reihe geschaltete Zellen, die elektrische Energie mit
relativ hoher Ausgangsspannung und großem Ausgangsstrom liefert und
als unterbrechungsfreie Stromversorgungseinheit, Stromversorgungsquelle
für Elektrofahrzeug
und dergleichen geeignet ist. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung eine Wärmeabstrahleinrichtung
und ein Wärmeabstrahlverfahren
für die
Stromversorgungseinheit.
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Als
Stromversorgungsquelle mit hoher Ausgangsspannung und großer Kapazität ist bereits
eine Stromversorgungseinheit vorgeschlagen worden, die mehrere zehn
bis hundert verbundene Zellen aufweist, und in dieser Art von Stromversorgungseinheit
müssen
mehrere Zellen nahe zu einander angeordnet werden, um Platz effizient
zu nutzen. Zu diesem Zweck sind mehrere bis mehrere zehn Zellen
elektrisch in Reihe geschaltet, in einer Reihe angeordnet und mehrere
der Reihen von Zellen sind in den vertikalen und horizontalen Richtungen
unter Verwendung von Batteriehalteelementen parallel angeordnet.
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14 zeigt
ein Beispiel einer herkömmlichen
Stromversorgungseinheit. In dieser Stromversorgungseinheit sind
Batteriehalteelemente 61, die aus Kunstharz, beispielsweise
Propylen, hergestellt sind und die Funktion haben, mehrere Reihen
von Zellen in der horizontalen Richtung zu halten, schichtweise
angeordnet bzw. laminiert und miteinander durch Wärmeschweißen oder
unter Verwendung eines Klebstoffs derart verbunden, dass sie festgesetzt
sind. Mehrere zylindrische Zel len 62 sind in ihrer axialen
Richtung in Reihe geschaltet, um die Reihe von Zellen zu bilden.
Diese Reihe von Zellen ist in einem Batteriehalteabschnitt 61a des Batteriehalteelements 61 aufgenommen.
Die Zellen 62 an den Vorder- und Hinterenden der Reihen
von Zellen sind elektrisch miteinander verbunden, obwohl die Verbindungen
nicht gezeigt sind. Der Kunstharz wird als Material für das Batteriehalteelement 61 verwendet,
um Kurzschluss zwischen den Zellen zu verhindern, und um hohe Verarbeitbarkeit
zu erzielen.
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In
dem Fall, dass mehrere zehn bis hundert Zellen so verbunden sind,
wie vorstehend erläutert,
sind jedoch die Zellen, die innerhalb einer Gruppe von Batterien
angeordnet sind, die mehrere Reihen der Zellen enthalten, stagnierender
Wärme im
Innern aufgrund von Wärmeübertragung
von benachbarten Zellen und dergleichen ausgesetzt, und die Temperaturen
der Zellen, die im Innern angeordnet sind, sind höher als
die Temperaturen der Zellen, die außen zu liegen kommen. Wenn
eine derartige Temperaturdifferenz zwischen den Zellen in der Gruppe
von Batterien auftritt, besteht jedoch die Gefahr, dass Schwankungen
zwischen den Zellen bezüglich
ihrer Lade/Entladeeigenschaften auftreten. Diese Schwankungen verringern
die Zuverlässigkeit er
Stromversorgungseinheit. Um einen Temperaturanstieg aufgrund von
Wärmeerzeugung
in den Zellen 62 zu verhindern, ist ein Verfahren zum Kühlen der
Zellen 62 in Betracht gezogen worden, demnach ein Kühlmittel, wie
etwa Luft, durch die Raumabschnitte 64 zwischen den Reihen
von Zellen geleitet wird.
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In
dem Fall, dass mehrere Zellen kontinuierlich in der Strömungsrichtung
des Kühlmittels
angeordnet sind, absorbiert jedoch das Kühlmittel Wärme von den Zellen, die auf
der strom aufwärtigen
Seite angeordnet sind, und die Temperatur des Kühlmittels steigt. Dieser Temperaturanstieg
verringert den Wirkungsgrad beim Kühlen der Zellen, die auf der
stromabwärtigen
Seite angeordnet sind. Hierdurch werden die Temperaturen der Zellen,
die auf der stromabwärtigen
Seite angeordnet sind, relativ höher
als diejenigen der Zellen, die auf der stromaufwärtigen Seite angeordnet sind.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine hochgradig zuverlässige Stromversorgungseinheit
mit geringen Schwankungen der Eigenschaften zwischen Zellen durch
Verringern der Temperaturdifferenz zwischen den Zellen bereit.
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Eine
Stromversorgungseinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst: Eine Gruppe von Batterien mit mehreren Reihen
von Zellen, die parallel angeordnet sind, wobei die Reihe von Zellen
mehrere zylindrische Zellen umfasst, die in Reihe geschaltet sind;
und Kühlmitteldurchlässe zum
Leiten eines Kühlmittels
durch Raumabschnitte, die zwischen den Reihen von Zellen gebildet
sind, wobei die Kühlmitteldurchlässe umfassen: Hauptkühlmitteldurchlässe, die
den Zellen ausgesetzt sind, die in der Reihe von Zellen angeordnet
sind; und Zusatzkühlmitteldurchlässe, wobei
die stromaufwärtigen
Seiten der Zusatzkühlmitteldurchlässe von
den Reihen von Zellen isoliert sind, und wobei die stromabwärtigen Seiten
hiervon mit den Hauptkühlmitteldurchlässen in
Positionen verbunden sind, welche den Mittelstrom- bzw. stromabwärtigen Seiten
der Reihen von Zellen entsprechen.
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Querschnittsflächen der
Raumabschnitte auf der stromabwärtigen
Seite können
kleiner sein als die Querschnittsflächen der Raumabschnitte auf
den stromaufwärtigen
Seiten in Bezug auf die Strömungsrichtung des
Kühlmittels.
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Oberflächen der
Zellen, die dem Kühlmittel
auf der stromabwärtigen
Seite der Reihen von Zellen ausgesetzt sind, können größer ausgelegt sein als die
Oberflächen
der Zellen, die dem Kühlmittel
auf der stromaufwärtigen
Seite ausgesetzt sind.
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Der
Zwischenraum zwischen den Reihen von Zellen im zentralen Abschnitt
einer Querschnittsebene senkrecht zu der Anordnungsrichtung der
Reihe von Zellen kann größer gemacht
werden als der Zwischenraum zwischen den Reihen von Zellen, die
sich jeweils an dem peripheren Abschnitt anschließen.
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Die
Stromversorgung kann Batteriehaltemittel zum Halten von mehreren
der Reihen von Zellen in paralleler Ausrichtung umfassen, wobei
die Batteriehalteelemente aus Metall hergestellt sind und eine Isolationsschicht
auf der Oberfläche
aufweisen, die mit den Reihen von Zellen in Kontakt steht.
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Außerdem ist
bevorzugt, dass das Batteriehalteelement mit Abstrahlabschnitten
versehen ist, die zur Außenseite
freiliegen bzw. der Außenseite
ausgesetzt sind, bzw. dass die Kühlmitteldurchlässe zwischen
den Reihen von Zellen vorgesehen sind.
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Das
Wärmeabstrahlverfahren
für die
Stromversorgungseinheit in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung kommt zur Anwendung auf eine Stromversorgungseinheit,
aufweisend eine Gruppe von Batterien mit mehreren von parallel angeordneten Zellen,
wobei die Reihe von Zellen mehrere in Reihe geschaltete zylindrische
Zellen umfasst.
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Dieses
Verfahren umfasst die Schritte, ein Kühlmittel durch Raumabschnitte,
die zwischen den Reihen von Zellen gebildet sind, in der Richtung
der Reihen von Zellen zu leiten, um die Zellen in der Reihe zu kühlen, und
das Kühlmittel
ausschließlichen
Positionen entsprechend der Mittelstrom- bzw. stromabwärtigen Seite
der Reihen von Zellen und darauf folgend getrennt zu leiten.
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Das
Wärmeabstrahlverfahren
für die
Stromversorgungseinheit kann den Schritt umfassen, ein Kühlmittel
durch Raumabschnitte, der zwischen den Reihen von Zellen in der
Richtung der Reihen von Zellen gebildet ist, zu leiten, wobei die
Oberflächen
der Zellen, die dem Kühlmittel
auf der stromaufwärtigen
Seite der Reihen von Zellen ausgesetzt sind, kleiner gemacht sind
als die Oberflächen
der Zellen, die dem Kühlmittel
in Positionen entsprechend der Mittel- oder stromabwärtigen Seite
der Reihen von Zellen und darauf folgend ausgesetzt sind.
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Während die
neuartigen Merkmale der Erfindung insbesondere in den anliegenden
Ansprüchen
festgelegt sind, lässt
sich die Erfindung sowohl hinsichtlich ihres Aufbaus wie ihres Inhalts
besser verstehen und würdigen,
zusammen mit weiteren Aufgaben und Merkmalen der Erfindung aus der
nachfolgend detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Stromversorgungseinheit in einem
Beispiel der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine Seitenschnittansicht einer Kühleinrichtung der Stromversorgungseinheit.
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3 zeigt
eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Ansicht einer Stromversorgungseinheit
in einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht, teilweise aufgebrochen, von einer
Stromversorgungseinheit in noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden
Erfindung.
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5A zeigt eine Vorderansicht einer Stromversorgungseinheit
in noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung und 5B zeigt eine perspektivische Ansicht
eines Adapters, der für
die Stromversorgungseinheit verwendet wird.
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6 zeigt
eine Vorderansicht einer Stromversorgungseinheit in einem weiteren
Beispiel der vorliegenden Erfindung.
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7A zeigt eine Seitenschnittansicht einer
Kühleinrichtung
der Stromversorgungseinheit und 7B zeigt
eine perspektivische Ansicht eines für die Stromversorgungseinheit
verwendeten Adapters.
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8 zeigt
eine Vorderansicht einer Stromversorgungseinheit in noch einem weiteren
Beispiel der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
ein Kennliniendiagramm der Zellentemperaturverteilung in Richtung
der Reihen von Zellen der Stromversorgungseinheiten in den Beispielen
der vorliegenden Erfindung.
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10 zeigt
ein Kennliniendiagramm einer Batterietemperaturverteilung in Richtung
der Reihen von Zellen der Stromversorgungseinheiten in den Beispielen
der vorliegenden Erfindung.
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11 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Batteriehalteelements, das für eine Stromversorgungseinheit
in noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet
wird.
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12 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Stromversorgungseinheit.
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13 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Batteriehalteelements, das für alle Stromversorgungseinheiten
in einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet
wird.
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14 zeigt
eine Vorderansicht einer Stromversorgungseinheit in einem Vergleichsbeispiel.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Beispiele
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung werden nunmehr unter Bezug auf die Zeichnungen
näher erläutert.
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BEISPIEL 1
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Eine
Stromversorgungseinheit gemäß dem vorliegenden
Beispiel 1 ist in 1 und 2 gezeigt.
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In
jedem unterteilten Batteriehalteabschnitt 3 des Batteriehalteelements 2 sind
mehrere zylindrische Zellen 1 in einer Reihe ausgerichtet,
wobei ihre axialen Richtungen fluchten und elektrisch in Reihe geschaltet, um
eine von Zellen zu bilden. Mehrere der Reihen von Zellen sind in
den vertikalen und horizontalen Richtungen angeordnet, wodurch eine
Gruppe von Batterien gebildet wird. Ein Hauptkühlmitteldurchlass 5 ist
durch den Raumabschnitt zwischen Seitenwänden des Batteriehalteabschnitts 3 und
der Reihe von Zellen gebildet. Ein Zusatzkühlmitteldurchlass 4 ist
zwischen jeweils zwei benachbarten Batteriehalteabschnitten 3 angeordnet,
die in horizontaler Richtung positioniert sind.
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Wenn
ein Kühlmittel,
wie etwa Luft, der Gruppe von Batterien in den Richtungen zugeführt wird,
die in 2 mit Pfeilen bezeichnet ist, strömt das Kühlmittel
in die Hauptkühlmitteldurchlässe 5 und
die Zusatzkühlmitteldurchlässe 4.
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Das
Kühlmittel,
welches in die Hauptkühlemittel 5 zuströmt, kühlt sämtliche
Zellen in den Reihen von Zellen, die in den Batteriehalteelementen 3 angeordnet
sind. Außerdem
vereinigt sich das Kühlmittel,
welches in die Zusatzkühlmitteldurchlässe 4 eingeströmt ist,
mit dem Kühlmittel,
welches durch die Hauptkühlmitteldurchlässe 5 strömt, und
zwar über
Schlitze 4a, die in Mittelstromteil und stromabwärtigem Teil
des Kühlmittels gebildet
sind. Da das Kühlmittel,
welches in die Hauptkühlmitteldurchlässe 5 zuströmt, Wärme absorbiert,
die in den Zeilen 1 erzeugt wird, wenn es in Richtung zur
stromabwärtigen
Seite strömt,
steigt die Temperatur des Kühlmittels
allmählich.
Der Kühlwirkungsgrad
für die
Zellen 1 wird dadurch allmählich verringert. Um dieses Problem
zu überwinden,
wird ein neues Kühlmittel,
welches von den Zellen 1 isoliert und nicht verwendet worden
ist, die Zellen 1 zu kühlen,
ausgehend von Zusatzkühlmitteldurchlässen 4 zugeführt und
mit den Hauptkühlmitteldurchlässen 5 im
Mittelstromabschnitt und stromabwärtigen Abschnitt vereinigt.
Dieses Verfahren senkt die Temperatur des Kühlmittels und erhöht den Kühlwirkungsgrad
für die
Zellen 1 in den Mittelstrom- und stromabwärtigen Seiten
der Reihen von Zellen.
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Die
Querschnittsfläche
des Kühlmitteldurchlasses
wird außerdem
deutlich kleiner in der stromabwärtigen
Seite des Kühlmitteldurchlasses,
wodurch die Geschwindigkeit der Kühlmittelströmung größer wird. Auch dies führt zu einer
Erhöhung
des Kühlwirkungsgrads.
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Die
vorstehend genannten Maßnahmen
sind geeignet, einen Anstieg von Temperaturen in der Zellen 1 in
der stromabwärtigen
Seite der Reihen von Zellen zu unterbinden, wodurch Temperaturdifferenzen
in den Richtungen der Reihen von zellen verringert werden. Folglich
können
Schwankungen bezüglich
des Ladens/Entladens und der Lebensdauereigenschaften der Zellen
aufgrund einer Temperaturdifferenz unterdrückt werden. Dadurch kann eine
Stromversorgungseinrichtung bereitgestellt werden, die sich durch
hohe Stabilität auszeichnet.
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Der
Zusatzkühlmitteldurchlass
kann nebenbei gesagt zylindrische Form oder andere Formen besitzen. Außerdem können die
Anzahl von Zusatzkühlmitteldurchlässen und
ihre Positionen gegebenenfalls abhängig von den Arbeitsumgebungsbedingungen
und dergleichen geändert
werden.
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BEISPIEL 2
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Eine
Stromversorgungseinheit gemäß dem vorliegenden
Beispiel ist in 3 gezeigt.
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Eine
Reihe von Zellen, in welcher mehrere Zellen 6 in Reihe
geschaltet sind, ist in einem Batteriehalteabschnitt 8 eines
Batteriehalteelements 7 angeordnet. Die Raumabschnitte
in dem Batteriehalteabschnitt 8, die eine Reihe von Zellen
aufnehmen, dienen als Hauptkühlmitteldurchlässe 11.
Ein Kühlmittel,
welches in die Hauptkühlmitteldurchlässe 11 zuströmt, kühlt sämtliche
Zellen 6, welche die Reihe von Zellen bilden. Außerdem ist
ein weiteres Kühlmittel,
welches in die schlitzartigen Zusatzkühlmitteldurchlässe 9a zuströmt, der
zwischen den Batteriehalteabschnitten gebildet ist, die in horizontaler
Richtung angeordnet sind, von den Zellen 6 isoliert, welche
in der stromaufwärtigen
Seite der Reihe von Zellen angeordnet sind, wie im Fall des Beispiels 1.
In den Mittelstrom- und
nachfolgenden Stromseiten der Reihe von Zellen strömt das Kühlmittel
ausgehend von den Schlitzen 9a in die Hauptkühlmitteldurchlässe 11 in
einem Zustand, in welchem es auf niedriger Temperatur gehalten ist.
Außerdem
ist das in den kanalartigen Zusatzkühlmitteldurchlass 9b zuströmende Kühlmittel
von den Zellen 6 isoliert, die auf der stromaufwärtigen Seite
der Reihe von Zellen angeordnet sind, und strömt in die Hauptkühlmitteldurchlässe 11 in
einem Zustand, in welchem es auf niedriger Temperatur gehalten ist.
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Im
Fall der Stromversorgungseinheit mit den schlitzartigen Zusatzkühlmitteldurchlässen 9a besteht Gefahr,
dass die effiziente Ausnutzung des Raums zur Aufnahme der Zellen 6 verringert
ist, obwohl die Durchlässe
problemlos herstellbar sind. Im Fall der Stromversorgungseinheit
mit den kanalartigen Zusatzkühlmitteldurchlässen 9b ist
die effiziente Raumnutzung nicht verringert, weil die Durchlässe in Räumen zwischen
den Reihen von Zellen gebildet werden können. In dem vorliegenden Beispiel
werden sowohl kanalartige wie schlitzartige Zusatzkühlmitteldurchlässe verwendet.
Es können
jedoch Zusatzkühlmitteldurchlässe ausschließlich durch
die kanalartigen Zusatzkühlmitteldurchlässe gebildet
werden.
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Außerdem sind
in den Ecken des Batteriehalteabschnitts 8 auf der stromabwärtigen Seite
Elemente 10 derart gebildet, dass die Querschnittsfläche der
Hauptkühlmitteldurchlässe 11 in
Richtung zur stromabwärtigen
Seite allmählich
kleiner wird. In dieser Struktur kann die Geschwindigkeit des Kühlmittels,
welches durch die Hauptkühlmitteldurchlässe 11 strömt, verringert
werden, wodurch der Kühlwirkungsgrad
der Zellen 6 auf der stromabwärtigen Seite der Reihe von
Zellen erhöht
wird.
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BEISPIEL 3
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4 zeigt
ein Batteriehalteelement einer Stromversorgungseinheit gemäß dem vorliegenden
Beispiel.
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Dieses
Batteriehalteelement 12 dient zum Verkleinern des Temperaturgradienten
in einer Gruppe von Batterien und zum Ver hindern, dass auf den stromabwärtigen Seiten
von Kühlmitteldurchlässen angeordnete Zellen
zu stark bzw. überkühlt werden,
und zwar abhängig
von den Arbeitsumgebungsbedingungen der Stromversorgungseinheit.
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Zylindrische
Zellenschutzabschnitte 13 mit einem Innendurchmesser, welcher
einem Außendurchmesser
einer zylindrischen Zelle entspricht, die darin angeordnet werden
soll, sind auf den stromaufwärtigen Seiten
der Kühlmitteldurchlässe des
Batteriehalteelements 12 gebildet. Zylindrische Zellen
sind in einer Reihe im Batterieschutzabschnitt 12 angeordnet
und ein Batteriehalteabschnitt 14 ist auf der stromabwärtigen Seite des
Batterieschutzabschnitts 13 angeordnet. Ein Zusatzkühlmitteldurchlass 16 mit
Schlitzen 16a ähnlich
denjenigen des Beispiels 1 ist auf der stromabwärtigen Seite ausgehend von
dem Batterieschutzabschnitt 13 gebildet. Kühlmittel
strömt
in die Gruppe von Batterien ausgehend von offenen Kühlmitteleinlassöffnungen 15 von Raumabschnitten,
die zwischen den Batterieschutzabschnitten 13 gebildet
sind, die parallel ausgebildet sind. Die Zellen auf den stromaufwärtigen Seiten
der Reihen von Zellen sind auf ihren Umfangsflächen durch die Batterieschutzabschnitte 13 eng
bzw. dicht abgedeckt. Die Oberflächen
der Zellen auf der stromaufwärtigen Seite
sind deshalb dem strömenden
Kühlmittel
weniger ausgesetzt. Diese abgedeckten Zellen werden deshalb weniger
stark gekühlt
und ihre Temperaturen werden weniger herabgesetzt. Das in das Batteriehalteelement 12 zuströmende Kühlmittel
durchsetzt die Raumabschnitte, welche zwischen den Batterieschutzabschnitten 13 gebildet
sind, strömt
und verzweigt zu den Kühlmitteldurchlässen, welche
durch. die Raumabschnitte in dem Batteriehalteabschnitt 14 und
den Zusatzkühlmitteldurchlässen 16 gebildet
sind. Da das in die Hauptkühlmitteldurchlässe strömende Kühl mittel
weniger Wärmemenge
auf der stromaufwärtigen
Seite der Reihe von Zellen absorbiert, steigt die Temperatur des
Kühlmittels
weniger, wenn das Kühlmittel
die Zellen auf den Mittenstrom- und stromabwärtigen Seiten erreicht. Folglich
ist der Kühlwirkungsgrad
im Mittelstromteil und stromabwärtigen
Teil vergrößert.
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Durch
Bereitstellen der Zusatzkühlmitteldurchlässe 16 kann
außerdem
der Kühlwirkungsgrad
für die Zellen,
die auf der stromabwärtigen
Seite angeordnet sind, erhöht
werden aufgrund eines Effekts ähnlich
demjenigen, der durch das Beispiel 1 erhalten wird.
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Die
vorstehend genannte Struktur ist geeignet, eine Temperaturdifferenz
zwischen den Zellen auf der stromaufwärtigen Seite und den Zellen
auf der stromabwärtigen
Seite zu verringern, und sie ist geeignet, zu verhindern, dass die
Zellen auf der stromaufwärtigen
Seite zu stark bzw. überkühlt werden.
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BEISPIEL 4
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5A zeigt eine allgemeine Ansicht einer
Stromversorgungseinheit gemäß dem vorliegenden
Beispiel. Das Batteriehalteelement 17, welches für diese
Stromversorgungseinheit verwendet wird, ist ähnlich zu einem in 14 gezeigten
herkömmlichen
Batteriehalteelement und es besteht aus Kunstharz, wie etwa Polypropylen.
Mehrere Batteriehalteelemente 17 mit gewellter Plattenform
sind laminiert bzw. schichtweise angeordnet, und ihre Enden sind
durch Wärmeschweißen oder
dergleichen verbunden. Ebenso wie im Fall des Beispiels 1 sind mehrere
Zellen 19 in Reihe geschaltet, um eine Reihe von Zellen zu
bilden. Mehrere dieser Reihen von Zellen sind durch gewellte Batteriehalteabschnitte 18 des
Batteriehalteelements 17 in der horizontalen Richtung unterteilt
und parallel so angeordnet, dass sie in dreidimensionaler Weise
eine Gruppe von Batterien bilden.
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Die
Stromversorgungseinheit gemäß diesem
Beispiel wird erhalten durch Anordnen von Reihen von Zellen, die
in vorbestimmten Positionen in den Batteriehalteabschnitten 18 angeordnet
sind durch Adapter 20, wie in 5B gezeigt.
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Bei
dem Adapter 20 handelt es sich um einen einendig geschlossenen
Zylinder, dessen Außenform allgemein
identisch zu derjenigen der Reihe von Zellen gemacht ist. Seine
Umfangswandung ist außerdem
mit Durchgangslöchern 20a in
zentralen und geschlossenen Bodenabschnitten gebildet.
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Diese
Adapter werden zusammen mit den Reihen von Zellen in den Batteriehalteelementen 17 angeordnet,
wobei die geschlossenen Enden der Adapter 20 in Richtung
zur stromabwärtigen
Seite der Kühlmittelströmungsrichtung
weisen. Mit dieser Anordnung können
die Adapter 20 als Zusatzkühlmitteldurchlässe in Beispiel
1 dienen.
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Mit
dieser Methode bzw. diesem Verfahren ist für Kühlzwecke keine spezielle Struktur
erforderlich. Durch einfaches Verwenden der Adapter 20 kann
das herkömmliche
Batteriehalteelement so genutzt werden, wie es ist.
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Die
innerhalb der Gruppe von Batterien angeordneten Zellen, die durch
Stagnieren der Wärme
erwärmt
werden können,
können effektiv
gekühlt
werden durch dichteres Anordnen der Adapter 20 innerhalb
der Gruppe von Batterien.
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Dieses
Verfahren kann außerdem
auf verschiedene Arbeitsumgebungen angewendet werden durch Ändern der
Anzahl von Adapter 20, die die Reihen von Zellen ersetzen
sollen.
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BEISPIEL 5
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Eine
Stromversorgungseinheit gemäß dem vorliegenden
Beispiel ist nachfolgend unter Bezug auf 6, 7A und 7B erläutert. Ein
herkömmliches
Batteriehalteelement ähnlich
demjenigen, das in Beispiel 4 verwendet wird, kann auch in der Stromversorgungseinheit
gemäß dem vorliegenden
Beispiel verwendet werden.
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Eine
Reihe aus mehreren Zellen 25, die in Reihe geschaltet sind,
ist in einem zylindrischen Adapter 23 aufgenommen, der
beidendig offen ist, wie in 7 gezeigt.
Vorsprünge 23a sind
auf der Innenseite des Adapters 23 in seiner axialen Richtung
gebildet, wie in 7A gezeigt. Hauptkühlmitteldurchlässe 27 sind durch
Raumabschnitte zwischen der Innenwand und des Adapters 23 und
den Zellen 25 gebildet, wie in 7A gezeigt.
Durchgangslöcher 23b sind
außerdem
in der Umfangswandung des Adapters 23 an seinen zentralen
und Bodenabschnitten gebildet.
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Abschnitte
des Batteriehalteelements 22, ausschließlich Abschnitten, die mit
dem stromabwärtigen Ende
des Adapters 23 Kontakt aufnehmen, sind durch Dichtungsabschnitte 26 verschlossen.
Ein Kühlmittel, welches
die Außenräume des
Adapters 23 durchsetzt, d. h., die Zusatzkühlmitteldurchlässe 24, strömt in den Adapter 23 ausgehend
von den Durchgangslöchern 23b,
weil das stromabwärtige
Ende abgedichtet ist. Das Kühlmittel
kühlt die
Zellen 25, die auf den Mittelstrom- und stromabwärtigen Seiten
der Reihe von Zellen angeordnet sind, woraufhin das Kühlmittel
aus der Stromversorgungseinheit ausgetragen wird.
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BEISPIEL 6
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8 zeigt
eine Stromversorgungseinheit gemäß dem vorliegenden
Beispiel. Eine Wärmeabstrahleinrichtung
dieser Stromversorgungseinheit verringert Temperaturdifferenz in
einer Richtung senkrecht zu den Reihen von Zellen 29, die
in Reihe geschaltet sind.
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In
dem Fall, dass eine Gruppe von Batterien, enthaltend mehrere Reihen
von Zellen, parallel mit konstanten Zwischenräumen in den vertikalen und
horizontalen Richtungen angeordnet sind, besteht die Gefahr, dass
stagnierende Wärme
im zentralen Abschnitt der Gruppe von Batterien zurückbleibt,
und die Temperaturen der Zellen dazu neigen, zu steigen.
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Im
Fall einer in 8 gezeigten Struktur sind andererseits
die Raumabschnitte 32 gebildet, indem sie die Reihen von
Zellen in Batteriehalterungsabschnitten 30 in gewünschten
Positionen im zentralen Abschnitt eines Batteriehalteelements 31 in
eine Ebene senkrecht zu den Reihen von Zellen nicht aufnehmen, welche die
Gruppe von Batterien bilden. Dadurch, dass Kältemittel durch die Raumabschnitte 32 strömt, die
zwischen den Reihen von Zellen gebildet sind, welche die Gruppe
von Batterien bilden, wird der Kühlwirkungsgrad
im zentralen Abschnitt erhöht,
in welchem die Gefahr besteht, dass Wärme stagniert. Hierdurch kann
ein Temperaturanstieg im zentralen Abschnitt in der Ebene verhindert
werden.
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Diese
Stromversorgungseinheit verwendet Batteriehalteelemente ähnlich denjenigen,
die in Beispiel 4 verwendet werden. Wie vorstehend erläutert, kann
eine Temperaturdifferenz in der Gruppe von Batterien verringert
werden unter Verwendung eines einfachen Aufbaus.
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Das
Batteriehalteelement gemäß dem vorliegenden
Beispiel besitzt eine einfache Struktur, wie vorstehend angesprochen.
Eine ähnliche
Wirkung wie diejenige, die erhalten wird unter Verwendung des Batteriehalteelements
kann jedoch auch erhalten werden unter Verwendung eines Batteriehalteelements ähnlich demjenigen,
das in den Stromversorgungseinheiten gemäß den Beispielen 1 bis 5 verwendet
wird, vorausgesetzt, die Größen der
Raumabschnitte zwischen den Reihen von Zellen in dem zentralen Abschnitt
werden größer gemacht
als diejenigen im peripheren Abschnitt.
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VERGLEICHSBEISPIEL
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Eine
in 14 gezeigte Stromversorgungseinheit wird als Vergleichsbeispiel
verwendet. In der Stromversorgungseinheit sind Reihen von Zellen
in einem Batteriehalteelement 61 ähnlich angeordnet wie im Beispiel
4 und im Beispiel 6. Ein Kühlmittel
strömt
in Richtung der Reihen von Zellen.
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Die
Stromversorgungseinheiten gemäß den Beispielen
1 bis 6 und dem Vergleichsbeispiel wurden so untersucht, wie nachfolgend
erläutert,
und zwar unter Bezug auf die Temperaturverteilung im Betrieb. In
jeder Stromversorgungseinheit, die für die Untersuchung verwendet
wurde, bildeten sechs identische Zellen eine Reihe und insgesamt
40 Reihen von Zellen waren parallal angeordnet. Jedes Batteriehalteelement
bestand aus Polypropylen und hatte eine Wanddichte von ungefähr 3 mm.
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Die
Gruppe von Batterien jeder Stromversorgungseinheit wurde mit 1 A
bei 24°C
geladen. Wenn die Oberflächentemperaturen
der Zellen 50°C
erreichten, wurde ein Gebläse
aktiviert, um Luft mit einem Durchsatz von 3 l/cm2 in
Richtung der Reihen von Zellen strömen zu lassen, welche die Gruppe
von Batterien bilden. Die Oberflächentemperaturen
der Zellen wurden 2 Stunden nach Start des Gebläsebetriebs gemessen.
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Die
in der zweiten Reihe ausgehend von der äußersten Reihe angeordneten
Zellen wurden gemessen. Thermoelemente wurden verwendet, um die
Oberflächentemperaturen
von Zellen zu messen, die 50 mm (Punkt 1), 170 mm (Punkt 2), 260
mm (Punkt 3) und 340 mm (Punkt 4) in Richtung ausgehend vom stromaufwärtigen Ende
bis zur Reihe von Zellen mit einer Länge von 370 mm gemessen.
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9, 10 und
Tabelle 1 zeigen die Ergebnisse der Messung.
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In Übereinstimmung
mit diesem Ergebnis überstiegen
im Fall der Stromversorgungseinheit gemäß dem Vergleichsbeispiel die
Oberflächentemperaturen
der Zellen auf der stromabwärtigen
Seite der Gruppe von Batterien 40°C,
und die Temperaturdifferenz zwischen den Zellen, die stromaufwärts und
stromabwärts
zu lagen kamen, betrug etwa 9°C.
Im Fall der Stromversorgungseinheit von jedem Beispiel in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung kann die Temperaturdifferenz auf etwa
die Hälfte
der Temperaturdifferenz im Fall der Stromversorgungseinheit des
Vergleichsbeispiels herabgesetzt werden. Selbst dann, wenn die Stromversorgungseinheit
gemäß Beispiel
3, bei der die Oberflächen
der Zellen auf der stromaufwärtigen
Seite der Gruppe von Batterien mit den Batterieschutzabschnitten
abgedeckt waren, unterscheiden sich die Oberflächentemperaturen der Zellen
auf der stromaufwärtigen
Seite nicht stark von denjenigen der Zellen in den Stromversorgungseinheiten
weiterer Beispiele. Insbesondere ist die Temperaturdifferenz zwischen
stromaufwärts
und stromabwärts
kleiner als diejenige in den Stromversorgungseinheiten der übrigen Beispiele.
Es wird davon ausgegangen, dass dies aufgrund von folgendem erzielt
werden kann. Die Zellen auf der stromaufwärtigen Seite werden mit niedrigerem
Wirkungsgrad direkt gekühlt.
Andererseits werden die Zellen auf den Mittelstrom- und stromabwärtigen Seiten
mit höherem
Wirkungsgrad gekühlt,
im Gegensatz zu den niedrigerem Wirkungsgrad der Zellen auf der
stromaufwärtigen
Seite. Folglich werden die Zellen auf der stromaufwärtigen Seite
durch Wärmeübertragung
zwischen Zellen, die miteinander verbunden sind, gekühlt. Wie
vorstehend erläutert,
kann ein Temperaturanstieg der Zellen unterbunden werden, und die
Temperaturdifferenz zwischen den Batterien kann in den Stromversorgungseinheiten
gemäß sämtlicher
Beispiele (gemäß der Erfindung)
verringert werden.
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BEISPIEL 7
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Die
vorstehend angeführten
Beispiele werden dazu verwendet, Strukturen von Batterieaufnahmeeinheiten
zu untersuchen. Das Beispiel 7 wird verwendet, um Materialien der
Aufnahmeeinheiten zu untersuchen.
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Eine
Isolationsschicht, die aus Fluorkohlenstoffharz oder dergleichen
hergestellt ist, wird auf der Oberfläche eines plattenartigen Substrats
gebildet, das aus einem Material überlegener Wärmeleitfähigkeit
hergestellt ist, wie etwa Zink, Eisen oder Aluminium. Die Isolationsschicht
kann durch eine beliebiges gewünschtes Verfahren
gebildet werden. In einem Fall wird Aluminium als Material verwendet,
und das Aluminium kann einer Alumit-Verarbeitung unterworfen werden,
demnach eine Aluminiumoxidschicht auf seiner Außenfläche gebildet ist.
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Ferner
kann ein kommerziell erhältliches
Material verwendet werden, bei dem es sich um eine Metallplatte
handelt, die bereits mit einer Isolationsschicht beschichtet ist
("VINYEVER", hergestellt von
Daido Steel Sheet Corporation, beispielsweise).
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Die
auf der Oberfläche
des Metallsubstrats gebildete Isolationsschicht verhindert Kurzschlüsse zwischen
den Zellen. Die Isolationsschicht erhöht außerdem die Korrosionsbeständigkeit
des Batteriehalteelements in Abschnitten, die im Kontakt mit den
Zellen stehen, und im Abschnitt, der den Kühlmitteldurchlässen ausgesetzt
ist, oder der Außenseite
ausgesetzt ist.
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Die
Metallplatte mit einer Isolationsschicht auf einer ihrer Oberflächen, wie
vorstehend erläutert,
ist in die in 11 gezeigte Form verarbeitet
worden, wodurch ein Batteriehalteelement 41 gewonnen wurde,
das verwendet wird, Zellen zu halten. In dem in 11 gezeigten
Batteriehalteelement 41 können die Reihen von Zellen
(jede Reihe mit sechs Zellen ist in Reihe geschaltet), parallel
in den Batteriehalteabschnitten 41a angeordnet wird, die
innerhalb eines Paars von Seitenwänden 41c zu liegen
kommen.
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Eine
vorbestimmte Anzahl von Batteriehalteelementen 41 sind
in den vertikalen und horizontalen Richtungen angeordnet. Zungenabschnitte 41b dieser
Batteriehalteelemente 41 sind miteinander durch Schweißen, Nieten
oder dergleichen verbunden. Die Batteriehalteelemente 41,
die an den rechten und linken Enden zu liegen kommen, sind jeweils
mit einer Seitenplatte 44 fest verbunden. Eine in 12 gezeigte
Stromversorgungseinheit kann erhalten werden durch Aufnehmen von
Zellen 45 in den Batteriehalteelementen 41. In
der tatsächlichen
Praxis sind die aufgenommenen Reihen von Zellen elektrisch miteinander
verbunden, obwohl diese Verbindungen nicht gezeigt sind.
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Wenn
ein Metall hoher Wärmeleitfähigkeit
für die
Batteriehalteelemente 41 der Stromversorgungseinheit verwendet
wird, kann in den Zellen 45 erzeugte Zelle sofort zu den
Batteriehalteelementen 41 übertragen werden. Die Temperaturdifferenz
in den Batteriehalteelementen 41 wird außerdem verringert
aufgrund der überlegenen
Wärmeleitfähigkeit
der Batteriehal teelemente 41, wodurch eine Temperaturdifferenz
zwischen den Zellen 45 verringert wird. Die Stromversorgungseinheit
weist außerdem
Kühlmitteldurchlässe 46 auf,
die durch die Seitenwände 41c der
Batteriehalteelemente 41 gebildet sind, die miteinander
verbunden sind. Kühlmittel
durchsetzt Raumabschnitte 47 in den Batteriehalteelementen 41 in
Richtung der Reihen von Zellen und es durchsetzt außerdem die
Kühlmitteldurchlässe 46.
Die Zellen 45 werden durch das Kühlmittel gekühlt, welches
in die Raumabschnitte 47 zugeströmt ist. Außerdem sind die Seitenwände 41c der
Batteriehalteelemente 41 den Kühlmitteldurchlässen 46 ausgesetzt
und dienen als Wärmeabstrahlabschnitte.
Wie in 13 gezeigt, können außerdem zusätzliche
Kühlmitteldurchlässe ähnlich denjenigen
der Stromversorgungseinheit des Beispiels 1 gebildet werden durch
Bereitstellen von Kanälen 51d zum
Leiten von Kühlmittel
innerhalb der Batteriehalteelemente 51 auf den Seitenwänden 51c der
Batteriehalteelemente 51, die den Kühlmitteldurchlässen ausgesetzt
sind. Diese Struktur erhöht
zusätzlich
den Kühlwirkungsgrad
für die
Zellen.
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Die
Isolationsschicht, die auf die Oberfläche des Batteriehalteelements
aufgetragen ist, kann gebildet werden, nachdem die Batteriehalteelemente
miteinander verbunden und integriert sind. Wenn die Batteriehalteelemente
durch Schweißen
verbunden sind bzw. werden, kann die Isolationsschicht durch Wärme beeinträchtigt oder
beschädigt
werden, und die Isolation kann deshalb verringert werden. Die Isolationsschicht
sollte deshalb bevorzugt gebildet werden, nachdem die Batteriehalteelemente
miteinander vereinigt worden sind.
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Metallmaterial
höherer
Wärmeleitfähigkeit,
in welchem ein Wärmemedium,
wie etwa Chlorfluorkohlenstoff dicht einge schlossen ist, kann für das Batteriehalteelement
verwendet werden. Kohlenstoffstahl kann außerdem als Basismaterial für das Batteriehalteelement
verwendet werden. In diesem Fall ist das Basismaterial einer Rostunterbindungsbehandlung,
wie etwa Zn-Galvanisieren, Zn-Ni-Galvanisieren oder Zn-Cr-Galvanisieren, unterworfen,
und daraufhin wird eine Isolationsschicht auf der Oberfläche des
Basismaterials gebildet. Legierungsstahl, wie etwa Chromstahl oder
Edelstahl, kann außerdem
als Basismaterial herangezogen werden. Wenn Edelstahl verwendet
wird, kann dieser eine Rostunterbindungsbehandlung gegebenenfalls
unterworfen werden. Das Gewicht des Elements kann darüber hinaus
verringert werden durch Verwenden einer leichtgewichtigen Legierung,
wie etwa einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung.
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Die
Isolationsschicht kann aus einem bekannten Material, wie etwa Fluorkohlenstoffharz,
Polyvinylchlorid oder Polyester, hergestellt sein.
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Das
Batteriehalteelement, das aus Metall hergestellt ist, kann, wie
vorstehend angesprochen, eine höhere
Wärmeleitfähigkeit
besitzen als das aus Kunstharz hergestellte Batteriehalteelement.
Eine Temperaturdifferenz zwischen Zellen kann dadurch verringert
werden, wodurch Schwankungen beim Laden/Entladen und bezüglich der
Lebensdauereigenschaft und dergleichen von Zellen aufgrund von Temperaturdifferenz
verringert werden können.
Das Material kann außerdem
eine weitaus größere mechanische
Festigkeit aufweisen und sein Leistungsvermögen kann verbessert sein, wie
etwa Stoßbeständigkeit.
Da das Material bezüglich
mechanische Festigkeit und Verarbeitbarkeit außerdem überlegen ist, ist die Form
des Batteriehalteelements nicht auf die in den vorstehend ange führten Beispielen
erläuterten
Formen beschränkt;
vielmehr sind zahlreiche unterschiedliche Formen für entsprechende
Anwendungen geeignet. Hierdurch wird signifikant der Freiheitsgrad
bei der Konstruktion des Batteriehalteelements erhöhte werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung im Hinblick auf die aktuell bevorzugten
Ausführungsformen
erläutert wurde,
wird bemerkt, dass diese Offenbarung nicht als beschränkend anzusehen
ist. Zahlreiche Abwandlungen und Modifikation erschließen sich
dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik, an welchen sich die
vorliegende Erfindung wendet, nachdem dieser die vorstehende Offenbarung
gelesen hat. Die anliegenden Ansprüche sind deshalb als sämtlich Abwandlungen
und Modifikationen abdeckend zu interpretieren, die in den Umfang
der Erfindung fallen.
