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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul, insbesondere
für ein
Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb.
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Energiespeicherpackages,
insbesondere Energiespeicherpackages für Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb,
sind bekannt.
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Als
Hybridantrieb bezeichnet man die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien
oder verschiedener Energiequellen für eine Antriebsaufgabe innerhalb
einer Anwendung. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge
genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine und eine elektrische
Maschine auf. Für
zukünftige
Hybridantriebe ist auch die Kombination einer Batterie mit einer
Brennstoffzelle denkbar. Die elektrische Maschine ist i. d. R. als
Starter-Generator ausgeführt,
ersetzt somit Anlasser und Lichtmaschine, kann ein zusätzliches
Boost-Moment, d.
h. Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb beitragen und ermöglicht die
Rekuperation von Bremsenergie. Bei ausreichend elektrischer Leistung
ist auch rein elektrisches Fahren möglich. Weiterhin weisen Hybridfahrzeuge
einen oder mehrere Energiespeicher auf. Der Energiespeicher kann zum
Starten und auch für
Beschleunigungsvorgänge (Boost-Betrieb)
genutzt werden. Der Energiespeicher wird während der Fahrt über den
Generator vom Verbrennungsmotor gespeist. Zusätzlich wird der Energiespeicher
durch Energierückgewinnung
beim Bremsen (Rekuperation) aufgeladen. Über eine Steuerelektronik werden
die verschiedenen Modi gesteuert, u. a., ob dem Energiespeicher
Energie entnommen oder zugeführt
werden soll.
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Bekannte
Energiespeicherpackages beinhalten mehrere Energiespeicherzellen,
eine Steuerelektronik, Schütze,
Anschlüsse,
Strommesssensoren, Wartungstrenner etc. Die Energiespeicherzellen sind
beispielsweise runde Batteriezellen, wobei die Batteriezellen beispielsweise
Nickel-Metallhydrid-Zellen oder Lithium-Ionen-Zellen sein können. Um
die gewünschte
Gesamtspannung des Energiespeicherpackage bereitstellen zu können, ist
es i. d. R. notwendig, mehrere Batteriezellen in dem Modul anzuordnen
und entsprechend zu verschalten. Beispielsweise weist eine einzelne
Nickel-Metallhydrid-Zelle eine Nennspannung von ca. 1,2 Volt auf.
Für ein
Energiespeicherpackage mit gewünschter
Gesamtspannung von beispielsweise 202 Volt benötigt man demnach 168 Stück Nickel-Metallhydrid-Zellen, die
seriell verschaltet sind.
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Es
ist bekannt, mehrere runde Batteriezellen in einem Schweißverfahren
zu einem Modul zusammenzufügen.
Diese Module werden anschließend durch
mehrere Trägerplatten
geschoben. Die eingeschobenen Module ergeben dann mit den Trägerplatten
die Batterieeinheit. Die Montage der Module gestaltet sich schwierig,
da die Module durch mehrere, hintereinander angeordnete Löcher geschoben
werden müssen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energiespeicherpackage
bereitzustellen, das kompakt ist, eine einfache Montage erlaubt
und kostengünstig
hergestellt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Das
Energiespeicherpackage weist mehrere Energiespeicherzellen und zumindest
zwei Trägereinheiten
auf, wobei die Energiespeicherzellen zwischen zwei Trägereinheiten
angeordnet sind.
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Mehrere
Energiespeicherzellen werden zunächst,
beispielsweise durch Schweißen,
zu einer Energiespeichereinheit zusammengefügt. Im Falle von Energiespeicher-Rundzellen ergibt
sich eine stabförmige
Einheit (Batteriemodul).
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Die
Energiespeichereinheiten sollten aus Festigkeitsgründen zusätzlich gelagert
werden. Vorzugsweise weisen die Energiespeichereinheiten Fügeringe
auf. Die Fügeringe
sind in vorteilhafter Weise angespritzt. Es können alternativ auch offene
Ringe mit Schnapphakenverbindung und Filmscharnier montiert sein.
Die Fügeringe
dienen einerseits zur Stabilisierung der Energiespeichereinheiten
an den Fügestellen
der einzelnen Zellen und zur zusätzlichen
Lagerung an den Trägereinheiten.
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Vorzugsweise
weisen die Energiespeichereinheiten Verbindungsbleche mit Poka-Yoke-Elementen auf.
Die Verbindungsbleche verbinden die einzelnen Energiespeichereinheiten
untereinander. Die Verbindungsbleche sind jeweils am Ende der beispielsweise
stabförmig
ausgebildeten Energiespeichereinheit angeordnet und verbinden jeweils
den Pluspol einer Energiespeichereinheit mit dem Minuspol der nächsten Energiespeichereinheit
usw. Die in die Verbindungsbleche integrierten Poka-Yoke-Elemente
verhindern eine fehlerhafte Montage, da sie die Lage von Plus- und
Minuspolseite einer Energiespeichereinheit festlegen bzw. kennzeichnen.
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Die
Energiespeichereinheiten werden anschließend zwischen zwei Trägereinheiten
angeordnet. Dies erfolgt derart, dass die Energiespeichereinheiten
auf eine Trägereinheit
gelegt werden. Anschließend
wird eine weitere Trägereinheit
auf die Energiespeichereinheiten gelegt. Je nachdem, wie viele Energiespeichereinheiten
benötigt
werden, folgt eine weitere Trägereinheit,
weitere Energiespeichereinheiten usw. Es entsteht ein Energiespeicherpackage
mit geschichteten Energiespeichereinheiten beliebiger Anzahl. Die
Energiespeichermodule sind demnach nicht eingeschoben, sondern eingelegt, was
die Montage des Energiespeichermoduls erheblich vereinfacht.
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Vorzugsweise
sind die Trägereinheiten
als eine erste Trägereinheit
und eine zweite Trägereinheit
ausgebildet. Die erste Trägereinheit
ist ein Grundträger
und die zweite Trägereinheit
ist ein Zwischenträger.
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Der
Grundträger
bildet die äußere Trägereinheit
des Energiespeicherpackages. Es können wahlweise ein Grundträger oder
mehrere Grundträger verwendet
werden. Der Grundträger
kann ebenso als oberer Abschluss des Energiespeicherpackages verwendet
werden, wenn er um 180° gedreht
wird.
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Auf
den Grundträger
ist die erste Schicht von Energiespeichereinheiten angeordnet. Je
nachdem, wie viele Energiespeichereinheiten benötigt werden, ist nun ein Zwischenträger, ein
Grundträger
oder keine Trägereinheit
angeordnet. Werden mehrere Schichten von Energiespeichereinheiten
benötigt, werden
Zwischenträger
sowie weitere Schichten von Energiespeichereinheiten abwechselnd
angeordnet. Wird dagegen nur eine Schicht von Energiespeichereinheiten
benötigt,
wird entweder keine Trägereinheit angeordnet
oder erneut ein Grundträger,
um 180° gedreht,
angeordnet. In diesem Fall bilden die zwei Grundträger eine
Art Gehäuse
um die Energiespeichereinheiten. In dem Fall von mehreren Schichten von
Energiespeichereinheiten kann als oberer Abschluss analog entweder
keine Trägereinheit
oder ein Grundträger
um 180° gedreht
angeordnet sein.
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Die
Zwischenträger
sind zwischen zwei Schichten von Energiespeichereinheiten angeordnet und
haben die Funktion, die einzelnen Energiespeichereinheiten in einem
konstanten Abstand zueinander zu positionieren. Dieser Abstand definiert
den Lüftungsraum
zwischen den einzelnen Energiespeichereinheiten.
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Die
Energiespeichereinheiten sind derart angeordnet, dass die Energiespeichereinheiten
einer Schicht versetzt zu den Energiespeichereinheiten der nächsten Schicht
angeordnet sind. Dazu weisen die Trägereinheiten Ausformungen auf,
in die die Energiespeichereinheiten eingelegt werden. Handelt es sich
beispielsweise um Energiespeicher-Rundzellen, weist ein Zwischenträger auf
zwei gegenüberliegenden
Seiten halbkreisförmige
Ausformungen auf. Die auf beiden Seiten ausgebildeten halbkreisförmigen Ausformungen
sind versetzt angeordnet, so dass der Bauraum der Zwischenträger optimal
ausgenutzt wird. Weiterhin erlaubt die versetzte Anordnung eine niedrige
Bauraumhöhe
des Energiespeichermoduls. Die Energiespeicherzellen bzw. Energiespeichereinheiten
werden gleichmäßig gekühlt, da
die durchströmende
Luft gezwungen wird, die Zellen am gesamten Umfang zu umströmen.
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Vorzugsweise
weist der Grundträger
einen Luftführungskanal
auf. Der Luftführungskanal
ist ein Lufteintritts- bzw. Luftaustrittskanal und dient zur Kühlung der
einzelnen Energiespeichereinheiten.
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Vorzugsweise
weist der Grundträger
Befestigungs- und Führungselemente
auf. Mittels der Befestigungselemente wird das Energiespeicherpackage am
gewünschten
Platz, vorzugsweise in einem Hybridfahrzeug, befestigt.
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Vorzugsweise
weist das Energiespeicherpackage ein Spannblech auf, mit dem das
Energiespeicherpackage am Kraftfahrzeug, insbesondere am Bodenblech,
verspannt wird. Das Energiespeichermodul kann aber auch mit dem
Bodenblech verschraubt werden.
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Vorzugsweise
weist das Energiespeicherpackage ein oder mehrere Luftführungsrohre
auf. Diese Luftführungsrohre
dienen zur Umlenkung und Abkühlung
der durch die Energiespeichereinheiten aufgewärmten Luft und dienen somit
ebenso zur Kühlung der
Energiespeichereinheiten. Die Luft tritt zunächst durch den Luftführungskanal
des Grundträgers
ein und strömt
dann jeweils durch die Luftführungsrohre zum
Austritt des Luftführungskanals.
Zusätzlich strömt die Luft
im Innern des Energiespeichers an den Außenwandungen der Luftführungskanäle sowie der
Batteriemodule vom Lufteinlaßkanal
zum Luftauslaßkanal.
Die Luftführungsrohre
sind so angeordnet, dass sie den freien Bauraum, welcher durch die versetzte
Anordnung der Energiespeichereinheiten entsteht, ausfüllen. In
vorteilhafter Weise weisen Grund- und Zwischenträger Führungselemente auf, mittels
derer die Luftführungsrohre
befestigt werden. Die Luftführungsrohre
dienen dabei gleichzeitig als Verstärkungsbauteile des Energiespeicherpackages.
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Vorzugsweise
sind am Energiespeicherpackage ein oder mehrere Umreifungselemente
vorhanden. Die Umreifungselemente dienen zum Verspannen des gesamten
Energiespeicherpackages, d. h. der Energiespeichereinheiten mit
den Trägereinheiten.
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Die
entscheidenden Vorteile des Energiespeicherpackages sind, dass die
Module entsprechend der gewünschten
Anzahl von Energiespeichereinheiten variabel erweitert werden können und dass
durch das Einlegen der Energiespeichereinheiten eine einfache und
automatisierungsfähige
Montage ermöglicht
wird. Die variable Erweiterung des Packages kann zu einem dadurch
erfolgen, dass beliebig viele Schichten von Energiespeichereinheiten übereinander,
d. h. in vertikaler Richtung, mittels eingebrachter Zwischenträger angeordnet
werden können.
Zum anderen kann die Erweiterung des Packages auch dadurch erfolgen,
dass viele Energiespeicherzellen zu einer Energiespeichereinheit
zusammengefügt
werden, wodurch eine Erweiterung in horizontaler Richtung erfolgt.
Aufgrund der versetzten Anordnung der Energiespeichereinheiten kann eine
niedrigere Bauraumhöhe
erzielt werden.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten
der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle
Ausführungsbeispiele übertragbar.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherpackages;
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2 eine
Ansicht von vorn der ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Energiespeicherpackages;
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3 eine
Teilansicht von vorn der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicherpackages;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Grundträgers;
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5 eine
perspektivische Ansicht eines Zwischenträgers;
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6 eine
perspektivische Ansicht einer Energiespeichereinheit mit Fügeringen;
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7 eine
perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherpackages;
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8 eine
perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherpackages
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9 eine
Teilansicht von 8.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherpackages 1.
Mehrere Energiespeicherzellen 11 sind zu einer Energiespeichereinheit 10 zusammengefügt. Da es
sich um Energiespeicher-Rundzellen 11 handelt, ergibt sich
eine stabförmige
Energiespeichereinheit 10 (Batteriemodul).
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2 zeigt
eine Ansicht von vorn der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicherpackages 1.
Das Energiespeicherpackage 1 weist mehrere Energiespeichereinheiten 10 auf,
wobei die Energiespeichereinheiten 10 zwischen zwei Trägereinheiten 2, 3 angeordnet
sind. Dies erfolgt derart, dass die Energiespeichereinheiten 10 auf eine
Trägereinheit 2, 3 gelegt
werden. Anschließend wird
eine weitere Trägereinheit 2, 3 auf
die Energiespeichereinheiten gelegt. Je nachdem, wie viele Energiespeichereinheiten 10 benötigt werden,
folgt eine weitere Trägereinheit 2, 3,
weitere Energiespeichereinheiten 10 usw. Gut zu erkennen
ist, dass ein Energiespeicherpackage 1 mit geschichteten
Energiespeichereinheiten 10 beliebiger Anzahl entsteht.
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Die
Trägereinheiten 2, 3 sind
als Grundträger 2 und
Zwischenträger 3 ausgebildet.
Der Grundträger 2 bildet
die äußere Trägereinheit
des Energiespeicherpackages 1. Es können wahlweise ein Grundträger 2 oder
mehrere Grundträger 2 verwendet
werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 2 sind zwei Grundträger 2 angeordnet.
Die zwei Grundträger 2 sind
als unterer und oberer Abschluss des Energiespeicherpackages 1 angeordnet.
Der obere Grundträger
wird um 180° gedreht
und dient somit als oberer Abschluss.
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Auf
den unteren Grundträger 2 ist
die erste Schicht von Energiespeichereinheiten 10 angeordnet.
Anschließend
folgt ein Zwischenträger 3,
eine zweite Schicht von Energiespeichereinheiten 10, ein weiterer
Zwischenträger 3,
eine dritte Schicht von Energiespeichereinheiten 10, ein
weiterer Zwischenträger 3,
eine vierte Schicht von Energiespeichereinheiten 10 und
als oberer Abschluss ein Grundträger 2. Dieses
Energiespeicherpackage kann beliebig um weitere Schichten von Energiespeichereinheiten 10 mit
entsprechender Anzahl von Zwischen- bzw. Grundträgern 2, 3 erweitert
werden. Gut zu erkenne ist, dass die Zwischenträger 3 die Funktion
erfüllen, die
einzelnen Energiespeichereinheiten 10 in einem konstanten
Abstand zueinander zu positionieren. Dieser Abstand definiert den
Lüftungsraum
zwischen den einzelnen Energiespeichereinheiten 10.
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Der
Grundträger 2 weist
einen Luftführungskanal 4 auf.
Der Luftführungskanal 4 ist
ein Lufteintritts- bzw. Luftaustrittskanal und dient zur Kühlung der
einzelnen Energiespeichereinheiten 10. Die Luft tritt beispielsweise
in den Luftführungskanal 4 des unteren
Grundträgers 2 ein
und aus dem Luftführungskanal 4 des
oberen Grundträgers 2 aus.
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Weiterhin
weist der Grundträger 2 Befestigungselemente 7 auf.
Mittels der Befestigungselemente 8 wird das Energiespeicherpackage 1 am
gewünschten
Platz, vorzugsweise in einem Hybridfahrzeug, befestigt.
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Das
Energiespeicherpackage 1 weist ferner ein Befestigungsblech 9,
beispielsweise ein Spannblech, auf, mit dem das Energiespeicherpackage 1 am
Kraftfahrzeug, insbesondere am Bodenblech, verspannt wird. Das Energiespeicherpackage 1 kann aber
auch mit dem Bodenblech verschraubt werden.
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Am
Energiespeicherpackage 1 sind ein oder mehrere Luftführungsrohre 5 angeordnet.
Diese Luftführungsrohre 5 dienen
zur Umlenkung und Abkühlung
der durch die Energiespeichereinheiten 10 aufgewärmten Luft
und dienen somit ebenso zur Kühlung
der Energiespeichereinheiten 10. Die Luft tritt zunächst durch
den Luftführungskanal 4 des
Grundträgers
ein und strömt
dann jeweils durch die Luftführungsrohre 5 zum
Austritt des Luftführungskanals 4. Die
Luftführungsrohre 5 sind
so angeordnet, dass sie den freien Bauraum, welcher durch die versetzte
Anordnung der Energiespeichereinheiten 10 entsteht, ausfüllen. Mittels
Führungselemente 8 sind
die Luftführungsrohre 5 befestigt.
Die Luftführungsrohre 5 dienen
dabei gleichzeitig als Verstärkungsbauteile des
Energiespeicherpackages 1.
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Zusätzlich strömt die Luft
im Innern des Energiespeichers an den Außenwandungen der Luftführungskanäle sowie
der Batteriemodule vom Lufteinlaßkanal zum Luftauslaßkanal.
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Die
Umreifungselemente 6 dienen zum Verspannen des gesamten
Energiespeicherpackages 1, d. h. der Energiespeichereinheiten 10 mit
den Trägereinheiten 2, 3.
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3 zeigt
eine Teilansicht von vorn der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicherpackages 1.
In 3 ist gut zu sehen, dass die Energiespeichereinheiten 10,
bestehend aus mehreren Energiespeicherzellen 11, versetzt
angeordnet sind. Die erste Schicht 18 ist versetzt zur zweiten
Schicht 19 angeordnet. Die Trägereinheiten 2, 3 weisen
Ausformungen 20 auf, in die die Energiespeichereinheiten 10 eingelegt
werden. Handelt es sich beispielsweise um Energiespeicher-Rundzellen, weist
der Zwischenträger 3 auf
zwei gegenüberliegenden
Seiten die halbkreisförmigen
Ausformungen 20 auf. Die auf beiden Seiten ausgebildeten
halbkreisförmigen
Ausformungen 20 sind versetzt angeordnet, so dass der Bauraum
des Zwischenträgers 3 optimal
ausgenutzt wird. Weiterhin erlaubt die versetzte Anordnung eine
niedrige Bauraumhöhe
des Energiespeicherpackages 1. Die Energiespeicherzellen 11 bzw.
Energiespeichereinheiten 10 werden gleichmäßig gekühlt, da
die durchströmende
Luft gezwungen wird, die Zellen 11 am gesamten Umfang zu umströmen.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Grundträgers 2.
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5 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Zwischenträgers 3.
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6 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Energiespeichereinheit 10 mit
Fügeringen 12. Mehrere
Energiespeicherzellen 11 sind zu einer stabförmigen Energiespeichereinheit 10 (Modul)
zusammengefügt.
Die Energiespeichereinheit 10 sollte aus Festigkeitsgründen zusätzlich gelagert
werden. Dazu sind die Fügeringe 12 angeordnet.
Die Fügeringe 12 dienen
einerseits zur Stabilisierung der Energiespeichereinheit 10 an
den Fügestellen
der einzelnen Zellen 11 und zur zusätzlichen Lagerung an den nicht gezeigten
Trägereinheiten 2, 3.
Weiterhin sind Pluspolseite 13 und Minuspolseite 14 gezeigt.
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7 und 8 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer zweiten bzw. einer dritten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Energiespeicherpackages 1.
Mit den Umreifungselementen 6 werden die nicht zu erkennenden
Trägereinheiten 2, 3 mit den
Energiespeichereinheiten 10 fest verbunden, beispielsweise
verspannt. In 8 sind die Befestigungsbleche 9 dargestellt,
mittels derer eine Befestigung des Energiespeicherpackages 1 im
Kraftfahrzeug möglich
ist.
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In 9 ist
eine Teilansicht von 8 dargestellt. Die Energiespeichereinheiten 10 weisen
Verbindungsbleche 15 mit Poka-Yoke-Elementen 16 sowie
der Kröpfung 17 auf.
Die Verbindungsbleche 15 verbinden die einzelnen Energiespeichereinheiten 10 untereinander.
Die Verbindungsbleche 15 sind jeweils am Ende der stabförmig ausgebildeten
Energiespeichereinheit 10 angeordnet und verbinden jeweils
den Pluspol 13 einer Energiespeichereinheit 10 mit
dem Minuspol 14 der nächsten
Energiespeichereinheit 10 usw. Die in die Verbindungsbleche 15 integrierten
Poka-Yoke-Elemente 16 verhindern
eine fehlerhafte Montage, da sie die Lage von Plus- und Minuspolseite 13, 14 einer
Energiespeichereinheit 10 festlegen bzw. kennzeichnen.
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- 1
- Energiespeicherpackage
- 2
- Grundträger
- 3
- Zwischenträger
- 4
- Luftführungskanal
- 5
- Luftführungsrohr
- 6
- Umreifungselement
- 7
- Befestigungselement
- 8
- Führungselement
- 9
- Befestigungsblech
- 10
- Energiespeichereinheit
- 11
- Energiespeicherzelle
- 12
- Fügering
- 13
- Pluspolseite
- 14
- Minuspolseite
- 15
- Verbindungsblech
- 16
- Poka-Yoke-Element
- 17
- Kröpfung
- 18
- erste
Schicht von Energiespeichereinheiten
- 19
- zweite
Schicht von Energiespeichereinheiten
- 20
- Ausformungen